1、第三章、低溫絕熱技術(shù)一、 低溫絕熱機(jī)理 “絕熱”并不是完全的熱隔絕，只是把熱量傳遞（導(dǎo)熱，對(duì)流和輻射）減少到盡可能低的程度。 自然對(duì)流的防止稀薄氣體導(dǎo)熱固體導(dǎo)熱減少輻射熱的防止（非灰色，非平衡，臨近效應(yīng)）1.1自然對(duì)流傳熱 自然對(duì)流不同于強(qiáng)迫對(duì)流，它是由流體的徹體力（bodyforces）引起的，在重力場(chǎng)中，徹體力一般是重力。在低溫絕熱結(jié)構(gòu)中，只要采取抽真空的措施，自然對(duì)流就可被防止，而使氣體呈純粹氣體導(dǎo)熱的狀態(tài)。 重力引起的自然對(duì)流傳熱一般用Gr（格拉曉夫數(shù)）表征。 絕熱空間大多為有限空間，對(duì)于有限空間的流體，只要GrmPrm103， 則Num=(GrmPrm) m=1,即自然對(duì)流傳熱可以完

2、全防止，呈現(xiàn)為純粹氣體導(dǎo)熱的狀態(tài)。 由于絕熱空間中的氣體（空氣、氮?dú)?、氦氣等）的Pr均為0.7左右，故可以認(rèn)為Grl。因此，在其傳輸過程中，分子之間相互碰撞的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過氣體分子與壁面間的碰撞幾率。此時(shí)氣體的熱導(dǎo)率決定于氣體分子間的能量交換。 隨著氣體分子平均自由程的增大，傳熱情況會(huì)發(fā)生很大的改變?nèi)绠?dāng)lL時(shí)，則呈自由分子狀態(tài)。在傳輸過程中，氣體分子之間相互碰撞的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氣體分子與器壁碰撞的幾率，此時(shí)，熱導(dǎo)率不再?zèng)Q定于氣體分子間的能量交換，而是決定于氣體分子與壁面的能量交換情況。 從連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)到自由分子流狀態(tài)，其過程是連續(xù)變化的，但對(duì)真空低溫絕熱來說，則是分子流狀態(tài)下的導(dǎo)熱情況。因?yàn)椴捎贸?/p>

3、高真空的方法很容易使絕熱空間的氣體達(dá)到自由分子狀態(tài)。1.3 低溫下固體的導(dǎo)熱 固體導(dǎo)熱存在兩種機(jī)理，即傳導(dǎo)電于(亦稱電子氣)的遷移和品格的熱振動(dòng)(又稱聲子導(dǎo)熱)。不同材料在不同溫度下，這兩種機(jī)理對(duì)導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)是不相同的。金屬的導(dǎo)熱 對(duì)于非合金的金屬導(dǎo)體(主要是指純金屬)，其導(dǎo)熱幾乎全部由傳導(dǎo)電子的遷移承擔(dān)。非金屬的導(dǎo)熱 非金屬導(dǎo)熱主要依賴于晶格的熱振動(dòng)，即聲子。合金的導(dǎo)熱 合金中、既有傳導(dǎo)電子導(dǎo)熱，又有聲子導(dǎo)熱。固體導(dǎo)熱量的計(jì)算 低溫工程中，固體構(gòu)件的溫差一般都很大，加上低溫下，材料的熱導(dǎo)率又是溫度的復(fù)雜函數(shù)，所以在工程上常采用兩種方法計(jì)算固體導(dǎo)熱量：1.4 低溫下的輻射傳熱 減少輻射傳熱是低溫

4、絕熱技術(shù)中的主要內(nèi)容之一，低溫相對(duì)傳熱問題不僅歸結(jié)為界面上的發(fā)射與吸收，而且還涉及到絕熱空間介質(zhì)的物性。 在低溫下，熱輻射本身就有其特點(diǎn)，再加上絕熱空間的介質(zhì)不同，更加使得輻射傳熱的分析復(fù)雜化。 熱輻射是因溫度引起、以電磁波輻射方式向外發(fā)射能量的傳熱形式。 不論物體溫度高低都存在熱輻射，只是能量大小不同而已。輻射出的能量與熱力學(xué)溫度的四次方成正比，所以住高溫條件下熱輻射成為傳熱的重要形式。從量子力學(xué)的觀點(diǎn)看，輻射能是由光子傳輸?shù)?。輻射傳熱基本定律?1普朗克定律和維恩定律 2斯蒂芬玻耳茲曼(StefanBoltzman)定律 3基爾霍夫定律 4朗伯定律低溫下輻射傳熱的效應(yīng)： 在低溫下，根據(jù)維恩

