Способ теплоизоляции объекта и устройство для его осуществления
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 термостатируемом 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 зкранновакуумная изоляция образует замкнутые вакуумировзнные 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
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИ <ЕСКИХ
РЕСПУг ПИК (я)ю Г 17 С 3/04
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
Г10 ИЗОВРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4609715/26 (22) 14.10.88 (46) 30.01,91, Бюл. r> 4 (71) Омский политехнический инст<лгут (72) B.В.Шалай, В,B.Ëàñêèí и I".,R.Ïåòðóшенка (53) 621,59(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
М 588447, кл. F 17 С 3/00, 1975.
Авторское свидетельство СССР
N. . 1241005, кл. F .7 С 3/02. 1984. (54) СПОСОБ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ ОБЬЕКТА
И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к технике регулирования температуры, в том числе криогенной, для систем термэстатирова <ия и терморегулирования. Изобретение позвоИзобретение относится к теплоизоляционной технике, и в «астности к устройствам теплоизоляции и термостатирования аппаратуры с источниками тепла, а также к криогеннь<м устройствам.
Цель изобретения — повышение эффективности способа эа 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.3— устройство системы термостатирования объекта с температуроэависимой изоляцией с линейной прокладкой ЭВТИ; на фиг.4— устройство системы термостатирования при
„„Я ÄÄ 162423 А1 ляет расширить д<.апазон изнгч<ения эффективного коэффициента тег,лопроводности (в 10 раэ) и диапазон передаваемь<х тепловых потоков. 5 основе поддержания постоянной температуры в термлостатируемом объекте с тепловыделением лежит изменение эффективного коэффициента теплопроводности; еплоиэоляции и соответственно сбрасываемого теплового потока при изменении температуры объекта эа счет последовательного включения в механизм теплопереноса различных физических процессов, В да«но .; изобрете«ии экранновакуумная изоляция образуег замкнутые вакуумированные я <айти, вн,. ; DL которых вводится фитильнач структура и вещество., имеющее температуру <<лавлен,„ - I кипе <ия в рабочем диапазоне гемператур <1 давления. 2 с.пфлы. 7 ил. винтовой навивке ЭВТИ, на фиг.5 — узел I на фиг.3, состоящий из двух яче I;:экранно-вакуумной изоляции, наложен><ых друг на друга внахлест; на фиг,б — кровь:e давления насыщенных паров различных веществ от температуры; на фиг,7 — крив, е изменения температуры на нагревательном элементе объекта во времени.
Способ осуществляют следующим образом.
Проводилось экспериментальное исследование теплопередающих и терморегулирующих возможностей способа на основе температурозависимой экран но-вакуумной теплоизоляции (ЭНТИ). На нагреватель, имитирующий загцищаемый объект, устанавливалась ЭВТИ с герметичными полостями и организованной системой фитилей
1624237
20
55 в полостях, выполненных из стеклобума и
БМД-К и заполненных водой в количестве
300 г/м в каждом слое при 90 С. Затем нагреватель с ЭВТИ устанавливался в вакуумированную криоячейку и вся криоячейка эахоааживалась 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 гао за становится больше P - 10 з мм рт.ст., тепловой поток увеличивается за счет включения дополнительного молекулярного теплопереноса вследствие увеличения количества остаточного газа в вакуумированной 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 сбоасываемый тепловой поток увеличился в
10 раэ, в то же время в обыкновенной
ЭВТИ всего лишь в 10 раз, Количество вещества в жидкой фазе, заправляемого в тепловую изоляцию, определяется зависимостью
mx = Vr pr + Аф 1ф р, (1) где Чг — объем пустот ячейки тепловой изоляциии 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 прокладок на кв.метре изоляции;
p — плотность жидкого вещества при максимальной температуре тепловой изоляции.
В примере использованы пары воды в количестве 2 г. В полость ячейки температ/розависимой изоляции в процессе сборки закладывались эластичная ампула с указанным выше количеством воды, в ячейке создавалось разрежение до P = 10 мм рт.ст. с помощью форвакуумного насоса и отверстие заклеивалось, после чего ампула с водой раздавливалась и в ячейке устанавливалось давление, соответствуюшее давлению насыщенных паров при данной температуре, определяемого кривой 1 (фиг.6), Использование других веществ уксусной кислоты. смесь Н2О с глицерином приводит лишь к небольшому изменению кривых 2--4 давления насыщенных паров ст температуры (фиг.6), Пс этим зависимостям и проводился подбор веществ для тепловой изоляции, На фиг.7 представлены результаты экспериментальной проверки температурного режима в объекте при наличии температуроэависимой изоляции. которая при колебаниях тепловыделений в 100р обеспечивала колебания температуры в обьекте, не более чем на+. 2,5 С. Кривая 5 на фиг.7 иллюстрирует изменение температуры на нагревательном элементе обье <та, а кривая 6— изменения теплового потока внутри объекта термостатирования.
Устройство тепловой изоляции содержит замкнутые вакуумированные ячейки 7 (фиг.3 — фиг.5), установленные внахлест под углом друг над другом по поверхности термостатируемого объекта 8 и скрепленные гибким бандажом 9 (фиг.3) 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 креплены 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.
