КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИЯ СОСУДОВ

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Введение 2

2. Классификация тепловой изоляции сосудов 4

3. Гелиевый сосуд Дьюара 6

4. Список используемой литературы 9

5. Приложение (о современных сосудах Дьюара для хранения гелия) 10

 

ВВЕДЕНИЕ

Сосуд Дьюара — техническое устройство, ёмкость предназначенная для длительного хранения веществ при повышенной или пониженной температуре.

Перед помещением в сосуд Дьюара вещество необходимо нагреть или охладить. Постоянная температура поддерживается пассивными методами, за счет хорошей теплоизоляции и/или процессов в хранимом веществе (например, кипение). В этом основное отличие сосуда Дьюара от термостатов, криостатов.

Применение сосудов Дьюара в различных отраслях

Область применения сосудов различная, но в последние годы его можно чаще всего увидеть в области криогенной техники, медицины. Сосуд применяется, как правило для хранения сжиженных криогенных продуктов. В отличии от криостатов, которые служат для эксперимента различных образцов, сосуды Дьюара служат, только для хранения и транспортировании криогенного продукта. За последние десятилетия различные институты РАН Российской Федерации проводят новые эксперименты с низкими температурами. Часто можно встретить эти сосуды в таких университетах, как:

- Институт РАН высокомолекулярных соединений в г. Санкт-Петербурге;

- Университет ИТМО в г. Санкт-Петербурге.

В последнее время наука развивается в нанаоиндустрию в связи с эти большое значение по применению сосудов получили в таких отраслях науки, как:

- научные исследования наноструктур при низких температурах;

- медицинские исследования различных образцов ДНК.

Этим область применения данного технического средства не ограниченно. В эпоху социализма в СССР развивалось космическое направление страны. В шаг за этим развивались и низкотемпературные технологии. Сосуды Дьюара используются так же:

· Для сохранения температуры еды и напитков используются бытовые сосуды

· Дьюара — термосы.

· В лабораториях и в промышленности сосуд Дьюара используется для хранения криожидкостей, чаще всего жидкого азота, и других сжиженных криогенны продуктах.

· В медицине и ветеринарии специальные сосуды Дьюара используются для длительного хранения биологических материалов при низких температурах.

· В геофизике в сосуды Дьюара помещают электронные компоненты и кристаллы при работах в горячих скважинах (от 400К).

 

КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИЯ СОСУДОВ

Тепловая защита от теплопритоков необходима для низко­температурной аппаратуры, емкостей с сжиженными газами, низ­котемпературных коммуникаций и других криогенных систем. Для этой цели, как правило, применяют вакуумную теплоизоляцию различных типов, которая отличается значительно лучшими характеристиками, чем обычные виды изоляции. Необходимость в высококачественной теплоизоляции вызвана тем, что с пониже­нием температуры теплопритоки из окружающей среды возрастают, а их отрицательное влияние резко увеличивается. Кроме того, у таких веществ, как водород и особенно гелий, теплота парообра­зования низка, это приводит к интенсивному испарению боль­ших количеств жидкости от теплопритоков.

Приток тепла из окружающей среды происходит как через теплоизолирующее пространство, так и через подвески, опоры, трубопроводы — тепловые «мосты». Задача конструктора крио­генного оборудования заключается в сведению к минимуму тепло­притоков; нередко без успешного решения этого вопроса нельзя создать те или иные типы криогенных систем. Работы Д. Дьюара, создавшего в 1892 г. теплоизолированный сосуд с вакуумным про­странством между двойными стенками, положили начало созда­нию высокоэффективной теплоизоляции.

Концепция Дьюара до сих пор широко используются при раз­работке современной теплоизоляции. В последнее десятилетие найдены новые теплоизолирующие материалы, усовершенство­вана порошково-вакуумная, создана экранно-вакуумная изоляция.

Благодаря этим достижениям значительно возросли масштабы и области применения криогенной техники. Обычно применяют следующие виды вакуумной теплоизоляции: высоковакуумную, порошково-вакуумную и многослойно-вакуумную.

 

Высоковакуумная теплоизоляция. Создание высокого вакуума 1-10^-5—1-10 ^-4 в мм pm. cm. в теплоизолирующем пространстве практически исключает перенос тепла из-за теплопроводности и конвекции газа. Лучистый теплоприток может быть существенно уменьшен принятием специальных мер; таким образом, обеспе­чивается высокая эффективность этого вида теплоизоляции.

 

Порошково-вакуумная теплоизоляция. Механизм передачи тепла через изоляционное пространство, заполненное порошкооб­разным материалом, определяется тремя составляющими: тепло­проводностью газа, теплопроводностью твердых частиц, излуче­нием. Перенос тепла газом можно практически исключить, со­здав вакуум в пустотах между частицами. Перенос тепла через твердые частицы излучением сравнительно невелик; поэтому теплопроводность такой изоляции примерно в 10 раз ниже, чем обычной (без вакуума).

Многослойно-вакуумная теплоизоляция. Идея многократного экранирования была принята в качестве основного принципа при разработке многослойной изоляции. Эта изоляция состоит из че­редующихся слоев материалов с высокой отражательной способ­ностью и малой теплопроводностью. В качестве таких материалов чаще всего применяют алюминиевую фольгу и стеклоткань. При снижении давления в теплоизолирующем пространстве до 10 ^-3 — 10 ^-4 мм pm. cm. перенос тепла газом резко уменьшается, ос­тается лишь излучение и контактная теплопроводность слоистого материала. Условная теплопроводность многослойной изоляции А зависит от давления. Величина условной теплопровод­ности снижается примерно в 10 раз по сравнению с вакуумно-по­рошковой и в 100 раз по сравнению с обычной насыпной теплоизо­ляцией.

