制
冷
原
理
与
技
术
第三节 低温绝热
3.3.1 低温绝热原理
3.3.2 堆积绝热
3.3.3 高真空绝热
3.3.4 真空粉末（或纤维）绝热
3.3.5 高真空多层绝热
3.3.6 高真空多屏绝热
3.3.7 各类绝热方法比较
3.3.8 低温贮运
3.3.9 低温绝热容器的设计方法
制
冷
原
理
与
技
术
第三节 低温绝热
? 低温贮运流体被液化并纯化到一定水平后
就必须设法贮存和运输。
? 低温液体的运输一般有两种方法：
(1)用低温槽车或低温容器运送。
(2)管道输送
? 低温贮运设备的关键在于其 绝热形式 和特
定的 结构设计 。
制
冷
原
理
与
技
术
3.3.1 低温绝热原理
?,绝热, 并不是完全的热隔绝，只是
把热量传递 (导热,对流和幅射 )减少到尽
可能低的程度。
? 低温绝热可分为五种类型：
(1)堆积绝热；
(2)高真空绝热；
(3)真空粉末（或纤维）绝热；
(4)高真空多层绝热；
(5)高真空多屏绝热。
制
冷
原
理
与
技
术
表 3-8,泡沫绝热材料的表观热导率,
设冷热边界温度分别为 77K和 300K,
泡沫塑料 密度 (kg/m3) 热导率 (W/mK)
聚氨脂 11 0.033
聚苯乙烯 3946 0.0330.026
橡胶 80 0.036
硅 (石英） 160 0.055
玻璃 140 0.035
制
冷
原
理
与
技
术
表 3-9 粉末或纤维型堆积绝热的表观热导率
设冷热边界温度分别为 90K和 300K
绝热材料 密度 (kg/m3) 热导率 (W/mK)
珠光砂 50210 0.0260.044
气凝胶 80 0.019
蛭石 120 0.052
玻璃纤维 110 0.025
矿棉 160 0.035
制
冷
原
理
与
技
术
3.3.2 堆积绝热
? 堆积绝热一般可分为 泡沫型绝热 和 粉末或
纤维型绝热 两种类型。
? 泡沫型绝热材料 (如泡沫聚氨脂、泡沫聚苯
乙烯、泡沫玻璃、橡胶等 )为非均质材料，其
导热率主要取决于其密度以及发泡气体，此外
还有绝热层的平均温度。
? 粉末或纤维型绝热 的主要缺点是水蒸汽和
空气能通过绝热层渗入到冷表面，除非设置蒸
汽阻挡层即防潮层。
制
冷
原
理
与
技
术
3.3.3 高真空绝热
? 采用真空绝热即能消除传热的两个主要因素
即 固体导热 和 气体对流换热 。
两表面之间的辐射传热可由 斯蒂芬 — 玻尔兹
曼定律 描述：
Q F F A T Te? ??1 2 1 2 4 1 4? ( )
(3-133)
对于低温容器 F1 2 1? ?
对于同心球体
或圆柱体 1 1 1 1
1
1
2 2F
A
Ae
? ? ?
? ?
( )
制
冷
原
理
与
技
术
通过在冷热两表面之间 间隔辐射屏 (一般
为高反射率的材料 )可大大减少热辐射。
1 1 1 1 1 2 1 1 1 1
1 2F
N
e s s s
? ? ? ? ? ? ? ? ?( ) ( ) ( ) ( )? ? ? ? ?
(3-135)
高真空绝热中，内外容器壳体之间 传热量 Q
可表示为：
Q A k
k
a P
MT
T T? ?
?
? ?18 2 1
11
0
2 1,( )
(3-136)
制
冷
原
理
与
技
术
a
a a
a
A
A
a a
0
1 2
1
1
2
2 11
?
?
? ?( ) ( )
(3-137)
式中的 分别为气体分子在表面的温度适
用系数 (见 表 3-10)21,aa
1A
a
a a
a a a a0
1 2
1 2 1 2
?
?
? ? ?
(3-138)
若冷表面积 近似等于热表面积,则
2A
制
冷
原
理
与
技
术
表 3-10 不同温度下几种气体的 a值
温度 (K) 氦气 (He) 氢气 ( ) 氖气 (Ne) 空气 (Air)
300 0.29 0.29 0.66 0.8～ 0.9
77 0.42 0.53 0.83 1.00
20 0.59 0.97 1.00 1.00
4 1.00 / / /
2H
表 3-11 计算系数 )/( 2 PaKmWK ??
