LNG槽車儲(chǔ)罐絕熱結(jié)構(gòu)及施工方法設(shè)計(jì)

1、 中國(guó)石油大學(xué)（北京）本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第IV頁(yè)LNG槽車儲(chǔ)罐絕熱結(jié)構(gòu)及施工方法設(shè)計(jì)摘要隨著液化天然氣（LNG）技術(shù)的迅速發(fā)展，LNG槽車得到廣泛的應(yīng)用。本文對(duì)有效容積為40m3的槽車儲(chǔ)罐絕熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在詳細(xì)分析LNG槽車儲(chǔ)罐絕熱方式的基礎(chǔ)上，提出槽車儲(chǔ)罐適宜的絕熱方式，并進(jìn)行了絕熱傳熱計(jì)算。針對(duì)高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一套纏繞施工方案，最后，對(duì)施工方法進(jìn)行了詳細(xì)的說明。關(guān)鍵詞：液化天然氣；槽車儲(chǔ)罐；絕熱；施工Design of Thermal Insulation and Wrapping Process of Tank for LNG Road TankerAbstractAs the

2、 rapid development of LNG, LNG tankers were widely applied. The insulation structure of the tank volume 40m3 for LNG road tanker was designed. Base on the analysis of some kinds of thermal insulation, high vacuum multilayers thermal insulation was selected and calculated. Then, a set of technology s

3、cheme to wrap the insulation layers was presented. The sketch of the technology scheme was drawn and the operation was introduced in this paper. Key words: LNG; Tanker; Thermal Insulation; Wrap目錄第1章 緒論11.1概論11.1.1天然氣11.1.2液化天然氣11.2低溫容器31.3 LNG車運(yùn)發(fā)展趨勢(shì)41.4 本論文主要研究?jī)?nèi)容4第2章 LNG槽車儲(chǔ)罐的絕熱方式62.1 低溫絕熱的類型62.2 高真空

4、多層絕熱優(yōu)勢(shì)7第3章 高真空多層絕熱傳熱機(jī)理及影響因素83.1 高真空多層絕熱傳熱機(jī)理83.1.1 高真空多層絕熱中的輻射傳熱83.1.2 高真空多層絕熱中的固體導(dǎo)熱93.1.3 高真空多層絕熱中的殘余氣體導(dǎo)熱103.2 高真空多層絕熱的影響因素123.2.1 不同絕熱材料對(duì)絕熱效果影響123.2.2 通過提高層間真空度改善絕熱效果133.2.3 多層反射屏的層數(shù)及密度對(duì)絕熱效果影響163.2.4 層間壓緊力對(duì)絕熱效果的影響16第4章 高真空多層絕熱傳熱計(jì)算174.1 40m3槽車儲(chǔ)罐計(jì)算參數(shù)174.2 支撐構(gòu)件漏熱量的計(jì)算174.2 絕熱體漏熱量的計(jì)算194.3 絕熱層厚度的計(jì)算19第5章

5、多層絕熱結(jié)構(gòu)施工方法215.1施工工藝設(shè)備初步設(shè)計(jì)215.1.1 主要設(shè)備215.1.2 附件215.2施工前的準(zhǔn)備工作215.2.1衛(wèi)生要求初步設(shè)計(jì)215.2.2絕熱材料的選擇225.2.3鋁箔的處理225.2.4玻璃絲布的處理225.2.5分子篩的選擇及處理225.3 多層絕熱纏繞施工方案235.3.1固定罐體235.3.2纏繞過程235.4 層密度的控制235.5 纏繞過程中的注意事項(xiàng)24第6章 結(jié)論25致謝26參考文獻(xiàn)27附文（外文翻譯原文及中文譯文）第1章 緒論 第4頁(yè)第1章 緒論1.1概論目前，國(guó)內(nèi)外天然氣的需求空前增長(zhǎng)，但國(guó)內(nèi)外天然氣資源與用戶分布極不均衡。世界上已探明的天然氣儲(chǔ)

6、量大多位于俄羅斯境內(nèi)的西伯利亞西部與波斯灣，中國(guó)天然氣資源則多分布在中西部地區(qū)，很多天然氣用戶市場(chǎng)卻嚴(yán)重缺乏資源供應(yīng)，要合理利用天然氣資源，首先必須根本解決利用與運(yùn)輸之間的矛盾。1.1.1天然氣天然氣與煤炭，石油并稱目前世界一次能源的三大支柱。天然氣的蘊(yùn)藏量和開采量都很大，天然氣的基本成分是甲烷。天然氣除了是一種廉價(jià)的化工原料之外，還是一種清潔能源，主要作為燃料使用。由于天然氣的熱值高，燃燒產(chǎn)物對(duì)環(huán)境污染少，是一種公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)清潔燃料。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石油危機(jī)的沖擊和煤、石油所帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，使能源結(jié)構(gòu)逐步發(fā)生變化，天然氣的消費(fèi)量急劇增長(zhǎng)。天然氣用于聯(lián)合發(fā)電、供冷和供熱、燃料電池

