低温测量中的绝热技术论文讲义

1、低温物理实验原理和方法 低温绝热技术初探 Email: 低温绝热技术初探 1低温绝热的意义 对于低温容器，绝热层是最主要的结构之一，直接关系到容器绝热性能的优 劣。低温绝热的目的是要设法减少通过对流、 热导体、辐射等途径漏入低温装置 的热量，以维护低温装置正常工作。低温绝热和高温“保温”原理虽然相同，但 低温绝热在低温领域内有着特别重要的作用。 首先，作为制冷剂的低温液体，沸 点很低，汽化潜热小，室温环境相对于低温液体来说是一个很大的热源。另外， 为了获得这些低温液体，需要消耗很多能量，特别是液氦，其资源稀缺、分离技 术复杂，代价昂贵。因此，为了经济地使用这些低温液体，低温装置必须要有良 好的

2、绝热。不仅如此，在一些低温实验中，如材料低温下的热物性测量等，必须 基本上消除周围环境的热影响，因而低温测量用的某些恒温器对绝热技术也有特 定的要求。2 2. 漏热原理分析 2.1剩余气体导热 气体动力学指出当气体分子平均自由程比热源与热沉表面间距小时， 则气体 的热导率与压力无关。如果每一个气体分子在与容器壁碰撞和弹回时，都与容器 壁建立了热平衡，则热传递速率就可单独地由剩余气体的分子量、 比热及压力来 确定。但是这样的热平衡是极难实现的，接近于平衡的程度是壁 -气体组合的一 个特性，克努森用适应系数 a来定量处理，a定义为： Ti Te Ti Tw 其中，Ti 入射分子的有效温度，Te反射

3、分子的有效温度，Tw 壁 的温度。如果壁的温度与撞击它的分子之间建立起完全的平衡，则 a为1;如果 从容器壁上反弹回来的分子动能不变，则 a为0。在实际情况中，a是在01之 间的值。 克努森研究了两个长的同轴圆筒之间进行热传递的关系式： W= AL()jR-(T2 Ti) 2 2 打(1 2)112 TM 其中，W是热传递速率，A1是内圆筒的表面积，r是圆筒内径，丫比热之比 即丫 =C/Cv，Rm是普适气体常数，p是压力，M是剩余气体的分子量，下标1和 2分辨指内外圆筒。 因为适应系数变化大，要精确地计算剩余气体的传热是有困难的。一般来说 这不是一个严重的不足之处，因为通常目的在于得到一个具有

4、这样质量的真空， 即剩余气体的传热并不严重地影响倒中的热传递。 2.2 辐射传热 一个表面放出的热辐射的速率可用史提芬 -波尔兹曼方程给出： W = eAT4 其中e是温度T下的总发射率，A是面积，c是常数。而两个表面之间的净 辐射能交换由下式给出： W = eA（T24 -T14） 这里，下标1和2分别指冷、热表面；A是表面积因数，它不仅与辐射表面 的形状如平板、圆柱等等有关，还与它对红外反射类型（镜面反射与漫反射）有 关，通常镜面反射比漫反射传热小。 二表面之间的净辐射传热量取决与于个不同的量：（a）热表面的发射率；（b） 冷表面对于热表面辐射能量波长分布特性的吸收率。 为简单起见， 常常

5、把这二个 量通称为发射率。此外，维恩给出了最大能量的波长与温度关系： maxT=常数 对低温发射率方面研究，总结出以下经验： （1 ）最好的放射体也是最好的导电体（铜、金、银、铝） ； （2）随着温度的降低发射率也降低； （3）良好反射体的发射率会由于表面污染而增大； （4）反射性良好的金属掺杂成合金后，发射率增大； （ 5）金属表面层由于加以硬化处理，例如机械抛光，则发射率增大； （6）直观的外貌（光亮度）不是在长的波长下反射能力的可靠的判据。 2.3 通过支撑体传热 计算通过普通的固体支撑的传热量是一件简单的事情，例如可以用来承受杜 瓦容器重量的一维支撑体，热传导公式为： W二-Ak(dT

