Способ теплоизоляции объекта и устройство для его осуществления Советский патент 1991 года по МПК F17C3/04 

Изобретение относится к теплоизоляционной технике, и в частности к устройствам теплоизоляции и термостатирования аппаратуры с источниками тепла, а также к криогенным устройствам.

Цель изобретения - повышение эффективности способа за счет стабилизации температуры защищаемого объекта в широком диапазоне изменения тепловых потоков.

На фиг.1 изображены зависимость величины эффективного коэффициента теплопроводности от температуры; на фиг.2 - зависимость величины передаваемого теплового потока от температуры; на фиг.З - устройство системы термостатирования обьекта с температурозависимой изоляцией с линейной прокладкой ЭВТИ; на фиг.4 - устройство системы термостатирования при

винтовой навивке ЭВТИ; на фиг.5-узел I на фиг.З, состоящий из двух ячеек зкранно-ва- куумной изоляции, наложенных друг на друга внахлест; на фиг,б - кривые давления насыщенных паров различных оеществ от температуры; на фиг.7 - кривые изменения температуры на нагревательном элементе объекта во времени.

Способосуществляют следующим образом.

Проводилось экспериментальное исследование теплопередающих и терморегу- лирующйх возможностей способа на основе температурозависимой экранно-вакуум- ной теплоизоляции (ЭВТИ). На нагреватель, имитирующий защищаемый объект, устанавливалась ЭВТИ с герметичными полостями и организованней системой фитилей

о

ю N

ю

00 XI

в полостях, выполненных из стеклобумаш БМД-К и заполненных водой в количестве 300 г/м2 в каждом слое при 90°С. Затем нагреватель с ЭВТИ устанавливался в ваку- умированную криоячейку и вся криоячейка захолаживалась до минимальных эксплуатационных температур на нагревателе (-50°С).

При изменении температуры нагревателя в сторону повышения тепловой поток увеличивается пропорционально изменению температурного перепада между горячими и холодными экранами в каждой полости согласно закона теплообмена изучением, так как все вещество выморожено на поверхности холодного экрана и прокладки. При достижении температуры, равной -3°С, при которой давление остаточного газа становится больше Р - мм рт.ст., тепловой поток увеличивается за счет включения дополнительного молекулярного теплопереноса вследствие увеличения количества остаточного газа в вакуумиро- ванной прослойке, который появляется при испарении рабочего вещества с поверхности экранов и прослойки. Поскольку объем вакуумированной полости постоянен, а количество рабочего вещества в твердой фазе явно избыточно, то количество рабочего вещества в газообразной фазе будет определяться кривой давления насыщенного пара вещества от температуры, имеющей экспоненциальную зависимость. Таким образом, экспоненциально увеличивается и коэффициент теплопроводности ЭВТИ, и передаваемый тепловой поток в зависимости от температуры.

При достижении нагревателем температуры плавления рабочего вещества (для воды - 0°С), твердая фаза вещества переходит в жидкую, в результате чего увеличивается передаваемый тепловой поток, так как в процесс переноса тепла наряду с теплопроводностью по твердой основе, молекулярным переносом и теплопроводностью излучением включается тепло фазового перехода рабочего вещества жидкость - газ на горячем экране с последующей конденсацией на холодном экране и капиллярным переносом жидкой фазы по фитилям в зону испарения.

За счет последовательного включения различных механизмов переноса тепла в зависимости от температуры нагревателя сбрасываемый тепловой поток увеличился в 10 раз, в то же время в обыкновенной ЭВТИ всего лишь в 10 раз.

Количество вещества в жидкой фазе, заправляемого в тепловую изоляцию, определяется зависимостью

тж Vr РГ + Аф 1ф/эж , (1)

где Vr - объем пустот ячейки тепловой изоляции на кв.метр;

РГ - плотность паров вещества при максимальной температуре и давлении в ячейке тепловой изоляции;

Аф - площадь поперечного сечения фитильной прокладки;

ф- длина всех фитильных прокпадо нз

кв.метре изоляции;

р ж - плотность жидкого вещества при максимальной температуре тепловой изоляции.

