第三章低温绝热技术

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1、第三章、低温绝热技术第三章、低温绝热技术一、一、 低温绝热机理低温绝热机理 “绝热绝热”并不是完全的热隔绝，只是把热量传递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。（导热，对流和辐射）减少到尽可能低的程度。 自然对流的防止自然对流的防止稀薄气体导热稀薄气体导热固体导热减少固体导热减少辐射热的防止（非灰色，非平衡，临近效应）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传热 自然对流不同于强迫对流，它是由流体的自然对流不同于强迫对流，它是由流体的彻体力（彻体力（bodyforces）引起的，在重力场中，）引起的，在重力场中，彻体力一般是重力。

2、彻体力一般是重力。在低温绝热结构中，只要在低温绝热结构中，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。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重力引起的自然对流传热一般用Gr（格拉（格拉晓夫数）表征。晓夫数）表征。 绝热空间大多为有限空间，对于有限空间绝热空间大多为有限空间，对于有限空间的流体，只要的流体，只要GrmPrm103， 则则Num=(GrmPrm) m=1,即自然对流传热可以完全即自然对流传热可以完全防止，呈现为纯粹气体导热的状态。防止，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

3、、氦由于绝热空间中的气体（空气、氮气、氦气等）的气等）的Pr均为均为0.7左右，故可以认为左右，故可以认为Grl。因。因此，在其传输过程中，分子之间相互碰撞的几率远远超此，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。过气体分子与壁面间的碰撞几率。此时气体的热导率决此时气体的热导率决定于气体分子间的能量交换。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很大的改变如当lL时，则呈自由分子状态。在传输过时，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程中，

4、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，与器壁碰撞的几率，此时，热导率不再决定于气体分子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间的能量交换，而是决定于气体分子与壁面的能量交换情况。换情况。 从连续介质状态到自由分子流状态，其过程是连从连续介质状态到自由分子流状态，其过程是连续变化的，但对续变化的，但对真空低温绝热来说，则是分子流状态下真空低温绝热来说，则是分子流状态下的导热情况的导热情况。因为采用抽高真空的方法很容易使绝热空。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。间的气体达到自由分子状态。1.3 低温下固体的导热

5、低温下固体的导热 固体导热存在两种机理，即传导电于固体导热存在两种机理，即传导电于(亦称电子气亦称电子气)的的迁移和品格的热振动迁移和品格的热振动(又称声子导热又称声子导热)。不同材料在不同温。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。度下，这两种机理对导热的贡献是不相同的。金属的导热金属的导热 对于非合金的金属导体对于非合金的金属导体(主要是指纯金属主要是指纯金属)，其导热，其导热几乎全部由传导电子的迁移承担。几乎全部由传导电子的迁移承担。非金属的导热非金属的导热 非金属导热主要依赖于晶格的热振动，即声子。非金属导热主要依赖于晶格的热振动，即声子。合金的导热合金的导热 合金中、

6、既有传导电子导热，又有声子导热。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，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。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，再加上绝热空在低温下，热辐射本身就有其特点，再加上

7、绝热空间的介质不同，更加使得辐射传热的分析复杂化。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：辐射传热基本定律： 1普朗克定律和维恩定律 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：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

8、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：u非灰色效应 在高温、常温区域，上两式差别不大，但在高温、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，称为使两式差别变大的情况，称为非灰色效应。非灰色效应。u非平衡效应 辐射传热基于基尔霍夫定律

9、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。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，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称为非平衡效应非平衡效应u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。它很窄，片与片之间就会出现像隧道

10、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，所以称为为邻近效应邻近效应。低温下材料的辐射性质：低温下材料的辐射性质：电介质的辐射性质电介质的辐射性质金属的辐射性质（哈根金属的辐射性质（哈根鲁宾关系）鲁宾关系）金属薄膜的辐射性质金属薄膜的辐射性质深冷霜的辐射性质（一般对深冷霜的辐射性质（一般对CO2和水的霜进行研和水的霜进行研究）究）1.5 分散介质中的传热分散介质中的传热 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

11、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气体与固体的热传导分散介质中的接触传热分散介质中的接触传热粒子气孔中的气体导热粒子气孔中的气体导热粒子间隙间的气体对流传热粒子间隙间的气体对流传热分散介质中的辐射传热分散介质中的辐射传热二、低温绝热类型二、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，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

