Газонаполненная теплоизоляция

Газонаполненная теплоизоляция применяется в криосистемах, работающих при температурах выше 80 К, то есть с жидкостями группы А (азот, кислород, аргон).

К достоинствам этой теплоизоляции следует отнести низкую стоимость, высокую технологичность, невысокие требования к условиям эксплуатации. Однако, она уступает в эффективности вакуумированной теплоизоляции.

Для изготовления этого типа изоляции используются, как показано на рисунке, волокнистые (минеральная вата, стекловата и т. п.), порошкообразные (перлит, аэрогель и т.п.) и ячеистые ( пенополиуретан, мипора, пенопласт и т. п) материалы.

Обычно волокнистые материалы выпускают в виде матов различных размеров.

Минеральную вату получают из расплава горных пород (базальта, диабаза кварцита и т. п.) в виде волокон диаметром 1 – 10 мкм и длиной 3 – 50 мм. Стекловата изготавливается из стеклянных волокон диаметром 3 - 30 мкм и длиной до 100 мм.

Перлит получают из кремнеземных горных пород в виде зерен диаметром до 1 мм.

Аэрогель представляет тонкодисперсный порошок кремнезема с диаметром частиц до 250 мкм.

Теплопроводность газонаполненной изоляции изменяется от 20 до 50 мВт/мК, а плотность - от 5 до 300 кг/м³. На рисунке 37 показано изменение эффективной теплопроводности от температуры для некоторых материалов этого типа изоляции. Как видно, наилучшие характеристики у аэрогеля. Его теплопроводность близка к теплопроводности сухого воздуха при отсутствии конвекции (l » 17 мВт/мК при температуре воздуха 180 К).

Если газ, заполняющий поры теплоизоляции, содержит влагу, то ее эффективная теплопроводность увеличивается, то есть возрастает теплоприток. При длительной эксплуатации газонаполненной теплоизоляции из-за нарушения герметичности элементов конструкции влагосодержание в объеме, занятом изоляцией, возрастает, и, как следствие, для сохранения её эффективности проводят осушение теплоизоляции.

Этого недостатка лишены материалы с закрытой пористостью, которая препятствует проникновению влаги в объем материала. В этом случае обеспечиваются стабильные характеристики материала в течение длительного времени. Технология получения ячеистого материала позволяет получать структуры, как с открытой, так и с закрытой пористостью.

Поэтому в элементах конструкций летательных аппаратов и испытательных стендов наибольшее распространение получили такие ячеистые материалы с закрытой пористостью, как пенопласты и пенополиуретаны (ППУ).

Вспученные пенопластовые изоляции имеют ячеистую структуру, образованную газом, выделившимся в процессе изготовления. В качестве примера пенопластовых изоляций можно привести пенополиуретан, пенополистирол, вспученную резину, вспученный кремнезем, пеностекло. Теплопроводность пенопластовых изоляций зависит от рода газа, выделяющегося при изготовлении изоляции, а также от внутреннего радиационного теплообмена и теплопроводности твердого тела. Ячеистая теплоизоляция может быть как с открытой, так и с закрытой пористостью.

При изготовлении вспученных пенопластов наиболее широко используется углекислый газ, который при температуре жидкого азота имеет низкое давление паров. Теплопроводность слоя свежего пенопласта уменьшается, если одна из его сторон охлаждается до температуры жидкого азота, поскольку большая часть СО₂ конденсируется внутри изоляции. Однако после пребывания пенопласта на воздухе в течение нескольких месяцев происходит диффузия воздуха внутрь пенопласта и вытеснение некоторого количества СО₂. При этом теплопроводность пенопласта может возрасти на 40%. Если пенопласт будет находиться в атмосфере водорода или гелия длительное время, то его теплопроводность может увеличиться в 3…4 раза из-за более высокой теплопроводности Н₂ и Не этих газов по сравнению с СО₂.

К достоинству этих материалов следует отнести простую технологию при создании элементов конструкции. Так, пенополиуретановая изоляция наносится методом напыления и залива.

Методы создания изоляции из ППУ

Расчёт теплопритоков через ППУ осуществляется по формуле

, где .

Этот тип изоляции позволяет обеспечить эффективную теплопроводность на уровне 20…50 мВт/(мК). В современных бытовых приборах (холодильное оборудование и т. п.) и в строительстве всё большее распространение получают пенополиуретановые материалы.

При изготовлении газонаполненной изоляции для уменьшения теплопритоков к криогенным топливным бакам ракет первой, второй ступеней и увеличении прочности баков используется сложное сочетание ППУ, сотовых элементов и т.п.

На рисунке показан характерный фрагмент газонаполненной теплоизоляции водородного бака ракеты носителя “Сатурн 5”. Использование сотовых конструкций в газонаполненной теплоизоляции обеспечивает ее высокую эффективность, а также прочность и устойчивость бака.

Фрагмент газонаполненной теплоизоляции водородного бака ракеты носителя “Сатурн 5”

Для теплоизоляции трубопроводов и баков объемом меньше 100 м³ и при создании баков ракет первой и второй ступеней используется, в основном, пенополиуретановая теплоизоляция из-за низкой плотности и высокой технологичности.

Одним из серьезных недостатков жесткой пенопластовой изоляции является большая термическая деформация. В интервале температур (- 30 ÷ + 30)° С, например, полистироловая пена имеет коэффициент термического расширения 7.2 ·10^-5 С^-1, тогда как для того же интервала температур углеродистая сталь имеет коэффициент расширения только 1.15·10^-5 К^-1. Если такую изоляцию жестко смонтировать вокруг стального сосуда для жидкого азота, пенопласт будет растрескиваться при охлаждении, так как его усадка больше, чем у металлического внутреннего сосуда. Водяные пары и воздух могут проникать через трещины и существенно снижать качество изоляции. Пенопласты можно использовать в качестве изоляции, если обеспечить хорошее качество стыков и защитить их пластмассовой пленкой, такой, как майлар, предохраняющей от проникновения водяных паров и воздуха в места стыков.

Во избежание адсорбции и вымораживания влаги в зоне низких температур изоляционные полости обычно непрерывно продуваются небольшим потоком сухого неконденсирующегося газа.