气体传热对多层绝热性能影响的试验研究

　　1 前言

　　多层隔热材料由于隔热效果好、重量轻、耐腐蚀、低污染等优点,已经成为航天器和其他高低温工程应用中最基本的被动热控手段之一,如低温液体的储存与运输、航天器输液管道和舱体设备保温、太阳能水箱和燃烧炉保温等^{[1, 2]},它被认为是当前绝热性能最好的一种绝热方式。随着气体行业的发展和新能源液化天然气应用以及航空航天事业的发展,多层绝热材料的应用也得到广泛地推广。

　　多层绝热的热流主要以下面三种方式传递:辐射传热、层间辐射屏与间隔材料之间的固体导热和层间剩余气体的导热,而其中残余气体的传热约占总量的50%左右^[3],所以深入分析残余气体传热特性对了解和改善多层绝热材料的绝热性能十分有必要。但是多层传热过程比较复杂,受材料特性、结构形式、层间真空度、层密度等多种因素的影响。国内外对多层绝热结构的传热性能进行了很多理论^[4-5]和试验研究^[6-7],取得了一定的成果,并提出不同的多层传热经验模型。大量的研究表明,在绝热材料中,残余气体压强的升高引起了绝热层温度分布的变化,相应的传热机理从主要是辐射变成了气体导热。有效热导率的增大将导致传向冷壁的热流增大。所以为提高绝热材料的绝热性能,必须设法减少因残余气体传导引起的热流。目前常用的方法主要是设法减少夹层残余气体压强,主要包括减少多层绝热材料抽气阻力和直接降低多层中的残余气体压强。预先在多层辐射屏上开孔可以有利于抽气,李鹏等^[8]分析了空间多层打孔隔热材料中导热和辐射的复合传热问题,提出了空间多层打孔隔热材料反射屏温度计算的模型以及内部辐射数值分析模型,并分析了层密度、打孔率、反射屏表面黑度和反射屏厚度等主要的多层打孔隔热材料参数对材料隔热性能的影响。但是必须指出,开孔虽然有利于抽气,但在辐射屏上开孔减少了有效辐射面积,必将影响绝热性能,同时为减少开孔引起的附加辐射热流,开孔的大小必须小于入射红外辐射波长的一半(通常是毫米级),显然开孔的代价是工程应用无法承受的。减少抽气阻力的另外一个方法是采用理论宽度为零的一维缝隙^[9],由于它既不会损失任何反射面积又能让剩余气体排出,比开孔方法具有优势。但是,对于缝隙屏多层绝热的理想布置而言,缝隙长度必须随着层数的变化而变化,这对实际的操作而言很难达到。降低残余气体传导的另一方法是在绝热层内用吸气剂吸附材料表面放出的气体分子,维持内层压强小于10-2Pa。例如在夹层中使用含有活性炭、氧化铝和分子筛粉末等吸附剂的填料纸,可以使多层材料的内压强下降20%左右。但是具有吸附剂的间隔材料会增大固体导热、降低强度。