N2 O2 H2 Ne
T1
与
T2
K ?104
气体种类 He 空气
的范围
<400
K
<360
K
300～
77K
77～
20K
任意 <360K
1.193 1.118 3.961 2.986 2.101 1.114
3.3.4 真空粉末（或纤维）绝热
图 3-134 气体压力对真空粉末（目珠光砂）绝热性能的影响。
残余气体为氮气，绝热层冷热侧温度分别为和。
制
冷
原
理
与
技
术
? 典型绝热层的 表观热导率 于气体
压力的关系示于 图 3-134
? 真空粉末中掺入铜或铝片 (包括颗粒 )
可有效地抑制辐射热，该类绝热被称为
真空阻光剂粉末绝热
? 在室温和液氮温区内真空粉末绝热
性能优于单纯的高真空绝热。
制
冷
原
理
与
技
术
密度 (Kg m/ 3
0.95× 103?
1.90× 103?
1.60× 103?
0.59× 103?
1.20× 103?
1.70× 103?
绝热材料 ) 热导率 (W/mK)
细珠光砂 180
粗珠光砂 64
气凝胶 80
硅酸钙 210
锅黑灰 200
玻璃纤维 50
表 3-12 真空粉末 (或纤维 )绝热的表观热导率，
冷热二侧温度分别为 77K和 300K,
残余气体压力小于 0.1Pa。
制
冷
原
理
与
技
术
层密度 (Kg m/ 3
3.7× 105?
7.8× 105?
3.4× 105?
1.4×
105?1.4×
104?
1.5× 104?
0.92× 104?
表 3-13,几种典型的多层绝热表观热导率,对应冷热边界
分别为 77K和 300K,残余气体压力小于 1.3mPa。
绝热层 ) 热导率 (W/mK)
6μ铝箔 +0.15mm玻璃纤维 20
6μ铝箔 +2mm人造纤维布 10
6μ铝箔 +2mm尼龙布 11
8.7μ铝箔 +填炭玻璃纤维纸 30
50μ单面喷铝植物纤维纸 40
20μ双面喷铝涤纶薄膜 75
8μ单面喷铝进口涤纶薄膜 121
3.3.5 高真空多层绝热
图 3-135 典型真空多层绝热与残余气体压力的关系
绝热层密度 24层 /cm,冷热边界分别为 77K和 300K
制
冷
原
理
与
技
术
从 3-135图 中可以看到为保证其高效的绝热
性能，真空度应达 0.01Pa以上。
多层绝热体密度 取决于辐射屏的厚度和密度
所采用的间隔物材料以及层密度，可用下式表示
? ? ?a s r rS N X? ?( ) ( / )?
(3-141)
高真空多层绝热的热量传递主要由热辐射和
绝热层内固体热导组成,表观热导率 可表示为
? ? ? ??e f f c h c h cN X T T T T? ? ? ? ??( / ) [ ( ) ( ) / ( ) ]? 1 2 2 2
(3-142)
3.3.6 高真空多屏绝热
图 3-136 蒸汽冷却屏低温贮存容器
制
冷
原
理
与
技
术
NEXT
制
冷
原
理
与
技
术
如 图 3-136所示，挥发的蒸汽可以带走一部
分传入的热量，其效果取决于挥发气体的显热于
潜热之比
分析如下,从室温传给蒸汽冷却屏的 热量
Q U T T U T T T Ts s s2 2 2 2 2 1 1? ? ? ? ? ? ?( ) [ ( ) ( ) ](3-143)
U A X A X A Xi n s p i p i n g2 ? ? ? ? ? ?( / ) ( / ) ( / )s u p? ? ?? ? ?
(3-144)
屏与内胆之间的 传热 可类似地表达成
Q U T T m hs s g fg? ? ? ?1 1 1( ) (3-145)
排气吸收的 显热 为
Q m C T Tg g p s? ?( )1
(3-146)
制
冷
原
理
与
技
术
由能量平衡方程
Q Q Qs s g2 1? ?? ?
(3-147)
并由式 (3-143),(3-144)和 (3-146)得
U T T T T U T T U C T T hs s p s fg2 2 1 1 1 1 1 1 2[ ( ) ( ) ] ( ) ( ) /? ? ? ? ? ? ?
设 ?
1 2 1? ?C T T hp fg( ) / ? 2 1 2? U U/
? ? ? ?( ) / ( )T T T Ts 1 2 1
? ? ? ? ?1 2 2 2 1 1 0? ? ? ? ? ?( )则
即
? ?? ? ? ??? ?? ? ?? ?2
1 2
1 2
2
2
1 21
2 1
4
1 1{ [ ( ) ] }
/
(3-148)
图 3-137 带汽冷屏的低温贮存容器的
汽冷屏温度比与热导比的关系
制
冷
原
理
与
技
术
? 1 2 1? ?Cp T T h fg( )/
H2
N2
O2
介质
He 72.9
6.37
Ne 6.40
1.14
0.87
表 3-14 低温介质的显热与潜热比
?1
? 图 3-137所示,值越大，汽冷屏温降越大
1?
