低温绝热技术

技术基1上海理工大学2010年5月低温技术基础陈

曦Chenxistudy@163.com技术基第三章

低温绝热技术低温绝热原理堆积绝热高真空绝热真空粉末（或纤维）绝热高真空多层绝热高真空多屏绝热各类绝热方法比较低温贮运低温绝热容器的设计方法2技术基第三节

低温绝热低温贮运流体被液化并纯化到一定水平后就必须设法贮存和运输。低温液体的运输一般有两种方法：

(1)用低温槽车或低温容器运送。(2)管道输送低温贮运设备的关键在于其绝热形式和特定的结构设计。33.3.1

低温绝热原理“绝热”并不是完全的热隔绝，只是把热量传递(导热,对流和幅射)减少到尽可能低的程度。技术基低温绝热可分为五种类型：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。4技术基表3-1:

泡沫绝热材料的表观热导率,设冷热边界温度分别为77K和300K.泡沫塑料密度(kg/m3)热导率(W/mK)聚氨脂110.033聚苯乙烯39460.0330.026橡胶800.036硅(石英）1600.055玻璃1400.0355技术基6表3-9

粉末或纤维型堆积绝热的表观热导率设冷热边界温度分别为90K和300K绝热材料密度(kg/m3)热导率(W/mK)珠光砂502100.0260.044气凝胶800.019蛭石1200.052玻璃纤维1100.025矿棉1600.0353.3.2

堆积绝热7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(如泡沫聚氨脂、泡沫聚苯技术基乙烯、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。粉末或纤维型绝热的主要缺点是水蒸汽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。3.3.3

高真空绝热采用真空绝热即能消除传热的两个主要因素即固体导热和气体对流换热。两表面之间的辐射传热可由斯蒂芬—玻尔兹技术基曼定律描述：(3-1)对于低温容器对于同心球体或圆柱体8技术基通过在冷热两表面之间

间隔辐射屏

(一般为高反射率的材料)可大大减少热辐射。(3-2)9高真空绝热中，内外容器壳体之间

传热量Q可表示为：(3-3)(3-4)式中的

分别为气体分子在表面的温度适技术基用系数(见表3-2)若冷表面积

近似等于热表面积

，则(3-5)10技术基表3-2不同温度下几种气体的a值温度(K)氦气(He)氢气(

)氖气(Ne)空气(Air3000.290.290.660.8～0.770.420.530.831.00200.590.971.001.0041.00///表3-3计算系数气体种类He空气与的范围<400K<360K300～77K77～20K任意<360K1.1931.1183.9612.9862.1011.114113.3.4

真空粉末（或纤维）绝热图3-1气体压力对真空粉末（目珠光砂）绝热性能的影响。残余气体为氮气，绝热层冷热侧温度分别为和1。2典型绝热层的

表观热导率

于气体压力的关系示于图3-1在室温和液氮温区内真空粉末绝热技术基性能优于单纯的高真空绝热。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13技术基绝热材料密度(

)热导率(W/mK)细珠光砂1800.95×粗珠光砂641.90×气凝胶801.60×硅酸钙2100.59×锅黑灰2001.20×玻璃纤维501.70×14表3-4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。技术基表3-5:几种典型的多层绝热表观热导率,对应冷热边界分别为77K和300K,残余气体压力小于1.3mPa。绝热层层密度(

)热导率(W/mK)6μ铝箔+0.15mm玻璃纤维203.7×6μ铝箔+2mm人造纤维布107.8×6μ铝箔+2mm尼龙布113.4×8.7μ铝箔+填炭玻璃纤维纸301.4×50μ单面喷铝植物纤维纸401.4×20μ双面喷铝涤纶薄膜751.5×8μ单面喷铝进口涤纶薄膜1210.92×

153.3.5

高真空多层绝热图3-2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300K16技术基从3-135图中可以看到为保证其高效的绝热性能，真空度应达0.01Pa以上。多层绝热体密度取决于辐射屏的厚度和密度所采用的间隔物材料以及层密度，可用下式表示(3-6)17高真空多层绝热的热量传递主要由热辐射和绝热层内固体热导组成，表观热导率

可表示为(3-7)3.3.6

高真空多屏绝热图3-3

蒸汽冷却屏低温贮存容器18技术基如图3-3所示，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于潜热之比分析如下：从室温传给蒸汽冷却屏的

热量(3-8)19(3-9)屏与内胆之间的

传热

可类似地表达成(3-10)排气吸收的

显热

为(3-11)由能量平衡方程(3-147)并由式(3-143)、(3-144)和(3-146)得技术基设则即(3-148)20图3-4

带汽冷屏的低温贮存容器的汽冷屏温度比与热导比的关系21技术基介质He72.96.37Ne6.401.140.87表3-6

低温介质的显热与潜热比图3-4所示，

值越大，汽冷屏温降越大表3-6

所示，液氦容器

采用蒸汽冷却屏效果最为显著，而对其它液体的容器，其效果不是太明显22图3-5具有汽冷屏的漏热与无汽冷屏的漏热之比随热导比的关系23技术基，若通过汽冷屏的蒸汽质流量则汽冷屏

