低温隔热技术的新发展.doc

内蒙古科技大学本 科 毕 业 论 文论文题目： 低温隔热技术的新发展 院 系： 物理科学与技术学院 专 业： 物理学 姓 名： xx 学 号： 0809320081 指导教师： xxx 二 一 二 年 三 月摘 要低温隔热的目的是采用各种不同隔热类型和结构，经由对流，传导及辐射等途径传递至低温体系的热量减少到尽可能低的程度，以维持低温系统的正常工作。本文指出了当今最先进的低温隔热技术是多层隔热技术，并预测了未来低温隔热技术的发展方向。关键词：低温隔热技术；换热率；发射率；真空度；多层体AbstractThe purpose of the low-temperature insulation using a variety of insulation types and structures, pass through the channels such as convection, conduction and radiation to the cryogenic system heat to reduce to the lowest possible level in order to maintain the normal work of the cryogenic system. The paper points out that todays most advanced low-temperature insulation technology is a multi-layer insulation technology, and predict the future direction of development of low-temperature insulation technology. Key words：Low-temperature insulation technology; rate of heat transfer; emissivity; vacuum; multilayer body目 录引言 11 低温隔热技术的原理 21.1 热传导 21.2 热对流 21.3 热辐射 22 低温隔热技术的产生和发展 22.1 低温隔热技术的产生 32.2 低温隔热技术的发展 32.2.1 固体隔热 32.2.2 泡沫隔热 32.2.3 多孔粉末或纤维隔热 4 2.2.4 高真空隔热 42.2.5 真空粉末或纤维隔热 42.2.6 金属添加剂真空粉末隔热 52.2.7 高真空多层隔热 52.2.8 真空微球隔热 6结论 7参考文献 8附录 9致谢 11引 言（绪 论）物体间只要有温差存在，就会有热量的交换，实现热量交换的途径有三种：即传导、对流和辐射。要阻止物体间的热量交换，就得采用必要的隔热技术，以减少物体间的热量交换。依据被隔热物体和环境温度的范围，可把隔热技术分为高温隔热技术和低温隔热技术。高温隔热技术，被隔热物体处于高温范围，环境温度远低于被隔热的物体的温度，要保持被隔热的温度恒定，就得阻止其向周围环境的散热而产生的热损，如高温炉壁的隔热。低温隔热技术，被隔热物体的温度处于低温范围内（即一下），环境温度高于被隔热物体的温度，要保持被隔热物体恒温，就得阻止其与环境之间的热量交换而产生的冷损。由于被隔热体在高温和低温下的性能不同，因此高温和低温下所采取的隔热技术、材料也就不同。1 低温隔热技术的原理根据物理过程的不同，传热作用可以分为三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。低温绝热技术就是通过限制上述三种传热途径从而达到减小热量传递目的的方法手段。下面我们分别针对热传导、热对流和热辐射三种传热途径分析绝热技术的原理。1.1 热传导热传导指不同温度的物体或物体中不同温度的部分之间分子动能的相互传递，即动能较大（温度较高）的分子把能量传给邻近动能较小（温度较低）的分子。根据分子动力学理论，系统内任一部分的温度与该部分分子的平均动能成正比，当一个区域中的分子获得的平均动能大于邻近区域中分子的平均动能时（由温差显示），具有较大动能的分子将把它的一部分能量传递给较低温度区域中的分子。在低温绝热系统中，热量沿着管道、支承等机械构件进行传导，也通过绝热材料的固体骨架和绝热空间内的气体进行传导。1.2 热对流 在绝热结构中，抑制气体的自然对流传热是一项极其重要的任务。通常采用抽空的方法，消除气体的对流，从而保证绝热性能。