? 表 3-14 所示,液氦容器 采用蒸汽冷却屏
效果最为显著，而对其它液体的容器，其效果
不是太明显
图 3-138 具有汽冷屏的漏热与无汽冷屏的
漏热之比随热导比的关系
制
冷
原
理
与
技
术
若通过汽冷屏的蒸汽质流量,
则汽冷屏 屏温比 为 mg ? 0
? ?0 21 1? ?/ ( )
具有汽冷屏的漏热与无汽冷屏的 漏
热之比 为
Q Q/ /0 0? ? ?
该表达式可画成 图 3-138形式
(3-149)
(3-150)
图 3-139
大口径多屏
绝热液氦杜瓦
1.不锈钢内胆，壁
厚 0.5mm;
2.铜屏，厚 0.5mm
3.铝屏 (厚 )
由厚 的填炭
纸隔开
20?
120?
制
冷
原
理
与
技
术
3.3.7 各类绝热方法比较
各种绝热方法在低温系统中都有广泛应用，
相应其优缺点概括如下：
1、堆积绝热
(a)泡沫型
优点,成本低,有一定的机械强度,不需真空罩
缺点,热膨胀率大，热导率会随时间变化。
(b)粉末或纤维型
优点,成本低，易用于不规则形状，不会燃烧
缺点,需防潮层，粉末沉降易造成热导率增大
制
冷
原
理
与
技
术
2、高真空绝热
优点,易于对形状复杂的表面绝热，预冷损失小
3、真空粉末（或纤维）绝热
优点,不需要太高的真空度，易于对形状复杂
的表面绝热
缺点,需持久的高真空,边界表面的辐射率要小
缺点,震动负荷和反复热循环后易沉降压实
制
冷
原
理
与
技
术
4、多层绝热
优点,绝热性能优裕，重量轻，与粉末绝热比
相对预冷损失小，稳定性好
5、高真空多屏绝热
优点,绝热性能最优
缺点,费用较大，难以对复杂形状绝热，抽成
高真空不易，抽空工艺较复杂
缺点,仅对于液氦或液氢容有较显著的效果，
结构复杂，成本较高
制
冷
原
理
与
技
术
3.3.8 低温贮运
(1)容器本体
(2)低温液体的注入、排出及
蒸发气体回收系统
(3)检查仪表及管道阀门配件
(4)安全设施
(5)其它附件
低温贮运设备的 总体结构 一般包括：
制
冷
原
理
与
技
术
1、绝热形式
一般可按下列 原则 决定：
(1)低沸点的液体贮存采用高效绝热形式
(2)大型形容器选用成本低的绝热形式
(3)运输式及轻便型容器应采用重量轻、
体积小的绝热形式
(4)形状复杂的容器一般不选用高真空多
层绝热
(5)间隙使用或短期使用的容器宜采用高
真空绝热
(6)中、小容量的液氦容器尽可能采用高
真空多屏绝热结构
制
冷
原
理
与
技
术
2、结构材料
? 低温容器 内胆 的结构材料必须保证在低
温下足够的机械性能，即 必须强度高，抗冲击
性能好 。
? 低温容器的 外壳 一般可选用价廉的碳钢
(如 16MnR等 )
? 连接内外壳体的 管道 等构件常用热导率
低的不锈钢、蒙乃尔合金等
制
冷
原
理
与
技
术
3、支撑构件
? 低温容器设计中内外 筒体的支撑固定 是
一个关键问题
? 支撑构件 常选用热导率低而强度高的材料
如玻璃钢、不锈钢等
? 受拉伸的构件 两固定端 应留有一定的活
动余隙，否则由于内胆的冷收缩拉杆受力太大，
会在两固定端产生很大应力。
图 3-140 低温贮运设备内外壳支撑构件的典型例子
制
冷
原
理
与
技
术
NEXT
制
冷
原
理
与
技
术
NEXT
4、管道
图 3-141 低温贮运设备的管道设置
制
冷
原
理
与
技
术
方法 (1)常用于多层绝热容器，通过分别将冷热
端的真空空间延伸至内容器和外壳外侧中去的办
法使管子的冷热端之间有一个较大的长度，管子
相应具备一定的收缩余量；
方法 (2)设计不合理，内胆液体中管线水平部
分将有蒸汽冷凝，冷凝的液体可沿水平管流向
热端，在热端蒸发，从而导致管线冷热端之间
的蒸发 — 冷凝对流传热过程，产生很大的热流
图 3-141示出了 4种管道连接方法：
制
冷
原
理
与
技
术
方法 (3)采用了一垂直上升弯头可避免 (2)中的
对流问题，采用一波纹管用以冷热收缩补偿，
由于波纹管设在绝 缘层中，因而难以修理，
相应可靠性较差，不到万不得已，一般不采用
方法 (4)为最佳设置，与 (3)相比，将波纹管设
置在容器壳体外侧，因而修理方便
制
冷
原
理
与
技
术
5、容器的排液
低温容器的液体排放一般有三种方法：
(a)内胆的自增压；
(b)外部气体对容器内胆的加压；
(c)液泵输送。
图 3-142示出了这三种输液方式
图 3-142 低温容器的三种输液方式
制
冷
原
理
与
技
术
6、安全装置
大型低温贮运设备的安全装置主要有：
(1)内胆安全阀
(2)内胆防爆膜装置
(3)绝热夹套防爆膜装置
见 图 3-143
图 3-143 低温贮槽上的基本安全装置
制
冷
原
理
与
技
术
NEXT
制
冷
原
理
与
技
术
内胆安全阀 通常为弹性安全阀，它的尺寸
由下式决定 (美国 ASME标准）
A
m R T g M
CK pv
g c
D
?