12、度，以维持低温系统正常工作。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低温绝热一般分成非真空绝热和真空绝热两大类型。大类型。 非真空绝热也称普通堆积绝热，即需要绝热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定厚度的绝热材料，以的表面上装填或包覆一定厚度的绝热材料，以达到绝热的目的。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、真空多孔绝热空多孔绝热(含微球绝热含微球绝热)、高真空多层绝热和多屏、高真空

13、多层绝热和多屏绝热等几种类型。绝热等几种类型。(1)(1)堆积绝热；堆积绝热；(2)(2)高真空绝热；高真空绝热；(3)(3)真空粉末（或纤维）绝热；真空粉末（或纤维）绝热；(4)(4)高真空多层绝热；高真空多层绝热；(5)(5)高真空多屏绝热。高真空多屏绝热。 2.1普通堆积绝热普通堆积绝热 指在低温装置维护的内侧、或低温设备、管道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。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）。低温气体（氮气、氢气、氦气等）。 结构简单

14、、造价低廉。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

15、。a. 泡沫型泡沫型 绝热材料绝热材料(如泡沫聚氨脂、泡沫聚苯乙烯、泡沫玻璃、如泡沫聚氨脂、泡沫聚苯乙烯、泡沫玻璃、橡胶等橡胶等)为非均质材料，其导热率主要取决于其密度以为非均质材料，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。及发泡气体，此外还有绝热层的平均温度。 优点优点：成本低成本低,有一定的机械强度有一定的机械强度,不需真空罩不需真空罩 缺点缺点：热膨胀率大，热导率会随时间变化。热膨胀率大，热导率会随时间变化。 b. 粉末或纤维型绝热粉末或纤维型绝热 材料：膨胀珍珠岩，玻璃纤维材料：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主要缺点是水蒸汽和空

16、气能通过绝热层渗入到冷表面，需设置蒸汽阻挡层（防潮层）表面，需设置蒸汽阻挡层（防潮层）。 优点优点：成本低，易用于不规则形状，不会燃烧成本低，易用于不规则形状，不会燃烧 缺点缺点：需防潮层，粉末沉降易造成热导率增大需防潮层，粉末沉降易造成热导率增大 普通堆积绝热结构形式：普通堆积绝热结构形式：1）单壁绝热）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，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型装置要求外壳焊接处

17、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，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，使绝热层保持正压从而阻止潮湿空气渗入壳体。热层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。用。2）双壁绝热）双壁绝热 大型装置中大多采用双壁绝热结构。

18、双壁绝热结构的持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点是将主要的低温设备安装在内壳体(亦称冷箱亦称冷箱)中；施行热绝中；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。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 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

19、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。 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。

20、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

21、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。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

22、。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真空粉末中掺入铜或铝片(包括颗粒包括颗粒)可有效地可有效地抑制辐射热，该类绝热被称为抑制辐射热，该类绝热被称为 真空阻光剂粉末真空阻光剂粉末绝热绝热 在室温和液氮温区内真空粉末绝热性能优在室温和液氮温区内真空粉末绝热性能优于单纯的高真空绝热。于单纯的高真空绝热。 密度(0.951.901.600.591.201.70绝热材料材料 )热导率率(W/mK)细珠光砂珠光砂180粗珠光砂粗珠光砂64气凝胶气凝胶80硅酸硅酸钙210锅黑灰黑灰200玻璃玻璃纤维50真空粉末真空粉末(或纤维或纤维)绝热的表观热导率，冷

23、热二侧温度分别绝热的表观热导率，冷热二侧温度分别为为77K和和300K,残余气体压力小于残余气体压力小于0.1Pa。优点：优点：不需要太高的真空度，易于对形状复杂不需要太高的真空度，易于对形状复杂 的表面绝热的表面绝热缺点：缺点：震动负荷和反复热循环后易沉降压实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

24、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典型真空多层绝热与残余气体压力的关系绝热层密度绝热层密度2424层层/ /cmcm, ,冷热边界分别为冷热边界分别为7777K K和和300300K K 2.5高真空多屏绝热高真空

25、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效果取决于挥发气体的显热与潜热之比 优点优点：绝热性能最优绝热性能最优缺点：缺