6、/dx) 其中A是支撑体的截面积，k是支撑体的热导率，dT/dx是温度梯度，负号 表示热能朝低温方向流动。在低温下热导率通常会随着温度的变化而显著的变 化，所以，为了得到热流，需要进行积分。因此， A t2 WkdT L Ti 其中，L是支撑体的长度，它的一端在较高温度 T2下，另一端在较低温度 Ti下，带入一个分析函数k=f(T)，就可以用上式计算热传递效率的大小。 有时由于空间的大小或其他种种因素不方便使用长杆或缆索等一维支撑体， 我们可以将许多层不锈钢或其他不良的导热金属薄片构成的叠层作为支撑体。当 然，这些支撑体仅适用于压力负荷，对这种用途来说，他们的强度几乎与整体金 属支撑体一样，而

7、热流只是后者的一小部分(约1%)。这是因为在高真空中，两 个金属表面之间的接触具有较高的热阻。目前已经发明了两种形式：一种是有许 多薄片或垫圈组成的；另一种是盘成卷的金属带材，就像盘得紧紧的钟表发条一 样。 3. 常用低温绝热技术 3.1堆积绝热 堆积绝热又称容积绝热，这是一种沿用传统的高温保温的绝热方式，即选用 导热系数小的绝热材料装填在需要绝热的部位，有时在绝热材料的空隙中充入氮 气或干空气。这种绝热不需要真空，安装简单，可靠，广泛用于冷冻和大型低温 装置中。 堆积绝热有泡沫型、粉末型及纤维型。这些材料的导热系数随温度降低和容 重减少近似呈线性关系减少。因此，器绝热效果取决于绝热层的厚度。

8、另外，堆 积绝热材料的导热系数随吸湿率的变化明显。在低温和大气压下的堆积绝热，固 体热传导和气体传热通常占总漏入热流的 90%左右，常用的堆积绝热材料有珠光 砂(又名膨胀珍珠岩)、矿渣棉、超细玻璃棉、石棉、聚苯乙烯等泡沫塑料。 泡沫型绝热材料为非均质材料，器热导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。许多泡沫材料的发泡气体为C02,它在液氮温度下 具有低的蒸气压。当新的泡沫材料一侧冷至液氮温度，由于CO2 气体的大量冷 凝,使得泡沫材料的热导率减小； 但泡沫材料在大气中暴露较长时间后, 空气即 扩散入泡沫机体中取代C02；若泡沫材料暴露在氢气或氦气中较长时间，由于这 两种气

9、体的高热导作用,使得泡沫热导率增加 34 倍。 粉末或纤维绝热的主要特点是水蒸气和空气能通过绝热层渗入到冷表面， 除 非设置蒸气阻挡层即防潮层。 通过向绝热层中充入高于大气压的干氮气也可防止 水分的渗入，例如液化天然气贮槽中即采用此法。 3.2 高真空绝热 高真空绝热是一种将绝热空间抽至 1mPa的真空度，以消除绝热空间的气体 对流换热和大部分气体热传导。进入低温设备的热流主要是辐射热。 这种方法始于 19 世纪后期。影响高真空绝热的主要因素有二：一是夹层的 真空度。一般情况下，夹层真空度优于 1.33 X0-3Pa以上时，真空度对热流值影 响很小。为了获得和保持这样的真空度， 必须要在设计和

10、工艺上加以注意。 常用 吸气剂来保持真空度， 如低温用活性炭和分子筛。 二是辐射传热的大小。 为了减 少辐射传热，最有效的办法是降低材料表面的发射率， 以及降低热壁温度。 为此， 常用低放射率的材料， 并使辐射表面高度光滑、 清洁，用液氮或冷蒸气冷却屏等。 单纯的高真空绝热，具有结构简单、紧凑、热容量小、制造方便等特点。对 于实验次数频繁、要求降温和复热快的实验装置（如输液管道） ，一般采用高真 空绝热为宜，但高真空的获得和保持比较困难，不宜于大型设备。 3.3 真空粉末绝热 真空粉末或纤维绝热，这种绝热结构是在绝热空间充填多孔性绝热材料（粉 末或纤维），在将绝热空间抽到一定的真空度。 这种方

