Тепловая изоляция криогенного оборудования

Тула 2012

Аннотация

Теплоизоляция — это элементы конструкции, уменьшающие передачу тепла. Также термин может означать материалы для выполнения таких элементов или комплекс мероприятий по их устройству.

Теплоизоляция применяется для уменьшения теплопередачи всюду, где необходимо поддерживать заданную температуру, например:

В строительстве теплоизоляция применяется для внутреннего и внешнего изолирования наружных стен зданий, кровель, полов и т. д. Благодаря этому снижается расход энергии на отопление и кондиционирование.

В производстве одежды и обуви. Благодаря теплоизолирующим свойствам одежды человек может без активного движения долгое время пребывать на открытом воздухе в сильный холод или в холодной воде.

В корпусах или ограждающих конструкциях холодильного оборудования, печей. Благодаря теплоизоляции возможно значительно снизить затраты энергии на поддержание требуемой температуры внутри.

Трубопроводы теплотрасс окружают теплоизоляцией для уменьшения охлаждения или нагрева передаваемого теплоносителя. Защищают от коррозии. Теплоизоляция обладает пароизолирующими (не всегда) и шумозащитными свойствами.

Изоляция трубопроводной арматуры, где применяются съёмные теплоизоляционные конструкции.

ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ КРИОГЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Классическая техника теплоизоли­рования, основанная на использо­вании газонаполненных материа­лов типа шлаковой ваты, пен, легких порошков, находит в современном криогенном оборудовании ограниченное приме­нение. Основой теплоизолирования современного криогенного оборудо­вания является применение вакуум­ных систем теплоизоляции: порошково-вакуумных и слоисто-вакуум­ных. Интерес к ним определяется в первую очередь их высокой тепло­изоляционной эффективностью, не­достижимой для классической теп­лоизоляции.

Характерная особенность ваку­умной теплоизоляции — универсаль­ность. Наряду с изоляционными обо­лочками толщиной несколько десят­ков сантиметров, защищающими объемы жидких криопродуктов в сотни и тысячи кубических метров, созданы вакуумные теплоизоляци­онные оболочки толщиной 2—3 мм, защищающие объемы криогенных продуктов в несколько десятков ку­бических сантиметров.

Простейшая вакуумная тепло­изоляция представляет собой ваку­умное пространство, заполненное мелкодисперсным порошком, напри­мер аэрогелем или перлитом, экра­нирующим тепловое излучение и мо­лекулярный перенос теплоты через вакуум. Наибольший эффект дости­гается при использовании вместо порошка упорядоченной системы эк­ранов, разделенных прокладками из малотеплопроводного материала, например стеклобумаги, при давле­нии не выше 10~² Па. Такая изоля­ция получила название слоисто-ва­куумной теплоизоляции (СВТИ).

Тепловой поток через СВТИ со­стоит из лучистого потока теплоты, подчиняющегося закону Стефа­на — Больцмана, кондуктивных по­токов теплоты через прокладку и вдоль экранов и молекуляр­ного потока теплоты по остаточному газу.

Составляющие теп­лового потока перераспределяются по толщине слоя изоляции от горячей зоны к холодной. Доля излучения резко уменьшается в на­правлении холодной зоны изоляции и, наоборот, доля кондуктивной про­водимости заметно возрастает. Наи­менее изучено влияние на теплооб­мен остаточного газа в межслойном пространстве. При температурах жидкого водорода и гелия приток теплоты по остаточному газу в хо­лодной зоне резко снижается, что, вероятно, связано с ростом адсорб­ционной способности поверхностей при этих температурах по отноше­нию к трудноконденсируемым газам в межслойном пространстве.

В течение ряда лет в отечествен­ной промышленности отрабатыва­лись конструкции изоляционных сис­тем СВТИ, обеспечивающих мини­мальные потери криопродуктов при их хранении.

Основные конструктивные осо­бенности современной СВТИ за­ключаются в следующем:

1. В качестве экранного материа­ла применена полиэфирная пленка с нанесенными на нее с обеих сторон методом вакуумной металлизации слоями алюминия толщиной 500 А, что соответствует минимуму коэф­фициента теплового излучения алю­миниевого покрытия (рис. 2.12).

