Теплоизоляция в криогенной технике (стр. 3 из 5)
Способ получения аэрогеля основан на удалении жидкости из геля при температуре и давлении выше критических. В этом случае жидкость переходит в пар непосредственно в порах материала, что исключает сжатие пор за счет сил поверхностного натяжения, С целью снижения рабочей температуры и давления вода в гидрогеле предварительно замещается этиловым или метиловым спиртом. Технологическая схема процесса состоит в следующем. Предварительно приготовленные растворы жидкого стекла плотностью 1150—1170 кг/м3 и серной кислоты плотностью 1126—1128 кг/м3 поступают в смеситель. Образующийся в течение 6—8 сек гидрогель проходит через масло, коагулирует и приобретает форму шариков. Затем он промывается в чанах водой, после чего вода в гидрогеле замещается этиловым спиртом в 16-ти последовательно соединенных диффузорах. Спирт удаляется из геля в автоклавах при 7—9 Па и 540° К. Остатки паров спирта отсасывают вакуумным насосом. Содержащиеся в полученном продукте примеси органических веществ удаляют прокаливанием во взвешенном слое при температуре 570—670° К.
Изготовляемый по этой технологии продукт имеет плотность 90—120 кг/м3 и коэффициент теплопроводности 0,014— 0,016
при температуре 190° К.Позднее перешли на новую технологию получения аэрогеля, отличающуюся тем, что спирт удаляется из геля непрерывным способом в теплообменниках. Получаемый по этой технологии аэрогель имеет плотность 20— 40 кг/м3 и коэффициент теплопроводности 0,019—0,020
при температуре 190°К.Недостатком аэрогеля является необратимое изменение структуры и увеличение теплопроводности при попадании в него капельной влаги. Для того чтобы уменьшить способность аэрогеля поглощать влагу и изменять при этом свою структуру, его можно подвергнуть гидрофобизации путем обработки метилхлористыми силанами, фтористыми соединениями, бутиловым спиртом. Наилучшие результаты дает обработка диметилдихлорсиланом.
Возможны и другие способы получения аэрогеля, не связанные с применением автоклава, работающего под давлением. Предложено удалять воду из гидрогеля вакуумированием его. Разработан способ, состоящий в обезвоживании гидрогеля нагреванием его с жидкостью, обладающей малым поверхностным натяжением, с последующим прокаливанием полученного геля. Оба эти способа дают аэрогель с несколько более высокими значениями плотности и теплопроводности.
Кремнегель представляет собой один из видов тонкодисперсного порошка двуокиси кремния. Он получается, в частности, в производстве суперфосфата при взаимодействии фторапатита с серной кислотой и кремнеземом и последующем гидролизе образующейся двуокиси кремния. Плотность кремнегеля 100—150 кг/м3, коэффициент теплопроводности 0,030— 0,035
при 190°К.Белая сажа также является тонкодисперсным порошком, состоящим, в основном, из двуокиси кремния. Ее получают путем осаждения кремнекислоты из раствора жидкого стекла углекислотой и обработки полученной суспензии соляной или серной кислотой. Плотность сажи составляет 160—240 кг/м3, размер частиц для некоторых марок достигает нескольких мкм, коэффициент теплопроводности при 190° К равен 0,02— 0,03
. К белой саже близок по свойствам аэросил, получаемый сжиганием четыреххлористого кремния в среде водорода при 1100° С.Ячеистые материалы. Ячеистые теплоизоляционные материалы также широко применяют в технике низких температур..
Пробка представляет собой ячеистый материал естественного происхождения и давно используется в технике умеренного холода: Она вырабатывается из коры пробкового дуба и, отчасти, коры бархатного дерева. В холодильной технике применяются плиты, которые прессуются из пробковой крупы крупных фракций и подвергаются термической обработке при 260—280° С. Свойства экспанзита согласно ВТУ № 190 и ТУ № 174/5-2-41 характеризуются следующими данными: плотность не более 180 кг/м3, коэффициент теплопроводности не более 0,058
при 293° К.Вспученный эбонит (оназот) относится к числу наиболее эффективных ячеистых теплоизоляционных материалов. При вспучивании эбонит увеличивается в объеме примерно в 15 раз, его плотность снижается до 60—70 кг/м3. Оназот имеет 20 000 ячеек в 1 см2, средняя толщина стенок ячеек составляет 0,012 мм. Он дороже пенополистирола, но превосходит последний то коэффициенту теплопроводности (0,028
при 288° К), а также по водопоглощению и паропроницаемости.Мипора имеет наименьшие плотность и коэффициент теплопроводности по сравнению со всеми остальными пенопластами. Она представляет собой отвердевшую пену мочевино-формальдегидной смолы. Мипору выпускают по в виде блоков плотностью 10—20 кг/м3. В изоляционный объем сложной конфигурации ее загружают в виде крошки с плотностью набивки 40—50 кг/м3. Коэффициент теплопроводности в обоих случаях одинаков и равен 0,030—0,033
при 293°К.Недостаток мипоры — гигроскопичность. Этот материал довольно быстро увлажняется в условиях эксплуатации низкотемпературной теплоизоляции. Мипора не поддерживает горения в атмосфере воздуха. Однако в среде кислорода она огнеопасна, а при большой плотности набивки взрывоопасна. Поэтому ее нельзя рекомендовать в качестве теплоизоляции установок разделения воздуха и сосудов для жидкого кислорода.
