6.12. Теплоизоляция
Для предотвращения потери теплоты в окружющую среду нагревательными приборами, газами и жидкостями, перемещающимися по трубам и шлангам, для сохранения постоянства низких температур в криостатах применяют разнообразны6 теплоизоляционные материалы (табл. 26).
Коэффициент теплопроводности λ [единица измерения Вт/(м - К)] входит в уравнение Фурье:
где dQ - количество теплоты, перешедшее за время А через поверхность площадью dS в направлении нормали х к этой поверхности в сторону убывания температуры при ее градиенте dT/dx.
Фурье Жан Батист Жозеф (1768 - 1830) - французский математик и физик. В 1822 г. открыл закон распространения теплоты в твердом веществе.
Как следует из табл. 26, теплопроводность приведенных в чей теплоизоляционных материалов увеличивается с повышением температуры, особенно сильно она возрастает у пористых материалов. Если у материала коэффициент теплопроводности значительно больше 0,25 Вт/(м • К), то он считается малоэффективным для зашиты нагревательных приборов от потерь тепла в окружающую среду.
Приведенные в табл. 26 теплоизоляционные материалы пригодны для использования только в температурном интервале от 100 до 1000 °С. Нагревательные устройства, создающие температуру от 1000 до 1800 °С, требуют уже иной теплоизоляции К ней принадлежат такие материалы, как шамот динас, ортосиликат циркония ZrSiO4, диоксид кремния SiO2 оксид алюминия Аl2O3, оксид магния MgO [λ = 0,180 Вт/(м • к.) при 1600 °С], диоксид циркония ZrO2 [λ = 0,117 Вт/(м • К) при 1600 °C, нитрид бора BN [λ = 0,125 Вт/(м • К) при 1600 °С].
Эти теплоизоляционные материалы выпускают в виде порошков и блоков. Из Аl2O3 готовят волокнистый материал "саффил", который можно использовать при температуре 1400 °С [λ = 0,16 Вт/(м • К)].
Теплопроводность перечисленных материалов снижается с увеличением дисперсности порошков, но при этом возрастает их склонность к спеканию при высоких температурах. Чтобы уменьшить спекаемость порошков при высоких температурах, в них вводят различные добавки. В частности, установлено, что введение в порошок ZrЩ2 до 10% Ta2O3 снижает склонность диоксида циркония к спеканию при 2000 - 2300 °С.
Для печей, работающих в области температур от 1800 до 2500 °С, ассортимент теплоизоляционных материалов резко сокращается. Он сводится к оксидам алюминия, бериллия, циркония, скандия и иттрия. Например, для футеровки индукционных печей применяют смесь порошка ZrO2 и Н3РO4 (4 - 5%), спеченную при 400 - 500 °С. Полученная керамика выдерживает нагрев до 2300 °С [λ = 1,15 Вт/(м • К)].
Наиболее высокой рабочей температурой (до 2500 °С) обладают волокнистые материалы, полученные из оксидов алюминия, бериллия, церия, кальция, магния, циркония и тория. Волокна готовят выдавливанием через фильеры золей и гелей этих веществ с последующим прокаливанием при температуре 1000 - 1500 °С. Например, волокна из ZrO2 готовят смешиванием водного раствора ZrOCl2 • 8Н20 или Zr(CH3COO)4 с 2%-м водным раствором поливинилового спирта, испарением части воды и экструдированием полученного геля через фильеры в камеру с температурой около 1000 °С. Некоторые зарубежные фирмы выпускают волокна ZrO2, стабилизированные Y2O3 (8%), получившие название "циркара". "Циркар" выдерживает длительное нагревание при 1800 °С и кратковременное до 2500 °С [λ = = 0,29 Вт/(м • К)].
Из карбидов вольфрама WC и циркония ZrC получают гибкие ткани, которые можно использовать до 2500 oC [λ = 2,0 Вт/(м • К)]. Для получения такой ткани вискозную ткань погружают в водный раствор паравольфрамата аммония и пероксида водорода.
