Высокотемпературная экранная теплоизоляция

Высокотемпературная экранная теплоизоляция

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано для теплоизоляции, например, высокотемпературных аккумуляторных батарей, применяемых в космических установках.

Корпуса батарей такого типа, применяемых в системах с непостоянным первичным источником энергии (например, в космических установках с многократным переходом с солнечного участка орбиты в ее теневой участок), должны позволять поддерживать необходимую температуру внутри рабочего объема при многократном прекращении теплоподвода к аккумулятору и последующем его возобновлении. Как показывают расчетно-экспериментальные исследования, при использовании недостаточно эффективной теплоизоляции ее объем может занимать до 50...80% объема батареи, а вес достигать 50% веса аккумуляторов, что неприемлемо для двигательных и энергетических установок, используемых в космосе. Наряду с необходимостью минимизировать вес и объем, к тепловой изоляции предъявляются также требования обеспечения длительного ресурса.

Известна тепловая изоляция, используемая для футеровки нагревательных печей до 1530°С. Она состоит из гофрированных листов керамики (например, Al₂О₃) толщиной 0,76 мм с размером сот 2.5-6 мм и обладает низкой кондуктивной теплопроводностью («Высокотемпературные теплоизоляционные материалы» С.М.Кац, «Металлургия», 1981 г., стр.221).

Недостатками этой изоляции являются большой вес и низкая по сравнению с металлическими экранами отражательная способность. Кроме того, хрупкость керамических листов может приводить к их разрушению при термоциклической нагрузке.

Известна многоэкранная тепловая изоляция, содержащая фольговые экраны, выполненные из твердых растворов карбидов тугоплавких металлов с разделителями в виде частиц с пирографитовым покрытием (см. авт. свид. СССР №595580, заявл. 12.04.76, опубл. 28.02.78, МКИ H 01 J 35/10).

Однако при эксплуатации такой изоляции (толщина фольговых экранов составляет 10-15 мкм) возникает проблема «схлопывания» изоляции, то есть экраны прилипают друг к другу, а также самопроизвольно гофрируются при термоциклировании, что увеличивает площадь контактного теплообмена между ними и, как следствие, приводит к уменьшению эффективности тепловой экранной изоляции.

Задачей авторов является создание высокотемпературной экранной теплоизоляции, обладающей высокими эффективностью и ресурсом при минимальной массе и габаритах.

Для решения поставленной задачи авторы предлагают в высокотемпературной экранной теплоизоляции, содержащей гофрированные и фольговые экраны, гофрированные экраны выполнять толщиной 50-500 мкм с высотой гофров 0,1-3 мм, между гофрированными экранами, в полостях между гофрами, располагать не менее двух слоев фольговых экранов толщиной 10-50 мкм. Фольговые экраны можно выполнять рифлеными. Гофры на соседних экранах могут быть смещены и/или разориентированы относительно друг друга.

Использование для экранной изоляции объединения гофрированных и фольговых экранов позволяет получить ряд преимуществ по сравнению с известными техническими решениями. Выполнение тепловых экранов гофрированными существенно повышает их жесткость, что обеспечивает пакету изоляции высокий ресурс и затрудняет возможность «схлопывания» гофрированных экранов (гофрированные экраны деформируются с сохранением формы). Кроме того, как показали расчетно-экспериментальные исследования авторов, при разогреве изоляционного пакета гофрированные экраны раздвигаются за счет удлинения гофров, тем самым расширяя область расположения фольговых экранов, исключая или значительно уменьшая их формоизменение, приводящее к контакту друг с другом. Поэтому при эксплуатации предлагаемого пакета экранов во время разогрева фольговые экраны, дистанционированные друг от друга в исходном состоянии (например, как в прототипе), находятся в лучших условиях, чем при комнатной температуре, что обеспечивает их дистанционирование друг от друга при термоциклировании.

Гофрированные экраны при термоциклировании пакета изоляции (например, при перемещении космического аппарата из теневого участка на солнечный и наоборот) деформируются в упругой области (без появления пластических деформаций). Это обеспечивает длительный ресурс высокотемпературной теплоизоляции.