5、分布定律，熱輻射的波長變長，發(fā)射率隨溫度變化加劇，加上溫差比值大、許多傳熱過程為非平衡過程因此，產(chǎn)生了低溫下的輻射傳熱問題：非灰色效應(yīng) 在高溫、常溫區(qū)域，上兩式差別不大，但在低溫區(qū)域，由于考慮了電場(chǎng)的空間變化對(duì)自由電子運(yùn)動(dòng)的影響，特別是電子的平均自由程增加到與輻射場(chǎng)的穿透厚度相當(dāng)時(shí)兩式的差別就很大了。這種由于溫度降低和兩層間的溫度差變大而使兩式差別變大的情況，稱為非灰色效應(yīng)。非平衡效應(yīng) 輻射傳熱基于基爾霍夫定律推導(dǎo)出來的。然而，基爾霍夫定律僅在熱平衡的條件下才成立。在低溫下，輻射傳熱的溫差一般比較大。 研究表明，在大溫度比下，發(fā)射率與吸收比之比偏離1，這就會(huì)使得基爾霍夫定律不成立，而兩平板間輻

6、射傳熱的一般計(jì)算都是基于基爾霍夫定律的，由此而產(chǎn)生的誤差稱為非平衡效應(yīng)鄰近效應(yīng) 在很窄的真空空間內(nèi)插入兩片平行的平板，如果間隙很窄，片與片之間就會(huì)出現(xiàn)像隧道效應(yīng)那樣的傳熱流。它與間隙之中多次反射的射線受波干涉的效應(yīng)一樣，所以稱為鄰近效應(yīng)。低溫下材料的輻射性質(zhì)：電介質(zhì)的輻射性質(zhì)金屬的輻射性質(zhì)（哈根魯賓關(guān)系）金屬薄膜的輻射性質(zhì)深冷霜的輻射性質(zhì)（一般對(duì)CO2和水的霜進(jìn)行研究）1.5 分散介質(zhì)中的傳熱 絕熱材料大多是分散介質(zhì)。在分散介質(zhì)中傳熱的機(jī)理十分復(fù)雜，許多著作對(duì)它進(jìn)行過理論與實(shí)驗(yàn)研究，在分散介質(zhì)中的熱交換一般按下列方式進(jìn)行： 1)單個(gè)微粒材料固體骨架之間的熱傳導(dǎo)； 2)相鄰微粒之間在接觸處的接觸

7、導(dǎo)熱； 3)粒子氣孔中的氣體導(dǎo)熱 4）帖子間隙間的氣體對(duì)流傳熱； 5)粒子之間的輻射傳熱。分散介質(zhì)中氣體與固體的熱傳導(dǎo)分散介質(zhì)中的接觸傳熱粒子氣孔中的氣體導(dǎo)熱粒子間隙間的氣體對(duì)流傳熱分散介質(zhì)中的輻射傳熱二、低溫絕熱類型 低溫絕熱的目的是采用各種不同的絕熱類型與結(jié)構(gòu)，將通過對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射等途徑傳遞給低溫體系的熱量減少到盡可能低的程度，以維持低溫系統(tǒng)正常工作。 低溫絕熱一般分成非真空絕熱和真空絕熱兩大類型。 非真空絕熱也稱普通堆積絕熱，即需要絕熱的表面上裝填或包覆一定厚度的絕熱材料，以達(dá)到絕熱的目的。 而真空絕熱系在絕熱空間保持一定的真空度的一種絕熱型式。真空絕熱又分成高真空絕熱、真空多孔絕熱(

8、含微球絕熱)、高真空多層絕熱和多屏絕熱等幾種類型。(1)堆積絕熱；(2)高真空絕熱；(3)真空粉末（或纖維）絕熱；(4)高真空多層絕熱；(5)高真空多屏絕熱。 2.1普通堆積絕熱 指在低溫裝置維護(hù)的內(nèi)側(cè)、或低溫設(shè)備、管道的外側(cè)，敷設(shè)固體的多孔性絕熱材料。 絕熱材料的孔隙中充滿大氣壓力的空氣或其他低溫氣體（氮?dú)狻錃?、氦氣等）?結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉。 常用的堆積絕熱材料有固體泡沫型、粉末型及纖維型等。 普通堆積絕熱中的熱傳導(dǎo)主要足指固體傳導(dǎo)和氣體傳導(dǎo)。它們的熱流量約占這類絕熱結(jié)構(gòu)中總熱流量的90左右。 為了減少固體導(dǎo)熱，普通堆積絕熱應(yīng)盡可能選用密度小的絕熱材料，如常用的膨脹珍珠巖(又名珠光砂)、

