低溫絕熱技術(shù)

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1、第3章、低溫絕熱技術(shù)一、低溫絕熱機(jī)理“絕熱”并不是完全的熱隔絕，只是把熱量傳遞（導(dǎo)熱，對(duì)流和輻射）減少到盡可能低的程度。?自然對(duì)流的防止?稀薄氣體導(dǎo)熱?固體導(dǎo)熱減少?輻射熱的防止（非灰色，非平衡，臨近效應(yīng)）111.1自然對(duì)流傳熱自然對(duì)流不同于強(qiáng)迫對(duì)流，它是由流體的徹體力（bodyforces）引起的，在重力場(chǎng)中，徹體力一般是重力。在低溫絕熱結(jié)構(gòu)中，只要采取抽真空的措施，自然對(duì)流就可被防止，而使氣體呈純粹氣體導(dǎo)熱的狀態(tài)。重力引起的自然對(duì)流傳熱一般用Gr（格拉曉夫數(shù)）表征。絕熱空間大多為有限空間，對(duì)于有限空間的流體，只要GrPr<103，mm則Nu=

2、(GrPr)m=1,即自然對(duì)流傳熱可以完全mmm防止，呈現(xiàn)為純粹氣體導(dǎo)熱的狀態(tài)。由于絕熱空間中的氣體（空氣、氮?dú)?、氦氣等）的Pr均為0.7左右，故可以認(rèn)為Gr<103是防止自然對(duì)流傳熱的充分條件。在低溫絕熱中，只要采用抽真空的措施，就能防止自然對(duì)流傳熱，而使氣體呈純導(dǎo)熱的狀態(tài)。因此，在真空型的絕熱結(jié)構(gòu)中，最主要的工作是如何防止與減少輻射傳熱和剩余氣體的導(dǎo)熱。121.2稀薄氣體的導(dǎo)熱氣體的熱傳導(dǎo)主要由分子的移動(dòng)及相互碰撞面產(chǎn)生，因此，與它的流態(tài)有很大的關(guān)系。常以克努森(Knudsen)數(shù)來(lái)表征：絕熱空間夾層中氣體的導(dǎo)熱系數(shù)不僅隨氣體的種類而異，而且

3、還和氣體的狀態(tài)參數(shù)有關(guān)，即與與氣體分氣體分的均子的平均自自由程有關(guān)。不同種類的氣體，即使在相同的狀態(tài)參數(shù)下，其平均自由程也是不同的。相對(duì)分子質(zhì)量M小的，平均自由程大。同一種氣體，平均自由程l隨著壓強(qiáng)P的減小和溫度了的提高而增大。由傳熱學(xué)可知，氣體分子間的傳熱是由分子的移動(dòng)和相互間的碰撞而產(chǎn)生的。在連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)，特征尺度L＞100l，即L>>l。因此，在其傳輸過(guò)程中，分子之間相互碰撞的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)氣體分子與壁面間的碰撞幾率。此時(shí)氣體的熱導(dǎo)率決定于氣體分子間的能量交換。隨著氣體分子平均自由程的增大，傳熱情況會(huì)發(fā)生很大的改變．如當(dāng)l≈L時(shí)，則呈自由分子

4、狀態(tài)。在傳輸過(guò)程中，氣體分子之間相互碰撞的幾率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于氣體分子與器壁碰撞的幾率，此時(shí)，熱導(dǎo)率不再?zèng)Q定于氣體分子間的能量交換，而是決定于氣體分子與壁面的能量交換情況。從連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)到自由分子流狀態(tài)，其過(guò)程是連續(xù)變化的，但對(duì)真空低溫絕熱來(lái)說(shuō)，則是分子流狀態(tài)下的導(dǎo)熱情況。因?yàn)椴捎贸楦哒婵盏姆椒ê苋菀资菇^熱空間的氣體達(dá)到自由分子狀態(tài)。131.3低溫下固體的導(dǎo)熱固體導(dǎo)熱存在兩種機(jī)理，即傳導(dǎo)電子(亦稱電子氣)的遷移和品格的熱振動(dòng)(又稱聲子導(dǎo)熱)。不同材料在不同溫度下，這兩種機(jī)理對(duì)導(dǎo)熱的貢獻(xiàn)是不相同的。?金屬的導(dǎo)熱對(duì)于非合金的金屬導(dǎo)體(主要是指純金屬)，其導(dǎo)熱