7、等方面都具有十分誘人的前途，發(fā)達(dá)國(guó)家都在競(jìng)相進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。 我國(guó)的天然氣資源比較豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，資源量約為3.8×1013m3。近年來，我國(guó)在勘探、開發(fā)和利用方面均有較大的進(jìn)展。1.1.2液化天然氣 1 液化天然氣（liquefied natural gas，簡(jiǎn)稱LNG），是指天然氣原料經(jīng)過預(yù)處理，脫除其中的雜質(zhì)后，再通過低溫冷凍工藝在-162下形成的低溫液體混合物。不同LNG工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品組成不同，這主要取決于生產(chǎn)工藝和氣源氣組成。按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1160的規(guī)定，LNG的甲烷含量應(yīng)高于75%，氮含量應(yīng)低于5%。一般商業(yè)LNG產(chǎn)品的組成如表1-1所示。由表1-1可見，LNG的主要

8、成分為甲烷，其中還有少量的乙烷、丙烷、丁烷及N2等惰性組分。表1-1 商業(yè)LNG的基本組成組分/%組分/%甲烷9298丁烷04乙烷16其他烴類化合物01丙烷14惰性成分03LNG的性質(zhì)隨組分的變化而略有不同，一般商業(yè)LNG的基本性質(zhì)為：在-162與0.1MPa下，LNG為無色無味的液體，其密度約為430kg/m3，燃點(diǎn)為650，熱值一般為37.62MJ/m3,在-162時(shí)的汽化潛熱約為510kJ/kg，爆炸極限為5%15%，壓縮系數(shù)為0.7400.820。LNG的主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在以下方面。（1） 安全可靠 LNG的燃點(diǎn)比汽油高230，比柴油更高；LNG爆炸極限比汽油高2.54.7倍；LNG的相對(duì)

9、密度為0.47左右，汽油為0.7左右，它比空氣輕，即使稍有泄露，也將迅速揮發(fā)擴(kuò)散，不至于自然爆炸或形成遇火爆炸的極限濃度。因此，LNG是一種安全的能源。（2） 清潔環(huán)保 天然氣在液化前必須經(jīng)過嚴(yán)格的預(yù)凈化，因而LNG中的雜質(zhì)含量較低。根據(jù)取樣分析對(duì)比，LNG作為汽車燃料，比汽油、柴油的綜合排放量降低約85%左右，其中CO排放減少97%、NOx減少30%40%、CO2減少90%、微粒排放減少40%、噪聲減少40%，而且無鉛、苯等致癌物質(zhì)，基本不含硫化物，環(huán)保性能非常優(yōu)越。因此，LNG是一種潔凈的能源。（3） 便于輸送和儲(chǔ)存 通常的液化天然氣多儲(chǔ)存在溫度為112K、壓力為0.1MPa左右的低溫儲(chǔ)罐

10、內(nèi)，其密度為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷的600多倍，體積能量密度為汽油的72%，十分有利于輸送和儲(chǔ)存。（4） 可作優(yōu)質(zhì)的車用燃料 天然氣的辛烷值高, 抗爆性好, 燃燒完全, 污染小, 與壓縮天然氣相比, LNG 儲(chǔ)存效率高, 自重輕且建站不受供氣管網(wǎng)的限制。（5） 便于供氣負(fù)荷的調(diào)節(jié) 對(duì)于定期或不定期的供氣不平衡, LNG 儲(chǔ)罐能很好地起到削峰填谷的調(diào)節(jié)作用。1.2低溫容器低溫技術(shù)是19世紀(jì)末在液態(tài)空氣工業(yè)上發(fā)展起來的，隨著科學(xué)的進(jìn)步，在近30年中得到了廣泛的應(yīng)用。低溫容器是低溫工業(yè)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，其特點(diǎn)是很容易產(chǎn)生低溫脆性破壞。低溫脆斷是在沒有預(yù)兆的情況下突然發(fā)生的，危害性很大，因此在選材、試驗(yàn)方法和

11、制造等方面均要采取措施，防止低溫脆斷事故的發(fā)生。對(duì)于深低溫下運(yùn)行的容器，還必須有良好的低溫絕熱結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)。壓力容器的低溫界限，目前世界各個(gè)國(guó)家壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)低溫壓力容器劃分的溫度界限各不相同。溫度界線是各個(gè)國(guó)家根據(jù)本國(guó)在壓力容器方面的經(jīng)驗(yàn)，人為劃分開的。具體劃分見下表：表1-2各國(guó)規(guī)范的低溫界線國(guó)家美國(guó)德國(guó)日本英國(guó)中國(guó)規(guī)范名稱ASME1AD規(guī)范JIS B8207BS5500GB 150低溫界限<-30<-10<-10<0-101.3 LNG車運(yùn)發(fā)展趨勢(shì)LNG的主要成分是甲烷,甲烷的正常沸點(diǎn)為-162 ,故儲(chǔ)運(yùn)LNG均應(yīng)采用低溫絕熱結(jié)構(gòu),屬于低溫液體儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備。

12、液化天然氣輸運(yùn)容器根據(jù)用途不同可分為三類：LNG罐式集裝箱；LNG罐車, 包括掛車和半掛車；LNG車載儲(chǔ)氣瓶。三種LNG輸運(yùn)容器的性能比較見下表。我國(guó)的LNG運(yùn)輸工具目前主要采用LNG罐車，容積為25 m345m3，車型均為半掛式運(yùn)輸罐車。2表1-3LNG輸運(yùn)容器產(chǎn)品種類與特點(diǎn)LNG罐式集裝箱LNG罐車LNG車載儲(chǔ)氣瓶用途船只、鐵路、公路運(yùn)轉(zhuǎn)LNG，也可兼做小型固定儲(chǔ)罐用公路轉(zhuǎn)運(yùn)LNGLNG汽車用燃料箱規(guī)格或容積范圍20、40、43英尺三種30120m30.6m3以下主導(dǎo)的絕熱方式高真空多層絕熱為主真空纖維絕熱高真空多層絕熱高真空多層絕熱工作壓力國(guó)際市場(chǎng)價(jià)格1525萬美元1530萬美元5000

