LNG技術(shù) 第四章 LNG低溫絕熱技術(shù).ppt

1、LNG技術(shù),第四章 LNG低溫絕熱技術(shù),2020/7/12,2,4.1 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(duì)于氣體液化及分離裝置來(lái)說(shuō)，可使運(yùn)轉(zhuǎn)經(jīng)濟(jì)性提高；對(duì)于低溫液體儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備來(lái)說(shuō)，可以減小氣化損失，或?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存及遠(yuǎn)距離運(yùn)送創(chuàng)造條件。特別是對(duì)于LNG液化裝置及LNG儲(chǔ)存容器，如果沒(méi)有良好的絕熱，液化和儲(chǔ)存都難以實(shí)現(xiàn)。因此，低溫絕熱不僅具有經(jīng)濟(jì)意義，而且具有技術(shù)意義。除此之外，對(duì)設(shè)備、管道進(jìn)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(shí)有冷的感覺(jué)甚至凍傷。這對(duì)改善工作條件及防止意外事故的發(fā)生都是有必要的。,2020/7/12,3

2、,4.1.1 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(jiǎn)單、造價(jià)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(chǔ)槽多采用這種絕熱方法。,2020/7/12,4,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 。,2020

3、/7/12,5,1）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(jiàn)的杜瓦瓶即采用這種絕熱方式。在真空夾層中，只有兩個(gè)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(jiǎn)單，重量輕，熱容量小，故自上世紀(jì)初以來(lái)它一直應(yīng)用很普遍。,2020/7/12,6,2）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

4、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(duì)真空的要求可以降低，一般達(dá)1Pa左右（102mmHg）即可。如果向粉末或纖維材料中加入一定比例的反射性強(qiáng)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(yùn)輸設(shè)備和管道。,2020/7/12,7,3）真空多層絕熱 它是在真空夾層中裝入許多輻射屏，用來(lái)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

5、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（104mmHg）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(jí)絕熱”，多用于液氫及液氦儲(chǔ)運(yùn)容器，現(xiàn)也用于小型液氧、液氮容器。真空多層絕熱的缺點(diǎn)是施工比較麻煩，造價(jià)比較高，且絕熱性能隨施工質(zhì)量而變。,2020/7/12,8,4.1.2 絕熱性能的評(píng)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(duì)流及輻射換熱在內(nèi)）來(lái)評(píng)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

6、性能最差。,2020/7/12,9,4.2 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(lái)增強(qiáng)絕熱結(jié)構(gòu)的絕熱性能，以減小通過(guò)絕熱結(jié)構(gòu)的傳熱量。對(duì)絕熱材料性質(zhì)的了解是設(shè)計(jì)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(jī)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(jìn)行的傳熱過(guò)程的機(jī)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。,2020/7/12,10,1）泡沫塑料 以聚合物或合成

7、樹(shù)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(diǎn)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(kāi)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(shí)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(wú)味不霉、密度及導(dǎo)熱系數(shù)都較小，價(jià)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(yùn)輸式設(shè)備。,2020/7/12,11,3）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(shí)，由于急劇冷卻，水

8、分來(lái)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7001000C，結(jié)晶水急速汽化，巖石體積可增大420倍，便得到色白質(zhì)輕的珠光砂，其尺寸大部分在0.30.6mm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(wú)毒無(wú)味、不會(huì)腐蝕；它的流動(dòng)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(lái)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(diǎn)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(shí)，在檢修施工前應(yīng)予置換，以確保施工安全。,2020/7/12,12,4）碳酸鎂 粉末狀碳酸鎂的絕

9、熱性能良好，價(jià)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(dòng)性好，稍具有彈性，第一次裝填之后不會(huì)因震動(dòng)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。,2020/7/12,13,4.2.2 絕熱材料的熱物理性質(zhì)

10、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(shí)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(shí)的線膨脹系數(shù)可用來(lái)估計(jì)絕熱結(jié)構(gòu)在降溫（或升溫）時(shí)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(shí)收縮或破裂的可能性就越小。,2020/7/12,14,4.2.3 絕熱材料的選擇 在選擇絕熱材料時(shí)，有如下幾方面的要求： 導(dǎo)熱系數(shù)小、密度小； 吸濕性?。?抗凍性強(qiáng)；

11、耐火性強(qiáng)； 無(wú)氣味，不易霉?fàn)€，對(duì)人體無(wú)害，并能避免蟲(chóng)蛀鼠咬； 機(jī)械強(qiáng)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(jià)格低廉，易于獲得和便于運(yùn)輸。,2020/7/12,15,在一個(gè)具體的設(shè)計(jì)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(diǎn)或幾點(diǎn)出發(fā)，來(lái)選擇最有利的絕熱材料。 對(duì)于大型裝置，絕熱材料用量大，就須著重考慮價(jià)格和貨源；對(duì)于小型裝置材料價(jià)格就不是主要問(wèn)題，而應(yīng)著重考慮輕便耐用。 對(duì)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(duì)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。,2020/7/12,16,

12、對(duì)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?。?，希望其容積比熱?。疵芏扰c比熱的乘積c?。?，這樣過(guò)渡過(guò)程的能耗就少。 對(duì)于運(yùn)輸式裝置和運(yùn)輸式低溫容器，特別是對(duì)于空間飛行器，希望密度與導(dǎo)熱系數(shù)的乘積小，這樣運(yùn)輸重量或火箭的發(fā)射重量就小。,2020/7/12,17,4. 3 熱橋 外界進(jìn)入低溫部份的熱流，除通過(guò)絕熱體傳導(dǎo)外，還有一部分是通過(guò)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(guò)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(guò)熱橋傳導(dǎo)的熱流可高達(dá)總熱流的3050%，甚至更大。因此，在低溫絕熱中，除設(shè)法減小通過(guò)絕熱體的熱流外，同時(shí)還需設(shè)法減小通過(guò)熱橋傳導(dǎo)的熱流。,2020/7/12,18,減少熱橋?qū)岬拇胧?選用導(dǎo)熱系數(shù)小和強(qiáng)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20300K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(dòng)。因此，多用于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的裝置或小容量容器。對(duì)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)較