26、点： 结构复杂，成本较高结构复杂，成本较高 三、低温绝热材料三、低温绝热材料3.1 绝热材料分类绝热材料分类 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不连续，如闭孔泡沫塑料；固体基质不连续而气孔连续如开孔粉末材料；固体基质和气孔都连续，如纤维状和多层结构。3.2 常用绝热材料常用绝热材料1）泡沫绝热材料 泡沫绝热材料又称多孔绝热材料，在材料生产的过程中，利用发泡剂等物质产生气泡，形成许多孔隙。这类材料中有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫橡胶、泡沫混凝上等。A、泡沫塑料

27、泡沫塑料是以聚合物或合成树脂为原料，添加发泡剂和稳定剂后，经加热发泡而成的。它具有堆密度小，热导率低、耐低温、耐振动、绝热性能好、弹性好、防潮性能好、施工方便及热膨胀系数大、性能衰退明显等待点。 种类不同的泡沫塑料其性能也不相同。例如，聚苯乙烯泡沫塑料、聚苯脂泡沫塑料、脲醛泡沫塑料。 泡沫塑料一般容易成型、切割与施工，因而它们的用途非常广泛。B、 泡沫玻璃。 泡沫玻璃是以玻璃细粉和发泡剂为原料，用发泡法制得的多孔玻璃材料。它除具有绝热性能好，力学强度高，不透水，不透气，防火，抗冻，耐久等优点外，其安全使用温度广，可达-260430C。2）纤维绝热材料 纤维绝热材料按材质可分成有机纤维、无机纤维

28、、金属纤维和复合纤维等。工业中使用最广泛的是无机纤维，如石棉、岩棉、玻璃棉、硅酸铝陶瓷纤维、晶质氧化铝纤维等。3）粉状绝热材 粉状绝热材料的种类较多，有天然的、人造的之分，从材质亡看有无机物、有机物和金属等。 这类材料的每个颗粒本身就是一种多孔体。膨胀珍珠岩及其制品膨胀珍珠岩及其制品 膨胀珍珠岩是一种以SiO2、A13O 2为主要成分的酸性玻璃质颗粒。由火山喷射出的熔岩粉碎，再在炉中加热加压后膨胀而制得。 因火山岩石中含有一定量的结晶水，经快速加热后(7001000)结晶水迅速气化，颗粒的体积膨胀420倍，成为质轻色白的粉末其尺寸约为0.30. 6mm。膨胀珍珠岩不仅质轻，而且热导率很小，化学

29、性质稳定，价格低廉，阻燃防霉，无毒无味，而且适用温区广，是一种优良的绝热材料。其最大的缺点是吸湿性高，使用过程易发生沉积压实现象。4） 多层绝热材料 多层绝热材料常由低辐射率的屏材料和低热导率的间隔物组成，也有兼有两种作用的复合材料。 其中，最常见的有铝箔、镀铝涤纶薄膜、铝箔纸、玻璃纤维布、玻璃纤维纸、尼龙网、植物纤维纸等。 铝箔由纯铝经过多次压延而成。作为低温绝热用的铝箔，希望进行退火处理，表面不氧化，光亮、清洁。 玻璃纤维纸由玻璃纤维编织而成。作为绝热用的玻璃纤维布要求用无碱纤维编织，表面还应进行脱脂处理。四、绝热计算四、绝热计算 绝热计算不仅直接牵涉到设备或工程的投资和经济性、能源的节约

30、、运行操作人员的工作环境以及检修人员的安全等，而且还影响到低温研究中环境能否建立、实验能否进行。因此，绝热计算在低温工程设计中以及在节能技术中都有着重要的地位。 在绝热计算中，常有下列内容的计算项目： (1)热损失计算 漏热量计算。在绝热结构、绝热层厚度及冷热壁温度已知的情况下，可以计算热损失量。 (2)绝热层厚度计算 根据允许的热损失，计算绝热层厚度；或根据规定的绝热结构的表面温度计算其厚度。4.1、绝热计算的项目与参数、绝热计算的项目与参数 (3)绝热层表面温度计算 已知绝热层厚度及热损失，计算绝热层表面温度。 (4)绝热经济指标计算 在相同的热损失或绝热层表面温度下，计算不同绝热结构与材

