低温“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。该技术是整个低温工程学科领域中最广泛的基础技术之一。
低温绝热技术的理论基础是传热学和热物性学。如自然对流传热、稀薄气体的分子导热、低温下的固体导热、低温下的辐射传热、分散介质中的传热,以及有冷蒸汽逸出的固体构件的导热等问题。
减少通过对流、导热及辐射等途径漏入低温设备的热量的技术。
低温“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。该技术是整个低温工程学科领域中最广泛的基础技术之一。
低温绝热技术的理论基础是传热学和热物性学。如自然对流传热、稀薄气体的分子导热、低温下的固体导热、低温下的辐射传热、分散介质中的传热,以及有冷蒸汽逸出的固体构件的导热等问题。
堆积绝热一般可分为泡沫型绝热和粉末或纤维型绝热两种类型。泡沫型绝热材料如泡沫聚氨酯、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。其优点是成本低,有一定的机械强度,不需要真空罩。缺点是热膨胀率大,热导率会随时间变化。粉末或纤维型绝热的主要缺点是水蒸气和空气能通过绝热层渗入到冷表面,除非设置蒸汽阻挡层即防潮层。其优点是成本低,易用于不规则形状,不会燃烧。
高真空绝热是将绝热空间抽成10-3~10-4帕,从而排除气体的对流传热和绝大部分的气体热传导。实际上,高真空绝热是由一个热壁与冷壁构成的纯粹的真空空间。在这个空间中,热以两种途径进行传递,大部分热量以辐射方式从容器的热壁穿过环形绝热空间传递给内容器表面(冷壁),也有一小部分热量通过绝热空间中残余气体的热传导进入内容器。在这类绝热中,影响绝热性能的主要因素有两点:一是夹层的真空度,二是辐射传热的大小。常用反射率低的材料,并使辐射表面高度光亮、清洁,用液氮或冷蒸汽冷却热屏等。其优点是易于对形状复杂的表面绝热,预冷损失小;缺点是需持久的高真空,边界表面的辐射率要小。
这种绝热结构是在绝热空间填充多孔性绝热材料(粉末或纤维),再将绝热空间抽到一定的真空度。粉末和纤维绝热材料的热导率与低温下气体的热导率相接近。实际上,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。因此,将绝热空间中的气体抽走是减小通过绝热材料传热的有效方法。影响绝热效果的因素有真空度、粉末的粒度、容重、添加剂的种类和数量、界面温度等。真空粉末及纤维绝热的绝热性能比高真空绝热好得多。真空粉末的表观热导率大约是普通堆积绝热的热导率的几十分之一,由于绝热效率较高,在低温技术中得到了广泛应用。其优点是不需要太高的真空度,易于对形状复杂的表面绝热;缺点是震动负荷和反复热循环后易沉降压实。
高真空多层绝热是由许多具有高反射能力的辐射屏与具有低热导率的间隔物的交替层所构成,绝热空间抽真空到低于10-3帕的负压,是效率最高的一种绝热形式,有“超级绝热”之称。影响多层绝热性能的主要因素有:采用的材料、多层中的真空度、多层的层密度和松紧度、多层的总层数或总厚度及多层绝热物承受的机械负荷、边界温度等。优点是绝热性能优越,重量轻,与粉末绝热比相对预冷损失小,稳定性好;缺点是单位容积的成本高,费用较大,难以对复杂形状绝热,抽成高真空不易,抽空工艺较复杂。
在高真空的杜瓦容器中,辐射传热已变为主要的传热途径,它的传热量约为剩余气体传热的150倍。辐射传热的大小与两表面温度的四次方的差成正比,所以降低热表面的温度是非常有利的。假设容器中的低温液体单位时间有克的液体蒸发成为同样温度的气体,这些气体在经过颈管时与颈管热交换,在颈管上形成温度梯度,下端为液体的沸点,上端为室温。这时如在杜瓦的内容器外部装上几个金属屏,屏的上端依次固定在颈管上,使其有很好的热接触,形成不同温度的多个防辐射屏,其绝热性能最优;缺点是仅对于液氦或液氢容有较显著的效果,结构复杂,成本较高。
一般可按下列原则决定:低沸点的液体储存采用高效绝热形式;大型容器选用成本低的绝热形式;运输式及轻便型容器应采用重量轻、体积小的绝热形式;形状复杂的容器一般不选用高真空多层绝热;间隙使用或短期使用的容器宜采用高真空绝热;中、小容量的液氦容器尽可能采用高真空多屏绝热结构。