低溫測(cè)量中的絕熱技術(shù)論文

1、低溫物理實(shí)驗(yàn)原理和方法低溫絕熱技術(shù)初探Email:sunwave低溫絕熱技術(shù)初探1.低溫絕熱的意義對(duì)于低溫容器，絕熱層是最主要的結(jié)構(gòu)之一，直接關(guān)系到容器絕熱性能的優(yōu)劣。低溫絕熱的目的是要設(shè)法減少通過(guò)對(duì)流、熱導(dǎo)體、輻射等途徑漏入低溫裝置的熱量，以維護(hù)低溫裝置正常工作。低溫絕熱和高溫“保溫”原理雖然相同，但低溫絕熱在低溫領(lǐng)域內(nèi)有著特別重要的作用。首先，作為制冷劑的低溫液體，沸點(diǎn)很低，汽化潛熱小，室溫環(huán)境相對(duì)于低溫液體來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的熱源。另外，為了獲得這些低溫液體，需要消耗很多能量，特別是液氦，其資源稀缺、分離技術(shù)復(fù)雜，代價(jià)昂貴。因此，為了經(jīng)濟(jì)地使用這些低溫液體，低溫裝置必須要有良好的絕熱。不僅如

2、此，在一些低溫實(shí)驗(yàn)中，如材料低溫下的熱物性測(cè)量等，必須基本上消除周?chē)h(huán)境的熱影響，因而低溫測(cè)量用的某些恒溫器對(duì)絕熱技術(shù)也有特定的要求。1242.漏熱原理分析2.1剩余氣體導(dǎo)熱氣體動(dòng)力學(xué)指出當(dāng)氣體分子平均自由程比熱源與熱沉表面間距小時(shí)，則氣體的熱導(dǎo)率與壓力無(wú)關(guān)。如果每一個(gè)氣體分子在與容器壁碰撞和彈回時(shí)，都與容器壁建立了熱平衡，則熱傳遞速率就可單獨(dú)地由剩余氣體的分子量、比熱及壓力來(lái)確定。但是這樣的熱平衡是極難實(shí)現(xiàn)的，接近于平衡的程度是壁-氣體組合的一個(gè)特性，克努森用適應(yīng)系數(shù)來(lái)定量處理，定義為：其中，Ti入射分子的有效溫度，Te反射分子的有效溫度，Tw壁的溫度。如果壁的溫度與撞擊它的分子之間建立起完

3、全的平衡，則為1；如果從容器壁上反彈回來(lái)的分子動(dòng)能不變，則為0。在實(shí)際情況中，是在01之間的值。克努森研究了兩個(gè)長(zhǎng)的同軸圓筒之間進(jìn)行熱傳遞的關(guān)系式：其中，W是熱傳遞速率，A1是內(nèi)圓筒的表面積，r是圓筒內(nèi)徑，比熱之比即=Cp/Cv，RM是普適氣體常數(shù)，p是壓力，M是剩余氣體的分子量，下標(biāo)1和2分辨指內(nèi)外圓筒。因?yàn)檫m應(yīng)系數(shù)變化大，要精確地計(jì)算剩余氣體的傳熱是有困難的。一般來(lái)說(shuō)這不是一個(gè)嚴(yán)重的不足之處，因?yàn)橥ǔＤ康脑谟诘玫揭粋€(gè)具有這樣質(zhì)量的真空，即剩余氣體的傳熱并不嚴(yán)重地影響倒中的熱傳遞。2.2輻射傳熱一個(gè)表面放出的熱輻射的速率可用史提芬-波爾茲曼方程給出：其中e是溫度T下的總發(fā)射率，A是面積，是常

