Экранно-(слоисто-)вакуумная изоляция

Слоисто-вакуумная изоляция по целому ряду параметров превосходит порошково-вакуумную изоляцию. Широкому внедрению слоисто-вакуумной изоляции способствовали разработка новых видов материалов, эффективных криосорбционных вакуумных насосов и совершенствование технологии ее нанесения на поверхности.

Принцип действия слоисто - вакуумной изоляции основан на многократном экранировании теплового излучения за счет применения легких экранов с высокой отражательной способностью. Если степень черноты граничных поверхностей и экранов одинакова, то плотность теплового потока при экранировании теплового излучения определяется выражением

,

где q₀ —тепловой поток от теплой стенки к холодной без промежуточных экранов; n —число экранов; q_п —тепловой поток при наличии п числа экранов между теплой и холодной стенками.

В реальных конструкциях теплоперенос в экранно-вакуумной изоляции имеет гораздо более сложную физическую природу, чем простое экранирование излучения, так как он дополняется переносом тепла остаточным газом, теплопроводностью материала экрана и прокладок.

Эффективность слоисто-вакуумной изоляции в сильной степени зависит от вида, структуры и толщины материалов экранов и прокладок, а также от качества монтажа изоляции. Применение достаточно тонких структур и технологии монтажа, исключающей обжатие слоев и появление незакрытых участков защищаемой поверхности, значительно уменьшает теплоприток к жидкости.

Особенностью экранно-вакуумной изоляции является неаддитивность термического сопротивления относительно числа экранов и то, что термическое сопротивление изоляции практически перестает возрастать при достижении определенного количества слоев.

Реализация в промышленных изделиях возможной эффективности изоляции, полученной на лабораторных образцах, требует тщательной конструкторской и экспериментальной отработки на крупномасштабных стендах. Монтаж слоисто-вакуумной изоляции осуществляется укладкой пакетов или послойной намоткой — спиральной, винтовой, диагональной. Первый способ применяется при изолировании крупных резервуаров и поверхностей сложной формы, например днищ сосудов, три остальных — при изолировании цилиндрических поверхностей.

Многослойные изоляции состоят из комбинации слоев материалов с высокой отражательной способностью, таких, как алюминиевая фольга, медная фольга или алюминизированный майлар, и прокладок с низкой проводимостью, таких, как стеклобумага, стекловолокно или нейлоновая сетка. Отражающие слои могут быть выполнены в виде гофрированных или тисненых листов, так чтобы они соприкасались между собой только в нескольких точках, и тогда прокладки не нужны.

Для большей эффективности пространство в многослойной изоляции должно иметь давления ниже 10 мПа.

Поразительно низкая теплопроводность многослойных изоляций объясняется тем, что все виды теплопередачи — излучение, теплопроводность через твердое тело и газ — уменьшены до минимума. Радиация минимизирована путем использования слоев из высокоотражающей металлической фольги, а теплопроводность через прокладочный материал — применением волокнистых материалов или гофрированных экранов, материал которых допускает контакт только в нескольких точках. Теплопроводность газа практически исключена за счет уменьшения давления примерно до 1.3 мПа. Объемная плотность многослойных изоляций зависит от толщины и плотности отражающих экранов, типа используемого материала прокладки и плотности слоев или числа слоев на единицу толщины. Типичные плотности многослойных изоляций лежат в пределе между 32 и 320 кг/м³ с плотностью укладки от 8 до 40 слоев. При глубоком вакууме теплота в многослойной изоляции передается преимущественно излучением и теплопроводностью по твердому телу через прокладочный материал. Эффективная теплопроводность многослойной изоляции может быть уменьшена путем увеличения плотности слоев в определенных пределах. Если изоляция сжата слишком плотно, то теплопроводность твердого тела растет быстрееи теплопроводность изоляции снова возрастает. Теплопроводность многослойных изоляций вдоль экранов на три порядка больше, чем поперек. Поэтому при монтаже и эксплуатации многослойных изоляций требуются специальные меры, чтобы не допускать замыкания экранов между собой. Качество изоляции существенно ухудшается, если, например, кромки экранов контактируют с трубопроводом дренажа.

Одной из проблем, связанных с использованием многослойных изоляций, является эффективная эвакуация остаточного газа из внутреннего пространства между слоями изоляции. С этой целью в слоях фольги предусматриваются небольшие отверстия, позволяющие более эффективно удалять газовыделения. Газовыделения экранов могут поглощаться внутри изоляции. Это открытие позволило использовать в многослойных изоляциях в качестве прокладочного материала стекловолокнистую бумагу с нитями из активированного угля. Уголь действует как хороший поглотитель внутренних газовыделений и обеспечивает низкое давление внутри изоляции. В результате многослойная изоляция имеет эффективную теплопроводность 14 мкВт/(м К).

Теплоизоляция кислородного бака "Бурана"

Активная изоляция

Активная теплоизоляция всегда применяется совместно с пассивной теплоизоляцией. Для уменьшения теплопритоков используется пар, который выделяется в результате испарения жидкости, либо газ с низкой температурой (гелий), циркулирующий в контуре термостатирования.