9、氣凝膠、超細(xì)玻璃棉、聚苯乙烯、泡沫塑料等。 為了防止絕熱材料空間的氣體冷凝或固化，從而使絕熱性能惡化，可在堆積絕熱材料的孔隙中充填冷凝溫度低于冷表面溫度的氣體，同時(shí)這種氣體本身的熱導(dǎo)率要盡可能小。一般，冷表面溫度在77K以上的充填氮?dú)?，?7K以下的充填氬氣，氬氣的熱導(dǎo)率比氮?dú)膺€小，且冷凝溫度低，但這種氣體的價(jià)格偏高。a. 泡沫型 絕熱材料(如泡沫聚氨脂、泡沫聚苯乙烯、泡沫玻璃、橡膠等)為非均質(zhì)材料，其導(dǎo)熱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。 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)：熱膨脹率大，熱導(dǎo)率會(huì)隨時(shí)間變化。 b. 粉末或纖維型絕熱 材料：膨脹珍珠巖，玻璃

10、纖維 主要缺點(diǎn)是水蒸汽和空氣能通過絕熱層滲入到冷表面，需設(shè)置蒸汽阻擋層（防潮層）。 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 普通堆積絕熱結(jié)構(gòu)形式：1）單壁絕熱 單壁結(jié)構(gòu)是將被絕熱的設(shè)備用鋼板焊成的外殼包容起來，再向外殼中充填珠光砂或礦棉等絕熱材料。為了防潮，對(duì)于小型裝置要求外殼焊接處的氣密性好，使之在室溫下沒有氣體混入，從而避免絕熱層吸濕導(dǎo)致絕熱性能下降；而對(duì)于大型裝置，可以從換熱器出口處引出少量干燥氮?dú)馔ㄈ虢^熱空間中，使絕熱層保持正壓從而阻止潮濕空氣滲入殼體。 單壁絕熱使裝置的熱容量增大，預(yù)冷周期增長。在進(jìn)行檢修時(shí)，需要卸出大量的絕熱材料使工程復(fù)雜

11、化并增加檢修費(fèi)用。2）雙壁絕熱 大型裝置中大多采用雙壁絕熱結(jié)構(gòu)。雙壁絕熱結(jié)構(gòu)的持點(diǎn)是將主要的低溫設(shè)備安裝在內(nèi)殼體(亦稱冷箱)中；施行熱絕緣，然后在冷箱與外殼之間的空間內(nèi)充填絕熱材料。絕熱層的厚度一般為500600mm。 與單避絕熱結(jié)構(gòu)相比雙壁絕熱結(jié)構(gòu)的質(zhì)量可減輕一倍左右，預(yù)冷周期也可以大大地降低。2.2 高真空絕熱 高真空絕熱亦稱單純真空絕熱。一般要求在絕熱空間保持1.33mPa以下壓強(qiáng)的真空度，這樣就可以消除氣體的對(duì)流傳熱和絕大部分的殘余氣體導(dǎo)熱，以達(dá)到良好的絕熱效果。 英國科學(xué)家杜瓦(Dewer)于1898年發(fā)明了這種絕熱型式，因而像這種雙壁夾層保持高真空的低溫管道和容器人們習(xí)慣上稱為杜瓦

12、管和杜瓦瓶。 在這類絕熱結(jié)構(gòu)中，漏入低溫區(qū)的熱量主要是輻射熱，其次是小量的剩余氣體導(dǎo)熱以及固體構(gòu)件的導(dǎo)熱。 為了減少輻射傳熱高真空的壁面可采用低發(fā)射率的材料制作，或在材料表面涂低發(fā)射率的材料，并在表面進(jìn)行清潔與光潔處理，盡可能地降低材料表面的發(fā)射率。 必須盡可能減少殘余氣體的導(dǎo)熱。殘余氣體的導(dǎo)熱流與氣體種類、壓力、溫度等因素合關(guān)。當(dāng)環(huán)境條件一定、氣體種類一定時(shí)，殘余氣體熱導(dǎo)率主要正比于真空度。 為了保持高真空絕熱空間具有較低的壓強(qiáng)(即較高的真空度)，常采用放置吸氣劑的方法。 單純的高真空絕熱具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、熱容量小，制造方便等優(yōu)點(diǎn)。 對(duì)于實(shí)驗(yàn)次數(shù)頻繁、要求降溫和復(fù)溫快的實(shí)驗(yàn)裝置也常采用這種