4、數(shù)。而兩個(gè)表面之間的凈輻射能交換由下式給出：這里，下標(biāo)1和2分別指冷、熱表面；A是表面積因數(shù)，它不僅與輻射表面的形狀如平板、圓柱等等有關(guān)，還與它對(duì)紅外反射類(lèi)型（鏡面反射與漫反射）有關(guān)，通常鏡面反射比漫反射傳熱小。二表面之間的凈輻射傳熱量取決與于個(gè)不同的量：（a）熱表面的發(fā)射率；（b）冷表面對(duì)于熱表面輻射能量波長(zhǎng)分布特性的吸收率。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，常常把這二個(gè)量通稱為發(fā)射率。此外，維恩給出了最大能量的波長(zhǎng)與溫度關(guān)系：對(duì)低溫發(fā)射率方面研究，總結(jié)出以下經(jīng)驗(yàn)：（1） 最好的放射體也是最好的導(dǎo)電體（銅、金、銀、鋁）；（2） 隨著溫度的降低發(fā)射率也降低；（3） 良好反射體的發(fā)射率會(huì)由于表面污染而增大；（4） 反

5、射性良好的金屬摻雜成合金后，發(fā)射率增大；（5） 金屬表面層由于加以硬化處理，例如機(jī)械拋光，則發(fā)射率增大；（6） 直觀的外貌（光亮度）不是在長(zhǎng)的波長(zhǎng)下反射能力的可靠的判據(jù)。2.3通過(guò)支撐體傳熱計(jì)算通過(guò)普通的固體支撐的傳熱量是一件簡(jiǎn)單的事情，例如可以用來(lái)承受杜瓦容器重量的一維支撐體，熱傳導(dǎo)公式為：其中A是支撐體的截面積，k是支撐體的熱導(dǎo)率，dT/dx是溫度梯度，負(fù)號(hào)表示熱能朝低溫方向流動(dòng)。在低溫下熱導(dǎo)率通常會(huì)隨著溫度的變化而顯著的變化，所以，為了得到熱流，需要進(jìn)行積分。因此，其中，L是支撐體的長(zhǎng)度，它的一端在較高溫度T2下，另一端在較低溫度T1下，帶入一個(gè)分析函數(shù)k=f(T)，就可以用上式計(jì)算熱傳

6、遞效率的大小。有時(shí)由于空間的大小或其他種種因素不方便使用長(zhǎng)桿或纜索等一維支撐體，我們可以將許多層不銹鋼或其他不良的導(dǎo)熱金屬薄片構(gòu)成的疊層作為支撐體。當(dāng)然，這些支撐體僅適用于壓力負(fù)荷，對(duì)這種用途來(lái)說(shuō)，他們的強(qiáng)度幾乎與整體金屬支撐體一樣，而熱流只是后者的一小部分（約1%）。這是因?yàn)樵诟哒婵罩?，兩個(gè)金屬表面之間的接觸具有較高的熱阻。目前已經(jīng)發(fā)明了兩種形式：一種是有許多薄片或墊圈組成的；另一種是盤(pán)成卷的金屬帶材，就像盤(pán)得緊緊的鐘表發(fā)條一樣。143.常用低溫絕熱技術(shù)3.1 堆積絕熱堆積絕熱又稱容積絕熱，這是一種沿用傳統(tǒng)的高溫保溫的絕熱方式，即選用導(dǎo)熱系數(shù)小的絕熱材料裝填在需要絕熱的部位，有時(shí)在絕熱材料的

7、空隙中充入氮?dú)饣蚋煽諝狻＿@種絕熱不需要真空，安裝簡(jiǎn)單，可靠，廣泛用于冷凍和大型低溫裝置中。堆積絕熱有泡沫型、粉末型及纖維型。這些材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度降低和容重減少近似呈線性關(guān)系減少。因此，器絕熱效果取決于絕熱層的厚度。另外，堆積絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨吸濕率的變化明顯。在低溫和大氣壓下的堆積絕熱，固體熱傳導(dǎo)和氣體傳熱通常占總漏入熱流的90%左右，常用的堆積絕熱材料有珠光砂（又名膨脹珍珠巖）、礦渣棉、超細(xì)玻璃棉、石棉、聚苯乙烯等泡沫塑料。泡沫型絕熱材料為非均質(zhì)材料，器熱導(dǎo)率主要取決于其密度以及發(fā)泡氣體，此外還有絕熱層的平均溫度。許多泡沫材料的發(fā)泡氣體為CO2，它在液氮溫度下具有低的蒸氣壓。當(dāng)新的泡沫

