Оборудование систем, соприкасающихся с , должно быть защищено от притока тепла из окружающей среды, так как при понижении температуры увеличиваются теплоприток через изоляцию и потери продукта, сокращается время бездренажного хранения.
Основная характеристика теплоизоляции — ее теплопроводность — должна быть сведена к минимуму. Современные типы теплоизоляции созданы в результате длительных поисков и исследований. Условно изоляцию криогенных систем подразделяют на изоляцию, находящуюся под атмосферным давлением, и вакуумную теплоизоляцию. Первую применяют в основном до температур выше 80 К, исключая тем самым конденсацию воздуха на поверхности трубопровода (аппарата). Вторую — при температурах ниже 80 К вплоть до гелиевых, хотя такое разделение (по температуре) не всегда является оптимальным.
Теплообмен при всех видах низкотемпературной изоляции осуществляется излучением, теплопроводностью газа и твердого тела. Лучистый тепловой поток в изоляции ослабляется в результате рассеивания и поглощения теплоты изоляционным материалом, а также задержанием его металлическими экранами (фольга, мелкие частицы).
Теплоперенос за счет теплопроводности определяется отношением длин свободного пробега молекул газа между соударениями друг с другом и между соударениями их со стенками твердого тела. Последнее определяется структурой дисперсного материала, при этом коэффициент теплопроводности зависит от механического давления на дисперсный материал. Расчет аналогичен построению 3D фото проектов из бруса.
Для , как это неоднократно отмечалось, наиболее целесообразно применять изоляцию, находящуюся под атмосферным давлением. Это связано с высокой теплоемкостью продукта и уровнем температуры конденсации, которая существенно выше, чем для других криогенных продуктов.
Теплота в этом виде изоляции передается по теплоизоляционному материалу и через газ, заполняющий пустоты в ней, в результате его конвекиии и теплопроводности. В качестве теплоизолирующей среды применяют волокнистые (минеральная вата, стекловата), порошкообразные (перлит, аэрогель), ячеистые (мипора, пенопласт) материалы. Следует иметь в виду, что при появлении капельной влаги и льда процесс теплопереноса резко интенсифицируется вследствие их высокой теплопроводности, которая на порядок выше, чем у воздуха. Поэтому попадание влаги в изоляцию необходимо исключать.
При практическом проектировании необходимо учитывать и стоимостные показатели. Толщину изоляции целесообразно выбирать так, чтобы приток теплоты через нее составлял 20…70 % общего теплового потока. Уменьшение толщины приводит к неоправданному возрастанию потерь холода, излишнее увеличение — к удорожанию, увеличению габаритов без сколько-нибудь существенного снижения потерь теплоты. Обычно толщину изоляции принимают не более 0,15 Dнap (100… 1000 мм). Важно также создание надежного парового барьера, защищающего оборудование от увлажнения, например, покрытием изоляции снаружи полимерной пленкой. Стыки замазывают специальной мастикой.
В настоящее время фирмой «Фомглас» (США, Бельгия) разработан новый материал для безвакуумной изоляции с повышенной устойчивостью к нагрузкам, имеющий перспективу использования в криогенном машиностроении и в первую очередь применительно к . Он представляет собой алюминиево-силикатное стекло особого состава, полностью свободное от органических вешеств, без связующих, работающий в широком диапазоне минусовых и плюсовых температур. Он сочетает в себе такие физические свойства, как высокоэффективная теплозащита, отсутствие поглощающей влаги и других жидкостей, стабильность размера при экстремальных температурах и, главное, невосгораемость и негорючесть, низкий коэффициент температурного расширения. Производится этот материал в виде легко склеивающихся пластин. Отсутствие отечественного производства этого материала и его высокая стоимость (он в 2 раза дороже, чем пенополиуретановая изоляция) сдерживает его применение. Характеристики некоторых видов изоляции, находящейся под атмосферным давлением, приведены в работе.
Порошково-вакуумная изоляция нашла широкое применение в транспортных сосудах для криогенных жидкостей и в некоторых заправочных емкостях с температурой Т> 80 К. Она может применяться и при работах с СПГ. При создании как криогенных емкостей, так и трубопроводов с такой изоляцией механизм передачи тепла от криогенной жидкости к наружному воздуху осуществляется через изоляционное пространство, создаваемое двумя сосудами (один в другом) и заполняемое порошковым материалом.
В качестве порошковых материалов можно использовать магнезию, минеральную вату, перлит, стекловату, кремнегель, аэрогель, мипору. На практике используют аэрогель и перлит. При вакууме 1 х 10 2 мм рт. ст. перенос теплоты газом при расчетах можно исключить. Экспериментальные данные показывают, что, начиная с давления p=1×10-1 мм рт. ст., теплопроводность мало зависит от давления. При температуре Т< 80 К решающую роль играет теплопроводность твердых частиц, а при Т= 80. ..300 К основной поток теплоты осуществляется путем лучистого теплообмена через порошок. Для существенного уменьшения теплопроводности (лучистого теклопереноса) в изоляцию добавляется алюминиевая или медная (что реже) пудра. Это снижает коэффициент теплопроводности вакуумно-порошковой изоляции в 3—4 раза. Перлит является более крупнопористым материалом, чем аэрогель, он адсорбирует меньше газов и паров, обладает меньшей гигроскопичностью, легко вакуумируется, однако его теплопроводность быстро возрастает при разгерметизации. Разработчики криогенного оборудования при использовании порошково-вакуумной изоляции отдают предпочтение перлиту.
В криогенном оборудовании широко применяется вакуумно-многослойная изоляция, как наиболее эффективная. Многократное экранирование межстенного пространства емкостей (трубопроводов) приводит к резкому снижению лучистого потока Вакуумно-многослойная изоляция состоит из большого числа слоев материала с низкой излучательной способностью, которые служат экранами, разделенными теплоизолирующими прокладками и отражающими тепловое излучение. В качестве основного материала для такой изоляции применяют алюминиевую фольгу и стеклоткань.
Для исключения переноса теплоты газом необходимо снизить давление в теплоизолирующем пространстве до (1 х 10 -3)… …(1 х 10 -4) мм рт. ст., что существенно ниже, чем при вакуумно-порошковой изоляции. При таком вакууме на теплопроводность многослойной изоляции влияет лишь излучение и контактная теплопроводность слоистого материала Для снижения теплопроводности по твердому телу применяют прокладочные материалы с малой плотностью и не допускают обжатия слоев изоляции.
Любой вид вакуумной изоляции дорогостоящий, требует герметизации вакуумного пространства и соответствующего оборудования для его вакуумирования, поэтому его применение может быть оправдано для СПГ только в случае острой необходимости. Более подробные сведения о различных видах изоляции содержатся в работе.
В заключение несколько слов о тепловых мостах. Внутренние корпусы криогенных емкостей, арматуры и других элементов криогенных систем имеют силовые элементы, с помощью которых они соединены с наружными конструкциями оборудования, находящимися при температуре окружающей среды: подвески, опоры, трубопроводы. Эти элементы, пересекающие изоляционное пространство, получили название тепловых мостов. По ним теплота передается от наружной оболочки к холодным внутренним частям. При применении высокоэффективной теплоизоляции потери по тепловым мостам достигают 50 % общего теплопритока; естественно, необходимо стремиться к его минимизации.
Уменьшение теплопритоков можно обеспечить выбором материалов с минимальным отношением теплопереноса к допускаемому напряжению и созданием конструкции, которая допускала бы минимальный тепловой поток при его достаточной прочности.