 

Конструктивные формы теплоизолирующих поверхностей. Существует ряд способов размещения теплоизоляции внутри кор­пуса низкотемпературного блока. Корпусы ожижителей, криоста­тов и многих других криогенных систем чаще всего выполняются в виде цилиндра с полусферическим днищем.

 

 

ГЕЛИЕВЫЙ СОСУД ДЬЮАРА

В низкотемпературной технике широко используются различ­ные типы емкостей для хранения и транспортировки криогенных жидкостей. Объем небольших емкостей — от одного до несколь­ких десятков литров; объем крупных сосудов — сотни тысяч литров. Известные трудности, возникающие при хранении и об­ращении с криогенными жидкостями, в первую очередь вызваны их малой теплотой испарения. Следствием этого является интен­сивное испарение этих жидкостей даже при малых теплопритоках. Поэтому высококачественная теплоизоляция является не­пременным условием длительного и надежного хранения криоген­ных жидкостей.

Рис. 1. Сосуд Дьюара с экраном, охлаждаемым жидким азотом:

1 —жидкий Не или Н₂; 2 — жидкий N₂; 3 — камера высокого вакуума; 4 — ад­сорбент:
5 — горловина

Классическим типом сосуда для хранения неболь­ших количеств таких жидкостей, как гелий, водород и неон, яв­ляется сосуд Дьюара с экраном, охлаждаемым жидким азотом (рис. 1,2). Криогенная жидкость хранится во внутреннем сосуде 1, окруженном полостью с высоким вакуумом. Пространство между вакуумными полостями 3 заполнено жидким азотом. Поверхности, обращенные в вакуумное пространство, должны иметь малую степень черноты Е. Для поддержания высокого вакуума в этих полостях помещен адсорбент. Горловина внутреннего сосуда пре­дставляет собой тонкостенную трубку из материала с малой тепло­проводностью (нержавеющая сталь, монель). Теплоприток к кри­огенной жидкости подсчитывается по методике, приведенной в [1]. Лучистый теплоприток пропорционален четвертой степени температуры, поэтому применение охлаждаемого азотом экрана при хранении гелия уменьшает этот теплоприток примерно в 220 раз.

Рис. 2. Сосуд для жидкого ге­лия с многослойно-вакуумной теплоизоляцией и экраном, охлаждаемый паром:

1- сосуд с жидким гелием; 2 - экран; 3 - горловина; 4 - змеевик; 5 - изоляция; 6 - линия выхода пара в змеевик; 7 - корпус сосуда.

Потери на испарение жидкости в таких сосудах малы и соста­вляют около 1 % в сутки. Суточный расход азота составляет 2— 4 л, в зависимости от емкости сосуда.

Применение многослойно-вакуумной теплоизоляции позволяет обойтись без охлаждаемого азотом экрана. Если же применить охлаждаемый выходящими парами экран, то качество изоляции такого сосуда еще более улучшаются. Рассмотрим устройство сосуда Дьюара с многослойно-вакуумной изоляцией емкостью 25 л, для гелия (рис. 2). Медный экран 2 крепится к горловине сосуда 2. Экран охлаждается парами гелия, проходящими по зме­евику 4; змеевик припаян к экрану по его поверхности.

Специальная пробка позволяет направлять пары из горловины в змеевик. Потери на испарение в этом сосуде составляют 2,8% в сутки, что можно считать удовлетворительным. При расчете теплопритоков к жидкости в сосудах с экраном, охлаждаемым парами, необхо­димо знать температуру экрана Тэ. Для любого вида теплоизоля­ции эту температуру можно вычислить из системы уравнений, аналогичной формулам по методике приведённой в [1].

Большие емкости, которые применяются главным образом для жидкого водорода, чаще всего имеют вакуумно-порошковую теплоизоляцию; иногда используют также и многослойно-вакуумную. Например, крупное хранилище емкостью 340 м3 имеет внутренний сосуд диаметром 10,7 м из алюминия. Наружный кожух изготовлен из углеродистой стали, расстояние между внутренним и наруж­ным сосудами (по изоляционному пространству) составляет 750 мм, потери на испарение 0,13% в сутки. Внутренние сосуды изгото­вляют также из нержавеющей стали и титана. Применение многослойной - вакуумной и порошково-вакуумной теплоизоляции, позволяет снизить потери до 0,2—1,0% в сутки.

Рис 3. Переливное устройство для жидкого гелия

1 — гелиевая трубка; 2— вакуумная оболочка; 3— регулирующий вентиль; 4 — труба для азота;
5—6 —трубки входа и выхода гелия

Передача криогенных жидкостей по трубам. Криогенные тру­бопроводы служат для передачи криогенной жидкости из ожижи­теля в емкость для хранения, а также из емкости к потребителю. Криогенные трубопроводы снабжаются высококачественной ва­куумной теплоизоляцией, что уменьшает испаряемость жидкости (рис. 3). Необходимый напор создается благодаря избыточному давлению в емкости или насосом.

Весьма ответственным является начальный — нестационарный режим работы, связанный с охлаждением трубопровода. В этот период испаряется значительное количество жидкости, образуются большие объемы газа, затрудняющие движение потока. Это суще­ственно увеличивает время охлаждения длинных трубопроводов.

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Архаров А.М., Архаров И.А., Беляков В.П. и др. Криогенные системы. В 2 т. Т. 2. Основы проектирования аппаратов, установок и систем. – 2-е издание переработанное и дополненное. – М.: Машиностроение, 1999. – 719 с.

2. Микулин Е. И. Криогенная техника. – М.: Машиностроение, 1969. – 216 с.