8、材料一側(cè)冷至液氮溫度，由于CO2氣體的大量冷凝，使得泡沫材料的熱導(dǎo)率減?。坏菽牧显诖髿庵斜┞遁^長(zhǎng)時(shí)間后，空氣即擴(kuò)散入泡沫機(jī)體中取代CO2；若泡沫材料暴露在氫氣或氦氣中較長(zhǎng)時(shí)間，由于這兩種氣體的高熱導(dǎo)作用，使得泡沫熱導(dǎo)率增加34倍。粉末或纖維絕熱的主要特點(diǎn)是水蒸氣和空氣能通過(guò)絕熱層滲入到冷表面，除非設(shè)置蒸氣阻擋層即防潮層。通過(guò)向絕熱層中充入高于大氣壓的干氮?dú)庖部煞乐顾值臐B入，例如液化天然氣貯槽中即采用此法。3.2 高真空絕熱高真空絕熱是一種將絕熱空間抽至1mPa的真空度，以消除絕熱空間的氣體對(duì)流換熱和大部分氣體熱傳導(dǎo)。進(jìn)入低溫設(shè)備的熱流主要是輻射熱。這種方法始于19世紀(jì)后期。影響高真空絕熱

9、的主要因素有二：一是夾層的真空度。一般情況下，夾層真空度優(yōu)于1.33×10-3Pa以上時(shí)，真空度對(duì)熱流值影響很小。為了獲得和保持這樣的真空度，必須要在設(shè)計(jì)和工藝上加以注意。常用吸氣劑來(lái)保持真空度，如低溫用活性炭和分子篩。二是輻射傳熱的大小。為了減少輻射傳熱，最有效的辦法是降低材料表面的發(fā)射率，以及降低熱壁溫度。為此，常用低放射率的材料，并使輻射表面高度光滑、清潔，用液氮或冷蒸氣冷卻屏等。單純的高真空絕熱，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、熱容量小、制造方便等特點(diǎn)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)次數(shù)頻繁、要求降溫和復(fù)熱快的實(shí)驗(yàn)裝置（如輸液管道），一般采用高真空絕熱為宜，但高真空的獲得和保持比較困難，不宜于大型設(shè)備。3.3

10、 真空粉末絕熱真空粉末或纖維絕熱，這種絕熱結(jié)構(gòu)是在絕熱空間充填多孔性絕熱材料（粉末或纖維），在將絕熱空間抽到一定的真空度。這種方法出現(xiàn)于20世紀(jì)初。填充多孔性材料厚，只要在低真空的情況下，即可使氣體分子的平均自由程大于粉末粒子（或纖維）之間的間距，從而就可以消除氣體的對(duì)流傳熱。而殘余氣體的熱傳導(dǎo)，也因?yàn)闅鈮航档投@著下降。另外，由于多孔性材料對(duì)熱射線的反射、散射和吸收，也起到了消弱輻射傳熱的作用。特別是添加一定數(shù)量的阻光材料（銅粉或鋁粉）后，更有利于減少輻射傳熱。這種絕熱形式的性能，比單純的高真空絕熱的更好，而且避免了獲得和保持真空所帶來(lái)的許多困難。其絕熱效果受真空度、粉末的粒度、容重、添加劑

11、的種類(lèi)和數(shù)量、界面溫度等因素的影響。常用的絕熱材料有珠光砂、氣凝膠、硅膠及礦物纖維等。這種絕熱方式的優(yōu)點(diǎn)是：絕熱性能好，高于堆積絕熱兩個(gè)數(shù)量級(jí)，優(yōu)于高真空絕熱一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且真空度要求不高，一般為1Pa0.1Pa即可。其缺點(diǎn)是：要求夾層間距大、笨重。適用于大、中型低溫貯槽和設(shè)備。3.4 高真空多層絕熱高真空多層絕熱是在真空夾層中裝上多層防輻射屏（反射率很高的金屬膜），以此來(lái)降低輻射熱。它出現(xiàn)于20世紀(jì)50年代初期，是當(dāng)前絕熱性能最好的一種絕熱形式，被稱為“超級(jí)絕熱”。包括高真空多屏絕熱。常用的多層絕熱材料有：鋁箔、噴鋁滌綸膜、鋁箔紙、玻璃纖維布（紙）、尼龍網(wǎng)、絲綢等。影響其絕熱的因素有：材料及

