LNG技術(shù)第四章LNG低溫絕熱技術(shù)

LNG技術(shù)第四章LNG低溫絕熱技術(shù)2025/2/1624.1

絕熱的目的和方法

低溫絕熱的目的主要是為了減少由環(huán)境介質(zhì)傳入的熱量，即減少冷損。這對于氣體液化及分離裝置來說，可使運轉(zhuǎn)經(jīng)濟性提高；對于低溫液體儲運設(shè)備來說，可以減小氣化損失，或為長時間儲存及遠(yuǎn)距離運送創(chuàng)造條件。特別是對于LNG液化裝置及LNG儲存容器，如果沒有良好的絕熱，液化和儲存都難以實現(xiàn)。因此，低溫絕熱不僅具有經(jīng)濟意義，而且具有技術(shù)意義。除此之外，對設(shè)備、管道進行絕熱還可以避免在外表面上結(jié)露、結(jié)霜，也可以避免人的皮膚與之接觸時有冷的感覺甚至凍傷。這對改善工作條件及防止意外事故的發(fā)生都是有必要的。2025/2/1634.1.1絕熱方法的分類

低溫絕熱分為普通絕熱和真空絕熱普通（堆積）絕熱

普通絕熱是一種使用較早的傳統(tǒng)的絕熱方法，它是在設(shè)備、容器，管道的外側(cè)敷設(shè)固體的多孔性絕熱材料，而在絕熱材料的空隙中充滿著大氣壓力下的空氣（或其它氣體）。這種絕熱方法的絕熱性能較差，但其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，故在絕熱要求不高的情況下普遍使用?，F(xiàn)在，天然氣液化裝置、空氣分離裝置及大容量的液氧、液氮及液化天然氣儲槽多采用這種絕熱方法。2025/2/164真空絕熱

真空絕熱是將絕熱結(jié)構(gòu)做成密閉的夾層，內(nèi)部空間抽至一定的真空度，以減少熱量的傳入。真空絕熱有三種基本類型：高真空絕熱、真空多孔絕熱及真空多層絕熱。2025/2/1651）高真空絕熱

亦稱單純真空絕熱，它只是單純地將夾層空間抽至1.33mPa（10-5mmHg）的真空。常見的杜瓦瓶即采用這種絕熱方式。在真空夾層中，只有兩個壁面之間的輻射傳熱及夾層內(nèi)殘余氣體的導(dǎo)熱。如果將夾層內(nèi)表面拋光，或者涂上一層反射性物質(zhì)，就形成反射性能良好的真空夾層，輻射傳熱量即可減小。這種絕熱結(jié)構(gòu)因有輻射熱交換，故絕熱性能不是很好；但它的結(jié)構(gòu)最簡單，重量輕，熱容量小，故自上世紀(jì)初以來它一直應(yīng)用很普遍。2025/2/1662）真空多孔絕熱

它是在夾層中充填多孔性絕熱材料，然后再抽至一定的真空。從工藝的方便性考慮，一般都是充填粉末材料或纖維材料，故這種絕熱方式也稱為真空粉末絕熱或真空纖維絕熱。真空夾層中的絕熱材料削弱了壁面之間的輻射換熱，所以它的絕熱性能比高真空絕熱要好，對真空的要求可以降低，一般達(dá)1Pa左右（10－2mmHg）即可。如果向粉末或纖維材料中加入一定比例的反射性強的金屬粉末，例如鋁粉或銅粉，以減小材料內(nèi)粉?；蚶w維之間的輻射換熱稱為阻光作用，則可使絕熱性能大為提高。真空粉末及真空纖維絕熱現(xiàn)在廣泛用于低溫液體的貯存及運輸設(shè)備和管道。

2025/2/1673）真空多層絕熱

它是在真空夾層中裝入許多輻射屏，用來減少壁面之間的輻射換熱。多層絕熱有兩種基本型式，一種是用金屬箔作輻射屏，屏間填入導(dǎo)熱性能低的間隔材料；一種是用單面噴鋁的滌綸薄膜作輻射屏，且壓制成波紋形成凹凸形，以減少屏間的接觸傳熱。真空多層絕熱要求真空達(dá)15mPa左右（10－4mmHg）即可。真空多層絕熱是當(dāng)前絕熱性能最好的絕熱方式之一，常稱為“超級絕熱”，多用于液氫及液氦儲運容器，現(xiàn)也用于小型液氧、液氮容器。真空多層絕熱的缺點是施工比較麻煩，造價比較高，且絕熱性能隨施工質(zhì)量而變。2025/2/1684.1.2絕熱性能的評定