При выполнении гофрированных экранов толщиной менее 50 мкм их жесткости недостаточно для сопротивления сжатию пакета экранов при его разогреве, а выполнение гофрированных экранов толщиной более 500 мкм приводит к существенному повышению массы экранов.

Эффект раздвижения соседних гофрированных экранов за счет удлинения гофров позволяет размещать между гофрированными экранами фольговые экраны небольшой толщины для снижения общей массы изоляции. Расположение фольговых экранов в полостях между гофрами позволяет избегать контакта фольговых экранов между собой в местах возможного соприкосновения соседних гофрированных экранов. Расположение менее двух слоев фольговых экранов между гофрированными не приводит к существенному повышению эффективности теплоизоляции, так как при высокой температуре (более 1000°С) для эффективной работы тепловой изоляции требуется большее количество (более 50) экранов.

Выполнение фольговых экранов толщиной менее 10 мкм технологически сложно, а также может привести к их разрушению при термоциклических нагрузках в процессе эксплуатации, при толщине фольговых экранов более 50 мкм существенно возрастает масса теплоизоляции.

При высоте гофров менее 0,1 мм расстояние между соседними гофрированными экранами не достаточно для размещения не менее двух слоев фольговых экранов, кроме того, при такой высоте гофров их удлинение при разогреве изоляции не компенсирует сближение соседних экранов из-за разницы их температур. Выполнение высоты гофров более 3 мм приводит к существенному увеличению объема теплоизоляции и, кроме того, сложно в технологическом изготовлении.

Выполнение фольговых экранов рифлеными, например, имеющими локальные сферические выпуклости (пуклевки), позволяет дистанционировать фольговые экраны друг от друга, уменьшая теплопроводность пакета изоляции.

Смещение и/или разориентация гофров соседних гофрированных экранов относительно друг друга позволяет уменьшить площадь теплового контакта между ними, тем самым повышая контактное сопротивление и, соответственно, увеличивая эффективность теплоизоляции.

На фиг.1 и 2 представлена высокотемпературная экранная тепловая изоляция, содержащая 1 - гофрированные экраны, 2 - фольговые экраны.

Пример конкретного исполнения

Высокотемпературную экранно-вакуумную тепловую изоляцию (ЭВТИ) для графитового теплового аккумулятора изготавливали из 15 цилиндрических гофрированных молибденовых экранов. Радиус наружного молибденового экрана составлял 200 мм, толщина гофрированных экранов - 50 мкм, высота гофр - 0,5 мм. Между гофрированными экранами в полостях между гофрами (расстояние между гофрами составляет 10 мм) располагали по 6 фольговых молибденовых экранов толщиной 20 мкм. Как показал анализ расчетно-экспериментальных исследований, при разогреве теплового аккумулятора до 1800°С смещение соседних гофрированных экранов за счет перепада температур между экранами не превышает 140 мкм, а их удаление друг от друга за счет удлинения гофров составляет не менее 155 мкм, что обеспечивает сохранение работоспособности ЭВТИ при термоциклировании.

Изготовленный таким образом пакет ЭВТИ позволяет снижать температуру с внешнего до внутреннего экрана на 800°С и применять известную ЭВТИ, работоспособную до 1000°С, для расположения снаружи экранов высокотемпературной ЭВТИ.

Данный пример не исчерпывает все возможные применения предлагаемого изобретения. Материал экранов может быть, например, керамическим, пакет экранов в зависимости от назначения теплоизоляции может быть изготовлен как в вакуумном варианте, так и с инертным газовым заполнителем.

1. Высокотемпературная экранная теплоизоляция, отличающаяся тем, что содержит гофрированные и фольговые экраны, при этом гофрированные экраны выполнены толщиной 50-500 мкм с высотой гофр 0,1-3 мм, между гофрированными экранами в полостях между гофрами расположено не менее двух слоев фольговых экранов толщиной 10-50 мкм.

2. Высокотемпературная тепловая изоляция по п.1, отличающаяся тем, что фольговые экраны выполнены рифлеными.

3. Высокотемпературная тепловая изоляция по п.1, отличающаяся тем, что гофры, расположенные на соседних гофрированных экранах, смещены и/или разориентированы относительно друг друга.