31、料的经济性。在确定绝热材料后，计算其绝热经济厚度。绝热计算中，常用的参数有：(1)表面传热系数 也时称作放热系数。主要是指绝热设备与大气之中的气体热交换，以及一些量热实验中充气预冷与加热等情况的换热。 (2)热导率 由于绝热结构中传热过程较复杂，几种传热的方式同时并存，为此，为了简化绝热计算，往往采用当量热导率当量热导率来替代。另外，有时为使绝热计算与分析更规格化，也将辐射与对流传热以折合热导率来表征。 (3)热辐射系数 低温绝热计算中常用的一个参数。 (4)适应系数 低温绝热中，计算分子流气体导热流时的一个重要参数。 (5)绝热结构的外壁温度 低温设备，此温度过低，同样会引起冷损增大，并使外

32、壁面结露、结霜，以及冷灼伤人体等。4.2 绝热体的热损失计算绝热体的热损失计算绝热结构的传热量，主要包括绝热层绝热层与构件两部分的传热量。1）高真空绝热的传热计算）高真空绝热的传热计算 对于高真空绝热，其传热量由两部分组成即残余气体的导热和冷、热壁面之间的辐射传热。 有关残余气体的导热量可连续介质流到自由分子流不同流态，采用不同计算公式计算 高真空绝热夹层中的残余气体多数是空气或氢、氦等气体，而这些气体均可视为不吸收及非散射性介质，因此不参与热冷壁面之间的辐射传热过程。 这样，两壁面间的辐射传热量可按下式进行计算： 辐射传热角系数的计算方法较多，可参阅有关资料。 对于冷表面被热表面包围的情况，

33、可取2）真空型多孔介质绝热的传热计算）真空型多孔介质绝热的传热计算 粉末和纤维材料均可视为分散介质，这类介质中的传热相当复杂，不同的传热过程有时又互相交叉影响，为此精确计算这类材料的热导率或传热量是相当困难的。为了简化计算，常采用有效热导率来表征。 这类材料的有效热导率 可以近似看成为该类材料的气体与固体的热导率 、辐射的热导率 以及固体接触的热导率 的代数和：3）多层绝热的传热计算）多层绝热的传热计算 在多层绝热中，传热情况比较复杂。特别是由辐射屏与间隔物组合而成的结构，是一种不连续非均匀介质。另外，这种绝热结构又具有各相异性的持点，即它的侧向(横向)与正向(垂直向)的热导率相差很大，可达1

34、05l06数量级，要精确计算是一件非常难的事。 工程上往往来用比热流或者用有效热导率来表征多层绝热的性能。 比热流和有效热导率可以由实验求得，也可以用分析加实验验证而得。推荐计算公式： 该式右边的前面部分表示多层中两辐射屏之间的辐射热，后一部分表示为多层间的导热。4.3 绝热结构中热桥的传热计算绝热结构中热桥的传热计算 在高效绝热的设备中，随着绝热效率的提高，通过热桥部分的比例增大了，有时达到总热流的50或更大。 热桥一般可分成三大类型：吊件、支承与管道。1）吊件）吊件 吊件一般用低热导率的材料制成。为减少吊件导热，常从减少截面面积和增加传热途径等方面着手，常常将吊件加工成吊杆、吊缆及吊链等多

35、种型式。 吊杆、吊缆可用傅里叶定律计算： 当吊杆或吊缆材料的热导率很小时，还必须考虑到它的侧面与绝热材料之间的传热，不能再用上式(来计算，否则误差较大。 此时可用下面的公式计算：2）多层叠片支承）多层叠片支承 多层叠片之间的热阻由叠片之间的固体界面接触热阻和缝隙间的气体热阻两部分组成。3）管道）管道 低温设备中有进液管、排气管、加压管等。对于金属制的管道，导热流占总热流的主要比例，其热流值可按吊件传热有关公式计算。 对于大型设备中与外壳平行安置的管道，管道对内容器的传热可视为管道与平行平面间的绝热材料导热。 式中第一项的分母之所以乘以2是假定管道与内胆之间的温差约为总内外温差的一半。对式求导并

