Гусев А. Л.
Российский Федеральный Ядерный Центр -Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики
(РФЯЦ-ВНИИЭФ)
28
УДК 621.59-761
В данном обзоре впервые предложены теоретические модели возникновения эффузионно индуцированной водородной и теплопроводной неустойчивостей суперизоляции. Термодинамическое описание этих новых эффектов проведено с привлечением аппарата аналитической термодинамики. На основе вариационного описания процессов тепломассообмена для гетерогенной системы в приближении сплошной среды и с учетом электросорбционных процессов по водородно-водяному циклу Бардина-Бретайна-Шоккли получена формулировка математической модели процессов молекулярного тепломассообмена в суперизоляции.
Продемонстрирован принципиально новый подход к конструированию и расчету суперизоляции, который помимо радиационных и конвективных механизмов теплопроводности учитывает механизм вариации конвективной составляющей. При этом вариации конвективной составляющей происходят за счет изменения состава и концентрации остаточной среды в результате электросорбционного процесса. Электросорбционный процесс возникает при наличии ярко выраженной водородной остаточной атмосферы на теплых экранах суперизоляции при изменениях концентрации воды в натекающем через микронеплотности в теплоизоляционную полость воздухе.
ВВЕДЕНИЕ
В обзоре рассмотрены аварийные условия в крупных криостатах в условиях их длительной эксплуатации. Аварийные условия в криостатах возникают при появлении значительных тепловых потоков в криоагент, намного превышающих паспортные, по тепловым мостам и через теплоизоляцию [1-3]. Во время длительной эксплуатации крупных криоста-тов, особенно в конце межрегламентного периода в теплоизоляционных полостях накапливается остаточный водород. Водород, как правило, появляется в результате диффузии межрешеточного водорода из толстых теплых стенок кожуха криостата в вакуумную полость. Остаточная среда других газов формируется в основном за счет натекания атмосферного воздуха через микронеплотности. Микронеплотности в крупных криостатах есть всегда. В начале эксплуатации криостата они, как правило, незначительны, а потом в связи с процессами в сварных швах, увеличиваются, по величине приближаясь к предельно допустимому значению.
Наиболее распространенные стратегии эксплуатации суперизоляции криостата строятся на жестко определенном межрегламентном периоде теплоизоляции. На данном этапе развития криогенной техники
конструкторы, как правило, определяют межрегламентный период сроком в один год. Однако, такая позиция приводит к существенным эксплуатационным и энергетическим издержкам. Было бы разумнее стратегию планирования продолжительности межрегламентного периода строить с учетом изменения состояния конструкции криостата. В ряде работ [4, 5] постулируется возможность прогнозирования наступления экстремального периода эксплуатации криостата, а также планирования оптимальной продолжительности межрегламентных периодов. Вместе с тем, как показывает практика эксплуатации, при превышении межрегламентного периода в суперизоляции криостатов при определенных условиях могут возникать явления, препятствующие нормальной эксплуатации криостата. Однако, проведение экстремальных плановых экспериментов на натурных крупных криостатах позволило доказать возможность управления этими эффектами с целью устранения отрицательного эффекта и получения положительного эффекта при невозможности проведения экстренного регламента суперизоляции. Кроме того, анализ этих явлений позволил построить модели, которые могут быть полезными при разработке принципиально новых вариантов исполнения суперизоляции. Эти процессы можно полностью прекратить, устранив их чрезвычайную опасность.
В предлагаемом обзоре рассмотрены и проанализированы накопленные к настоящему времени данные о протекании электросорбционных процессов в слоях экранно-вакуумной теплоизоляции крупных криогенных резервуаров и криогенных трубопроводов [6-7]. Продемонстрировано их влияние на испаряемость криогенных продуктов, а также на снижение степени безопасности термоста-тируемых объектов. Особое внимание уделено эффекту поля, газо-водяному циклу Бардина - Брет-тайна - Шокли, электроадсорбционному эффекту, метастабильным состояниям поверхности суперизоляции, кинетике и динамике остаточной атмосферы очень крупных криогенных резервуаров с незначительной эффузионной течью, испаряемости криогенной жидкости, определению величины теп-лопритоков к криогенной жидкости в условиях изменения параметров окружающей атмосферы. Впервые в обозреваемой литературе освещены явления, недавно обнаруженные в суперизоляции крупных криогенных резервуаров [6-9]:
■ эффект эффузионно индуцированной водородной неустойчивости суперизоляции;
■ эффект эффузионно индуцированной теплопроводной неустойчивости суперизоляции в крио-генно-вакуумных объектах;
■ эффект мультипликации количества десорбиру-ющихся молекул водорода по отношению к величине натекающих молекул влажного воздуха. Эффектами в теплоизоляции можно управлять.
