Тепловая защита резервуаров. Виды изоляции и их сравнение.

Конструкция резервуара должна обеспечивать минимальный теплоприток к криогенной жидкости и, соответственно, минимальные потери на испарение. Для этого резервуары должны иметь совершенную тепловую изоляцию и изготавливаться с двойными стенками- внутренний сосуд герметично закрывается кожухом, а пространство между ними заполняется изолирующим материалом. В заправочном оборудовании изолирующие полости обычно вакуумируются до давления 10^-2…10^-3Па (10^-4…10^-5мм.рт.ст.).

Теплоизоляцию принято делить на две группы газонаполненную, находящуюся под атмосферным давлением и вакуумированную.

Газонаполненная изоляция изготавливается из пеноматериалов и тонкодисперсных порошков минерального происхождения: перлита и аэрогеля кремниевой кислоты. Коэффициент теплопроводности пеноматериалов и порошков примерно равен коэффициенту теплопроводности неподвижного (без конвекции) воздуха. В процессе эксплуатации пенопластов изоляция может увлажняться и влага вымораживаться в зонах низких температур, отчего повышаются теплопроводность изоляции, теплоприток к оборудованию и ухудшается качество его работы.

Вакуумированная тепловая изоляция делится на следующие виды: высоковакуумную (ВВИ),многослойную экрано-вакуумную (ЭВИ),порошково-вакуумную (ПВИ), экрано-вакуумную с промежуточным тепловым экраном (ЭВИ+ТЭ).

Многослойная экрановакуумная тепловая изоляция (ЭВИ) является наиболее эффективной в криогенных резервуарах и трубопроводах для жидких О₂, Н₂ и N₂. Для уменьшения лучистого теплового потока на наружной поверхности внутреннего сосуда устанавливаются пакеты их лёгких радиационных экранов. Между экранами устанавливаются прокладки для изоляции одного экрана от другого, чтобы уменьшить переток тепла в поперечном направлении. Достоинства 1)имеет эффективный коэффициент теплопроводности.Он в 50 раз меньше, чем у ПВИ. 2)Безопасна в пожарном отношении. 3) Имеет меньшую массу и теплоёмкость по сравнению с ПВИ 4) Нет необходимости в повышении отражательной способности граничных поверхностей, как у ВВИ. Они могут быть чёрными.5)Имеет меньший вес и габариты. Недостатки ЭВИ 1)Необходимо создавать и поддерживать высокий вакуум 10^-2...10^-3Па, 2)Трудность монтажа на сложных поверхностях. Наличие опор, подвесок и трубопроводов также препятствует качественной укладке радиационных экранов.3)Опасность быстрой потери вакуума при случайном повреждении кожуха. Рост давления до атмосферного приведёт к росту теплопритока и бурному вскипанию криопродукта.4)Высокая стоимость изоляции. Порошково-вакуумная тепловая изоляция получается при засыпке изолирующего пространства резервуаров или трубопроводов перлитом или аэрогелем с последующим вакуумированием пространства до давления 1…10Па (примерно до 10^-1…10^{-2 мм.рт.ст.). Это мелкодисперсные порошки, частицы которых представляют собой твёрдый каркас с порами внутри. Достоинства ПВИ 1)Порошком можно засыпать труднодоступные места в изолирующем пространстве, в которых установка слоистой изоляции трудно выполнима.2)Порошки обладают адсорбирующими свойствами. В определённой степени они поглощают натечки газа внутрь изолирующей полости через микротрещины в кожухе и требуемый вакуум сохраняется длительное время без повторной откачки.3) Не требуется создавать высокий вакуум (10-2}Па) 4)Порошок может до некоторой степени поддерживать изолируемое оборудование при ударных и сейсмических нагрузках. Недостатки ПВИ 1)По сравнение с многослойной изоляцией порошки имеют большой вес. 2)Порошок увеличивает теплоёмкость оборудования и поэтому требуется большее количество криогенной жидкости и времени для охлаждения оборудования, а в крупных резервуарах - до нескольких суток. 3)Толщина изоляции велика и даже для транспортных резервуаров на 20…30 тонн криопродукта составляет 300…400мм.4) Порошки в процессе эксплуатации могут уплотняться. Перлит может уменьшиться в объёме на 20…25%.

Экранно-вакуумная изоляция с промежуточным тепловым экраном.

Этот вид изоляции применяется в резервуарах для жидкого гелия. Особенность устройства состоит в том, что здесь между кожухом и внутренним сосудом в дополнении к слоистой изоляции устанавливается промежуточный экран, охлаждаемый холодными парами гелия или жидким азотом. Промежуточный экран выполняется из меди, отличающейся наибольшей теплопроводностью

Тепловой поток из окружающей среды к криогенной жидкости складывается из теплового потока через изоляцию резервуара (примерно 70…80 %) и через тепловые мосты (примерно 20…30 %). К ним относятся: подвески и опоры для крепления внутреннего сосуда к кожуху, трубы и другие элементы, по которым теплота поступает путём теплопроводности материала моста. Следовательно, тепловая защита криопродуктов определяется совершенством тепловой изоляции стенок резервуара и максимальным тепловым сопротивлением тепловых мостов.

Подвески внутреннего сосуда к кожуху и опоры должны соответствовать требованиям к прочности конструкции резервуара, учитывать массу сосуда с жидкостью, возможные перегрузки при сейсмических воздействиях и при транспортировке – торможение и ускорение для транспортных резервуаров.

Высоковакуумная (ВВИ) Чтобы полностью устранить первую составляющую теплопритока – перенос теплоты путём свободной конвекцией- полость вакуумируют до такой степени, чтобы длина свободного пробега молекул была больше расстояния между параллельными стенками. При этом практически исчезает и вторая составляющая теплопритока- путём теплопроводности газа. Строго говоря, сохраняется лишь перенос тепла остаточным газом при низких давлениях, но он мал Для уменьшения лучистого теплопритока граничные поверхности, обращённые внутрь изолирующей полости, должны иметь высокие отражающие свойства. Этого можно достигнуть либо полировкой поверхности, либо обклеиванием их алюминированной плёнкой. Но полировка – дорогостоящая, технологически сложная операция и для крупных резервуаров непригодная. А один слой отражающей плёнки защиту от теплового излучения не обеспечивает. Поэтому высоковакуумная изоляция в настоящее время в чистом виде не применяется, а только в сочетании с другими видами изоляции в резервуарах для жидкого гелия.

Дата добавления: 2015-10-28