13、美元左右隨著許多國(guó)家加速天然氣汽車工業(yè)發(fā)展計(jì)劃的實(shí)施，未來LNG汽車的數(shù)量將會(huì)大幅度增長(zhǎng)，LNG燃料加注站等基礎(chǔ)設(shè)施的大力發(fā)展為重型車輛使用LNG燃料創(chuàng)造了條件。由于汽車的耗油量并不隨載重量的增加而成比例地增加，汽車列車的耗油量與同功率的單車相比增加不多，因此單掛車LNG罐車的噸公里成本遠(yuǎn)小于單車，LNG罐車向大型化、列車化發(fā)展是必然趨勢(shì)。1.4 本論文主要研究?jī)?nèi)容根據(jù)LNG槽車儲(chǔ)罐的初始設(shè)計(jì)條件，分析粉末絕熱、纖維絕熱、真空多層絕熱等常用的隔熱結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上提出LNG槽車儲(chǔ)罐適宜的絕熱形式。然后根據(jù)擬定的儲(chǔ)罐的絕熱結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并計(jì)算絕熱層厚度。設(shè)計(jì)一套高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)纏繞施工方案，

14、并對(duì)施工工藝設(shè)備進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。 第2章 LNG槽車儲(chǔ)罐的絕熱形式 第7頁(yè)第2章 LNG槽車儲(chǔ)罐的絕熱方式2.1低溫絕熱的類型低溫絕熱的目的是采用各種不同的絕熱類型與結(jié)構(gòu), 將通過對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射等途徑傳遞給低溫體系的熱量減少到盡可能低的程度, 以維持低溫系統(tǒng)正常工作。目前, 常用的低溫絕熱有如下類型: 堆積絕熱、高真空絕熱、真空粉末(纖維) 絕熱、高真空多層絕熱(含多屏絕熱) , 它們的原理、性能見表2-1。 表2-1各種低溫絕熱類型的原理、性能3序號(hào)類型原理性能 W/ (m·K)1堆積絕熱利用熱導(dǎo)率小的材料包覆在被絕熱體的表面上達(dá)到絕熱目的。纖維類0.0350.05 粉末類0.01

15、850.064泡沫類0.0280.0642高真空絕熱絕熱空間抽成高真空后消除氣體對(duì)流傳熱和大幅度減少氣體導(dǎo)熱。殘余氣體導(dǎo)熱量約為0.10.2W/m2（300K77K）3真空粉末（纖維）絕熱利用熱導(dǎo)率很低的粉末或纖維充填在不高的真空下，即可消除氣體對(duì)流傳熱。10-310-24高真空多層絕熱利用在真空下氣體傳熱甚低的情況下，采用多層反射屏減少輻射傳熱，達(dá)到高效絕熱的目的。10-510-6堆積絕熱：也就是非真空絕熱，即在需要絕熱的表面上裝填或包覆一定厚度的絕熱材料以達(dá)到絕熱的目的，常用于管道及大型貯罐，常用的絕熱材料有珠光砂、玻璃棉、泡沫玻璃及泡沫塑料等。堆積絕熱的絕熱效果較差。高真空絕熱：即單純真

16、空絕熱，一般要求在絕熱空間保持1.33Pa 以下壓強(qiáng)的真空度，這樣就可以消除氣體對(duì)流傳熱和絕大部分的殘余氣體導(dǎo)熱，以達(dá)到良好的絕熱效果。由于高真空絕熱空間高真空度的獲得與保持比較困難，一般在大型裝置中很少應(yīng)用。真空粉末（纖維）絕熱：真空粉末絕熱和真空纖維絕熱均屬于真空多孔絕熱，是在絕熱空間充填多孔性絕熱材料(粉末或纖維) ，再將絕熱空間抽至一定真空度的絕熱型式。只要在不高的真空度下，就可以消除粉末絕熱介質(zhì)間的氣體對(duì)流換熱，從而大大減少高真空度獲得與保持的困難。由于此類絕熱的熱導(dǎo)率只有堆積絕熱的幾十分之一，且真空度要求不高，夾層壓力為110 Pa 左右,故在低溫技術(shù)中得到大量應(yīng)用。絕熱材料多用珠

17、光砂、玻璃棉、氣凝膠等。高真空多層絕熱：又稱多層絕熱，它是一種在絕熱空間中安置許多層平行于冷壁的輻射屏以大幅度減少輻射熱而達(dá)到高效絕熱的結(jié)構(gòu)，為目前絕熱效果最好的一種絕熱形式，其在低溫技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用。其中的反射屏材料為金屬箔(如鋁箔、銅箔、金箔等) ，間隔材料多為無堿玻璃布、纖維紙、填碳紙等。對(duì)于多層絕熱的組合，目前使用最多的是鋁箔與纖維紙的組合。2.2 高真空多層絕熱優(yōu)勢(shì)國(guó)內(nèi)在低溫液體槽車的研制上起步較晚，目前國(guó)內(nèi)多數(shù)廠家的低溫液體槽車采用的是真空粉末絕熱或真空纖維絕熱，也有部分廠家采用高真空多層絕熱。而在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)普遍使用高真空多層絕熱槽車。真空粉末絕熱在絕熱空間充填多孔性絕熱材