11、法出现于 20世纪初。 填充 多孔性材料厚， 只要在低真空的情况下， 即可使气体分子的平均自由程大于粉末 粒子（或纤维）之间的间距，从而就可以消除气体的对流传热。而残余气体的热 传导，也因为气压降低而显著下降。另外，由于多孔性材料对热射线的反射、散 射和吸收， 也起到了消弱辐射传热的作用。 特别是添加一定数量的阻光材料 （铜 粉或铝粉）后，更有利于减少辐射传热。 这种绝热形式的性能，比单纯的高真空绝热的更好，而且避免了获得和保持 真空所带来的许多困难。其绝热效果受真空度、粉末的粒度、容重、添加剂的种 类和数量、界面温度等因素的影响。常用的绝热材料有珠光砂、气凝胶、硅胶及 矿物纤维等。 这种绝热

12、方式的优点是：绝热性能好，高于堆积绝热两个数量级，优于高真 空绝热一个数量级，而且真空度要求不高，一般为 1Pa0.1Pa即可。其缺点是： 要求夹层间距大、笨重。适用于大、中型低温贮槽和设备。 3.4 高真空多层绝热 高真空多层绝热是在真空夹层中装上多层防辐射屏 （反射率很高的金属膜） 以此来降低辐射热。 它出现于 20 世纪 50 年代初期， 是当前绝热性能最好的一种 绝热形式，被称为 “超级绝热 ”。包括高真空多屏绝热。常用的多层绝热材料有： 铝箔、喷铝涤纶膜、铝箔纸、玻璃纤维布（纸） 、尼龙网、丝绸等。 影响其绝热的因素有： 材料及其组合方式、 真空度、层密度、 总厚度、温度、 机械负荷

13、及其杂质等。 多层绝热常用两种组合方式： 一种是将辐射屏用导热系数 很低的间隔物固定， 如铝箔加玻璃纤维布； 另一种是采用复合材料， 如皱折的喷 铝薄膜直接安装在真空夹层内， 装配比前一种方便。 多层绝热具有绝热性能优异、 重量轻、热容量小、耐久性好、成本适当等优点。广泛应用于中、小型的低温储 液器或绝热要求高的低温装置中。 多层绝热的改进是多屏绝热。 多屏绝热是一种将多层防辐射屏与蒸气冷屏相 结合的绝热结构。 用不多的金属屏与蒸气出口管相连接， 利用冷蒸气吸收显热来 冷却辐射屏，降低热壁的温度，抑制了辐射传热，提高了绝热效率。这些为数不 多的金属屏蔽层， 既是多层绝热的防辐射屏， 又可作为蒸

14、气冷却屏， 而且有助于 消除多层绝热的纵向传热。多层绝热具有绝热效率高、热容量小、重量轻、平衡 时间短、制作简单、成本低廉等优点，可用于中、小型储存容器，特别是液氦的 容器。 123 4. 绝热技术比较与应用 4.1 各类绝热方法的比较 1）堆积绝热 粉末型 优点：成本低，有一定的机械强度，不需真空罩；缺点：热膨 率大，热导率会随时间变化。 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。 （ 2）高真空绝热 优点：易于对形状复杂的表面绝热， 预冷损失小， 真空夹层可 做得很小也不致影响绝热性能； 缺点：需持久的高真空， 边界表面的辐射率要小

15、。 （ 3）真空粉末绝热 优点：不需要太高的真空度，易于对形状复杂的表面绝热； 缺点：振动负荷和反复热循环后易沉降压实， 抽真空时必须设置滤网以防粉末进 入抽机系统。 （4）高真空多层绝热 多层绝热 优点：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：费用较大，难以对复杂形状绝热，抽成高真空难度大，抽 真空工艺比较复杂。 多屏绝热 优点：绝热性能最优；缺点：仅对于液氦或液氢容器有比较 显著的效果，结构复杂，成本较高。 2 4.2 绝热技术的选择 绝热结构的选择，要从绝热性能、经济性、容积、重量及施工方便等多种因 素综合考虑。一般遵循以下原则： 低沸点的液体存储采用高效绝热形式； 大型容器选用成本低的绝热形式， 而不必过多考虑重量和所占空间的大 小； 运输式及轻便型容器应采用重量轻、体积小的绝热结构； 形状复杂的容器一般不宜采用高真空多层绝热；