в примере использованы пары воды в

количестве 2 г. В полость ячейки температу- розависимой изоляции в процессе сборки закладывались эластичная ампула с указанным выше количеством соды, п ячейке создавалось разрежение до Р мм рт.ст. с помощью форвакуумного насоса и отверстие заклеивалось, после чего ампула с водой раздавливалась и в ячейке устанавливалось давление, соответствующее давлению насыщенных паров при данной температуре, определяемого кривой 1 (фиг.6). Использование других веществ уксусной кислоты, смесь Н20 с глицерином приводит лишь к небольшому изменению кривых 2- 4 давления насыщенных паров от температуры (фиг.6). По этим зависимостям и проводился подбор веществ для тепловой изоляции,

На фиг.7 представлены результаты экспериментальной проверки температурного

режима в объекте при наличии температуро- зависимой изоляции, которая при колебаниях тепловыделений в ЮОр обеспечивала колебания температуры в объекте, не более чем на± 2,5°С. Кривая 5 на фиг.7 иллюстрирует изменение температуры на нагревательном элементе объекта, а кривэч б - изменения теплового потока внутри объекта термостатирования.

Устройство тепловой изоляции содержит замкнутые сакуумированные ячейки 7 (фиг.З - фиг.5), установленные внахлест под углом друг над другом по поверхности тер- мостатируемого объекта 8 и скрепленные гибким бандажом 9 (фиг.З) или намотанные

по винтовой линии (фиг.4). Каждая ячейка 7 (фиг.5) состоит из экранов - верхнего холодного экрана 10 и нижнего горячего экрана 11, которые скреплены между собой с образованием замкнутой полости 12. Экраны 10

и 11 каждой ячейки разделены между собой фитильной прокладкой 13. Внутри каждой ячейки 7 помещено вещество, имеющее температуру плавление и кипения в рабочем диапазоне температур и давлений.

Ячеи и 7 усыновлены доуг другом внах- пе т так, что /ч гок -аждой погл --дующей ячейки, расположен-ши на экране 10 и находящийся пот.прс дьпх/щей чпжой и чпстью горячего экран 11 прилегающего к поверхности объекта термос гатирования, образует участок зоны 14 испарения (фиг 5), я открытая 1астьхолодного экрана 10-зону 5 конденсации

Устройство работает г.лед/ющим образом.

В диапазоне температур изоляции от минимальной эксплуатационной до температуры, при которой давление насыщенных паров рабочего вещества достигает мм рт ст перенос тепла осуществляется i и теплопроводностью по основе.

При увеличении .ги тгпгоиь х давлений объекта 8 увеличиваете- сбо ы- ваемый тепловой поток а слсдо атол-, - / температура экраюв 10 и 11 в рез/гьтэте чего начинается испарение чз п зок 15 конденсации. За счет это-о созникает дополнительный молекулярный пэтг1 теп ла. Так как экраны 10 и 11 образуют нутую ячейку 7 тс количество рабочего вещества в газообразной будет определяться кривой давления насыщенного пара вещества от темперзтурн (кривтя 1 на фиг 6), имеющей экспоненциальную зависимость, следорательно, экспоненциально будет уееличиватьгр и эффективный коэффициент теплопроводности ЭВТИ

В диапазоне температур изоляции от температуры, при котооой давление насыщенных паров рабочего вещества достигает (О MV гя.ст. до температуры плавления рабочего вещества дополнительно к переносу тепла излучением и теплопрорсдностью по твердой основе включается ме янизм поле сулярного переноса тетла за счет увеличения количества остаточного газа в процессе фазового перехода оабочсго твердое тело - газ на холодном экране гермет ич- чого пространства

При достижении голодным экраном 10 в зоне 15 конденсации температуры плавления жидкая фаза вещества по фитильным прокладкам 13 за счет их капиллярных свойств перетекает в зону 14 испарения горячего экрана 11 и испаряется в полость 12, причем давление в полости 12 зависит от температуры зоны 14 испарения. Пары поступают в зону 15 конденсации холодного экрана 10, где конденсируются в жидкую фазу, т.е. при температуре холодного экрана 10 выше температуры плавления рабочего вещества дополнительно х молекулярному теплопвреносу и тепяоперяносу за счет излучения и теплопроводностью по твердой

основе включается отвод тепла за счет перевода твердой фазы вещества жидкую и использование тепла фагового перехода жидкость - пар на горя шм Экр зне 1 1 изоляции о зоне 14 испарения и пар - жидкость на холодном экране 10 в зоне 15 конденсации с капиллярным переносом жидкой фазы от холодного экрана 10 к юрпчему экрану 11 по фитильт IM прокладкам 13 с образованием

циркуляционного контура в каждой ячейке. Это привэчиг к увеличению эфф ктивного коэффициента теплопповодности в iG раз. Этому -noLOlriT/ :т и процесс раздувания ячеек от внутреннего давления, так зк увеличивается уоп нэклонр ячеек 7 к поверхно- i.iH о1ььь i i о п на пут-- гсплово о потока уменьшается число экранов, п, как они п мп . п кнснис к гпрпен- икуляр Юму p/iOT лип чи гоплсвэго потока.