12、其組合方式、真空度、層密度、總厚度、溫度、機(jī)械負(fù)荷及其雜質(zhì)等。多層絕熱常用兩種組合方式：一種是將輻射屏用導(dǎo)熱系數(shù)很低的間隔物固定，如鋁箔加玻璃纖維布；另一種是采用復(fù)合材料，如皺折的噴鋁薄膜直接安裝在真空夾層內(nèi)，裝配比前一種方便。多層絕熱具有絕熱性能優(yōu)異、重量輕、熱容量小、耐久性好、成本適當(dāng)?shù)葍?yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于中、小型的低溫儲(chǔ)液器或絕熱要求高的低溫裝置中。多層絕熱的改進(jìn)是多屏絕熱。多屏絕熱是一種將多層防輻射屏與蒸氣冷屏相結(jié)合的絕熱結(jié)構(gòu)。用不多的金屬屏與蒸氣出口管相連接，利用冷蒸氣吸收顯熱來(lái)冷卻輻射屏，降低熱壁的溫度，抑制了輻射傳熱，提高了絕熱效率。這些為數(shù)不多的金屬屏蔽層，既是多層絕熱的防輻射屏，

13、又可作為蒸氣冷卻屏，而且有助于消除多層絕熱的縱向傳熱。多層絕熱具有絕熱效率高、熱容量小、重量輕、平衡時(shí)間短、制作簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可用于中、小型儲(chǔ)存容器，特別是液氦的容器。1234.絕熱技術(shù)比較與應(yīng)用4.1各類(lèi)絕熱方法的比較（1） 堆積絕熱1 粉末型 優(yōu)點(diǎn)：成本低，有一定的機(jī)械強(qiáng)度，不需真空罩；缺點(diǎn)：熱膨率大，熱導(dǎo)率會(huì)隨時(shí)間變化。2 粉末或纖維型 優(yōu)點(diǎn)：成本低，易用于不規(guī)則形狀，不會(huì)燃燒；缺點(diǎn)：需防潮層，粉末沉降易造成熱導(dǎo)率增大。（2） 高真空絕熱 優(yōu)點(diǎn)：易于對(duì)形狀復(fù)雜的表面絕熱，預(yù)冷損失小，真空夾層可做得很小也不致影響絕熱性能；缺點(diǎn)：需持久的高真空，邊界表面的輻射率要小。（3） 真空粉末

14、絕熱 優(yōu)點(diǎn)：不需要太高的真空度，易于對(duì)形狀復(fù)雜的表面絕熱；缺點(diǎn)：振動(dòng)負(fù)荷和反復(fù)熱循環(huán)后易沉降壓實(shí)，抽真空時(shí)必須設(shè)置濾網(wǎng)以防粉末進(jìn)入抽機(jī)系統(tǒng)。（4） 高真空多層絕熱1 多層絕熱 優(yōu)點(diǎn)：絕熱性能優(yōu)越，重量輕，與粉末絕熱比相對(duì)預(yù)冷損失小，穩(wěn)定性好；缺點(diǎn)：費(fèi)用較大，難以對(duì)復(fù)雜形狀絕熱，抽成高真空難度大，抽真空工藝比較復(fù)雜。2 多屏絕熱 優(yōu)點(diǎn)：絕熱性能最優(yōu)；缺點(diǎn)：僅對(duì)于液氦或液氫容器有比較顯著的效果，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高。24.2絕熱技術(shù)的選擇絕熱結(jié)構(gòu)的選擇，要從絕熱性能、經(jīng)濟(jì)性、容積、重量及施工方便等多種因素綜合考慮。一般遵循以下原則：1 低沸點(diǎn)的液體存儲(chǔ)采用高效絕熱形式；2 大型容器選用成本低的絕熱形式，而不必過(guò)多考慮重量和所占空間的大小；3 運(yùn)輸式及輕便型容器應(yīng)采用重量輕、體積小的絕熱結(jié)構(gòu)；4 形狀復(fù)雜的容器一般不宜采用高真空多層絕熱；5 間歇適用或