( )
max
1/ 2(3-151)
值得注意的是安全阀有：
全启式 和 微启式 两种
制
冷
原
理
与
技
术
(1)对全启式安全阀
h d t? 1
4
A dv t? 0 785 2.
(2)对微启式安全阀
tdh )20/1~40/1(?
平面型密封面
A d hv v? ? ??
锥形密封面
A d hv v? ? ? ?? ?s in
制
冷
原
理
与
技
术
内胆防爆膜 装置与安全阀并列布置，其
起到当安全阀失灵或容量不够造成内胆过压时
第二道安全保护作用，其爆破压力一般为内胆
设计表压的 120%
绝热夹套防爆膜 装置用于防止外壳受破
坏或内胆因外部受压而变形。一般来说，夹
套防爆装置的爆破压力设计为 0.035~0.05MPa
表压
制
冷
原
理
与
技
术
3.3.9 低温绝热容器的设计方法
低温绝热容器设计中主要应考虑两个方面，
即 热设计 和 结构设计 。
1、热设计
低温容器的热设计包括绝热结构设计的各
类热流计算。一般都包括下列几个方面的 热流
量,
(i) 残余气体分子的热导 Q1
(ii) 绝热空间及管口的辐射传热 Q2
制
冷
原
理
与
技
术
1 1 1
1
1
2 2
1
? ?? ?
?
??
?
??
?r
r ( )
1 1 1
1
1
2
2
2
1
? ??
?
??
?
?? ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
r
r ( )
1 1 1
1 2
1
? ?? ?
?
??
?
??
?
?1
序号 两表面的形状 Fe
1 无限长同心圆筒,半径为 r
1,r2,内圆筒计为 1
2 半径为 r1,r2的同心球面,内球面计为 1
3 无限长两平行表面
4
面 1 被比它大得多的
面 2 所包围,1,2表面
形状不定
表 3-15 在 时,不同情况下的 Fe 1
21 ??F
C=7.39× 104?
C=6.67× 103?
C=1.135× 102?
C=1.55× 102?
材料
名称
表面与
加工情况 4K 20K 77K 300K 备注
铝 抛光的光洁表面 0.011 0.018 0.03 n=0.667
粗糙表面 0.055
铝箔 0.018
涤纶薄膜
双面喷铝 0.04
紫铜 抛光的干净表面 0.01 0.016 0.030 n=0.292
铜箔 0.011
不锈钢 0.02 0.05 0.08 n=0.342
黄铜 抛光的干净表面 0.018 0.029 0.03 n=0.125
表 3-16 低温容器常用材料的辐射率 ?( )T CT n?
制
冷
原
理
与
技
术
(iii) 机械构件的热导 Q3
① 对于 没有冷气冷却 的构件,Q3可写成
Q AL T dT AL T dT T dT
T
T TT
3 44
1
2 12? ? ??
??
?
??? ??? ? ?( ) ( ) ( )
或写成
Q A
L
T T3 2 1? ?? ( )
(3-152)
(3-153)
② 对于 冷气冷却 的构件，如颈管导热,则
需引入冷量回收因子进行计算
材料 \温区
(K) 77～ 300 4～ 300 4～ 77 1～ 4 0.1～ 1
尼龙 0.31 0.27 0.17 0.006 0.001
派力克斯
玻璃 0.82 0.68 0.25 0.06 0.006
不锈钢 12.3 10.3 4.5 0.2 0.06
康铜 20 18 14 0.4 0.05
黄铜 81 67 26 1.7 0.35
无氧铜 190 160 80 5 (1)
电解铜 410 570 980 200 (40)
德银管 / / 12 / /
表 3-17 各类材料的平均热导率 ? ?mKW /?
制
冷
原
理
与
技
术
(iv) 通过绝热体的综合漏热 Q4
对于这部分热量，工程中用总的 表观热
导率 来处理。
Q A
T
e f f m4 ? ? ?? ?
?