絕熱結(jié)構(gòu)的絕熱性能可用其有效導(dǎo)熱系數(shù)（或稱表觀導(dǎo)熱系數(shù)，包括對流及輻射換熱在內(nèi)）來評定，它的數(shù)值越小，則絕熱性能越好。在圖4-2中示出各種絕熱方式有效導(dǎo)熱系數(shù)的變化范圍。由圖可以看出，多層絕熱比其它絕熱方式具有高得多的絕熱性能，而非真空絕熱方式的絕熱性能最差。2025/2/1694.2低溫裝置用絕熱材料

在各種絕熱方式中，除高真空絕熱外都要應(yīng)用絕熱材料。絕熱材料是用來增強絕熱結(jié)構(gòu)的絕熱性能，以減小通過絕熱結(jié)構(gòu)的傳熱量。對絕熱材料性質(zhì)的了解是設(shè)計絕熱結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。4.2.1絕熱材料的種類及一般特性絕熱材料的品種較多，它們的性質(zhì)相互差別也較大。絕熱材料按材質(zhì)可分為礦物質(zhì)材料及有機質(zhì)材料兩類。在低溫裝置中多應(yīng)用礦物質(zhì)材料。絕熱材料按其組織結(jié)構(gòu)可分為泡沫狀材料、粉末狀材料及纖維狀材料三類，它們的組織結(jié)構(gòu)不同，在其中所進行的傳熱過程的機理不同，用它們構(gòu)成的絕熱結(jié)構(gòu)的型式也不完全一樣。2025/2/16101）泡沫塑料以聚合物或合成樹脂為原料，加發(fā)泡劑和穩(wěn)定劑經(jīng)加熱發(fā)泡而成。泡沫塑料用作絕熱材料的優(yōu)點是密度和導(dǎo)熱系數(shù)都較小，能適用于低溫，吸水性小，能抗酸堿的侵蝕，燃燒性差（離開火源后能自熄），易于切割和施工，因而它們的應(yīng)用日益廣泛。2）礦棉或稱礦渣棉，是將熔鐵爐渣（也可用泥灰?guī)r）在熔融狀態(tài)時用高壓水蒸汽吹成的礦質(zhì)纖維（纖維中往往含有玻璃狀小球），它耐火耐凍、無味不霉、密度及導(dǎo)熱系數(shù)都較小，價格低廉，故是一種較好的絕熱材料。礦棉常用于空分裝置及運輸式設(shè)備。2025/2/16113）珠光砂珠光砂也稱膨脹珍珠巖。珍珠巖是一種火山噴出的酸性玻璃質(zhì)熔巖，其主要成分為SiO2和AlO2。當(dāng)巖漿流出地表時，由于急劇冷卻，水分來不及完全逸出，因而巖石中便含有一定量的結(jié)晶水。將巖石粉碎成細(xì)粒后，迅速加熱至700~1000

C，結(jié)晶水急速汽化，巖石體積可增大4~20倍，便得到色白質(zhì)輕的珠光砂，其尺寸大部分在0.3~0.6mm之間。珠光砂的密度和導(dǎo)熱系數(shù)都很小，故是一種良好的絕熱材料。珠光砂不燃燒、不霉?fàn)€、無毒無味、不會腐蝕；它的流動性好，可用風(fēng)壓輸送；此外，還具有隔音和防輻射線的性能，加之來源較廣，故應(yīng)用較多。珠光砂主要用于空分裝置及氣體液化裝置中，其缺點是吸水率較高，且有下沉現(xiàn)象。珠光砂還具有吸附氣體的能力，當(dāng)它吸附有可燃?xì)怏w時，在檢修施工前應(yīng)予置換，以確保施工安全。2025/2/16124）碳酸鎂粉末狀碳酸鎂的絕熱性能良好，價格較低，故以往多用于低溫裝置及設(shè)備的真空絕熱。但碳酸鎂在易結(jié)塊（且結(jié)塊后較難再生），又其中常含有一定量的水分，使抽真空較困難，因而逐漸被其他材料代替。5）氣凝膠及硅膠粉氣凝膠也稱硅酸氣凝膠，它是用從硅酸凝膠中除去液體而不明顯壓縮其骨架的方法得到的材料，是目前已知的最有效的絕熱材料。氣凝膠的導(dǎo)熱系數(shù)小，流動性好，稍具有彈性，第一次裝填之后不會因震動而下沉，且在真空絕熱中易于抽空。但氣凝膠很貴，且浸入水中后即形成硅酸凝膠，密度增大將近十倍，不能用再作絕熱材料。硅膠粉是由二氧化硅構(gòu)成的粉末，其密度及導(dǎo)熱系數(shù)均較氣凝膠大。2025/2/16134.2.2絕熱材料的熱物理性質(zhì)1）導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是絕熱材料的最基本的特性。絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)與很多因素有關(guān)，其中影響較大的是溫度、壓力、密度、含濕量及環(huán)境氣體。2）比熱

