第三章低温绝热技术课件.ppt

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1、第三章、低温绝热技术一、低温绝热机理“绝热”并不是完全的热隔绝，只是把热量传递（导热，对流和辐射）减少到尽可能低的程度。自然对流的防止稀薄气体导热固体导热减少辐射热的防止（非灰色，非平衡，临近效应）1.1自然对流传热自然对流不同于强迫对流，它是由流体的彻体力（bodyforces）引起的，在重力场中，彻体力一般是重力。在低温绝热结构中，只要采取抽真空的措施，自然对流就可被防止，而使气体呈纯粹气体导热的状态。重力引起的自然对流传热一般用Gr（格拉晓夫数）表征。绝热空间大多为有限空间，对于有限空间的流体，只要GrmPrm<103，则Num=(Gr

2、mPrm)m=1,即自然对流传热可以完全防止，呈现为纯粹气体导热的状态。由于绝热空间中的气体（空气、氮气、氦气等）的Pr均为0.7左右，故可以认为Gr<103是防止自然对流传热的充分条件。在低温绝热中，只要采用抽真空的措施，就能防止自然对流传热，而使气体呈纯导热的状态。因此，在真空型的绝热结构中，最主要的工作是如何防止与减少辐射传热和剩余气体的导热。1.2稀薄气体的导热气体的热传导主要由分子的移动及相互碰撞面产生，因此，与它的流态有很大的关系。常以克努森(Knudsen)数来表征：绝热空间夹层中气体的导热系数不仅随气体的种类而异，而且还和气体

3、的状态参数有关，即与气体分子的平均自由程有关。不同种类的气体，即使在相同的状态参数下，其平均自由程也是不同的。相对分子质量M小的，平均自由程大。同一种气体，平均自由程l随着压强P的减小和温度了的提高而增大。由传热学可知，气体分子间的传热是由分子的移动和相互间的碰撞而产生的。在连续介质状态，持征尺度L＞100l，即L>>l。因此，在其传输过程中，分子之间相互碰撞的几率远远超过气体分子与壁面间的碰撞几率。此时气体的热导率决定于气体分子间的能量交换。随着气体分子平均自由程的增大，传热情况会发生很大的改变．如当l≈L时，则呈自由分子状态。在传输过程中

4、，气体分子之间相互碰撞的几率远远低于气体分子与器壁碰撞的几率，此时，热导率不再决定于气体分子间的能量交换，而是决定于气体分子与壁面的能量交换情况。从连续介质状态到自由分子流状态，其过程是连续变化的，但对真空低温绝热来说，则是分子流状态下的导热情况。因为采用抽高真空的方法很容易使绝热空间的气体达到自由分子状态。1.3低温下固体的导热固体导热存在两种机理，即传导电于(亦称电子气)的迁移和品格的热振动(又称声子导热)。不同材料在不同温度下，这两种机理对导热的贡献是不相同的。金属的导热对于非合金的金属导体(主要是指纯金属)，其导热几乎全部由传导电子的

5、迁移承担。非金属的导热非金属导热主要依赖于晶格的热振动，即声子。合金的导热合金中、既有传导电子导热，又有声子导热。固体导热量的计算低温工程中，固体构件的温差一般都很大，加上低温下，材料的热导率λ又是温度的复杂函数，所以在工程上常采用两种方法计算固体导热量：1.4低温下的辐射传热减少辐射传热是低温绝热技术中的主要内容之一，低温相对传热问题不仅归结为界面上的发射与吸收，而且还涉及到绝热空间介质的物性。在低温下，热辐射本身就有其特点，再加上绝热空间的介质不同，更加使得辐射传热的分析复杂化。热辐射是因温度引起、以电磁波辐射方式向外发射能量的传热形式。

6、不论物体温度高低都存在热辐射，只是能量大小不同而已。辐射出的能量与热力学温度的四次方成正比，所以住高温条件下热辐射成为传热的重要形式。从量子力学的观点看，辐射能是由光子传输的。辐射传热基本定律：1．普朗克定律和维恩定律2．斯蒂芬—玻耳兹曼(Stefan—Boltzman)定律3．基尔霍夫定律4．朗伯定律低温下辐射传热的效应：在低温下，根据维恩分布定律，热辐射的波长变长，发射率随温度变化加剧，加上温差比值大、许多传热过程为非平衡过程．因此，产生了低温下的辐射传热问题：非灰色效应在高温、常温区域，上两式差别不大，但在低温区域，由于考虑了电场的空间

7、变化对自由电子运动的影响，特别是电子的平均自由程增加到与辐射场的穿透厚度相当时两式的差别就很大了。这种由于温度降低和两层间的温度差变大而使两式差别变大的情况，称为非灰色效应。非平衡效应辐射传热基于基尔霍夫定律推导出来的。然而，基尔霍夫定律仅在热平衡的条件下才成立。在低温下，辐射传热的温差一般比较大。研究表明，在大温度比下，发射率与吸收比之比偏离1，这就会使得基尔霍夫定律不成立，而两平板间辐射传热的一般计算都是基于基尔霍夫定律的，由此而产生的误差称为非平衡效应邻近效应在很窄的真空空间内插入两片平行的平板，如果间隙很窄，片与片之间就会出现像隧道效

8、应那样的传热流。它与间隙之中多次反射的射线受波干涉的效应一样，所以称为邻近效应。低温下材料的辐射性质：电介质的辐射性质金属的辐射性质（哈根—鲁宾关系）金属薄膜的辐射