Охлаждаемый (активный) экран.

Эффективность экрана повышается при его охлаждении. При охлаждении экрана азотом (Т_э =77К) лучистый поток к внутреннему сосуду с жидким гелием снижается приблизительно в 200 раз. Охлаждение экрана также м.б. осуществлено парами испаряющейся КЖ .

пары КЖ

G GG

T_ж=T_х

F_х, T_х

F_э, T_э

F_т, T_т

Q_тэ

Q_эх

Q_G

Рис.14

КЖ

Для определения теплового потока к внутреннему сосуду в соответствии с уравнением Стефана-Больцмана должна быть известна Т_э .

Для этого запишем уравнение теплового баланса экрана:

Q_тэ=Q_эх + Q_G , где

Q_G -количество тепла воспринимаемого парами испарившейся жидкости.

Q_тэ и Q_эх могут быть выражены с помощью уравнения Стефана-Больцмана , а Q_G=GCp(T_э-T_х) , где G=Q_эх /r .

Тогда имеем систему уравнений:

Q_тэ=_тэF_э [(T_т/100)⁴ - (T_э/100)⁴]

Q_эх=_эхF_х [(T_э/100)⁴ - (T_х/100)⁴]

Q_G=Q_эх/r Cp (T_э -T_х)

Решая эту систему относительно Т_э получим:

A[(T_т⁴ -T_э⁴ )/(T_э⁴ -T_х⁴ )] -1 = (T_э -T_х )/r , где

A= F_х _эх/F_э _тэ .

Относительно Т_э это уравнение пятой степени.

Для А=1 : T_э=122K при Т_х=4,5K и Т_т=300К ,

Т_э=180К при Т_х=20К и Т_т=300К.

Охлаждение экрана м.б. осуществлено не парами хранимой жидкости, а присутствием другой более высококипящей жидкости.

Перенос тепла в вакуумной многослойной изоляции (ВМИ).

Для практических расчетов теплопритоков через изоляцию ВМИ пользуются понятием эффективного коэффициента теплопроводности—λ_эф. В реальной вакуумно-многослойной изоляции экранирование осуществляется и прокладками, которые отражают до 10% энергии. Перенос тепла газом и по твердому телу изоляции увеличивает λ_эф. Поэтому расчет ведут по формуле

(T_T-T_X) F_ор ,

Q =

λ_эф

b

F_ср=√ F_T+F_X

где

ВМИ имеет прокладки (рис.13), изготавливаемые из лавсана или полиэфирного волокна, толщиной δ ≈ 0.05—0.1 мкм. Другой вариант – прокладки из стекловолокнистых материалов δ ≈ 20—50 μкм, а экраны из фольги δ ≈ 5 мкм. Уменьшение зазора ∆ между экранами в ВМИ приводит к увеличению теплового потока за счет туннельного эффекта и интерференции тепловых волн, чему способствует зазор, который между экранами стремится к нулю. Интерференция связана с многократным отражением электромагнитных волн от стенок. С увеличением зазора влияние этого эффекта вначале уменьшается, затем увеличивается. При T∆<10 [К·мм] интерференция оказывает заметное влияние. Значит надо делать T∆>10 [К·мм].

d₀=5-50 мкм

Перфорация экранов и прокладок увеличивает скорость откачки, но при этом снижается отражательная способность экранов. При (d₀ /λ)<0.4 перфорация имеет почти ту же степень черноты, что и сплошной экран. При этом возникает дифракция волн, которая «запирает» отверстия.

Рис.15

Перенос тепла остаточными газами существенен. Молекулы газа переносят энергию от экрана к прокладке через зазор, затем через ее поры к последующему экрану. Доля свободного объема изоляции велика — до 90% при малом диаметре волокон (d=5-10 мм). При этом молекулы свободно пролетают через прокладку или подложку, не обмениваясь с ней энергией.

0.001 0.01 0.1 1 10 Р,Па

λ_эф,

МВт/(м·К)

2

1

0.1

Экраны из алюминиевой фольги, прокладки из стеклоткани:

1. n=26

2. n=51

При Р<10^-2 Па λ_эф слабо зависит от давления (n – количество слоев).

1

2

Рис.16

ρ_пр , кг/м³

180

150

100

50

0.001 0.01 0.1 Р, Па

3

2

1

1. Стеклохолст

2. Стеклобумага (190 К)

3. Стеклобумага (293 К)

Проводимость твердого тела в ВМИ является основной особенностью при плотной упаковке. При свободной упаковке ВМИ зазор между слоями в 10—20 раз больше толщины прокладки. Радиус контакта пропорционален—Р^0.5. С ростом механического давления, сдавливающего ВМИ, возрастает плотность прокладки. При Т=300—77 К плотность возрастает пропорционально Р^0.2.