2. В качестве прокладок исполь­зованы тонковолокнистые стеклома-териалы, волокна которых ориенти­рованы в плоскости слоя, что обеспе­чивает минимум теплопроводности в поперечном направлении.

3. Для снижения давления оста­точных газов в толще изоляции ис­пользованы материалы с малым га­зовыделением. Разработана, стан­дартизована и внедрена н производ­ство стеклобумага с волокнами тол­щиной менее 1 мкм и содержанием связующего не более 3%, что дало увеличение эффективности теплоизо­ляции на 20%. Разработана техно­логия укладки пакетов изоляции та­ким образом, чтобы облегчить дрейф остаточных газов к криоадсорбцнон-ным насосам.

В системах теплоизоляции при­менительно к летным ракетным ба­кам с криогенными продуктами иногда используют перфорацию эк­ранов, что значительно сокращает время достижения вакуума внутри слоев изоляции. Перфорация экра­нов в стационарных криогенных ре­зервуарах не является необходимой, поскольку она заметно снижает пре­дельно достижимую эффективность, а скорость процесса вакуумирования в этом случае не играет заметной роли.

4. Для уменьшения притоков теп­лоты вдоль экранов проведена заме­на ранее применявшейся для экра­нов алюминиевой фольги на тонкую (12 мкм) полиэфирную пленку, что снизило продольную проводимость пакетов изоляции на два порядка при условии правильного конструи­рования изоляционной системы, исключающего появление продольных температурных градиентов. Появле­ние таких градиентов возможно в зонах выхода через изоляцию па­трубков, опор, люков.

5. Механические нагрузки на изоляцию, неизбежные при закреп­лении ее на поверхности изделия, приводят к значительному падению ее теплового сопротивления. В связи с этим разработан ряд конструктивных вариантов мон­тажа изоляции, обеспечивающего минимальные нагрузки.

Отработка конструкции изоляци­онных систем была проведена на специально созданном стендовом комплексе, позволяющем изучить закономерности теплопередачи и вести отработку перспективных кон­струкций теплоизоляции в условиях, максимально приближенных к про­мышленным (рис.1). В результа­те были созданы конструкции слоис­той экранно-вакуумной теплоизоля­ции резервуаров и трубопроводов, обладающих высокоэффективной тепловой защитой, что позволило при хранении криопродуктов и пода­че их на расстояние в несколько ки­лометров обеспечить минимальные потери.

На рис. 2 приведены зависи­мости теплового сопротивления теп­лоизоляции от количества отражаю­щих экранов. Нижняя кривая харак­теризует уровень эффективности теп­лоизоляции, достигнутый в оборудо­вании, выпускаемом серийно. Сред­няя кривая соответствует значитель­но более высокой эффективности изоляции, полученной на лаборатор­ных и опытно-промышленных образ­цах. Но и эти образцы не достигают предельной теоретической эффектив­ности (верхняя кривая). Таким об­разом, слоисто-вакуумная изоляция является весьма перспективной для дальнейшего совершенствования сис­тем хранения криогенных продук­тов.

Конструкция изоляции промыш­ленных криогенных трубопроводов определяется технологией их приме­нения. В зависимости от заданных значений притоков теплоты криоген­ные трубопроводы могут снабжаться облегченной, нормальной или улуч­шенной теплоизоляцией. Трубопро­воды с облегченной теплоизоляцией состоят из шести слоев алюминиро-ванной пленки и стеклобумаги и применяются либо для тех участков трассы, которые при эксплуатации используются кратковременно (не более времени стабилизации темпе­ратурного режима, составляющего в среднем 4—6 ч), либо для вспомо­гательных участков магистрали, где могут быть допущены большие при­токи теплоты, например в дренаж­ных трубопроводах. Криогенные трубопроводы с нормальной изоля­цией состоят из 20 тонких слоев алю-минированной пленки со стеклобу-магой. Они применяются для участ­ков основной магистрали, предназ­наченных для длительной работы. Улучшенная теплоизоляция разра­ботана специально для криогенных трубопроводов жидкого гелия и жидкого водорода. Она выполняется из 40 слоев алюминированной плен­ки со стеклобумагой с плотностью винтовой навивки 20 слоев на тол­щине в 10 мм.