18、料，對(duì)真空度的要求不高。與之相比，高真空多層絕熱由多層反射材料和間隔物交替纏繞而成，夾層抽成高真空，反射材料通常采用鋁箔或鍍鋁滌綸薄膜，間隔物一般采用玻璃纖維紙、植物纖維紙或尼龍網(wǎng)。由于高真空多層絕熱能有效地抑制熱輻射的作用，因此具有優(yōu)良的絕熱性能。表2-2 簡(jiǎn)單列出了在相同的邊界溫度條件下(80K、300K) 兩種絕熱型式的主要技術(shù)參數(shù)4?？梢钥闯?，高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)的絕熱性能要明顯優(yōu)于真空粉末絕熱。表2-2 真空粉末絕熱與高真空多層絕熱主要技術(shù)參數(shù)的比較絕熱形式絕熱材料表觀熱導(dǎo)率（m W/ m·K）夾層真空度/Pa真空粉末絕熱珍珠巖粉末，128kg/m3(190K)1.510-1

19、高真空多層絕熱MLI，鍍鋁薄膜，50層0.065×10-3與真空粉末絕熱相比，高真空多層絕熱主要具有以下優(yōu)勢(shì)：（1）夾層厚度小 高真空多層絕熱的夾層厚度較小，當(dāng)外形尺寸相同時(shí)，則有更大的裝載容積；以20英寸ISO罐式集裝箱為例，若用真空粉末絕熱，則夾層厚度為200mm，有效容積僅為13m3，而采用高真空多層絕熱時(shí)，夾層厚度僅為80mm，罐箱的有效容積可達(dá)到18m3，相差27%以上。（2）質(zhì)量輕 采用高真空多層絕熱方式可使輸運(yùn)容器的空載質(zhì)量大大減輕、運(yùn)輸效率提高、儲(chǔ)能密度增大、LNG運(yùn)輸成本降低。對(duì)于有效容積20m3左右的輸運(yùn)容器，采用高真空多層絕熱可使空載質(zhì)量減少1500kg以上。（

20、3）防震性能好 采用高真空多層絕熱方式可避免因容器運(yùn)輸過程中震動(dòng)而引起絕熱材料沉降，確保絕熱效果。當(dāng)然，用真空纖維絕熱（超細(xì)玻璃棉包扎）也可避免這一問題。（4）制作工藝與成本相當(dāng) 目前，高真空多層絕熱低溫容器的制作工藝與制作安裝、制作成本與制造周期與真空粉末絕熱低溫容器已趨于一致。綜合以上考慮，本文所設(shè)計(jì)的槽車儲(chǔ)罐采取高真空多層絕熱的形式。 第5章 多層絕熱結(jié)構(gòu)施工方法 第24頁(yè)第3章 高真空多層絕熱傳熱機(jī)理及影響因素3.1高真空多層絕熱傳熱機(jī)理高真空多層絕熱中存在三種傳熱形式：輻射傳熱、層與層之間的固體導(dǎo)熱、層間剩余氣體導(dǎo)熱。3.1.1高真空多層絕熱中的輻射傳熱多層絕熱系統(tǒng)輻射屏采用鋁箔或鍍

21、鋁的聚酯薄膜，間隔物采用非金屬材料，影響輻射傳熱的主要因素有材料的發(fā)射率、吸收系數(shù)、散射系數(shù)和厚度等。金屬表面的輻射性能具有明顯的尺寸效應(yīng)，這是因?yàn)閮蓚€(gè)因素的影響。其一是金屬薄膜的厚度與電子平均自由程的比值。隨著溫度的降低，金屬電子的平均自由程增大，當(dāng)大于金屬薄膜的厚度時(shí)，就會(huì)發(fā)生輻射波的穿透，導(dǎo)致發(fā)射率增大；其二是低溫下金屬表面的反常集膚效應(yīng)。間隔物的作用在于它的隔熱作用和對(duì)輻射波的吸收和散射。通過固體傳導(dǎo)的熱阻可以認(rèn)為是間隔層到發(fā)射屏界面上的熱阻和間隔層本身的熱阻之和。其中間隔物和反射屏之間的熱阻起主導(dǎo)作用。因此，應(yīng)減少間隔物與反射屏的接觸面積，而不是增大間隔物的厚度。另外間隔物也可以衰減

22、輻射熱流。多層絕熱的輻射傳熱比熱流由下式表示： （1-1）式中：輻射屏兩面的發(fā)射率； 間隔物厚度；黑體輻射系數(shù)，為；吸收系數(shù)；散射系數(shù)；輻射屏溫度。如果多層絕熱中沒有間隔材料或者將輻射屏傳導(dǎo)和間隔物對(duì)輻射的衰減略去不計(jì)，并令，則（1-1）變?yōu)槭街校憾鄬咏^熱的層密度； 輻射層數(shù)； 多層的厚度。由上式可知，輻射傳熱反比于層密度。多層絕熱的比熱流在某種程度上可以通過增大層密度來減少，但是應(yīng)注意層密度過大會(huì)增大間隔物的導(dǎo)熱。3.1.2高真空多層絕熱中的固體導(dǎo)熱常用的多層材料通常是由高反射率、低發(fā)射率的發(fā)射層和熱導(dǎo)率小的間隔物組成。因此，在多層絕熱中，通過固體傳熱的熱阻可以認(rèn)為是間隔層與發(fā)射層之間的接觸