13、高真空絕熱型式。 但是，由于高真空絕熱空間高真空度的獲得與保持比較困難，一般在大型裝置中很少應(yīng)用。2.3 真空粉末（或纖維）絕熱 真空多孔絕熱是在絕熱空間充填多孔性絕熱材料(粉末或纖維)，再將絕熱空間抽至一定真空度的一種絕熱型式。 在前面的分析中可以看出，只要在不高的真空度下(約10Pa)，就可以消除多孔介質(zhì)間的氣體對(duì)流傳熱，從而大大減小高真空獲得與保持的困難。 粉末和纖維等多孔絕熱材料的熱導(dǎo)率與低溫下氣體的熱導(dǎo)率接近。 實(shí)際上，在這些材料顆粒的微孔中和顆粒間的空隙中，氣體的導(dǎo)熱是主要的傳熱途徑。為此，將絕熱空間中的氣體抽走，是減少這類絕熱結(jié)構(gòu)漏熱的主要途徑。由于這類絕熱的熱導(dǎo)率只有堆積絕熱的

14、幾十分之一，且真空度要求不同，內(nèi)部壓力約為1l0Pa左右，故在低溫技術(shù)中得到大量的應(yīng)用。氣體壓力對(duì)真空粉末（珠光砂）絕熱性能的影響。 殘余氣體為氮?dú)?隨著夾層真空度的提高，其熱導(dǎo)率下降。 由圖可見，存在一個(gè)最佳密度。密度小于150200kg/m3時(shí)，入值隨密度的增加而減小，但當(dāng)密度進(jìn)一步增加后反而導(dǎo)致有效熱導(dǎo)率入增加。這是由于密度的增加雖然降低丁輻射傳熱，但固體導(dǎo)熱卻增大了的緣故。 真空粉末中摻入銅或鋁片(包括顆粒)可有效地抑制輻射熱，該類絕熱被稱為 真空阻光劑粉末絕熱 在室溫和液氮溫區(qū)內(nèi)真空粉末絕熱性能優(yōu)于單純的高真空絕熱。 密度(0.951.901.600.591.201.70絕熱材料 )

15、熱導(dǎo)率(W/mK)細(xì)珠光砂180粗珠光砂64氣凝膠80硅酸鈣210鍋黑灰200玻璃纖維50真空粉末(或纖維)絕熱的表觀熱導(dǎo)率，冷熱二側(cè)溫度分別為77K和300K,殘余氣體壓力小于0.1Pa。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)：震動(dòng)負(fù)荷和反復(fù)熱循環(huán)后易沉降壓實(shí)2.4 高真空多層絕熱 多層絕熱又稱高真空多層絕熱，它是一種在絕熱空間中安置許多層平行于冷壁的輻射屏來大幅度減少輻射熱而達(dá)到高效絕熱之目的一種絕熱結(jié)構(gòu)。 為目前絕熱效果最好的一種絕熱型式，故稱為超級(jí)絕熱。 輻射屏的安置有兩種類型：一種是平膜輻射屏之間用低熱導(dǎo)率的間隔材料隔開。平膜輻射屏可以是鋁箔或雙面(或單面)噴鋁的滌

16、綸薄膜；另一種是將輻射屏做成波紋狀或凹凸形直接疊置在一起。 最常用的輻射屏材料有各種金屬箔，特別是價(jià)廉而輕便的鋁箔和噴鋁滌綸薄膜，而常用的間隔材料有玻璃纖維布、尼龍網(wǎng)、纖維紙、絲綢等。 多層絕熱中的傳熱比較復(fù)雜，影響其性能的因素較多，主要有下面幾個(gè)方面；1)多層材料的種類及其組合方式2)真空度，3)層密度，4)多層厚度；5)溫度；6)機(jī)械負(fù)荷及其他因素。典型真空多層絕熱與殘余氣體壓力的關(guān)系絕熱層密度24層/cm,冷熱邊界分別為77K和300K 2.5高真空多屏絕熱 多屏絕熱是一種多層防輻射屏與蒸汽冷卻屏相結(jié)合的絕熱結(jié)構(gòu)。用不多的金屬屏與冷蒸發(fā)氣體逸出管相連接，利用冷蒸氣吸收的顯熱來冷卻輻射屏、

17、降低熱屏的溫度，抑制輻射熱流，提高絕熱效果。 這些為數(shù)不多的金屬屏蔽層，既是多層絕熱的防輻射屏，又可作為蒸汽冷卻屏，而且還有助于消除多層絕熱的縱向?qū)?沿傳導(dǎo)屏的導(dǎo)熱)。因此，多屏絕熱是多層絕熱的一大改進(jìn)。蒸汽冷卻屏低溫儲(chǔ)存容器 絕熱原理：揮發(fā)的蒸汽可以帶走一部分傳入的熱量，其效果取決于揮發(fā)氣體的顯熱與潛熱之比 優(yōu)點(diǎn)：絕熱性能最優(yōu)缺點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高 三、低溫絕熱材料3.1 絕熱材料分類 按材質(zhì)可以分成有機(jī)絕熱材料、無機(jī)絕熱材料和金屬絕熱材料三大類。 按形態(tài)可分成多孔狀絕熱材料、纖維狀絕熱材料、粉末狀絕熱材料和層狀絕熱材料四種。 按結(jié)構(gòu)可分成固體基質(zhì)連續(xù)而氣孔不連續(xù)，如閉孔泡沫塑料；固體