36、今其导数为零，便可求得管道冷损最小时的长度（即最佳长度)：4.4 绝热层厚度的计算绝热层厚度的计算 在真空型的绝热结构中，绝热层的厚度有以下几种情况： 对于单纯高真空绝热，由于气体分子的平均自由程都非常大，因此两绝热壁之间的距离原则上不受限制，只要考虑工艺加工可行性和抽气阻力等因素即可； 对于真空多层绝热，目前习惯采用比热流计算热负荷，因此绝热层厚度计算就不重要了； 对于真空多孔绝热(真空粉末与纤维绝热)，目前尚按有效热导率计算绝热层厚度。1）根据允许下降，计算绝热层厚度2）计算防止结露的绝热层厚度 3）计算管道防冻的绝热层厚度 4）绝热层的经济厚度计算五、低温绝热体的制作五、低温绝热体的制作

37、5.1 堆积绝热结构的一般要求与施工堆积绝热结构的一般要求与施工 堆积绝热一 般由绝热层和保护层两部分组成。绝热层是绝热结构的核心部分，而保护层不尽可以使绝热层性能稳定，使用寿命延长，而且可以使绝热结构整齐美观。 只有合理的设计和施工，才能保证其优良的绝热效果，并使施工简单、维修与更换方便。 1）胶泥结构）胶泥结构 胶泥结构是指使用不定形的绝热材料(如珍珠岩、蛭石、硅藻土等)，加入粘接剂（如水泥、水玻璃等)，按一定比例加水搅拌均匀，形成粘性泥团，涂到绝热管或设备上，所形成的一种绝热结构。其传统工艺是涂抹法。 2）缠绕结构）缠绕结构 缠绕结构是用绳状或带状材料缠绕在管道外部所形成的一种绝热结构。

38、 该种结构的主要绝热材料是石棉绳、泡沫塑料带和稻草绳。使用石棉绳时缝内应填石棉泥、外部一般可不设保护层。 该种结构施工简单，检修方便，不会脱落，可用于震动大的场所，而且所用辅助抹料小，不消耗金属材料，成本低。其缺点是费工且工效低，不易大规模施工。大多用于小规模的临时工程或振动较大的管道。 3）填充结构）填充结构 填充结构是先在需要绝热的管道上安置支承环套，再在支承环外包上镀锌铁丝网，并在其间填充松散的绝热材料而构成的一种绝热结构。 填充结构的主要绝热材料有矿渣棉、玻璃棉、膨胀珍珠岩等。支承环的间距一般为300500mm。施工时要保证有一定的密度不使其下沉，以保证其绝热效果。 4）喷涂结构）喷涂

39、结构 喷涂结构是用专用设备将有机泡沫绝热材料或某些无机绝热材料喷射到绝热面上所形成的一种绝热结构。这是近10来年发展起来的一种新型结构。它既可以作为建筑物的绝热保温，也可用于各种设备的绝热，是一种很有发展前途的绝热结构。 5）粘贴结构）粘贴结构 粘贴结构是采用粘接剂将绝热材料粘贴在金属或陶瓷等绝热表面而形成的一种绝热结构。 如目前许多空调设备、冷冻临时用设备以及像加热炉等，都采用这种绝热结构。 6）其他结构）其他结构 尚有包扎结构、预制件绝热结构等其他种类的绝热结构。 虽然制作方法有些率同，但都是基于将低热导率的材料敷设在被绝热体的表面，以达到绝热之效果。5.2 多层绝热结构的制作多层绝热结构

40、的制作 1） 多层绝热材料的处理多层绝热材料的处理 选定多层绝热后，在安置之前，要对多层绝热材料进行清洁、成型与干燥处理。 对于辐射屏材料，要用丙酮或无水酒精清除表面的油脂；对于间隔物(如玻璃纤维布)主要是进行脱脂处理。经过清洁处理后的多层材料，再按被包扎设备的大小裁剪成一定的尺寸，并进行复合处理，即将辐射屏材料与间隔物材料叠合，放置在清洁干燥的环境中，供包扎时用。 2） 吸气剂的安置吸气剂的安置 保持多层绝热空间的真空度是稳定多层绝热性能的关键。除在加工过程中严格对壳体与焊缝进行检漏外，还一定要在多层绝热空间放置吸气剂，吸附由壳体和多层材料所释放出的残余气体。 一般是根据绝热空间漏放气体的种