23、熱阻以及間隔層本身的熱阻之和。所以，為了減少固體導(dǎo)熱，首先應(yīng)使間隔物與反射屏的接觸面積盡可能的小，其次，是用熱導(dǎo)率較小的材料來當(dāng)作間隔物。為了減少間隔物與屏的接觸面積，人們想了很多方法，如將多層材料做成褶皺，或在絕熱材料表面顆?；?，這樣就可以把層與層之間直接的面接觸變?yōu)榫€接觸或點(diǎn)接觸，以增大接觸熱阻。同時(shí)包纏時(shí)要保證合適的松緊度以及合適的層密度，這些因素都會(huì)對(duì)固體導(dǎo)熱有很大影響。選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的材料作為間隔物也很重要。目前主要的間隔物有玻璃纖維、二氧化碳纖維、碳纖維、滌綸薄膜、尼龍網(wǎng)等。這些材料常和反射材料一起構(gòu)成多層絕熱結(jié)構(gòu)。層密度對(duì)固體導(dǎo)熱有很大的影響。當(dāng)每一單位厚度絕熱材料中的層數(shù)增加時(shí)

24、，輻射傳熱將減少，輻射傳熱的當(dāng)量熱導(dǎo)率隨層密度的增大而降低。但是，固體導(dǎo)熱將增加，固體導(dǎo)熱的當(dāng)量熱導(dǎo)率隨層密度的增加而升高。因此在某一層密度（即最佳層密度）時(shí)，總的當(dāng)量熱導(dǎo)率達(dá)到最小值。有人對(duì)鋁箔與玻璃纖維紙的多層絕熱的熱導(dǎo)率與層密度的關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明最佳層密度約為2040層/cm5。由于影響高真空多層絕熱中固體導(dǎo)熱的因素很多，而且很多因素都是難用儀器測(cè)出的。所以除了一些表觀性公式或一些半經(jīng)驗(yàn)公式之外，目前無一個(gè)普遍適用于各種絕熱結(jié)構(gòu)的公式來計(jì)算固體導(dǎo)熱。但是，目前有大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及經(jīng)驗(yàn)表明，通過固體導(dǎo)熱的傳熱量大約占整個(gè)絕熱結(jié)構(gòu)傳熱量的5%3左右。3.1.3 高真空多層絕熱中的殘余氣

25、體導(dǎo)熱殘余氣體導(dǎo)熱對(duì)多層絕熱性能的影響可以從兩個(gè)方面來考慮，其一是表觀真空度，即真空腔中的真空測(cè)量值對(duì)絕熱性能的影響；其二是多層結(jié)構(gòu)的層間氣體壓力對(duì)氣體導(dǎo)熱的影響。在60年代中期以前，人們以為絕熱容器抽真空時(shí)，多層的層間壓力和和真空腔中的壓力是相等的，所以在高真空（10-2帕以下）時(shí)氣體傳熱可忽略不計(jì)，只考慮固體導(dǎo)熱和輻射傳熱。但是后來一些研究表明，多層絕熱中層間氣體壓力并不等于真空腔中的氣體壓力。如前所述，有人做了多層絕熱傳熱的傳熱量與層數(shù)之間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，多層絕熱的輻射屏數(shù)不是越多越好，而是有一最佳層數(shù)。當(dāng)層密度相同時(shí)，熱流并不隨層數(shù)的增多而單調(diào)下降，而是某一層數(shù)達(dá)到最低。然后，隨

26、著層數(shù)的繼續(xù)增加，熱流反而增大了。這個(gè)結(jié)構(gòu)顯然是與建立在輻射傳熱占主要優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上的真空多層絕熱的基本理論相違背。而且通過前面的分析，在層密度一定的情況下，層數(shù)的增加不可能使輻射熱流和固體導(dǎo)熱熱流增加。所以，只可能是多層中殘余氣體壓力的增大導(dǎo)致了當(dāng)量熱導(dǎo)率的增加，從而使總熱流增多。這是由于多層絕熱層間存在著很大的抽氣阻力以及材料的不斷放氣，造成了絕熱層內(nèi)外的壓力不同。層數(shù)越多，層密度越大，抽氣阻力就越大；表面積越大，則放氣量也就越大。因此在多層中便造成了中間層壓力最大的壓力分布。通常情況下，層間殘余氣體的運(yùn)動(dòng)的平均自由程要比層間隙大得多。根據(jù)文獻(xiàn)，空氣分子在不同溫度和壓力下的分子自由程如表3-1

27、所式。表 3-1空氣分子在不同溫度和壓力下的分子自由程平均自由程（cm）溫度（K）77K300K壓力（Pa）10-2/3.510-10.653.81/0.35由表可知，空氣的分子自由程至少為幾個(gè)毫米，有的甚至達(dá)到幾百毫米。然而層與層之間的間隙一般小于0.5mm。所以可以認(rèn)為分子平均自由程遠(yuǎn)大于層間距。因此，殘余氣體是靠其分子與壁面碰撞而傳熱的。分子間的相互碰撞對(duì)傳熱所引起的作用可忽略不計(jì)。3.2高真空多層絕熱的影響因素多層絕熱材料由兩類物質(zhì)組成： 反射率高、有效輻射率小的屏材料，如鋁箔、金箔或噴鋁聚酯薄膜等； 由熱導(dǎo)率低和低放氣率的材料組成的間隔物材料，如玻璃纖維布、纖維紙、尼龍網(wǎng)、絲網(wǎng)等。6