Пенополистирол представляет собой ячеистый материал (поры замкнуты) с очень малым поглощением. Он может быть изготовлен различными способами. Прессовый метод состоит в смешении полимера с газообразователями и другими компонентами, прессовании композиции и вспенивании заготовок. Так получают пенополистирол с плотностью 60—220 кг/м3 и с плотностью 35—80 кг/м3. Коэффициент теплопроводности возрастает с увеличением плотности и находится в пределах 0,030—0,050
при 293° К.Автоклавный метод основан на насыщении полистирола в автоклаве газами или низкокипящими органическими веществами и последующем вспенивании при снятии давления. В США таким методом получают продукт под названием «стирофом» с плотностью 20—40 кг/м3, размером пор 0,5—2 мм и коэффициентом теплопроводности около 0,040
при 293° К.Метод получения пенополистирола из гранул прост в аппаратурном оформлении и позволяет при соблюдении необходимых условий получать пенопласт непосредственно в изоляционном пространстве. Гранулы полистирола, насыщенные низкокипящими органическими веществами, вспенивают путем нагревания. Приготовленные таким образом пористые гранулы засыпают в форму и вторично подвергают нагреву с помощью острого пара или горячей воды в течение 5—10 мин. Под влиянием высокой температуры гранулы еще больше увеличиваются в объеме, размягчаются и склеиваются (спекаются) между собой, образуя сплошной материал. Он имеет плотность 20—60 кг/м3 размер пор 0,01-—0,1 мм и коэффициент теплопроводности 0,032—0,045
при 273° К.Пенополиуретан получают в результате сложных реакций, протекающих при смешении полиэфира, диизоцианата и воды в присутствии соответствующих катализаторов и эмульгаторов. Смесь заливается в форму, где она вспенивается. Затем вспененный материал прогревается в течение 4—6 ч при температуре 50—150°С, в результате чего происходит его отверждение. Изготовляют как жесткие, так и эластичные пенополиуретаны в зависимости от вида полиэфира.
Материал имеет плотность 100— 220 кг/м3 и коэффициент теплопроводности 0,047—0,057
при 293° К. Эластичный пенополиуретан имеет плотность 30—60 кг/м3 и коэффициент теплопроводности 0,035 .Преимущество этого материала перед другими — возможность заполнения изоляционного пространства композицией в жидком виде, что упрощает технику изоляционных работ, обеспечивает заполнение изоляционного пространства сложной формы без образования пустот, уменьшает накопление влаги в изоляции. В качестве недостатка следует указать на ядовитость одного из компонентов — диизоцианата.
Пеностекло получают путем термической обработки при 700 — 850°С смеси порошкообразных стекла и газообразователя. Смесь загружают в жаропрочные формы и направляют в печь, в которой происходит размягчение стекломассы и разложение газообразователя. Образующиеся при этом пузырьки газа вспенивают вязкую стекломассу и придают ей ячеистую структуру. Получаемые блоки имеют плотность 100—400 кг/м3 (диаметр пор 0,1— 2 мм), и коэффициент теплопроводности 0,06—0,10
при 293° К.Пеностекло имеет малое водопоглощение, легко поддается механической обработке. Строительные блоки из пеностекла имеют максимальные габариты 450х450х130. Выпускаются блоки, различающиеся по плотности, сопротивлению сжатию и коэффициенту теплопроводности.
Структура
Перенос тепла в изоляционных материалах мало зависит от их химического состава и определяется их структурой, т, е. формой частиц (волокна, зерна), объемом пор между частицами и внутри их, распределением пор по размерам.
Материалы, применяемые для низкотемпературной теплоизоляции, имеют мелкодисперсную структуру. Наиболее тонкой структурой обладают порошкообразные материалы, основой которых является двуокись кремния.