(3-154)
2、结构设计
图 3-144为一低温容器的典型结构，低温容
器的结构设计一般包括 内外壳体设计, 支撑构件
设计, 管道设计, 输排液设计 和 安全装置设计 。
图 3-144 低温容器的典型构造
制
冷
原
理
与
技
术
NEXT
冷
原
理
与
技
术
第三节 低温绝热
3.3.1 低温绝热原理
3.3.2 堆积绝热
3.3.3 高真空绝热
3.3.4 真空粉末（或纤维）绝热
3.3.5 高真空多层绝热
3.3.6 高真空多屏绝热
3.3.7 各类绝热方法比较
3.3.8 低温贮运
3.3.9 低温绝热容器的设计方法
制
冷
原
理
与
技
术
第三节 低温绝热
? 低温贮运流体被液化并纯化到一定水平后
就必须设法贮存和运输。
? 低温液体的运输一般有两种方法：
(1)用低温槽车或低温容器运送。
(2)管道输送
? 低温贮运设备的关键在于其 绝热形式 和特
定的 结构设计 。
制
冷
原
理
与
技
术
3.3.1 低温绝热原理
?,绝热, 并不是完全的热隔绝，只是
把热量传递 (导热,对流和幅射 )减少到尽
可能低的程度。
? 低温绝热可分为五种类型：
(1)堆积绝热；
(2)高真空绝热；
(3)真空粉末（或纤维）绝热；
(4)高真空多层绝热；
(5)高真空多屏绝热。
制
冷
原
理
与
技
术
表 3-8,泡沫绝热材料的表观热导率,
设冷热边界温度分别为 77K和 300K,
泡沫塑料 密度 (kg/m3) 热导率 (W/mK)
聚氨脂 11 0.033
聚苯乙烯 3946 0.0330.026
橡胶 80 0.036
硅 (石英） 160 0.055
玻璃 140 0.035
制
冷
原
理
与
技
术
表 3-9 粉末或纤维型堆积绝热的表观热导率
设冷热边界温度分别为 90K和 300K
绝热材料 密度 (kg/m3) 热导率 (W/mK)
珠光砂 50210 0.0260.044
气凝胶 80 0.019
蛭石 120 0.052
玻璃纤维 110 0.025
矿棉 160 0.035
制
冷
原
理
与
技
术
3.3.2 堆积绝热
? 堆积绝热一般可分为 泡沫型绝热 和 粉末或
纤维型绝热 两种类型。
? 泡沫型绝热材料 (如泡沫聚氨脂、泡沫聚苯
乙烯、泡沫玻璃、橡胶等 )为非均质材料，其
导热率主要取决于其密度以及发泡气体，此外
还有绝热层的平均温度。
? 粉末或纤维型绝热 的主要缺点是水蒸汽和
空气能通过绝热层渗入到冷表面，除非设置蒸
汽阻挡层即防潮层。
制
冷
原
理
与
技
术
3.3.3 高真空绝热
? 采用真空绝热即能消除传热的两个主要因素
即 固体导热 和 气体对流换热 。
两表面之间的辐射传热可由 斯蒂芬 — 玻尔兹
曼定律 描述：
Q F F A T Te? ??1 2 1 2 4 1 4? ( )
(3-133)
对于低温容器 F1 2 1? ?
对于同心球体
或圆柱体 1 1 1 1
1
1
2 2F
A
Ae
? ? ?
? ?
( )
制
冷
原
理
与
技
术
通过在冷热两表面之间 间隔辐射屏 (一般
为高反射率的材料 )可大大减少热辐射。
1 1 1 1 1 2 1 1 1 1
1 2F
N
e s s s
? ? ? ? ? ? ? ? ?( ) ( ) ( ) ( )? ? ? ? ?
(3-135)
高真空绝热中，内外容器壳体之间 传热量 Q
可表示为：
Q A k
k
a P
MT
T T? ?
?
? ?18 2 1
11
0
2 1,( )
(3-136)
制
冷
原
理
与
技
术
a
a a
a
A
A
a a
0
1 2
1
1
2
2 11
?
?
? ?( ) ( )
(3-137)
式中的 分别为气体分子在表面的温度适
用系数 (见 表 3-10)21,aa
1A
a
a a
a a a a0
1 2
1 2 1 2
?
?
? ? ?
(3-138)
若冷表面积 近似等于热表面积,则
2A
制
冷
原
理
与
技
术
表 3-10 不同温度下几种气体的 a值
温度 (K) 氦气 (He) 氢气 ( ) 氖气 (Ne) 空气 (Air)
300 0.29 0.29 0.66 0.8～ 0.9
77 0.42 0.53 0.83 1.00
20 0.59 0.97 1.00 1.00
4 1.00 / / /
2H
表 3-11 计算系数 )/( 2 PaKmWK ??
