第三章低温绝热技术.ppt
《第三章低温绝热技术.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《第三章低温绝热技术.ppt(133页珍藏版)》请在三一办公上搜索。
1、第三章、低温绝热技术,一、低温绝热机理,“绝热”并不是完全的热隔绝,只是把热量传递(导热,对流和辐射)减少到尽可能低的程度。,自然对流的防止稀薄气体导热固体导热减少辐射热的防止(非灰色,非平衡,临近效应),1.1自然对流传热,自然对流不同于强迫对流,它是由流体的彻体力(bodyforces)引起的,在重力场中,彻体力一般是重力。在低温绝热结构中,只要采取抽真空的措施,自然对流就可被防止,而使气体呈纯粹气体导热的状态。重力引起的自然对流传热一般用Gr(格拉晓夫数)表征。,绝热空间大多为有限空间,对于有限空间的流体,只要GrmPrm103,则Num=(GrmPrm)m=1,即自然对流传热可以完全防
2、止,呈现为纯粹气体导热的状态。由于绝热空间中的气体(空气、氮气、氦气等)的Pr均为0.7左右,故可以认为Gr103是防止自然对流传热的充分条件。,在低温绝热中,只要采用抽真空的措施,就能防止自然对流传热,而使气体呈纯导热的状态。因此,在真空型的绝热结构中,最主要的工作是如何防止与减少辐射传热和剩余气体的导热。,1.2 稀薄气体的导热,气体的热传导主要由分子的移动及相互碰撞面产生,因此,与它的流态有很大的关系。常以克努森(Knudsen)数来表征:,绝热空间夹层中气体的导热系数不仅随气体的种类而异,而且还和气体的状态参数有关,即与气体分子的平均自由程有关。,不同种类的气体,即使在相同的状态参数下
3、,其平均自由程也是不同的。相对分子质量M小的,平均自由程大。同一种气体,平均自由程l随着压强P的减小和温度了的提高而增大。,由传热学可知,气体分子间的传热是由分子的移动和相互间的碰撞而产生的。在连续介质状态,持征尺度L100l,即Ll。因此,在其传输过程中,分子之间相互碰撞的几率远远超过气体分子与壁面间的碰撞几率。此时气体的热导率决定于气体分子间的能量交换。,随着气体分子平均自由程的增大,传热情况会发生很大的改变如当lL时,则呈自由分子状态。在传输过程中,气体分子之间相互碰撞的几率远远低于气体分子与器壁碰撞的几率,此时,热导率不再决定于气体分子间的能量交换,而是决定于气体分子与壁面的能量交换情
4、况。,从连续介质状态到自由分子流状态,其过程是连续变化的,但对真空低温绝热来说,则是分子流状态下的导热情况。因为采用抽高真空的方法很容易使绝热空间的气体达到自由分子状态。,1.3 低温下固体的导热,固体导热存在两种机理,即传导电于(亦称电子气)的迁移和品格的热振动(又称声子导热)。不同材料在不同温度下,这两种机理对导热的贡献是不相同的。,金属的导热 对于非合金的金属导体(主要是指纯金属),其导热几乎全部由传导电子的迁移承担。非金属的导热 非金属导热主要依赖于晶格的热振动,即声子。合金的导热 合金中、既有传导电子导热,又有声子导热。,固体导热量的计算 低温工程中,固体构件的温差一般都很大,加上低