41、类和使用条件来选择吸气剂的。常用的吸气剂有分子筛和活性炭。惰性气体一般可用活性炭或4A、5A分子筛作吸气剂，而极性分子及大分子的气体可用13X或Y型分子筛。 3） 多层绝热体的包扎多层绝热体的包扎 多层绝热体的包扎方法常有两种： 一是制成绝热被后到现场包扎，对大型设备一般采用此种方法；另一种是在包扎室中进行包扎。 包扎工序： 清洁被绝热表面并使其干燥安置吸气剂安置真空屏(传导屏或蒸气冷却屏)或其它支承件等按设计要求包扎多层绝热包扎中经常测量松紧度与层数并打孔烘干装入外壳体中。5.3 真空粉末绝热结构的制作真空粉末绝热结构的制作1）粉末绝热材料的干燥处理）粉末绝热材料的干燥处理 典型的粉末绝热材

42、料为膨胀珍珠岩，又称珠光砂，是一种吸湿性很强的材料，在装上绝热空问之前必须进行干燥处理。 小量的珠光砂可以采用鼓风烘箱或真空烘箱干燥处理，大量的珠光砂可以按图所示流程进行于燥。干燥时间视原料情况而定，一般新鲜且密闭包装的珠光砂，在150180下，干燥8h，一般要达到含水量小于0.08为止。 为防止内容器在使用过程中因不断冷却与复温而引起热胀冷缩体积变化而使粉末不断下沉与压实，降低绝热性能，故在内容器的外表而包一层弹性层(如矿棉、玻璃纤维等)。2）安置弹性层 对于珠光砂充填的基本要求是均匀与充实。由于绝热空间的几何形状不规则，加上一般绝热设备庞大，很难通过摇晃与振动方法使珠光砂充实与均匀，采用真

43、空装填法是一种有效的方法。3）珠光砂充填）珠光砂充填5.4 绝热空间的真空获得与保持绝热空间的真空获得与保持 所有真空型的绝热结构都要藉助于真空。由于绝热空间材料的放气率和抽气阻力都比较大，而且密封材料与绝热材料的烘烤温度又不能过高、放气慢，因此抽气困难。 另外，为了保持真空，还必须采用低温吸气剂。 1） 真空检漏真空检漏 真空的获得与检漏技术密切相关，若绝热空间有漏孔存在，就不能获得与保持所要求的真空度。然而绝对不漏是不可能做到的，设计者只能给出一个允许的漏气率，漏气率的单位是Pa.m3s。真空检漏的方法很多，几种常用的检漏方法：1）压缩空气法（气压法）2） 高频火花检漏3）热偶真空计法4）

44、电离真空计法5）氦质谱检漏法 质谱仪原作为分析气体成分用，利用它能分辨不同质量的气体来进行检漏。其特点是灵敏度高，可检10-5 10-11Pam3/s的漏孔，且反应迅速，不超过3s，稳定可靠。 2） 绝热空间的抽空绝热空间的抽空 1泵的选择与匹配 机械泵与扩散泵是抽空系统的主要部件，如何正确选择与匹配这些设备是真空系统设计的重要环节。尽管在抽空系统中还存在阀门、冷阱、挡板、弯头及管道等，对它们的计算比较复杂，可以参见有关文献。 2加热出气 绝热材料大多为多孔介质，吸气性强，而且抽气阻力又大，为此采用加热出气是绝热体抽空的重要一环。 材料的出气速率是温度与时间的函数，加热干燥还能使绝热材料的湿度

45、减小，而绝热材料中所吸附的水分是很难抽除的。3充二氧化碳（或氮气）置换 一些研究表明，在多层绝热中，由于材料的放气及层间抽气阻力大等因素，使得多层层间的气体压强增高，气体的传热量增大，约占总热流的5080左右，而且由于抽空时间增加，使加工成本增高。为此，可采用充二氧化碳或氮气置换的抽空工艺并已获得较满意的效果。 3） 绝热空间真空的保持绝热空间真空的保持 保持绝热空间的真空度主要依靠吸气剂吸附绝热空间材料的放气与壳体的漏气。六、六、LNG储运设备中的绝热类型选择储运设备中的绝热类型选择 选择绝热结构的形式，应从选择绝热结构的形式，应从绝热性能、绝热性能、经济性、坚固性、容积、重量及施工方便经济性、坚固性、容积、重量及施工方便等等多种因素综合考虑。目前还没有一种绝热形多种因素综合考虑。目前还没有一种绝热形式在所有情况下部是十全十美的式在所有情况下部是十全十美的LNG储运设备的绝热类型储运设备的绝热类型