Увеличь ИР d ;t/,,ttHif теплопроводности и соответственно с(|.лс.1счемого тегло jroi отокапозврпл гоПс по иTO изменение темгк р.зтуГ ь термостатаPV«. MOTO объекта не выше температуры кипег1и ч Tt плоносите/.я rpt данном давге и.и оГ спечипля при этом дальнейшую изотермичногть системы при 3,r,dHHOn т мр рагуро

Предлагаемый способ и устройство позволяют суш°стионно vnp-ти ть процесс

обеспечения гемперат ноге о- имз защищаемого объекте) е большинстве случаев за счет полнот отказя л- ни ой системы т рморег )пия, в ютз чего увеличивается жность систем11 о i счет существенного упрощения констоукцчи.

Создание замкнутых reri C - HI к полостей ЗТ С №Т nO.npl-ОГО COe/4HHCIn.Я К,ТгЗЙНИХ

экранов ЭВТИ обегпоч ют n JCTOTHCTBO объема „апопненного ,м рабочим

вещество .-1 а поочор дчое вкпючение разлн ai моха1 и„- nf,) inoi теплэ Qзависимости от температуры.

Соод ,1 Hi i ччтш1ьим1 п гкладками крайних экранов позвотчет после перехода

твердой фазы веществ в жндк ю и повышения давпения в ячейке изоляцги образовать капиллярную структуру для переноса жидкой фазы вещества от холодного экрана к горячему, а также повысить прочность ячейки при повышении давление внутри нее.

Размещение ячеек из ЭКРАНОВ внахлест позволяет создать в каждой ячсию зону испарения, образующуюся на уччетко накрытом предыдущей ячейкой, и зоны он стц. и,

образующейся на открытом участке ячейки.

Формула изобретения 1. Способ теплоизоляции оО екта, включающий вэкууг-чфрчяр . е теплоизоляционной полости и йвсденис и нее вещества,

изменяющего агрегатное состояние в рабочем диапазоне температур, отличающий- с я тем, что, с целью повышение эффективности за счет стабилизации температуры объекта в широком диапазоне тепловых потоков, применяют вещество с температурой кипения или плавления при рабочем давлении вакуумирования и подают его на капиллярно-пористый материал.

2. Устройство для теплоизоляции объекта, содержащее вакуумированную полость и Л UT

10

-I

размещенные в ней экраны, отличаю щ е е с я тем, что, с целью повышении эффективности за счет стабилизации температуры объекта в широком диапазоне тепловых потоков, полость разделена на отдельные ячейки, образованные попарно соединенными экранами, которые выполнены гибкими, при этом ячейки содержат фитильную прокладку и ее концы закреплены на концах противоположных экранов, а ячейки скреплены между собой внахлест.

Изобретение относится к технике регулирования температуры, в том числе криогенной, для систем термэстатировачия и терморегулирования. Изобретение позволяет расширить диапазон изменения эффективного коэффициента теплопроводности (в 1Э5 раз) и диапазон передаваемых тепловых потоков. Б основе поддержания постоянной температуры и термостатируе- мом объекте с тепловыделением лежит изменение эффективного коэффициента теплопроводности теплоизоляции и соответственно сбрасываемого теплового потока при изменении температуры объекта за счет последовательного включения в механизм теплопереноса различных физических процессов. В данном изобретении зкранно- вакуумная изоляция образует замкнутые ва- куумировзнные ячейки, внутрь которых вводится фитильная структура и вещество, имеющее температуру плавления и кипения в рабочем диапазоне температур и давления. 2 с.п.ф-лы. 7 ил. (Л С

10 О 10

Фиг. 1

юг

т°с

о фиг. 2

I 5

Фиг.З

7 X

Фиг. 5

шпн

yJUMH.qm.cm.

т

200 мп рт. cm.

-1

КЮмм.рт.ст.

нм.рт.ст.

ин.рт.сп.

20 нм.рт.ст.

-2

fOnH.pm.cm.

Зммрт.ст. f

Zftnpm.cm. /

-J

Q,.pm.cm.

УцЫкрш.ш.

Q,QtwM.fiin.cm/ /

0,02мм.. / /

-5O.OlMMjfpn-C™-/ /

0,.рт.т. X

1/l3,.pmi/tm. /

-в

0,.. f у

ГК

300

&

(. л+.

d

t .xrSi

H

u

г

x .

«2

z

XLIZ

X

X x

r

X

Z

X

«

c

XI

(B)q,B%

-4500

5000

mo