N2 O2 H2 Ne
T1
与
T2
K ?104
气体种类 He 空气
的范围
<400
K
<360
K
300～
77K
77～
20K
任意 <360K
1.193 1.118 3.961 2.986 2.101 1.114
3.3.4 真空粉末（或纤维）绝热
图 3-134 气体压力对真空粉末（目珠光砂）绝热性能的影响。
残余气体为氮气，绝热层冷热侧温度分别为和。
制
冷
原
理
与
技
术
? 典型绝热层的 表观热导率 于气体
压力的关系示于 图 3-134
? 真空粉末中掺入铜或铝片 (包括颗粒 )
可有效地抑制辐射热，该类绝热被称为
真空阻光剂粉末绝热
? 在室温和液氮温区内真空粉末绝热
性能优于单纯的高真空绝热。
制
冷
原
理
与
技
术
密度 (Kg m/ 3
0.95× 103?
1.90× 103?
1.60× 103?
0.59× 103?
1.20× 103?
1.70× 103?
绝热材料 ) 热导率 (W/mK)
细珠光砂 180
粗珠光砂 64
气凝胶 80
硅酸钙 210
锅黑灰 200
玻璃纤维 50
表 3-12 真空粉末 (或纤维 )绝热的表观热导率，
冷热二侧温度分别为 77K和 300K,
残余气体压力小于 0.1Pa。
制
冷
原
理
与
技
术
层密度 (Kg m/ 3
3.7× 105?
7.8× 105?
3.4× 105?
1.4×
105?1.4×
104?
1.5× 104?
0.92× 104?
表 3-13,几种典型的多层绝热表观热导率,对应冷热边界
分别为 77K和 300K,残余气体压力小于 1.3mPa。
绝热层 ) 热导率 (W/mK)
6μ铝箔 +0.15mm玻璃纤维 20
6μ铝箔 +2mm人造纤维布 10
6μ铝箔 +2mm尼龙布 11
8.7μ铝箔 +填炭玻璃纤维纸 30
50μ单面喷铝植物纤维纸 40
20μ双面喷铝涤纶薄膜 75
8μ单面喷铝进口涤纶薄膜 121
3.3.5 高真空多层绝热
图 3-135 典型真空多层绝热与残余气体压力的关系
绝热层密度 24层 /cm,冷热边界分别为 77K和 300K
制
冷
原
理
与
技
术
从 3-135图 中可以看到为保证其高效的绝热
性能，真空度应达 0.01Pa以上。
多层绝热体密度 取决于辐射屏的厚度和密度
所采用的间隔物材料以及层密度，可用下式表示
? ? ?a s r rS N X? ?( ) ( / )?
(3-141)
高真空多层绝热的热量传递主要由热辐射和
绝热层内固体热导组成,表观热导率 可表示为
? ? ? ??e f f c h c h cN X T T T T? ? ? ? ??( / ) [ ( ) ( ) / ( ) ]? 1 2 2 2
(3-142)
3.3.6 高真空多屏绝热
图 3-136 蒸汽冷却屏低温贮存容器
制
冷
原
理
与
技
术
NEXT
制
冷
原
理
与
技
术
如 图 3-136所示，挥发的蒸汽可以带走一部
分传入的热量，其效果取决于挥发气体的显热于
潜热之比
分析如下,从室温传给蒸汽冷却屏的 热量
Q U T T U T T T Ts s s2 2 2 2 2 1 1? ? ? ? ? ? ?( ) [ ( ) ( ) ](3-143)
U A X A X A Xi n s p i p i n g2 ? ? ? ? ? ?( / ) ( / ) ( / )s u p? ? ?? ? ?
(3-144)
屏与内胆之间的 传热 可类似地表达成
Q U T T m hs s g fg? ? ? ?1 1 1( ) (3-145)
排气吸收的 显热 为
Q m C T Tg g p s? ?( )1
(3-146)
制
冷
原
理
与
技
术
由能量平衡方程
Q Q Qs s g2 1? ?? ?
(3-147)
并由式 (3-143),(3-144)和 (3-146)得
U T T T T U T T U C T T hs s p s fg2 2 1 1 1 1 1 1 2[ ( ) ( ) ] ( ) ( ) /? ? ? ? ? ? ?
设 ?
1 2 1? ?C T T hp fg( ) / ? 2 1 2? U U/
? ? ? ?( ) / ( )T T T Ts 1 2 1
? ? ? ? ?1 2 2 2 1 1 0? ? ? ? ? ?( )则
即
? ?? ? ? ??? ?? ? ?? ?2
1 2
1 2
2
2
1 21
2 1
4
1 1{ [ ( ) ] }
/
(3-148)
图 3-137 带汽冷屏的低温贮存容器的
汽冷屏温度比与热导比的关系
制
冷
原
理
与
技
术
? 1 2 1? ?Cp T T h fg( )/
H2
N2
O2
介质
He 72.9
6.37
Ne 6.40
1.14
0.87
表 3-14 低温介质的显热与潜热比
?1
? 图 3-137所示,值越大，汽冷屏温降越大
1?