Для создания новых образцов теплоизоляции с высоким эксергетическим КПД и высокой степенью безопасности должны быть разработаны новые теплоизолирующие структуры и конструкции [8, 9]. Определены основные тенденции дальнейшего развития суперизоляции. Продемонстрирован принципиально новый подход к конструированию и расчету суперизоляции, который помимо радиационных и конвективных механизмов теплопроводности учитывает механизм вариации конвективной составляющей. При этом, вариации конвективной составляющей происходят за счет изменения состава и концентрации остаточной среды в результате элект-росорбционного процесса. Электросорбционный процесс возникает на теплых экранах суперизоляции при изменениях концентрации воды в натекающем в теплоизоляционную полость воздухе [6, 7].
1. ХАРАКТЕРИСТИКА СУПЕРИЗОЛЯЦИИ КРИОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Со времени изобретения суперизоляции П. Пе-терсеном прошло совсем немного времени - всего лишь несколько десятилетий. Однако, представление о механизме работы суперизоляции претерпело множество изменений. Эти модели позволили с течением времени создать современную суперизоляцию.
П. Петерсен разместил в вакуумном объеме экраны из алюминиевой фольги и разобщил их стеклово-локнистыми матами. Вместо фольги сейчас наиболее широко применяется полимерная пленка с нанесенными с двух сторон тонкими слоями алюминия.
Существует ряд конкурирующих представлений о механизме теплопереноса в суперизоляции. Эти представления были достаточно верны для того, чтобы создать достаточно эффективную супе-
ризоляцию. Однако в процессе эксплуатации крупных криогенных объектов ученые и инженеры отметили, что наши представления о тепловых процессах в суперизоляции не адекватны действительности.
С учетом последних взглядов на суперизоляцию можно дать ей следующее определение.
Экранно-вакуумная теплоизоляция (суперизоляция) - система параллельных или концентрических (соосных) газопроницаемых металлических пленок, нанесенных на подложку, разобщенных между собой пористой прокладкой, изготовленной из материала с высоким коэффициентом теплового сопротивления, обеспечивающая малую степень поглощения теплового излучения и малую степень аккомодации энергии молекул межэкранного газа при высокой и стабильной адсорбционной способности металлических пленок.
В настоящее время в качестве экранов широко используют полиэтилентерефталатную пленку толщиной 12-15 мкм с нанесенными на нее с одной или с двух сторон тонкими слоями алюминия толщиной 0,5 мкм [10, 11]. Низкий коэффициент теплопроводности пленки и малая толщина слоя алюминия уменьшают передачу тепла вдоль слоев и повышают эффективность суперизоляции в промышленных изделиях. Для прокладок используются тонковолокнистые (с толщиной волокон до одного микрона) стекломатериалы с малым газовыделением. Поскольку расстояние между экранами достаточно велико (плотность укладки обычно лежит в пределах 10-50 экранов/см), экран-но-вакуумная изоляция работает наиболее эффективно практически при столь же низких давлениях, что и чисто вакуумная, т. е. при давлениях ниже 10-2 Па. Однако, эффективность этой изоляции гораздо выше вакуумной и порошково-вакуумной.
Современная промышленная суперизоляция обеспечивает тепловой поток на уровне 0,3-0,5 Вт/м2. Такие значения теплопритоков реализуются при числе экранов 45-75, т. е. при толщинах менее 0,1 м и малой массе изоляционного слоя [12]. Лучшие образцы суперизоляции в диапазоне температур 10- 350 К характеризуются эффективным коэффициентом теплопроводности, равным (2-3).10-5 Вт/(м.К), т. е. существенно меньшим, чем у других типов тепловых изоляций. Указанная характеристика обеспечивает суперизоляции предпочтительное применение для защиты от теплопритоков устройств, работающих при криогенных температурах [12].
Особенностью суперизоляции является неаддитивность термического сопротивления относительно числа экранов и то, что термическое сопротивление изоляции практически перестает возрастать при достижении определенного количества слоев [11].
2. АКТУАЛЬНОСТЬ МОДЕРНИЗАЦИИ СУПЕРИЗОЛЯЦИИ
Бурный интерес к суперизоляции отмечен в 70-80-ые годы и был связан с развитием криогенной техники, водородной энергетики, космической техники, авиации, морского и подводного флота. Возобновился интерес к суперизоляции и в конце 90-х годов - начале XXI века. Развитие водородной энергетики в симбиозе с ядерной входит в перспективные национальные программы ряда развитых
29
государств. Размещение ядерного реактора в акватории мирового океана для производства водорода и транспортировка сжиженного водорода на остров является одним из перспективных проектов развития японской энергетики. Для хранения запасов жидкого водорода, кислорода и других сжиженных газов, по всей видимости, понадобятся эффективные криогенные резервуары и трубопроводы.
Испаряемость наиболее эффективных резервуаров составляет 0,8-1% в сутки от общего количества хранящейся жидкости.
Гигантские размеры современных резервуаров определяют большое количество затрат на из
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.