屏温比

为具有汽冷屏的漏热与无汽冷屏的

漏24热之比

为(3-12)(3-13)该表达式可画成图3-5形式图3-6大口径多屏

绝热液氦杜瓦不锈钢内胆，壁厚0.5mm;铜屏，厚0.5mm铝屏(厚

)由厚

的填炭纸隔开253.3.7

各类绝热方法比较26各种绝热方法在低温系统中都有广泛应用，相应其优缺点概括如下：1、堆积绝热技术基(a)泡沫型优点：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技术基272、高真空绝热3、真空粉末（或纤维）绝热优点：不需要太高的真空度，易于对形状复杂的表面绝热优点：易于对形状复杂的表面绝热，预冷损失小缺点：需持久的高真空,边界表面的辐射率要小缺点：震动负荷和反复热循环后易沉降压实技术基284、多层绝热优点：绝热性能优裕，重量轻，与粉末绝热比相对预冷损失小，稳定性好缺点：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5、高真空多屏绝热优点：绝热性能最优缺点：仅对于液氦或液氢容有较显著的效果，结构复杂，成本较高技术基3.3.8

低温贮运(2)低温液体的注入、排出及蒸发气体回收系统检查仪表及管道阀门配件安全设施

(5)其它附件低温贮运设备的

总体结构

一般包括：(1)容器本体29技术基1、绝热形式一般可按下列

原则

决定：(1)低沸点的液体贮存采用高效绝热形式

(2)大型形容器选用成本低的绝热形式

(3)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302、结构材料31低温容器

内胆

的结构材料必须保证在低温下足够的机械性能，即

必须强度高，抗冲击性能好。技术基低温容器的

外壳

一般可选用价廉的碳钢(如16MnR等)连接内外壳体的

管道

等构件常用热导率低的不锈钢、蒙乃尔合金等技术基323、支撑构件低温容器设计中内外

筒体的支撑固定

是一个关键问题支撑构件

常选用热导率低而强度高的材料如玻璃钢、不锈钢等受拉伸的构件两固定端应留有一定的活动余隙，否则由于内胆的冷收缩拉杆受力太大会在两固定端产生很大应力。图3-7低温贮运设备内外壳支撑构件的典型例子334、管道图3-8低温贮运设备的管道设置34方法(1)常用于多层绝热容器，通过分别将冷热端的真空空间延伸至内容器和外壳外侧中去的办法使管子的冷热端之间有一个较大的长度，管子技术基相应具备一定的收缩余量；方法(2)设计不合理，内胆液体中管线水平部分将有蒸汽冷凝，冷凝的液体可沿水平管流向热端，在热端蒸发，从而导致管线冷热端之间的蒸发—冷凝对流传热过程，产生很大的热流35图3-8示出了4种管道连接方法：方法(3)采用了一垂直上升弯头可避免(2)中的对流问题，采用一波纹管用以冷热收缩补偿，由于波纹管设在绝

缘层中，因而难以修理，相应可靠性较差，不到万不得已，一般不采用技术基36方法(4)为最佳设置，与(3)相比，将波纹管设置在容器壳体外侧，因而修理方便技术基5、容器的排液低温容器的液体排放一般有三种方法：(a)内胆的自增压；(b)外部气体对容器内胆的加压；(c)液泵输送。图3-9示出了这三种输液方式37图3-9

低温容器的三种输液方式386、安全装置大型低温贮运设备的安全装置主要有：内胆安全阀技术基内胆防爆膜装置绝热夹套防爆膜装置见图3-1039图3-10低温贮槽上的基本安全装置40内胆安全阀

通常为弹性安全阀，它的尺寸由下式决定(美国ASME标准）(3-14)技术基值得注意的是安全阀有：全启式

和

微启式

两种41(1)对全启式安全阀技术基(2)对微启式安全阀42平面型密封面锥形密封面内胆防爆膜

装置与安全阀并列布置，其起到当安全阀失灵或容量不够造成内胆过压时第二道安全保护作用，其爆破压力一般为内胆设计表压的120%43技术基绝热夹套防爆膜

装置用于防止外壳受破坏或内胆因外部受压而变形。一般来说，夹套防爆装置的爆破压力设计为0.035~0.05MPa表压技术基443.3.9

低温绝热容器的设计方法低温绝热容器设计中主要应考虑两个方面即

热设计

和

结构设计

。1、热设计低温容器的热设计包括绝热结构设计的各类热流计算。一般都包括下列几个方面的

热流量：残余气体分子的热导Q1绝热空间及管口的辐射传热Q2技术基表3-15

在时,

不同情况下的Fe序号两表面的形状Fe1无限长同心圆筒,半径为r1,r2,内圆筒计为12半径为r1、r2的同心球面,内球面计为13无限长两平行表面4面1被比它大得多的面2所包围,1、2表面形状不定45C=1.135×C=1.55×材料名称表面与加工情况4K20K77K300K备注铝抛光的光洁表面0.0110.0180.03C=7.39×n=0.667粗糙表面0.055铝箔0.018涤纶薄膜双面喷铝0.04紫铜抛光的干净表面0.010.0160.030C=6.67×n=0.292铜箔0.011不锈钢0.020.050.08n=0.342黄铜抛