Одним из путей уменьшения теп­лового потока через изоляцию явля­ется использование холода выходя­щего газа для охлаждения экрана, размещенного в изоляционном про­странстве. Основная идея этого спо­соба заключается в следующем. В результате теплопритока извне жидкий криопродукт испаряется и пар выходит из резервуара при тем­пературе насыщения. Чтобы этот газ нагреть до температуры окружа­ющей среды, необходимо подвести некоторое количество теплоты, кото­рое для криогенных продуктов, как правило, относительно велико. Если для подогрева газа использовать теплоту, поступающую через изоля­цию, то в результате часть теплоты можно отвести на промежуточном температурном уровне и уменьшить тепловой поток к жидкому криопро-дукту. Принципиальная схема резер­вуара для хранения криопродуктов с утилизацией теплоты отходящего газа представлена на рис. 3. Если экран не охлаждается, то количество теплоты, поступающей на экран, и количество теплоты, уходящей с эк­рана, равны. При охлаждении экра­на газом часть теплоты, поступаю­щей на экран через изоляцию, идет на нагревание газа, в результате че­го тепловой поток к жидкому крио-продукту уменьшается. Если тепло­обмен в изоляции осуществляется в основном излучением, то даже не­большое уменьшение температуры экрана позволяет существенно сни­зить тепловой поток к жидкому криопродукту. Так, например, при хранении жидкого кислорода приме­нение охлаждаемого экрана позво­ляет снизить потери от испарения на 25%, для жидкого водорода — в 3,3 раза, для жидкого гелия — в 15 раз. Применение нескольких охлаждаемых экранов позволяет еще больше увеличить их эффективность и снизить потери жидкого гелия бо­лее чем в 30 раз.

Рис.1. Крупномасштабный стенд для исследования криогенной тепловой изоля­ции.

Рис. 2. Уровни эффективности СВТИ

Рис. 2.16. Принципиальная схема криоген­ного сосуда с, охлаждаемым экраном. 1 — экран; 2 — наружный кожух; 3— га­зосбросный трубопровод; 4 — слоисто-ва­куумная изоляция; 5 — криогенная жид­кость.

Эти же принципы охлаждения заложены при создании элементов криогенного оборудования, по кото­рым большой тепловой поток посту­пает к жидкому криопродукту (тру­бопроводы и опоры емкостей, шты­ковые разъемы трубопроводов и дру­гие «тепловые мосты»). Охлаждение таких элементов выходящим газом позволяет в 10—20 раз снизить зна­чение аксиального теплового потока.

Результаты проведенных иссле­дований были использованы при со­здании высокоэффективных сосудов для хранения жидкого гелия с экранно-вакуумной изоляцией и охлаждаемыми экранами взамен сосу­дов с высоковакуумной изоляцией и экраном, охлаждаемым жидким азо­том. При этом существенно улучши­лись массогабаритные и эксплуата­ционные характеристики изделий.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алексеев В. П., Поберезкин А.Э., Лось В. И. Оборудование для производства аргона. – М.: Машиностроение, 1972. 0 248 с.

2. Беляков В. П. Криогенное машиностроение – основа технического прогресса различных отраслей техники. – Тр. НПО «Криогенмаш», 1973, вып.15, с. 3 – 14.

3. Бродянский В.М., Меерзон Ф.И. Производство кислорода. – М.: Металлургия, 1970. – 384 с.

4. Головко Г.А. Установки для производства инертных газов. – Л.: Машиностроение, 1974. – 384 с.

5. Густов В.Ф. Исследование реверсивных пластинчато – ребристых теплообменников ВРУ. – В кН.: Вопросы современной криогеники. – М.: Внештргиздат, 1975, сю 128 - 148