18、基質(zhì)不連續(xù)而氣孔連續(xù)如開孔粉末材料；固體基質(zhì)和氣孔都連續(xù)，如纖維狀和多層結(jié)構(gòu)。3.2 常用絕熱材料1）泡沫絕熱材料 泡沫絕熱材料又稱多孔絕熱材料，在材料生產(chǎn)的過程中，利用發(fā)泡劑等物質(zhì)產(chǎn)生氣泡，形成許多孔隙。這類材料中有泡沫塑料、泡沫玻璃、泡沫橡膠、泡沫混凝上等。A、泡沫塑料 泡沫塑料是以聚合物或合成樹脂為原料，添加發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑后，經(jīng)加熱發(fā)泡而成的。它具有堆密度小，熱導(dǎo)率低、耐低溫、耐振動(dòng)、絕熱性能好、彈性好、防潮性能好、施工方便及熱膨脹系數(shù)大、性能衰退明顯等待點(diǎn)。 種類不同的泡沫塑料其性能也不相同。例如，聚苯乙烯泡沫塑料、聚苯脂泡沫塑料、脲醛泡沫塑料。 泡沫塑料一般容易成型、切割與施工，因而

19、它們的用途非常廣泛。B、 泡沫玻璃。 泡沫玻璃是以玻璃細(xì)粉和發(fā)泡劑為原料，用發(fā)泡法制得的多孔玻璃材料。它除具有絕熱性能好，力學(xué)強(qiáng)度高，不透水，不透氣，防火，抗凍，耐久等優(yōu)點(diǎn)外，其安全使用溫度廣，可達(dá)-260430C。2）纖維絕熱材料 纖維絕熱材料按材質(zhì)可分成有機(jī)纖維、無機(jī)纖維、金屬纖維和復(fù)合纖維等。工業(yè)中使用最廣泛的是無機(jī)纖維，如石棉、巖棉、玻璃棉、硅酸鋁陶瓷纖維、晶質(zhì)氧化鋁纖維等。3）粉狀絕熱材 粉狀絕熱材料的種類較多，有天然的、人造的之分，從材質(zhì)亡看有無機(jī)物、有機(jī)物和金屬等。 這類材料的每個(gè)顆粒本身就是一種多孔體。膨脹珍珠巖及其制品 膨脹珍珠巖是一種以SiO2、A13O 2為主要成分的酸性

20、玻璃質(zhì)顆粒。由火山噴射出的熔巖粉碎，再在爐中加熱加壓后膨脹而制得。 因火山巖石中含有一定量的結(jié)晶水，經(jīng)快速加熱后(7001000)結(jié)晶水迅速氣化，顆粒的體積膨脹420倍，成為質(zhì)輕色白的粉末其尺寸約為0.30. 6mm。膨脹珍珠巖不僅質(zhì)輕，而且熱導(dǎo)率很小，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，價(jià)格低廉，阻燃防霉，無毒無味，而且適用溫區(qū)廣，是一種優(yōu)良的絕熱材料。其最大的缺點(diǎn)是吸濕性高，使用過程易發(fā)生沉積壓實(shí)現(xiàn)象。4） 多層絕熱材料 多層絕熱材料常由低輻射率的屏材料和低熱導(dǎo)率的間隔物組成，也有兼有兩種作用的復(fù)合材料。 其中，最常見的有鋁箔、鍍鋁滌綸薄膜、鋁箔紙、玻璃纖維布、玻璃纖維紙、尼龍網(wǎng)、植物纖維紙等。 鋁箔由純鋁經(jīng)過

21、多次壓延而成。作為低溫絕熱用的鋁箔，希望進(jìn)行退火處理，表面不氧化，光亮、清潔。 玻璃纖維紙由玻璃纖維編織而成。作為絕熱用的玻璃纖維布要求用無堿纖維編織，表面還應(yīng)進(jìn)行脫脂處理。四、絕熱計(jì)算 絕熱計(jì)算不僅直接牽涉到設(shè)備或工程的投資和經(jīng)濟(jì)性、能源的節(jié)約、運(yùn)行操作人員的工作環(huán)境以及檢修人員的安全等，而且還影響到低溫研究中環(huán)境能否建立、實(shí)驗(yàn)?zāi)芊襁M(jìn)行。因此，絕熱計(jì)算在低溫工程設(shè)計(jì)中以及在節(jié)能技術(shù)中都有著重要的地位。 在絕熱計(jì)算中，常有下列內(nèi)容的計(jì)算項(xiàng)目： (1)熱損失計(jì)算 漏熱量計(jì)算。在絕熱結(jié)構(gòu)、絕熱層厚度及冷熱壁溫度已知的情況下，可以計(jì)算熱損失量。 (2)絕熱層厚度計(jì)算 根據(jù)允許的熱損失，計(jì)算絕熱層厚度