研究表明，对于非真空状态的有限空间，当时（为格拉晓夫数，为普朗特数），努谢尔特数为1量级，自然对流换热可忽略不计，视为纯导热模式。考虑绝热空间中气体的约为0.7左右（如空气、氮气等），故可近似以作为自然对流换热可忽略不计的判据。1.3 热辐射 固体之间的辐射热流密度与两个物体绝对温度的四次方之差成正比，而传热的另外两种方式，即热传导和热对流，热流密度都只与温度差成正比，因此降低热壁辐射温度成为减小辐射热流的关键问题。如图一所示，两个平行的表面和，中间放一块金属薄板，此板叫辐射屏。设两平行表面和辐射屏的温度分别为,由于金属板都很薄，故两面的温度可认为相等。再假设所有表面的发射率都相同，即=。2低温隔热技术的产生和发展2.1 低温隔热技术的产生低温学，作为一门科学，迄今至少有130年的历史。低温学的研究从最初的气体液化直至如今，已广泛应用于空间技术、国防建设等科学技术及工农业生产的不同领域。低温学远不是由于现代的需要而出现的神秘技术，现在他已是物理学上一门最基本和最熟悉的分支。随着低温技术的不断提高，这把人类带进了一个新的世界：低温物理世界。而低温技术和隔热技术相当于一对孪生兄弟，同时产生，相互依存，共同发展，隔热技术的优与劣，直接影响着制冷温度的高低，随着科学技术的飞速发展，人们对低温不断提出新的目标，即无限地向绝对零度接近。为了提高制冷效果，就得尽可能地减少制冷系统的冷损，这必然要求采取优良的隔热技术，制冷温度越低，对隔热技术要求就越高。因此对低温隔热技术的研究具有非常重要的意义和价值。根据熵增加原理，只要物体问有温差存在，就会有换热，因此隔热技术只能延缓或消弱换热过程的进行，而不能彻底消除换热。为了阻止物体间的换热，采用隔热技术就得从这三种换热方式入手：用热导率低的物质作为传热介质以减少物体间的热传导；抽真空以阻止物体间的对流交换；加入表面反射率高的反射屏以减少辐射换热。2.2 低温隔热技术的发展低温隔热技术经历了固体隔热真空隔热最新的多层隔热的发展过程，下面分别进行介绍。2.2.1固体隔热最早使用的低温隔热技术，直接在物体间家入固体隔热材料，如软木。用此方法成本最低，隔热性能最差，常用于对常温物体的隔热中。2.2.2泡沫隔热常用的泡沫材料有聚酯泡沫，聚苯乙烯泡沫，合成橡胶，硅树脂和玻璃纤维泡沫等。如冰箱的隔热层。由于泡沫材料的不均匀性，其热导率将于材料的体密度，孔隙内气体的种类及材料的平均温度有关。若把泡沫材料暴露在大气或氢气，氦气环境中，这些气体会扩散到泡沫内，取代泡沫内的,其热导率会增加倍，因此泡沫材料的热导率随时间而发生变化。另外，相同的温度内，聚苯乙烯的膨胀系数为,碳钢的膨胀系数为，可见泡沫具有较高的热胀冷缩性，用作低温容器的隔热时，会出现冷缩而断裂，使水蒸气和空气由裂缝进入，从而降低隔热性能。由于其成本低，不需高强度的内、外壁，常用于对隔热性能要求较低场合的低温隔热。2.2.3多孔粉末或纤维隔热 多孔隔热材料有被玻璃纤维，软木粉末，石棉，珠光砂等。此种隔热的有效换热率与固体材料的热导率，隔热体内气体的热导率，隔热体内的平均湿度，隔热体的体积有关。此种隔热方式的优点是成本低，适用于表面形状不规则物体的隔热。但必须采取防潮措施，保持其干燥，否则隔热能力会大大减弱。另外粉末压紧会增加其热导率。2.2.4高真空隔热所谓高真空绝热是指仅采用高真空层达到绝热的目的，实际上，单一高真空绝热是一个由热壁与冷壁构成的真空空间。高真空绝热要求将绝热空间抽至的真空度，从而排除气体的对流传热和绝大部分的气体热传导。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传递给内容器表面（冷壁），还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。为了减少冷、热壁之间的辐射换热，常采用加入反射屏的方法，即在冷、热壁之间加入层反射率很高的反射屏的方法。若冷、热壁及反射屏的反射率相同，加入反射屏后，其换热量可减为原来的；若提高反射屏的反射率，其换热量还会减小。在冷、热壁间距较小的情况下，换热量较其它隔热方式小，对于形状复杂的容器的隔热很方便，常用于小型容器的隔热中。但是必须保持永久的真空，边界必须具有较低的发射率。2.2.5真空粉末或纤维隔热即在冷、热壁之间填入粉末或纤维材料，再抽成真空的隔热方法。常用的粉末材料有珍珠岩、多孔二氧化硅、碳酸钙、硅藻土货或炭黑等。再室温附近的真空粉末或纤维隔热，辐射对总换热率的贡献比固体热传导的贡献大；而在液氮或液氦温区，辐射换热的贡献比固体传导的贡献小。