5、温下,材料的热导率又是温度的复杂函数,所以在工程上常采用两种方法计算固体导热量:,1.4 低温下的辐射传热,减少辐射传热是低温绝热技术中的主要内容之一,低温相对传热问题不仅归结为界面上的发射与吸收,而且还涉及到绝热空间介质的物性。在低温下,热辐射本身就有其特点,再加上绝热空间的介质不同,更加使得辐射传热的分析复杂化。,热辐射是因温度引起、以电磁波辐射方式向外发射能量的传热形式。不论物体温度高低都存在热辐射,只是能量大小不同而已。辐射出的能量与热力学温度的四次方成正比,所以住高温条件下热辐射成为传热的重要形式。,从量子力学的观点看,辐射能是由光子传输的。,辐射传热基本定律:,1普朗克定律和维恩定
6、律,2斯蒂芬玻耳兹曼(StefanBoltzman)定律,3基尔霍夫定律,4朗伯定律,低温下辐射传热的效应:,在低温下,根据维恩分布定律,热辐射的波长变长,发射率随温度变化加剧,加上温差比值大、许多传热过程为非平衡过程因此,产生了低温下的辐射传热问题:,非灰色效应,在高温、常温区域,上两式差别不大,但在低温区域,由于考虑了电场的空间变化对自由电子运动的影响,特别是电子的平均自由程增加到与辐射场的穿透厚度相当时两式的差别就很大了。这种由于温度降低和两层间的温度差变大而使两式差别变大的情况,称为非灰色效应。,非平衡效应 辐射传热基于基尔霍夫定律推导出来的。然而,基尔霍夫定律仅在热平衡的条件下才成立
7、。在低温下,辐射传热的温差一般比较大。研究表明,在大温度比下,发射率与吸收比之比偏离1,这就会使得基尔霍夫定律不成立,而两平板间辐射传热的一般计算都是基于基尔霍夫定律的,由此而产生的误差称为非平衡效应,邻近效应 在很窄的真空空间内插入两片平行的平板,如果间隙很窄,片与片之间就会出现像隧道效应那样的传热流。它与间隙之中多次反射的射线受波干涉的效应一样,所以称为邻近效应。,低温下材料的辐射性质:,电介质的辐射性质金属的辐射性质(哈根鲁宾关系)金属薄膜的辐射性质深冷霜的辐射性质(一般对CO2和水的霜进行研究),1.5 分散介质中的传热,绝热材料大多是分散介质。在分散介质中传热的机理十分复杂,许多著作
8、对它进行过理论与实验研究,在分散介质中的热交换一般按下列方式进行:1)单个微粒材料固体骨架之间的热传导;2)相邻微粒之间在接触处的接触导热;3)粒子气孔中的气体导热 4)帖子间隙间的气体对流传热;5)粒子之间的辐射传热。,分散介质中气体与固体的热传导分散介质中的接触传热粒子气孔中的气体导热粒子间隙间的气体对流传热分散介质中的辐射传热,二、低温绝热类型,低温绝热的目的是采用各种不同的绝热类型与结构,将通过对流、传导和辐射等途径传递给低温体系的热量减少到尽可能低的程度,以维持低温系统正常工作。,低温绝热一般分成非真空绝热和真空绝热两大类型。非真空绝热也称普通堆积绝热,即需要绝热的表面上装填或包覆一
9、定厚度的绝热材料,以达到绝热的目的。而真空绝热系在绝热空间保持一定的真空度的一种绝热型式。真空绝热又分成高真空绝热、真空多孔绝热(含微球绝热)、高真空多层绝热和多屏绝热等几种类型。,(1)堆积绝热;(2)高真空绝热;(3)真空粉末(或纤维)绝热;(4)高真空多层绝热;(5)高真空多屏绝热。,2.1普通堆积绝热,指在低温装置维护的内侧、或低温设备、管道的外侧,敷设固体的多孔性绝热材料。绝热材料的孔隙中充满大气压力的空气或其他低温气体(氮气、氢气、氦气等)。,结构简单、造价低廉。,常用的堆积绝热材料有固体泡沫型、粉末型及纤维型等。普通堆积绝热中的热传导主要足指固体传导和气体传导。它们的热流量约占这
