Такую изоляцию применяют в сосудах для хранения и перевозки сжиженных газов —криостатах, для изоляции трубопроводов с жидкими газами, ожижительных установок, разделительных колонн, лабораторного оборудования и управляемых снарядов. Низкие температуры все в больших масштабах внедряются в технику, и в связи с этим возрастает роль вакуума как средства для изоляции аппаратов.

Высоковакуумная изоляция. Простейшие сосуды для хранения и перевозки жидких газов, так называемые сосуды Дьюара, представляют собой двухстенные стеклянные или металлические сосуды с рубашкой, в которой создан высокий вакуум (давление до 10^-6 мм рт. ст.).

Теплопередающие поверхности сосуда должны иметь хорошую отражательную способность. Благодаря низкой теплопроводности разреженного газа испарение жидкости в таком сосуде происходит значительно медленнее, чем при использовании какой-либо изоляции, находящейся при атмосферном давлении Теплопередача в таких сосудах происходит в основном излучением. Поверхность с высокой отражательной способностью, которая обеспечивает малый лучистый теплоприток, можно получить применением отожженной алюминиевой и медной фольги или гальваническим покрытием слоем серебра или золота толщиной —0,025 мм.

На рис. 222 показан сосуд емкостью 500 л для жидкого водорода с высоковакуумной изоляцией, поверхности которого тщательно обработаны для получения малой степени черноты. В сосуде применен так называемый азотный экран; значительная часть теплопритока снаружи поглощается в результате испарения жидкого азота. 500-литровая цилиндрическая цистерна из коррозионностойкой стали со сферическими днищами имеет посеребренную поверхность. Внутренний сосуд с жидким водородом имеет вакуумную рубашку; наружная оболочка этой рубашки представляет собой азотный экран, так как она охлаждается находящимся в верхней части сосуда жидким азотом в количестве 220 л.

Для укрепления внутреннего сосуда использованы растяжки из троса диаметром 2,4 мм из коррозионностойкой стали. Азотный экран также окружен вакуумной рубашкой. Для уменьшения I теплопередачи в наружном вакуумном пространстве установлен дополнительный «плавающий» экран. Он подвешен к наружной оболочке на трех И длинных трубках из коррозионностойкой стали и снабжен тефлоновыми )порами, чтобы не соприкасаться с азотным экраном. Остаточное давление Иввакуумном пространстве 10^-6 мм рт. ст. Потери на испарение 0,26% в сутки и водорода и 15,8 л в сутки жидкого азота.

Наибольшие трудности при перевозке и хранении связаны с гелием, Нвк как он имеет самую низкую температуру кипения и малую теплоту •парообразования (табл. 40).

Таблица 40

Для хранения и перевозки жидкого гелия применяют стеклянные и металлические сосуды с вакуумной рубашкой и промежуточным азотным экраном. В сосуде емкостью 100 л потери на испарение составляют 0,5% в сутки жидкого гелия. Так как температура жидкого водорода и гелия значительно ниже температуры конденсации и затвердевания воздуха, то при соприкосновении трубопроводов, по которым проходят жидкий водород и гелий, с воздухом на них образуется слой твердого воздуха. Этот слой способствует теплопритоку, поэтому все вентили и трубопроводы, работающие при таких низких температурах, заключены в вакуумные рубашки.

Поверхность вакуумного пространства покрывают хорошо отполированным материалом. В изолирующем пространстве обеспечивается высокий вакуум с помощью диффузионного насоса. В конструкции трубопровода предусмотрены специальные устройства, допускающие температурное расширение и сжатие внутренней трубы по отношению к вакуумной рубашке.

Предложен также способ заполнения рубашки трубопровода углекислым газом. Внутреннюю трубу обматывают стеклянной ватой, заключенной в перфорированную алюминиевую фольгу; вакуумное пространство заполняется чистым углекислым газом при давлении 1,5 атм. При подаче в трубопровод сжиженного газа углекислый газ в вакуумном пространстве конденсируется на внутренней трубе и удерживается там стеклянной ватой. Давление в вакуумном

Предлагается также вообще не откачивать воздух из межстенного пространства сосудов Дьюара для гелия, чтобы конвекцией ускорить охлаждение внутреннего сосуда до температуры жидкого азота. Чтобы предотвратить быструю кристаллизацию воздуха на поверхности внутреннего сосуда при заливании гелия, в межстенное пространство помещают адсорбент, который занимает 2—3% объема этого пространства

 Изоляцию с помощью высоковакуумной рубашки используют обычно в небольших сосудах. Для изоляции больших сосудов емкостью более 100 л применяют вакуумно-порошковую изоляцию. Порошки тонкого помола — вспученный перлит, аэрогель, силикат кальция, газовая сажа, диатомовая земля — являются очень хорошими I низкотемпературными изоляторами. При понижении давления в пространстве, заполненном изоляционным материалом, резко уменьшается его эффективный коэффициент теплопроводности; для перлита, например, он составляем 10% от его значения при атмосферном давлении. Идеальный теплоизоляционый материал должен иметь высокую отражательную способность и минимальный тепловой контакт между соседними частицами. Улучшение изоляционных свойств при наличии вакуумно-порошковой изоляции объясняется тем, что основная часть тепла передается излучением, а порошок является многократным экраном для этого излучения.

Эксперименты показали, что перечисленные выше порошки при соответствующей толщине слоя образуют эффективную преграду тепловому излучению и при вакуумировании передают очень мало тепла теплопроводностью. Распространяясь в порошках, лучистая энергия рассеивается и частично поглощается. Пространство между двумя оболочками заполняют тонким порошком изоляционного материала, после чего происходит откачка воздуха из этого пространства. При этом уже не требуется такой высокий вакуум, который понадобился бы при отсутствии изолирующего порошка.