? 表 3-14 所示,液氦容器 采用蒸汽冷却屏
效果最为显著，而对其它液体的容器，其效果
不是太明显
图 3-138 具有汽冷屏的漏热与无汽冷屏的
漏热之比随热导比的关系
制
冷
原
理
与
技
术
若通过汽冷屏的蒸汽质流量,
则汽冷屏 屏温比 为 mg ? 0
? ?0 21 1? ?/ ( )
具有汽冷屏的漏热与无汽冷屏的 漏
热之比 为
Q Q/ /0 0? ? ?
该表达式可画成 图 3-138形式
(3-149)
(3-150)
图 3-139
大口径多屏
绝热液氦杜瓦
1.不锈钢内胆，壁
厚 0.5mm;
2.铜屏，厚 0.5mm
3.铝屏 (厚 )
由厚 的填炭
纸隔开
20?
120?
制
冷
原
理
与
技
术
3.3.7 各类绝热方法比较
各种绝热方法在低温系统中都有广泛应用，
相应其优缺点概括如下：
1、堆积绝热
(a)泡沫型
优点,成本低,有一定的机械强度,不需真空罩
缺点,热膨胀率大，热导率会随时间变化。
(b)粉末或纤维型
优点,成本低，易用于不规则形状，不会燃烧
缺点,需防潮层，粉末沉降易造成热导率增大
制
冷
原
理
与
技
术
2、高真空绝热
优点,易于对形状复杂的表面绝热，预冷损失小
3、真空粉末（或纤维）绝热
优点,不需要太高的真空度，易于对形状复杂
的表面绝热
缺点,需持久的高真空,边界表面的辐射率要小
缺点,震动负荷和反复热循环后易沉降压实
制
冷
原
理
与
技
术
4、多层绝热
优点,绝热性能优裕，重量轻，与粉末绝热比
相对预冷损失小，稳定性好
5、高真空多屏绝热
优点,绝热性能最优
缺点,费用较大，难以对复杂形状绝热，抽成
高真空不易，抽空工艺较复杂
缺点,仅对于液氦或液氢容有较显著的效果，
结构复杂，成本较高
制
冷
原
理
与
技
术
3.3.8 低温贮运
(1)容器本体
(2)低温液体的注入、排出及
蒸发气体回收系统
(3)检查仪表及管道阀门配件
(4)安全设施
(5)其它附件
低温贮运设备的 总体结构 一般包括：
制
冷
原
理
与
技
术
1、绝热形式
一般可按下列 原则 决定：
(1)低沸点的液体贮存采用高效绝热形式
(2)大型形容器选用成本低的绝热形式
(3)运输式及轻便型容器应采用重量轻、
体积小的绝热形式
(4)形状复杂的容器一般不选用高真空多
层绝热
(5)间隙使用或短期使用的容器宜采用高
真空绝热
(6)中、小容量的液氦容器尽可能采用高
真空多屏绝热结构
制
冷
原
理
与
技
术
2、结构材料
? 低温容器 内胆 的结构材料必须保证在低
温下足够的机械性能，即 必须强度高，抗冲击
性能好 。
? 低温容器的 外壳 一般可选用价廉的碳钢
(如 16MnR等 )
? 连接内外壳体的 管道 等构件常用热导率
低的不锈钢、蒙乃尔合金等
制
冷
原
理
与
技
术
3、支撑构件
? 低温容器设计中内外 筒体的支撑固定 是
一个关键问题
? 支撑构件 常选用热导率低而强度高的材料
如玻璃钢、不锈钢等
? 受拉伸的构件 两固定端 应留有一定的活
动余隙，否则由于内胆的冷收缩拉杆受力太大，
会在两固定端产生很大应力。
图 3-140 低温贮运设备内外壳支撑构件的典型例子
制
冷
原
理
与
技
术
NEXT
制
冷
原
理
与
技
术
NEXT
4、管道
图 3-141 低温贮运设备的管道设置
制
冷
原
理
与
技
术
方法 (1)常用于多层绝热容器，通过分别将冷热
端的真空空间延伸至内容器和外壳外侧中去的办
法使管子的冷热端之间有一个较大的长度，管子
相应具备一定的收缩余量；
方法 (2)设计不合理，内胆液体中管线水平部
分将有蒸汽冷凝，冷凝的液体可沿水平管流向
热端，在热端蒸发，从而导致管线冷热端之间
的蒸发 — 冷凝对流传热过程，产生很大的热流
图 3-141示出了 4种管道连接方法：
制
冷
原
理
与
技
术
方法 (3)采用了一垂直上升弯头可避免 (2)中的
对流问题，采用一波纹管用以冷热收缩补偿，
由于波纹管设在绝 缘层中，因而难以修理，
相应可靠性较差，不到万不得已，一般不采用
方法 (4)为最佳设置，与 (3)相比，将波纹管设
置在容器壳体外侧，因而修理方便
制
冷
原
理
与
技
术
5、容器的排液
低温容器的液体排放一般有三种方法：
(a)内胆的自增压；
(b)外部气体对容器内胆的加压；
(c)液泵输送。
图 3-142示出了这三种输液方式
图 3-142 低温容器的三种输液方式
制
冷
原
理
与
技
术
6、安全装置
大型低温贮运设备的安全装置主要有：
(1)内胆安全阀
(2)内胆防爆膜装置
(3)绝热夹套防爆膜装置
见 图 3-143
图 3-143 低温贮槽上的基本安全装置
制
冷
原
理
与
技
术
NEXT
制
冷
原
理
与
技
术
内胆安全阀 通常为弹性安全阀，它的尺寸
由下式决定 (美国 ASME标准）
A
m R T g M
CK pv
g c
D
?