10、类绝热结构中总热流量的90左右。,为了减少固体导热,普通堆积绝热应尽可能选用密度小的绝热材料,如常用的膨胀珍珠岩(又名珠光砂)、气凝胶、超细玻璃棉、聚苯乙烯、泡沫塑料等。为了防止绝热材料空间的气体冷凝或固化,从而使绝热性能恶化,可在堆积绝热材料的孔隙中充填冷凝温度低于冷表面温度的气体,同时这种气体本身的热导率要尽可能小。一般,冷表面温度在77K以上的充填氮气,在77K以下的充填氩气,氩气的热导率比氮气还小,且冷凝温度低,但这种气体的价格偏高。,a.泡沫型,绝热材料(如泡沫聚氨脂、泡沫聚苯乙烯、泡沫玻璃、橡胶等)为非均质材料,其导热率主要取决于其密度以及发泡气体,此外还有绝热层的平均温度。,优点
11、:成本低,有一定的机械强度,不需真空罩 缺点:热膨胀率大,热导率会随时间变化。,b.粉末或纤维型绝热,材料:膨胀珍珠岩,玻璃纤维 主要缺点是水蒸汽和空气能通过绝热层渗入到冷表面,需设置蒸汽阻挡层(防潮层)。,优点:成本低,易用于不规则形状,不会燃烧 缺点:需防潮层,粉末沉降易造成热导率增大,普通堆积绝热结构形式:1)单壁绝热 单壁结构是将被绝热的设备用钢板焊成的外壳包容起来,再向外壳中充填珠光砂或矿棉等绝热材料。为了防潮,对于小型装置要求外壳焊接处的气密性好,使之在室温下没有气体混入,从而避免绝热层吸湿导致绝热性能下降;而对于大型装置,可以从换热器出口处引出少量干燥氮气通入绝热空间中,使绝热层
12、保持正压从而阻止潮湿空气渗入壳体。单壁绝热使装置的热容量增大,预冷周期增长。在进行检修时,需要卸出大量的绝热材料使工程复杂化并增加检修费用。,2)双壁绝热 大型装置中大多采用双壁绝热结构。双壁绝热结构的持点是将主要的低温设备安装在内壳体(亦称冷箱)中;施行热绝缘,然后在冷箱与外壳之间的空间内充填绝热材料。绝热层的厚度一般为500600mm。与单避绝热结构相比双壁绝热结构的质量可减轻一倍左右,预冷周期也可以大大地降低。,2.2 高真空绝热,高真空绝热亦称单纯真空绝热。一般要求在绝热空间保持1.33mPa以下压强的真空度,这样就可以消除气体的对流传热和绝大部分的残余气体导热,以达到良好的绝热效果。
13、英国科学家杜瓦(Dewer)于1898年发明了这种绝热型式,因而像这种双壁夹层保持高真空的低温管道和容器人们习惯上称为杜瓦管和杜瓦瓶。,在这类绝热结构中,漏入低温区的热量主要是辐射热,其次是小量的剩余气体导热以及固体构件的导热。,为了减少辐射传热高真空的壁面可采用低发射率的材料制作,或在材料表面涂低发射率的材料,并在表面进行清洁与光洁处理,尽可能地降低材料表面的发射率。必须尽可能减少残余气体的导热。残余气体的导热流与气体种类、压力、温度等因素合关。当环境条件一定、气体种类一定时,残余气体热导率主要正比于真空度。为了保持高真空绝热空间具有较低的压强(即较高的真空度),常采用放置吸气剂的方法。,单
14、纯的高真空绝热具有结构简单、紧凑、热容量小,制造方便等优点。对于实验次数频繁、要求降温和复温快的实验装置也常采用这种高真空绝热型式。但是,由于高真空绝热空间高真空度的获得与保持比较困难,一般在大型装置中很少应用。,2.3 真空粉末(或纤维)绝热,真空多孔绝热是在绝热空间充填多孔性绝热材料(粉末或纤维),再将绝热空间抽至一定真空度的一种绝热型式。在前面的分析中可以看出,只要在不高的真空度下(约10Pa),就可以消除多孔介质间的气体对流传热,从而大大减小高真空获得与保持的困难。,粉末和纤维等多孔绝热材料的热导率与低温下气体的热导率接近。实际上,在这些材料颗粒的微孔中和颗粒间的空隙中,气体的导热是主