5、幾乎全部由傳導(dǎo)電子的遷移承擔(dān)。?非金屬的導(dǎo)熱非金屬導(dǎo)熱主要依賴于晶格的熱振動(dòng)，即聲子。?合金的導(dǎo)熱合金中、既有傳導(dǎo)電子導(dǎo)熱，又有聲子導(dǎo)熱。固體導(dǎo)熱量的計(jì)算低溫工程中，固體構(gòu)件的溫差一般都很大，加上低溫下，材料的熱導(dǎo)率λ又是溫度的復(fù)雜函數(shù)，所以在工程上常采用兩種方法計(jì)算固體導(dǎo)熱量：1.4低溫下的輻射傳熱減少輻射傳熱是低溫絕熱技術(shù)中的主要內(nèi)容之一，低溫相對(duì)傳熱問(wèn)題不僅歸結(jié)為界面上的發(fā)射與吸收，而且還涉及到絕熱空間介質(zhì)的物性。在低溫下，熱輻射本身就有其特點(diǎn)，再加上絕熱空間的介質(zhì)不同，更加使得輻射傳熱的分析復(fù)雜化。熱輻射是因溫度引起、以電磁波輻射方式向外

6、發(fā)射能量的傳熱形式。不論物體溫度高低都存在熱輻射，只是能量大小不同而已。輻射出的能量與熱力學(xué)溫度的四次方成正比，所以在高溫條件下熱輻射成為傳熱的重要形式。從量子力學(xué)的觀點(diǎn)看，輻射能是由光子傳輸?shù)?。輻射傳熱基本定律?．普朗克定律和維恩定律2．斯蒂芬—玻耳茲曼(Sf(Stefan—BlBoltzman))定律3．基爾霍夫定律4．朗伯定律低溫下輻射傳熱的效應(yīng)：在低溫下，根據(jù)維恩分布定律，熱輻射的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，發(fā)射率隨溫度變化加劇，加上溫差比值大、許多傳熱過(guò)程為非平衡過(guò)程．因此，產(chǎn)生了低溫下的輻射傳熱問(wèn)題：?非灰色效應(yīng)在高溫、常溫區(qū)域，上兩式差別不大，但在

7、低溫區(qū)域，由于考慮了電場(chǎng)的空間變化對(duì)自由電子運(yùn)動(dòng)的影響，特別是電子的平均自由程增加到與輻射場(chǎng)的穿透厚度相當(dāng)時(shí)兩式的差別就很大了。這種由于溫度降低和兩層間的溫度差變大而使兩式差別變大的情況，稱為非灰色效應(yīng)。?非平衡效應(yīng)輻射傳熱基于基爾霍夫定律推導(dǎo)出來(lái)的。然而，基爾霍夫定律僅在熱平衡的條件下才成立。在低溫下，輻射傳熱的溫差一般比較大。研究表明，在大溫度比下，發(fā)射率與吸收比之比偏離1，這就會(huì)使得基爾霍夫定律不成立，而兩平板間輻射傳熱的一般計(jì)算都是基于基爾霍夫定律的，由此而產(chǎn)生的誤差稱為非平衡效應(yīng)?鄰近效應(yīng)在很窄的真空空間內(nèi)插入兩片平行的平板，如果間隙很

8、窄，片與片之間就會(huì)出現(xiàn)像隧道效應(yīng)那樣的傳熱流。它與間隙之中多次反射的射線受波干涉的效應(yīng)一樣，所以稱為鄰近效應(yīng)。低溫下材料的輻射性質(zhì)：電介