Пропитанную ткань нагревают на воздухе до 350 °С со скоростью 20 °С/ч, а затем прокаливают в токе сухого водорода при 600 - 1000 °С.
Для теплоизоляции высокотемпературных нагревательных приборов производят углеграфитовые войлоки, легко режущиеся ножницами и ножом [марки ВИН-66-250 и ВВП-66-250 со значением λ = 0,35 Вт/(м • К) в атмосфере аргона при 1000 °С, а в вакууме λ = 0,23 Вт/(м • К)]. Интересно, что прочность такого войлока при 1600 - 1800 °С примерно вдвое выше, чем при 25 °С, а теплопроводность в два-три раза меньше графитовой крупки (криптола) в том же интервале температур.
Благодаря хорошим теплоизоляционным свойствам углеграфитовый войлок применяют в электропечах и индукционных печах. Он не подвергается индукционному нагреву при частотах до 500 кГц.
Для поддержания наиболее низких температур используют почти исключительно сосуды с двойными стенками, пространство между которыми эвакуировано от воздуха до 10-6 - 10-5 торр (10-4 - 10- 3 Па). Теплопроводность столь разреженного воздуха практически равна нулю, и теплопотери вызваны преимущественно излучением и теплопроводностью вдоль стенок сосудов. Чтобы уменьшить потери теплоты за счет излучения, внутренние стенки вакуумной рубашки серебрят. Помещая там же металлический полированный цилиндр, например свернутую алюминиевую фольгу, можно уменьшить потери из-за излучения примерно на 20%. В частности, потери жидкого воздуха за 24 ч из сосуда с неоткаченной и непосеребренной рубашкой составляют 9600 г, а из сосуда с эвакуированной до 10~6 торр рубашкой и посеребренной - всего 250 г. Почти такого же изолирующего действия можно достигнуть при значительно меньшем вакууме, если вакуумную рубашку 1 заполнить пористым материалом 2 (рис. 129, а) с малой теплопроводностью , а затем эвакуировать воздух и запаять отросток 3, через который проводилась откачка. Так, при заполнении вакуумной рубашки крошкой фенолформальдегидного пенопласта (см. табл. 26) и откачивании воздуха до остаточного давления 0,01 торр (1 Па) удалось Достичь равноценной теплоизоляции, как и при вакууме 10-5 торр.
Поскольку прочность обычного стекла на растяжение приблизительно в 10 раз меньше, чем на сжатие, при большой разности температур стенки вакуумной рубашки могут лопнуть. Поэтому у сосудов с вакуумной рубашкой 1 делают пружинистые спиральные трубки 4 (рис. 129, б).
Рис. 129. Теплоизолирующие вакуумные рубашки: съемная (а), с компенсирующей спиралью (б) и с теплоизолирующей крышкой (в)
Когда вакуумные рубашки применять по тем или иным придам невозможно, используют пористый теплоизоляционный материал в виде крошки 2, помещаемой в закрытый с двух сторон кожух 5 (рис. 129, в), имеющий в пробках трубки 6 для засыпки и удаления теплоизоляционного порошка 2.
В температурном интервале от -30 до +100 °С рекомендуется применять теплоизоляцию из алюминиевой фольги (альфоль). Изолирующее действие в этом случае оказывает слой воздуха между слоями фольги. Одновременно блестящая поверхность фольги хорошо предохраняет от излучения тепла. Альфольная теплоизоляция отличается легкостью и незначительным коэффициентом теплопроводности, равным 0,03 - 0,05 Вт/(м • К).
Теплоизоляция сосудов и нагревательных приборов, работающих при повышенных температурах, должна быть не только термически устойчивой, но и химически инертной по отношению к проволочным сопротивлениям и другим нагревательным элементам. Особенно неудачны для электронагревательных печей такие теплоизоляторы, как асбест и стеклянная вата: они вступают в химическое взаимодействие при температуре выше 400 - 500 °С с проволочным сопротивлением и разрушают его.
Теплоизолирующая способность материала зависит не столько от его природы, сколько от плотности. Чем меньше плотность, чем больше он содержит воздуха, чем большей пористостью он обладает, тем выше его изолирующая способность.