15、要的传热途径。为此,将绝热空间中的气体抽走,是减少这类绝热结构漏热的主要途径。由于这类绝热的热导率只有堆积绝热的几十分之一,且真空度要求不同,内部压力约为1l0Pa左右,故在低温技术中得到大量的应用。,气体压力对真空粉末(珠光砂)绝热性能的影响。残余气体为氮气,随着夹层真空度的提高,其热导率下降。,由图可见,存在一个最佳密度。密度小于150200kg/m3时,入值随密度的增加而减小,但当密度进一步增加后反而导致有效热导率入增加。这是由于密度的增加虽然降低丁辐射传热,但固体导热却增大了的缘故。,真空粉末中掺入铜或铝片(包括颗粒)可有效地抑制辐射热,该类绝热被称为 真空阻光剂粉末绝热,在室温和液氮
16、温区内真空粉末绝热性能优于单纯的高真空绝热。,密度(,0.95,1.90,1.60,0.59,1.20,1.70,真空粉末(或纤维)绝热的表观热导率,冷热二侧温度分别为77K和300K,残余气体压力小于0.1Pa。,优点:不需要太高的真空度,易于对形状复杂 的表面绝热,缺点:震动负荷和反复热循环后易沉降压实,2.4 高真空多层绝热,多层绝热又称高真空多层绝热,它是一种在绝热空间中安置许多层平行于冷壁的辐射屏来大幅度减少辐射热而达到高效绝热之目的一种绝热结构。为目前绝热效果最好的一种绝热型式,故称为超级绝热。,辐射屏的安置有两种类型:一种是平膜辐射屏之间用低热导率的间隔材料隔开。平膜辐射屏可以是
17、铝箔或双面(或单面)喷铝的涤纶薄膜;另一种是将辐射屏做成波纹状或凹凸形直接叠置在一起。最常用的辐射屏材料有各种金属箔,特别是价廉而轻便的铝箔和喷铝涤纶薄膜,而常用的间隔材料有玻璃纤维布、尼龙网、纤维纸、丝绸等。,多层绝热中的传热比较复杂,影响其性能的因素较多,主要有下面几个方面;,1)多层材料的种类及其组合方式2)真空度,3)层密度,4)多层厚度;5)温度;6)机械负荷及其他因素。,典型真空多层绝热与残余气体压力的关系绝热层密度24层/cm,冷热边界分别为77K和300K,2.5高真空多屏绝热,多屏绝热是一种多层防辐射屏与蒸汽冷却屏相结合的绝热结构。用不多的金属屏与冷蒸发气体逸出管相连接,利用
18、冷蒸气吸收的显热来冷却辐射屏、降低热屏的温度,抑制辐射热流,提高绝热效果。这些为数不多的金属屏蔽层,既是多层绝热的防辐射屏,又可作为蒸汽冷却屏,而且还有助于消除多层绝热的纵向导热(沿传导屏的导热)。因此,多屏绝热是多层绝热的一大改进。,蒸汽冷却屏低温储存容器,绝热原理:挥发的蒸汽可以带走一部分传入的热量,其效果取决于挥发气体的显热与潜热之比,优点:绝热性能最优,缺点:结构复杂,成本较高,三、低温绝热材料,3.1 绝热材料分类,按材质可以分成有机绝热材料、无机绝热材料和金属绝热材料三大类。按形态可分成多孔状绝热材料、纤维状绝热材料、粉末状绝热材料和层状绝热材料四种。按结构可分成固体基质连续而气孔
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 第三 低温 绝热 技术
链接地址:https://www.31ppt.com/p-2673456.html