28、 3.2.1不同絕熱材料對(duì)絕熱效果的影響不同多層絕熱結(jié)構(gòu)及其當(dāng)量熱導(dǎo)率如表3-2所示7。表3-2不同多層絕熱結(jié)構(gòu)及其當(dāng)量熱導(dǎo)率材料層數(shù)厚度/mm冷面溫度/熱面溫度/當(dāng)量熱導(dǎo)率/（4.2kJ/m·h·K）雙面鍍鋁滌綸膜+KT-231尼龍網(wǎng)299.4-87.332.25.39×10-4雙面鍍鋁滌綸膜+敷料紙289.5-77.127.55.02×10-410厚雙面鍍鋁滌綸膜，無間隔342.9-82.127.61.81×10-4GS-80302.7-101.042.17.72×10-4雙面鍍鋁滌綸膜+填炭紙104.52.29×10-

29、4多層鋁膜+絲纖維20-194.625.61.63×10-4多層鋁膜+玻璃纖維20-192.428.84.42×10-4多層鋁膜+手工填炭紙92.81.29×10-410厚單面鍍鋁滌綸膜，無間隔層302.224.3120.92.89×10-4由表3-2可見,反射材料大多采用高反射率的鍍鋁薄膜等，充分利用其高反射率來減少輻射傳熱。選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的材料作為間隔物也很重要，目前主要的間隔物有尼龍網(wǎng)、玻璃纖維、二氧化碳纖維氈、碳纖維、滌綸薄膜、尼龍網(wǎng)等, 這些材料常和反射材料一起構(gòu)成多層絕熱結(jié)構(gòu)。為了進(jìn)一步提高絕熱效果,多層反射材料間還可以加入像填炭紙之類具有吸

30、附性能的材料,使抽空工藝得以簡(jiǎn)化,絕熱效果進(jìn)一步提高。通過以上分析，對(duì)本文設(shè)計(jì)所用到的絕熱材料進(jìn)行選擇。選擇絕熱材料，既要考慮材料的性能是否滿足設(shè)備的運(yùn)行工藝要求, 又要考慮絕熱工程造價(jià)和絕熱施工工藝等諸方面因素。超低溫保冷的選材, 除要了解絕熱材料的耐低溫性能外, 一定要對(duì)材料提出抗水蒸氣滲透性的要求。對(duì)于多層絕熱材料的組合, 目前使用最為理想的是玻璃纖維布或尼龍網(wǎng)布與鋁箔交替重疊纏繞和復(fù)合材料自身纏繞。玻璃纖維在低溫下的隔熱性能比較好, 能有效降低絕熱層導(dǎo)熱系數(shù), 增大絕熱層內(nèi)各鋁屏間邊界層的熱阻, 并有效抗對(duì)流給熱。所以，本文設(shè)計(jì)的絕熱結(jié)構(gòu)采用的絕熱材料為0.02mm厚鋁箔+0.015m

31、m厚玻璃布。3.2.2通過提高層間真空度改善絕熱效果多層絕熱中,層間氣體導(dǎo)熱占了傳熱量的主要部分,因此,要提高絕熱效果,必須減少層間氣體導(dǎo)熱量。主要途徑是通過提高真空度來實(shí)現(xiàn)的。但多層絕熱中,腔內(nèi)真空度并不等于層間真空度, 由于多層絕熱層間存在著很大的抽氣阻力以及材料的不斷放氣，造成了絕熱層內(nèi)外的壓力不同，多層間的真空度遠(yuǎn)比腔內(nèi)真空度低8。因此,提高層間真空度才是解決殘余氣體導(dǎo)熱的根本途徑。為了改善絕熱效果，提高層間真空度，可以采取很多方法：1、預(yù)先在多層輻射屏上開孔或材料印花或褶皺化，以增大抽真空的流導(dǎo)，改善透氣性，減少抽氣阻力；2、為了使氣體分子易于在層間間隙中流動(dòng)，多層纏繞不能太緊，應(yīng)采

32、用較薄的隔墊材料和松軟的多層纏繞結(jié)構(gòu)；3、對(duì)絕熱材料進(jìn)行烘烤，以促使材料所吸附的氣體脫附出來，這樣可以減少在抽真空時(shí)材料放到層間的氣體量 9；4、在絕熱層內(nèi)用吸氣劑吸附材料表面放出的氣體，維持內(nèi)部壓強(qiáng)小于10-2Pa。這一點(diǎn)可通過在層間放置吸氣材料來完成，如填炭碳紙，這樣填炭紙中的炭纖維可以吸附絕熱材料放出的氣體,從而提高層間真空度，使材料的當(dāng)量熱導(dǎo)率有所下降。表3-3給出了加入填炭紙前后絕熱效果的對(duì)比情況。表3-3 國(guó)外填炭實(shí)驗(yàn)結(jié)果試材層數(shù)厚度/mm真空度/Pa比熱流/當(dāng)量熱導(dǎo)率/8.7鋁箔+機(jī)制填炭紙103.240.001448.7鋁箔+烘烤過的機(jī)制填炭紙102.980.0010708.7