152 237
Ячеи и 7 уст«нонле(ы друг над другом ннахIIe(,т так, что чэ "ток . a.êäîé посл :ду ощей ячейки, расположенный на хо одном экране 10 и находяшийс» по.q пр.-.ды,(у(цей1 s (ейкой и частью горячего экрана 11. прилегающего к поверхности объекта термос-,атирования, образует участок зоны 14 испарения (фиг,5), а открытая <асть холодного экрана 10 — зону !
5 конденсации, Устройство работает след- ющим образом.
9 диапазоне температур изоляции от минимальной эксплуатационной до температуры, при которой давление насыщенных паров рабочего вещества достигает 10 мм рт.ст. перенос тепла осу(цествляется из .> «нин:-1 и теплопроводностьк по твердой основе.
При увеличении внут peh»и епгO <е х давлений объекта 8 унегичивается сбр еьiваемый тепловой поток. а следа <атс(),»о..; температура акра(-ов 10 и 11, н результате чего начинается игпарение веще(. ва в зо)- е
15 конденсации, За счет зтОГО еозника;.i дополнительный молекулярный пото . тепла. Так как экраны 10 и 11 образуют зам,нутую ячейку 7. то количество пабочего вещества в газообразной фазе будет определяться кривой давленич насыщенного пара вегцества от температуры (кривая 1 iia фиг,6), имеющей экспоненциачвнук "aâèr имость, следовательно, экспо (енциально будет увеличиваться и 1ффективныи коэффициент теплопроводности ЭВТИ
B диапазоне температур изоляции от температуры, при котооой давление насыщенных паров рабочего вещества достигает
-з i0 мм от.ст. до температуры плавления рабочего вещества дополнительно к переносу тепла излучением и теплопронодностью по твердой основе включ ется механизм молекулярного переноса тепла за счет увеличения количества остаточного газа в процессе фазового перехода огбочсго вещ стн= твердое тело — газ на холоднол экране герметичного пространства.
При достижении холодным экранг1м 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, Лары псступают в зону 15 конденсации холодного экрана 10, где конденсируются в жидкую фазу, т.е, при температуре холодного э<(рана 10 выше температуры плавления рабочего вещества дополнительно к молекулярному твплопереносу и теплопереносу за счет излучения и теплопроводностью по твердой
55 основе включается отвод тепла за с (ет перевода твердой фазы нсщестна н Гид<,ую и использованис тепла фазового перехода жи,чкпгть — пар iia rOI< :,г в коэфф11«-<ента тат<лопронод)<ос<и н 1<0 раэ, Этому -,посо(;.тну:т и процесс раздувания ячеек 0Т внутреннего давления, так кэк увеличивается угол наклона ячеек 7 к поверхно<11 0 bes ) В; <1 <)a Пут -; Г(i) IÎÁ3 О ПОГока умань.нзется число экрэнон, гзк как они п..(н-". 1,л":)от и л жснис, 1л(1зк;з к пep0el .; лкулГр <0hl, ндоч,лц), .й теплового потока. BЕ()I1 « . - (1Е .О.: <1)!)1C) iie выше тс <пературь< кипени:1 тег)лоносителя и„;(. д;<нно,*1 данге:<ии, Обнспе <иная при этом дальнейшую изотермичность системы и pil з Г)анной там Г)epa Гуре. Предлагаемый способ и устройство позволяют суще(твенно упрзсчить процегс обеспечения тем<1«Пату,,) Создание за <кнутых rep;<)(1.: Соед.1), fii;. ", <1т)<л)»ым)1 п.)г):ладками крайних экранов позноляет Г)осл)а перехода твердой фазы нещестн;. н ж(<дку<Г< и повышения давления н ячейке <1золяцп<<образовать капиллярну.о структуру для переноса жидкой фазы вещества от холод«ого экрана к горячему, а также повысить <<рочность ячейки при повышении давле<<и; г»<утри нее. Размещение ячеек из экпанон енахлест ПОЗНОЛЯЕт СОЗДатЬ Н КажДой Я«Е.<1КЕ ЗОНУ ИСПарения, Образующуюся на уча"т с, накрытом предыдущей ячсйкой, и 30<))1,.c;Iã(«I;Oaö lè, образующейся на открыто, <асч ке я-(ейки. Формула изобретения 1. Способ теплоизоляци)100):"акта, включающий вакууГ- ирпан;1е теплоизоляционной полости и ннсден(10 и н=.с вещества, 1624237 10 Т С - 10 О 10 Рис,1 102 изменяющего агрегатное состояние в рабочемдиапазонетемператур, отл ича ю щи йс 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 tr ЛЭФ. мк f0 размещенные в ней экраны, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения эффективности за счет стабилизации температуры объекта в широком диапазоне 5 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 30 концах противоположных экранов, а ячейки скреплены между собой внахлест. 1624237 1624237 юг, 6 ИОО 10 оооо f500 700 20 500 44 500 600 700 r, мин ФЮ8. 7 Редактор А.Ревин Заказ 180 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 у (ти3 I (Б) g, и Составитель Г,Ольшанская .Техред М.Моргентал Корректор Л.Пилипенко