因此对室温到液氮温区，真空粉末或纤维比单纯的真空隔热性能好；相反，在液氮温度以下，适用单纯的真空隔热壁真空粉末隔热有利。粉末和纤维材料的表观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量的有效方法。将充有粉末或纤维的绝热空间抽成真空的绝热方法叫做真空粉末绝热或真空纤维绝热。真空粉末绝热的表观热导率大约是普通堆积绝热的几十分之一，由于绝热效率较高，目前在低温技术中得到了广泛的应用。对一个处于室温下的充分抽空的粉末和纤维绝热来说，热辐射对总传热的贡献大于固体导热的贡献。另一方面，在温度处于液氮与液氢或液氦之间时，辐射传热对总传热的贡献将小于固体导热的贡献。因此，在室温与液氮温区的传热，真空粉末比单一高真空绝热优越（绝热厚度大于）；而在液氮至液氢或液氦温度区间，固体导热将成为热漏的主要因素，因此在液氢或液氦容器的内屏与内容器之间，采用高真空绝热比采用真空粉末绝热以及真空多层绝热更为可取。2.2.6金属添加剂真空粉末隔热即在真空粉末中添加遮光剂的方法。遮光剂常为金属粉末，如铜、铝等。由于在真空粉末隔热的边界温度为室温和低温时，辐射换热量在其总换热量中占主导地位，因而，减小辐射换热量是提高真空粉末隔热的关键。而用添加金属粉末的方法，就可以减小真空粉末隔热的辐射换热量。在金属添加剂的比例为最佳时，真空粉末隔热的有效换热率可由减到.若金属添加剂过量，会增加固体的导热，反而使其换热率增加，隔热性能下降。可见金属添加剂真空粉末隔热比纯真空粉末隔热的性能好；对真空度的要求没有单纯真空隔热和多层隔热严格；对形状复杂的容器进行隔热较方便。但是大多数粉末都易吸收湿气，必须彻底干燥后才能达到所需要的真空度；铝粉遇氧会发生爆炸；振动会使金属粉末粘结，而形成“热短路”使固体的导热增加。2.2.7高真空多层隔热用反射性能好的材料（如铝箔，铜箔，银箔或镀铝，铜，银涤纶薄膜等）作为发射屏，与低热导率的间隔材料（如玻璃纤维，玻璃布或尼龙网）交替排列组成，并且整个隔热层处于真空下，在环境温度为之间时，可使其有效换热率达到，多层隔热体和其它隔热方式相比其隔热性能最佳；重量和冷损都比真空粉末隔热小；稳定性也比真空粉末隔热好。但是其成本太高，对于复杂的物体进行隔热很困难；对真空度的要求比真空粉末隔热高。真空多层绝热由许多具有高反射能力的反射屏与具有低热导率的间隔物的交替层所构成，绝热空间抽空到低于的负压，是效率很高的一种绝热形式，有“超级绝热”之称。自从上世纪五十年代以来，由于空间计划和超导技术的要求，在低温技术中获得了广泛的应用。通过真空多层绝热的热流包括辐射热流、间隔物与屏之间及间隔物中的固体传导以及多层中残余气体的热传导。影响多层绝热性能的主要因素有：(1)采用的材料；(2)多层中的真空度；(3)多层的层密度与松紧度；(4)多层的总层数或总厚度；(5)多层绝热承受的机械负荷；(6)边界温度等。2.2.8真空微球隔热 在真空环境中，用表面镀金属（低发射率的金属）的空心玻璃微球作为隔热体的隔热方式，球的真径通常在。由于玻璃球内，外都为真空，球本身的导热系数很小，这就有效地减小了导热；在球表面镀金属膜，有效地减小了热辐射换热，这就使真空微球隔热具有良好的隔热性能，其有效换热率为.微球隔热与多层隔热相比，微球隔热具有各向同性，容易包装，性能稳定等优点。但由于微球在生产上很困难，使微球隔热布能被广泛应用。结 论对各种隔热技术的热性能的比较见表1，可见多层隔热是当今性能最好，可被广泛采用的低温隔热体。随着现代科学技术的发展，低温隔热技术将向着对阻止三种换热形式更加有效，性能更加稳定的方向发展。经过半个多世纪的稳步发展, 低温隔热技术已日趋成熟。然而, 迈入21 世纪后, 人类的目光将不再停留于登月飞行或地球空间站了, 而是希望能走向更远、更深的太空。NASA 早就开始了2014 年的登上火星计划, 去探寻火星上的生命以及我们所在的太阳系的诞生、演化史。诸如此类的辉煌计划,又使得低温隔热技术面临新的挑战。参考文献1 陈国邦，张鹏低温绝热与传热技术北京，科学出版社20042 徐烈，朱卫东，汤晓英低温绝热与贮运技术北京，机械工业出版社19993 陈国邦低温工程材料杭州，浙江大学出版社19984 徐烈等低温真空技术北京，机械工业出版社2008附 录 隔热体类型 有效热导率 聚苯乙烯泡沫（）聚苯乙烯泡沫（充气）粉末珠光砂（充气，）高真空隔热（，壁发射率）真空粉末（珠光砂，）金属添加剂真空粉末（铜粉加于