22、；或根據(jù)規(guī)定的絕熱結(jié)構(gòu)的表面溫度計(jì)算其厚度。4.1、絕熱計(jì)算的項(xiàng)目與參數(shù) (3)絕熱層表面溫度計(jì)算 已知絕熱層厚度及熱損失，計(jì)算絕熱層表面溫度。 (4)絕熱經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算 在相同的熱損失或絕熱層表面溫度下，計(jì)算不同絕熱結(jié)構(gòu)與材料的經(jīng)濟(jì)性。在確定絕熱材料后，計(jì)算其絕熱經(jīng)濟(jì)厚度。絕熱計(jì)算中，常用的參數(shù)有：(1)表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 也時(shí)稱作放熱系數(shù)。主要是指絕熱設(shè)備與大氣之中的氣體熱交換，以及一些量熱實(shí)驗(yàn)中充氣預(yù)冷與加熱等情況的換熱。 (2)熱導(dǎo)率 由于絕熱結(jié)構(gòu)中傳熱過程較復(fù)雜，幾種傳熱的方式同時(shí)并存，為此，為了簡化絕熱計(jì)算，往往采用當(dāng)量熱導(dǎo)率來替代。另外，有時(shí)為使絕熱計(jì)算與分析更規(guī)格化，也將輻射與對(duì)流傳熱

23、以折合熱導(dǎo)率來表征。 (3)熱輻射系數(shù) 低溫絕熱計(jì)算中常用的一個(gè)參數(shù)。 (4)適應(yīng)系數(shù) 低溫絕熱中，計(jì)算分子流氣體導(dǎo)熱流時(shí)的一個(gè)重要參數(shù)。 (5)絕熱結(jié)構(gòu)的外壁溫度 低溫設(shè)備，此溫度過低，同樣會(huì)引起冷損增大，并使外壁面結(jié)露、結(jié)霜，以及冷灼傷人體等。4.2 絕熱體的熱損失計(jì)算絕熱結(jié)構(gòu)的傳熱量，主要包括絕熱層與構(gòu)件兩部分的傳熱量。1）高真空絕熱的傳熱計(jì)算 對(duì)于高真空絕熱，其傳熱量由兩部分組成即殘余氣體的導(dǎo)熱和冷、熱壁面之間的輻射傳熱。 有關(guān)殘余氣體的導(dǎo)熱量可連續(xù)介質(zhì)流到自由分子流不同流態(tài)，采用不同計(jì)算公式計(jì)算 高真空絕熱夾層中的殘余氣體多數(shù)是空氣或氫、氦等氣體，而這些氣體均可視為不吸收及非散射性介

24、質(zhì)，因此不參與熱冷壁面之間的輻射傳熱過程。 這樣，兩壁面間的輻射傳熱量可按下式進(jìn)行計(jì)算： 輻射傳熱角系數(shù)的計(jì)算方法較多，可參閱有關(guān)資料。 對(duì)于冷表面被熱表面包圍的情況，可取2）真空型多孔介質(zhì)絕熱的傳熱計(jì)算 粉末和纖維材料均可視為分散介質(zhì)，這類介質(zhì)中的傳熱相當(dāng)復(fù)雜，不同的傳熱過程有時(shí)又互相交叉影響，為此精確計(jì)算這類材料的熱導(dǎo)率或傳熱量是相當(dāng)困難的。為了簡化計(jì)算，常采用有效熱導(dǎo)率來表征。 這類材料的有效熱導(dǎo)率 可以近似看成為該類材料的氣體與固體的熱導(dǎo)率 、輻射的熱導(dǎo)率 以及固體接觸的熱導(dǎo)率 的代數(shù)和：3）多層絕熱的傳熱計(jì)算 在多層絕熱中，傳熱情況比較復(fù)雜。特別是由輻射屏與間隔物組合而成的結(jié)構(gòu)，是一