33、鋁箔+機(jī)制填炭紙+吸氣劑103.050.00128鋁箔+烘烤過機(jī)制填炭紙+吸氣劑103.240.00077鋁箔+烘烤過機(jī)制填炭紙+吸氣劑（只用機(jī)械泵抽真空）103.240.00076鋁箔+驗(yàn)貨標(biāo)準(zhǔn)的玻璃纖維紙102.850.00228鋁箔+烘烤過的玻璃纖維紙102.090.00179鋁箔+驗(yàn)貨標(biāo)準(zhǔn)的尼龍網(wǎng)103.110.00131續(xù)表3-3試材層數(shù)厚度/mm真空度/Pa比熱流/當(dāng)量熱導(dǎo)率/12鍍鉛網(wǎng)+機(jī)制填炭紙101.842.160.003120.0021512鍍鋁膜102.670.00305多層鋁膜+手工填炭粉102.800.0015多層鋁膜+烘烤過的手工填分子篩紙1030.0041多層鋁膜

34、+烘烤過的機(jī)制填氧化鋁紙1030.00353.2.3 多層反射屏的層數(shù)及密度對(duì)絕熱效果的影響從理論上講,反射屏層數(shù)越多,包的越密,將使輻射傳熱下降,會(huì)提高絕熱效果。但事實(shí)上不是這樣。由于輻射傳熱不占傳熱的主要部分，層數(shù)及密度增大會(huì)造成抽真空阻力增大,從而造成殘余氣體導(dǎo)熱加劇。層數(shù)越多，層密度越大，抽氣阻力就越大；表面積越大，則放氣量也就越大。因此在多層中便造成了中間層壓力最大的壓力分布。同時(shí)包纏越密,層間接觸面積大,造成固體導(dǎo)熱增加,都不利于絕熱。當(dāng)然層數(shù)太少也達(dá)不到多層絕熱的效果。當(dāng)總層數(shù)在10層左右時(shí),隨層數(shù)的增加,絕熱效果是變好的。一般來說,1030層左右是高真空多層絕熱的最佳層數(shù)10。

35、3.2.4 層間壓緊力對(duì)于絕熱效果的影響層間壓緊力越小越有利于絕熱,但壓緊力過小會(huì)造成多層屏變松脫落,失去絕熱作用。故在實(shí)際纏繞多層屏?xí)r要掌握好力量。優(yōu)良的多層絕熱應(yīng)是相當(dāng)松軟同時(shí)又具有較大的纏繞牢固性,在振動(dòng)沖擊下不會(huì)脫落。第4章 高真空多層絕熱傳熱計(jì)算4.1 40m3槽車儲(chǔ)罐計(jì)算參數(shù)選取鋼板作為儲(chǔ)罐壁的材料，內(nèi)膽選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,外膽選用標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭，本儲(chǔ)罐采取高真空絕熱形式，這種絕熱方式能有效的減少熱量的滲入所以大多被選用。儲(chǔ)罐的總漏熱量主要包括多層絕熱體漏熱、接管漏熱與支承漏熱這3 部分，接管漏熱忽略不計(jì)，僅計(jì)算支撐漏熱和多層絕熱體漏熱。內(nèi)膽內(nèi)徑：D1=2200mm；外膽內(nèi)徑：D2=

36、2400mm；內(nèi)封頭高：L2=550mm；內(nèi)封頭直邊高度：h=25mm；儲(chǔ)罐內(nèi)膽容積：V=40m3；充裝率： ；內(nèi)外膽間的支承結(jié)構(gòu)采用玻璃鋼支承元件，上下各4個(gè)支承機(jī)構(gòu)，下支撐為空心，玻璃鋼圓環(huán)外直徑D3=200mm，內(nèi)直徑D4=100mm；上支撐為實(shí)心，外直徑D5=100mm； 內(nèi)筒筒體長(zhǎng)：L1=10m；筒壁厚：mm。4.2支撐構(gòu)件漏熱量的計(jì)算玻璃鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為：玻璃鋼支撐構(gòu)件熱傳導(dǎo)長(zhǎng)度：上支撐的截面積： 下支撐的截面積： 內(nèi)膽中液化天然氣的溫度：-162外界大氣溫度：20根據(jù)圓筒壁熱傳導(dǎo)方程求單個(gè)上支承漏熱量為： 上支承構(gòu)件的漏熱總量：?jiǎn)蝹€(gè)下支承漏熱量為：下支承構(gòu)件的漏熱總量：支承漏熱總量

37、為：4.3絕熱體漏熱量的計(jì)算此絕熱方式采用0.02mm厚鋁箔+0.015mm厚玻璃布來進(jìn)行組合。由于槽車允許的日蒸發(fā)率為0.2%，所以以此來計(jì)算絕熱體的漏熱量。 (5.9)式中，整體漏熱量，W；LNG的汽化潛熱，；儲(chǔ)罐的容積， ；LNG密度， ，充裝率，。所以， 多層絕熱體的漏熱量：4.4絕熱層厚度的計(jì)算絕熱層厚度計(jì)算公式如下:式中:多層絕熱層厚度m ；多層絕熱體的有效熱導(dǎo)率，； 多層絕熱體的傳熱計(jì)算面積，m2 ；傳熱溫差，K；通過多層絕熱體的漏熱量,W。絕熱體的有效熱導(dǎo)率：傳熱溫差：內(nèi)筒筒體內(nèi)表面面積：查表得橢圓封頭內(nèi)表面面積： 內(nèi)筒內(nèi)表面積為： 所以，所選保溫材料的層密度為層/mm，故，保