絕熱材料的比熱是與絕熱結(jié)構(gòu)在降溫（或升溫）時所需的冷量（或熱量）有關(guān)。比熱的數(shù)值越大，則需要的冷量（或熱量）就越多。絕熱材料的比熱隨著溫度的降低而降低。3）線膨脹系數(shù)絕熱材料受熱時的線膨脹系數(shù)可用來估計絕熱結(jié)構(gòu)在降溫（或升溫）時的牢固性及穩(wěn)定性。線膨脹系數(shù)越小，則絕熱結(jié)構(gòu)降溫時收縮或破裂的可能性就越小。2025/2/16144.2.3絕熱材料的選擇在選擇絕熱材料時，有如下幾方面的要求：導(dǎo)熱系數(shù)小、密度??；吸濕性小；抗凍性強；耐火性強；無氣味，不易霉?fàn)€，對人體無害，并能避免蟲蛀鼠咬；機械強度高，經(jīng)久耐用；能保持固定的幾何形狀和尺寸，便于加工和施工；價格低廉，易于獲得和便于運輸。2025/2/1615

在一個具體的設(shè)計中，要全部滿足上述要求是很困難的，這就需要具體地分析具體情況，抓住主要矛盾，從某一點或幾點出發(fā)，來選擇最有利的絕熱材料。對于大型裝置，絕熱材料用量大，就須著重考慮價格和貨源；對于小型裝置材料價格就不是主要問題，而應(yīng)著重考慮輕便耐用。對于低溫裝置、設(shè)備及管道，應(yīng)采用導(dǎo)熱系數(shù)小的絕熱材料，特別是對于直徑小的管道，要防止絕熱結(jié)構(gòu)的外徑接近臨界絕熱直徑，而使冷損增大。2025/2/1616對于溫度需要經(jīng)常改變的設(shè)備，除要求導(dǎo)熱系數(shù)小之外（這樣絕熱結(jié)構(gòu)就較?。Ｍ淙莘e比熱?。疵芏扰c比熱的乘積

c小），這樣過渡過程的能耗就少。對于運輸式裝置和運輸式低溫容器，特別是對于空間飛行器，希望密度與導(dǎo)熱系數(shù)的乘積

小，這樣運輸重量或火箭的發(fā)射重量就小。2025/2/16174.3熱橋

外界進入低溫部份的熱流，除通過絕熱體傳導(dǎo)外，還有一部分是通過絕熱空間的連接件如管道、吊桿、支承等傳導(dǎo)，這些連接件稱為熱橋。通過熱橋傳導(dǎo)的熱流比例，隨絕熱體絕熱效率的提高而增大。在低溫液體容器中，通過熱橋傳導(dǎo)的熱流可高達(dá)總熱流的30~50%，甚至更大。因此，在低溫絕熱中，除設(shè)法減小通過絕熱體的熱流外，同時還需設(shè)法減小通過熱橋傳導(dǎo)的熱流。2025/2/1618減少熱橋?qū)岬拇胧┻x用導(dǎo)熱系數(shù)小和強度高，即具有較大比值的材料制作熱橋（[

]為材料的許用應(yīng)力，

為材料在20~300K下的平均導(dǎo)熱系數(shù)）。非金屬材料的比值較大，但在低溫下脆性也較大，不能承受較大的沖擊和振動。因此，多用于實驗室規(guī)模的裝置或小容量容器。對于大型裝置，或大容量容器，則多用金屬，一般用導(dǎo)熱系數(shù)