25、種不連續(xù)非均勻介質(zhì)。另外，這種絕熱結(jié)構(gòu)又具有各相異性的持點(diǎn)，即它的側(cè)向(橫向)與正向(垂直向)的熱導(dǎo)率相差很大，可達(dá)105l06數(shù)量級(jí)，要精確計(jì)算是一件非常難的事。 工程上往往來用比熱流或者用有效熱導(dǎo)率來表征多層絕熱的性能。 比熱流和有效熱導(dǎo)率可以由實(shí)驗(yàn)求得，也可以用分析加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證而得。推薦計(jì)算公式： 該式右邊的前面部分表示多層中兩輻射屏之間的輻射熱，后一部分表示為多層間的導(dǎo)熱。4.3 絕熱結(jié)構(gòu)中熱橋的傳熱計(jì)算 在高效絕熱的設(shè)備中，隨著絕熱效率的提高，通過熱橋部分的比例增大了，有時(shí)達(dá)到總熱流的50或更大。 熱橋一般可分成三大類型：吊件、支承與管道。1）吊件 吊件一般用低熱導(dǎo)率的材料制成。為減少

26、吊件導(dǎo)熱，常從減少截面面積和增加傳熱途徑等方面著手，常常將吊件加工成吊桿、吊纜及吊鏈等多種型式。 吊桿、吊纜可用傅里葉定律計(jì)算： 當(dāng)?shù)鯒U或吊纜材料的熱導(dǎo)率很小時(shí)，還必須考慮到它的側(cè)面與絕熱材料之間的傳熱，不能再用上式(來計(jì)算，否則誤差較大。 此時(shí)可用下面的公式計(jì)算：2）多層疊片支承 多層疊片之間的熱阻由疊片之間的固體界面接觸熱阻和縫隙間的氣體熱阻兩部分組成。3）管道 低溫設(shè)備中有進(jìn)液管、排氣管、加壓管等。對(duì)于金屬制的管道，導(dǎo)熱流占總熱流的主要比例，其熱流值可按吊件傳熱有關(guān)公式計(jì)算。 對(duì)于大型設(shè)備中與外殼平行安置的管道，管道對(duì)內(nèi)容器的傳熱可視為管道與平行平面間的絕熱材料導(dǎo)熱。 式中第一項(xiàng)的分母之

27、所以乘以2是假定管道與內(nèi)膽之間的溫差約為總內(nèi)外溫差的一半。對(duì)式求導(dǎo)并今其導(dǎo)數(shù)為零，便可求得管道冷損最小時(shí)的長度（即最佳長度)：4.4 絕熱層厚度的計(jì)算 在真空型的絕熱結(jié)構(gòu)中，絕熱層的厚度有以下幾種情況： 對(duì)于單純高真空絕熱，由于氣體分子的平均自由程都非常大，因此兩絕熱壁之間的距離原則上不受限制，只要考慮工藝加工可行性和抽氣阻力等因素即可； 對(duì)于真空多層絕熱，目前習(xí)慣采用比熱流計(jì)算熱負(fù)荷，因此絕熱層厚度計(jì)算就不重要了； 對(duì)于真空多孔絕熱(真空粉末與纖維絕熱)，目前尚按有效熱導(dǎo)率計(jì)算絕熱層厚度。1）根據(jù)允許下降，計(jì)算絕熱層厚度2）計(jì)算防止結(jié)露的絕熱層厚度 3）計(jì)算管道防凍的絕熱層厚度 4）絕熱層的

28、經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算五、低溫絕熱體的制作5.1 堆積絕熱結(jié)構(gòu)的一般要求與施工 堆積絕熱一 般由絕熱層和保護(hù)層兩部分組成。絕熱層是絕熱結(jié)構(gòu)的核心部分，而保護(hù)層不盡可以使絕熱層性能穩(wěn)定，使用壽命延長，而且可以使絕熱結(jié)構(gòu)整齊美觀。 只有合理的設(shè)計(jì)和施工，才能保證其優(yōu)良的絕熱效果，并使施工簡單、維修與更換方便。 1）膠泥結(jié)構(gòu) 膠泥結(jié)構(gòu)是指使用不定形的絕熱材料(如珍珠巖、蛭石、硅藻土等)，加入粘接劑（如水泥、水玻璃等)，按一定比例加水?dāng)嚢杈鶆?，形成粘性泥團(tuán)，涂到絕熱管或設(shè)備上，所形成的一種絕熱結(jié)構(gòu)。其傳統(tǒng)工藝是涂抹法。 2）纏繞結(jié)構(gòu) 纏繞結(jié)構(gòu)是用繩狀或帶狀材料纏繞在管道外部所形成的一種絕熱結(jié)構(gòu)。 該種結(jié)構(gòu)的主要