( )
max
1/ 2(3-151)
值得注意的是安全阀有：
全启式 和 微启式 两种
制
冷
原
理
与
技
术
(1)对全启式安全阀
h d t? 1
4
A dv t? 0 785 2.
(2)对微启式安全阀
tdh )20/1~40/1(?
平面型密封面
A d hv v? ? ??
锥形密封面
A d hv v? ? ? ?? ?s in
制
冷
原
理
与
技
术
内胆防爆膜 装置与安全阀并列布置，其
起到当安全阀失灵或容量不够造成内胆过压时
第二道安全保护作用，其爆破压力一般为内胆
设计表压的 120%
绝热夹套防爆膜 装置用于防止外壳受破
坏或内胆因外部受压而变形。一般来说，夹
套防爆装置的爆破压力设计为 0.035~0.05MPa
表压
制
冷
原
理
与
技
术
3.3.9 低温绝热容器的设计方法
低温绝热容器设计中主要应考虑两个方面，
即 热设计 和 结构设计 。
1、热设计
低温容器的热设计包括绝热结构设计的各
类热流计算。一般都包括下列几个方面的 热流
量,
(i) 残余气体分子的热导 Q1
(ii) 绝热空间及管口的辐射传热 Q2
制
冷
原
理
与
技
术
1 1 1
1
1
2 2
1
? ?? ?
?
??
?
??
?r
r ( )
1 1 1
1
1
2
2
2
1
? ??
?
??
?
?? ?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
r
r ( )
1 1 1
1 2
1
? ?? ?
?
??
?
??
?
?1
序号 两表面的形状 Fe
1 无限长同心圆筒,半径为 r
1,r2,内圆筒计为 1
2 半径为 r1,r2的同心球面,内球面计为 1
3 无限长两平行表面
4
面 1 被比它大得多的
面 2 所包围,1,2表面
形状不定
表 3-15 在 时,不同情况下的 Fe 1
21 ??F
C=7.39× 104?
C=6.67× 103?
C=1.135× 102?
C=1.55× 102?
材料
名称
表面与
加工情况 4K 20K 77K 300K 备注
铝 抛光的光洁表面 0.011 0.018 0.03 n=0.667
粗糙表面 0.055
铝箔 0.018
涤纶薄膜
双面喷铝 0.04
紫铜 抛光的干净表面 0.01 0.016 0.030 n=0.292
铜箔 0.011
不锈钢 0.02 0.05 0.08 n=0.342
黄铜 抛光的干净表面 0.018 0.029 0.03 n=0.125
表 3-16 低温容器常用材料的辐射率 ?( )T CT n?
制
冷
原
理
与
技
术
(iii) 机械构件的热导 Q3
① 对于 没有冷气冷却 的构件,Q3可写成
Q AL T dT AL T dT T dT
T
T TT
3 44
1
2 12? ? ??
??
?
??? ??? ? ?( ) ( ) ( )
或写成
Q A
L
T T3 2 1? ?? ( )
(3-152)
(3-153)
② 对于 冷气冷却 的构件，如颈管导热,则
需引入冷量回收因子进行计算
材料 \温区
(K) 77～ 300 4～ 300 4～ 77 1～ 4 0.1～ 1
尼龙 0.31 0.27 0.17 0.006 0.001
派力克斯
玻璃 0.82 0.68 0.25 0.06 0.006
不锈钢 12.3 10.3 4.5 0.2 0.06
康铜 20 18 14 0.4 0.05
黄铜 81 67 26 1.7 0.35
无氧铜 190 160 80 5 (1)
电解铜 410 570 980 200 (40)
德银管 / / 12 / /
表 3-17 各类材料的平均热导率 ? ?mKW /?
制
冷
原
理
与
技
术
(iv) 通过绝热体的综合漏热 Q4
对于这部分热量，工程中用总的 表观热
导率 来处理。
Q A
T
e f f m4 ? ? ?? ?
?
(3-154)
2、结构设计
图 3-144为一低温容器的典型结构，低温容
器的结构设计一般包括 内外壳体设计, 支撑构件
设计, 管道设计, 输排液设计 和 安全装置设计 。
图 3-144 低温容器的典型构造
制
冷
原
理
与
技
术
NEXT