Необходимое давление в вакуумно-порошковом пространстве 0,01— 0,1 мм рт. ст., в то время как при отсутствии порошка необходимо давление 10^-4 - 10^-5 мм рт. ст. Опыты показали, что понижение давления от 10^-3 до 10^-3 мм рт. ст. почти не влияло на передачу тепла через изоляцию. В случае необходимости можно повторно откачивать сосуды. На рис. 223 дан график изменения среднего эффективного коэффициента теплопроводности для некоторых порошковых материалов. Тепло здесь передается тремя путями: теплопроводностью твердых частиц, теплопроводностью газа и тепловым излучением. Средний эффективный коэффициент теплопроводности учитывает полную передачу тепла и является эмпирическим коэффициентом К, определяемым по уравнению

I где Q—тепловой поток через единицу площади; T2 и Т{ — температуры И граничных поверхностей; ?х—толщина изоляции между граничными поверхностями.

Кроме того, адсорбционные свойства холодного порошка способствуют увеличению вакуума. При этом полирование поверхностей не требуется.

Таким образом, при использовании вакуумно-порошковой изоляции можно обойтись без диффузионных насосов и снизить требования к вакуумной плотности сосудов. Это чрезвычайно важно, так как объем сосудов может быть очень большим.

Некоторые изолирующие материалы позволяют сильно понизить эффективный коэффициент теплопроводности изоляции в Вт/(см2•⁰C):

Вакуумно-порошковую изоляцию применяют не только для изоляции сосудов и цистерн для хранения и перевозки, но в некоторых случаях и для изоляции трубопроводов, которые собирают из отдельных секций.

Поскольку тонкие порошки и волокна до некоторой степени проницаемы для теплового излучения, величину лучистого теплопритока можно уменьшить добавлением в порошок медной или алюминиевой пудры или чешуек] В этом случае эффективный коэффициент теплопроводности понизится в 10 раз. Вместо засыпки порошком применяют также многослойную изоляцию, которая состоит из чередующихся слоев материала с высокой отражательной способностью и малой теплопроводностью (алюминиевая фольга, разделенная тонким слоем стеклянной бумаги)

Стеклянная бумага имеет волокна толщиной меньше 1 мкм. В 1 см размещено от 15 до 30 слоев (см. выше, изоляция Линде Si). Применение порошковой изоляции связано с трудностями из-за гигроскопичности порошка. В случае попадания в изоляционное пространство материала с высокой влажностью при давлении ниже 4,58 мм рт. ст. вода превращается в лея и начинается сублимация льда. Процесс сублимации льда может быть продолжительным, поэтому при первом вакуумировании порошки должны подвергаться предварительной сушке или нагреву электричеством или паром. Можно также продувать сухой горячий воздух через влажный порошок. Другой трудностью является самый процесс откачки воздуха из порошка. При больших объемах откачиваемой системы сопротивление проходу газа очень велико.

Рис. 225. Криогенный газификатор (фи Батерфилд, Англия)

Откачку необходимо производить в нескольких точках или устраивать специальные каналы. В местах откачки на вакуумных линиях следует установить фильтры, чтобы порошок при откачке не попадал в вакуумный насос. Очень важно также обеспечить равномерную плотность порошка.

Фирма У. П. Батерфилд (Англия) (выпускает стационарные и передвижные установки для криогенных жидких газов c вакуумно-порошковой изоляцией. Пространство между внешней и внутренней оболочкой заполняют порошкообразным силикатом алюминия. Все детали, предназначенные для крепления и расположенные в вакуумном пространстве, изготовляют из металлов с малой теплопроводностью. На рис. 224 показан сосуд для хранения сжиженного газа этой фирмы объемом 34 700 л.

 Эквивалент хранения составляет для кислорода 28 300 м3, азота 22 930 м3, аргона 27 930 м3.

Применяемые сосуды по устройству делят на сосуды, выдающие газ в сжиженном состоянии, и сосуды, которые хранят жидкость, а выдают газ криогенные газификаторы). В выпускаемой фирмой Батерфилд серии из пяти газификаторов наибольший может хранить около 15 тыс. м3 кислорода при нормальных условиях), однако это не является пределом. Давление в изоляционном пространстве составляет приблизительно 0,02 мм рт. ст.

Пространство заполняют порошком под вакуумом. По данным фирмы, потери на испарение составляют в сутки при емкости 1275 л 1 %, 2500 л — 0,75%, 4540 л — 0,5%, 9085 л — 0,3%, 18 170 л — 0,25%.

На рис. 225 показан криогенный газификатор для хранения 1275 л жидкого газа. Он может выдавать непрерывно газообразный кислород в количестве 56,6 м³/ч.

Сосуды для перевозки жидкого фтора, вмещающие до 2260 кг жидкости, имеют три оболочки. Наружное пространство имеет вакуумно-порошковую изоляцию, затем следует рубашка, заполненная жидким азотом, а во внутреннем сосуде находится фтор. Благодаря этому фтор, который чрезвычайно ядовит, не испаряется в атмосферу. Материал для изготовления внутреннего сосуда (монель-металл, коррозионностойкая сталь, алюминий) имеет защитное покрытие фтористыми соединениями для избежания химического взаимодействия фтора с металлом.

В сосудах для жидкого водорода и гелия вакуумно-порошковая изоляция позволяет исключить азотный экран. На рис. 226 показан транспортный сосуд для жидкого водорода емкостью 5400 л с внутренним диаметром 1678 мм, длиной Зм. Он изолирован слоем перлита толщиной 30 см в вакууме. Потери на испарение составляют —1,5% в сутки.