29、絕熱材料是石棉繩、泡沫塑料帶和稻草繩。使用石棉繩時(shí)縫內(nèi)應(yīng)填石棉泥、外部一般可不設(shè)保護(hù)層。 該種結(jié)構(gòu)施工簡單，檢修方便，不會(huì)脫落，可用于震動(dòng)大的場(chǎng)所，而且所用輔助抹料小，不消耗金屬材料，成本低。其缺點(diǎn)是費(fèi)工且工效低，不易大規(guī)模施工。大多用于小規(guī)模的臨時(shí)工程或振動(dòng)較大的管道。 3）填充結(jié)構(gòu) 填充結(jié)構(gòu)是先在需要絕熱的管道上安置支承環(huán)套，再在支承環(huán)外包上鍍鋅鐵絲網(wǎng)，并在其間填充松散的絕熱材料而構(gòu)成的一種絕熱結(jié)構(gòu)。 填充結(jié)構(gòu)的主要絕熱材料有礦渣棉、玻璃棉、膨脹珍珠巖等。支承環(huán)的間距一般為300500mm。施工時(shí)要保證有一定的密度不使其下沉，以保證其絕熱效果。 4）噴涂結(jié)構(gòu) 噴涂結(jié)構(gòu)是用專用設(shè)備將有機(jī)泡沫

30、絕熱材料或某些無機(jī)絕熱材料噴射到絕熱面上所形成的一種絕熱結(jié)構(gòu)。這是近10來年發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)。它既可以作為建筑物的絕熱保溫，也可用于各種設(shè)備的絕熱，是一種很有發(fā)展前途的絕熱結(jié)構(gòu)。 5）粘貼結(jié)構(gòu) 粘貼結(jié)構(gòu)是采用粘接劑將絕熱材料粘貼在金屬或陶瓷等絕熱表面而形成的一種絕熱結(jié)構(gòu)。 如目前許多空調(diào)設(shè)備、冷凍臨時(shí)用設(shè)備以及像加熱爐等，都采用這種絕熱結(jié)構(gòu)。 6）其他結(jié)構(gòu) 尚有包扎結(jié)構(gòu)、預(yù)制件絕熱結(jié)構(gòu)等其他種類的絕熱結(jié)構(gòu)。 雖然制作方法有些率同，但都是基于將低熱導(dǎo)率的材料敷設(shè)在被絕熱體的表面，以達(dá)到絕熱之效果。5.2 多層絕熱結(jié)構(gòu)的制作 1） 多層絕熱材料的處理 選定多層絕熱后，在安置之前，要對(duì)多層絕熱

31、材料進(jìn)行清潔、成型與干燥處理。 對(duì)于輻射屏材料，要用丙酮或無水酒精清除表面的油脂；對(duì)于間隔物(如玻璃纖維布)主要是進(jìn)行脫脂處理。經(jīng)過清潔處理后的多層材料，再按被包扎設(shè)備的大小裁剪成一定的尺寸，并進(jìn)行復(fù)合處理，即將輻射屏材料與間隔物材料疊合，放置在清潔干燥的環(huán)境中，供包扎時(shí)用。 2） 吸氣劑的安置 保持多層絕熱空間的真空度是穩(wěn)定多層絕熱性能的關(guān)鍵。除在加工過程中嚴(yán)格對(duì)殼體與焊縫進(jìn)行檢漏外，還一定要在多層絕熱空間放置吸氣劑，吸附由殼體和多層材料所釋放出的殘余氣體。 一般是根據(jù)絕熱空間漏放氣體的種類和使用條件來選擇吸氣劑的。常用的吸氣劑有分子篩和活性炭。惰性氣體一般可用活性炭或4A、5A分子篩作吸氣

32、劑，而極性分子及大分子的氣體可用13X或Y型分子篩。 3） 多層絕熱體的包扎 多層絕熱體的包扎方法常有兩種： 一是制成絕熱被后到現(xiàn)場(chǎng)包扎，對(duì)大型設(shè)備一般采用此種方法；另一種是在包扎室中進(jìn)行包扎。 包扎工序： 清潔被絕熱表面并使其干燥安置吸氣劑安置真空屏(傳導(dǎo)屏或蒸氣冷卻屏)或其它支承件等按設(shè)計(jì)要求包扎多層絕熱包扎中經(jīng)常測(cè)量松緊度與層數(shù)并打孔烘干裝入外殼體中。5.3 真空粉末絕熱結(jié)構(gòu)的制作1）粉末絕熱材料的干燥處理 典型的粉末絕熱材料為膨脹珍珠巖，又稱珠光砂，是一種吸濕性很強(qiáng)的材料，在裝上絕熱空問之前必須進(jìn)行干燥處理。 小量的珠光砂可以采用鼓風(fēng)烘箱或真空烘箱干燥處理，大量的珠光砂可以按圖所示流程進(jìn)行于燥。干燥時(shí)間視原料情況而定，一般新鮮且密