38、溫層數(shù)為： = 49.5 = 50層第5章 多層絕熱結(jié)構(gòu)施工方法設(shè)計(jì)5.1施工工藝設(shè)備初步設(shè)計(jì)5.1.1主要設(shè)備纏繞裝置是施工時(shí)的主要設(shè)備（示意圖見CAD圖），由固定裝置，轉(zhuǎn)軸，電動(dòng)機(jī)和皮帶輪組成。其中，固定裝置包括輪子（可多向轉(zhuǎn)動(dòng)并可固定），支架（采用型號(hào)為10/6.3(GB9788-88)角鋼），銷子。轉(zhuǎn)軸分為兩段，全部位于支架上，一段固定在皮帶輪上，可左右移動(dòng)。電動(dòng)機(jī)接皮帶輪。所用絕熱材料為鋁箔加玻璃布，每卷寬900毫米，長(zhǎng)100米。5.1.2附件1剪刀，一把2針，線（玻璃纖維絲）用于分別縫合鋁箔與玻璃布3電吹風(fēng)4卷尺5粘膠帶6記數(shù)器（記錄包扎層數(shù)）5.2施工前的準(zhǔn)備工作5.2.1衛(wèi)生要

39、求初步設(shè)計(jì) 真空絕熱空間的“衛(wèi)生”程度直接影響到絕熱的效果, 因此, 施工中應(yīng)注意如下三個(gè)方面：1.在多層絕熱材料纏繞之前, 對(duì)真空絕熱空間所有部件與真空夾層接觸件均應(yīng)采用四氟化碳進(jìn)行嚴(yán)格的去油污清洗。2.真空腔內(nèi)所有部件均不得用手直接觸摸, 施工時(shí)應(yīng)戴潔凈的白手套才能進(jìn)行裝配。3.纏繞施工時(shí), 環(huán)境應(yīng)保持潔凈,不得在灰塵大的環(huán)境中進(jìn)行。初步設(shè)計(jì)為在一個(gè)相對(duì)封閉車間, 裝上空調(diào)及抽風(fēng)系統(tǒng), 地面為水泥地板再涂一層青漆, 保證環(huán)境潔凈。5.2.2絕熱材料的選擇絕熱材料的選擇, 既要考慮材料的性能是否滿足設(shè)備的運(yùn)行工藝要求, 又要考慮絕熱工程造價(jià)和絕熱施工工藝等諸方面因素。對(duì)于多層絕熱材料的組合,

40、 目前使用最為理想的是玻璃纖維布或尼龍網(wǎng)布與鋁箔交替重疊纏繞和復(fù)合材料自身纏繞。玻璃纖維在低溫下的隔熱性能比較好, 能有效降低絕熱層導(dǎo)熱系數(shù), 增大絕熱層內(nèi)各鋁屏間邊界層的熱阻, 并有效抗對(duì)流給熱。鋁箔能有效抗輻射。故采用的鋁箔加的玻璃絲布（具體分析見3.2.1）。5.2.3鋁箔處理采用的鋁箔應(yīng)為最純的鋁材制成, 表面黑度系數(shù)應(yīng)盡量小, 應(yīng)經(jīng)過表面除油并經(jīng)退火處理, 使之為軟態(tài)下使用。然后在真空罐中保存待用（防止氧化變質(zhì)）。5.2.4玻璃絲布處理超細(xì)無堿玻璃絲布規(guī)格：，在560溫度下脫臘處理, 經(jīng)分析其含臘量應(yīng)小于或等于（重量含量）。使用前將玻璃絲布置烘箱中加熱至, 干燥小時(shí)。以便將潮濕空氣組

41、分盡可能降至最低。5.2.5分子篩的選擇及處理分子篩選用型的分子篩。先將分子篩充入一容積約12升的容器內(nèi)（此容器壁開兩孔接不銹鋼管, 一管用的鋁箔密封）, 然后進(jìn)行抽真空加熱再生處理, 最后充人高純氮?dú)庵脸悍獯? 即成一分子篩吸附器。（纏繞絕熱材料前將此分子篩吸附器焊于罐體內(nèi)容器封頭外壁上）。5.3 多層絕熱結(jié)構(gòu)纏繞施工方案5.3.1固定罐體利用罐體兩側(cè)的固定裝置，用銷子將罐體與轉(zhuǎn)軸連接。由此，罐體被軸向固定在支架上。5.3.2纏繞過程絕熱材料的纏繞一般有兩種方法。其一是“ 螺旋” 式纏繞法, 其二是“ 筒體竹節(jié)” 式纏繞法。在此設(shè)計(jì)中選取“ 螺旋” 式纏繞法。先將玻璃布貼于罐體直筒壁最左端

42、，開啟電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)皮帶輪旋轉(zhuǎn)，皮帶輪帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)罐體旋轉(zhuǎn)，絕熱材料即被纏繞在罐體上。每纏繞4層時(shí), 用針線順筒體縱向縫合4線（4條線沿筒體均勻分布）, 多層絕熱材料應(yīng)比封頭過度區(qū)處長(zhǎng)mm(以備與封頭多層絕熱材料縫合), 以后每隔層縫合一次。封頭處的包扎用多層絕熱材料預(yù)先做好的“ 被子” 直接覆蓋, 每10層左右與筒體多層材料縫合, 搭疊10mm左右, 封頭“ 被子” 插到筒體多層絕熱材料中。5.4 層密度的控制單位厚度內(nèi)多層絕熱輻射層的數(shù)目稱為層密度。在單位厚度絕熱層中, 當(dāng)層數(shù)增加時(shí), 輻射傳熱將減小, 而接觸熱阻減少, 固體導(dǎo)熱將增加, 故存在一個(gè)最佳層密度。我們采用層密度層/mm。（可用針