ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ ДЛЯ КРИОГЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к криогенной технике и может быть использована при проектировании и изготовлении криогенных трубопроводов, резервуаров, сосудов, аппаратов и установок для транспортировки, хранения или производства жидких и газообразных сред, имеющих сверхнизкую температуру, в частности для оборудования со сжиженным природным газом (СПГ).
Известна теплоизоляция криогенных емкостей (SU 1695028 A1, опубл. 30.11.1991), в которой в качестве теплоизоляции используются два слоя пенопласта, каждый из которых покрыт герметиком. Первый, прилегающий к емкости, слой пенопласта включает распределенный адсорбент. Введение частиц адсорбента в первый слой изоляции способствует поглощению диффундирующих в него через герметик газов, в частности, паров влаги. А для снижения диффузии газов и особенно влаги в изоляцию из атмосферы предназначены оба слоя герметика. Однако данная конструкция теплоизоляции криогенных емкостей имеет существенные недостатки. Так, внутренний слой герметика при низких температурах, имеющих место в изоляции, остекловывается, становится хрупким, местами растрескивается, и его защитная функция как барьера для водяного пара резко снижается. Также, введение больших количеств адсорбента в первый, контактирующий с криогенной емкостью, слой изоляции повышает теплопроводность пенопласта, что снижает теплозащитные свойства изоляционной системы. Малое же количество адсорбента не позволяет длительное время поглощать все поступающие в слой изоляции пары влаги.
Известна конструкция теплоизоляционной системы воздухоразделительных установок (М.Г. Каганер/«Тепловая изоляция в технике низких температур», издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», Москва, 1966 год, стр. 232) в которой аппараты помещают в общий кожух и изолируют волокнистыми материалами. Изоляционный материал занимает все пространство между кожухом и расположенными в нем аппаратами и трубопроводами. Для защиты изоляции от увлажнения внутрь кожуха подают под небольшим избыточным давлением часть отходящего из блока разделения сухого азота, препятствующего проникновению во внутреннее пространство кожуха влажного атмосферного воздуха. С этой целью в изоляционном пространстве помещают несколько перфорированных трубок, в которые подают газ с помощью специального вентиля на линии выхода азота из блока разделения. Однако данная конструкция изоляционной системы обладает существенным недостатком - имеет место постоянная утечка сухого газа в окружающую среду. Также, как недостаток данной теплоизоляционной системы, следует отметить, что в ряде случаев криогенные установки или хранилища криогенных продуктов не имеют доступного источника сухого газа. В этом случае для реализации данной конструкции теплоизоляционной системы приходится создавать дорогостоящую систему снабжения установки сухим газом.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является топливная емкость для сжиженного природного газа (RU 2262033 C2, F17C 3/04, опубл. 10.10.2005 г.), выбранная в качестве прототипа.
Одна из значимых проблем при функционировании теплоизоляционных систем криогенного оборудования - это растрескивание внутренних слоев изоляции, а также возникновение щелей между элементами изоляции из-за различия в коэффициентах температурного расширения материала изоляционных слоев и материала изолируемого оборудования.
Как правило, изолируемое оборудование, содержащее криогенную среду, изготавливается из нержавеющей стали, алюминиевого сплава, какого-либо другого сплава или металла. Коэффициент температурного расширения металлических материалов существенно ниже коэффициента температурного расширения основных видов ячеистой теплоизоляции, таких как вспученные синтетические каучуки или пенополиуретановая, изоляция. Данное различие приводит к тому, что при охлаждении криогенной конструкции изоляционные слои, расположенные непосредственно у изолируемой поверхности, сжимаются сильнее изолируемой поверхности, и при достижении определенной степени сжатия происходит растаскивание изоляции. Также в ряде случаев растрескивание происходит из-за внутреннего напряжения вследствие наличия градиента температуры в изоляции.
В настоящее время существует ряд эластичных изоляционных материалов, слои которых упруго растягиваются при охлаждении, что предотвращает возникновение растрескивания. Однако данная особенность имеет место только при температурах, незначительно ниже нулевой температуры. При значительном охлаждении эластичных изоляционных материалов их структура остекловывается, и еще более сильное охлаждение ведет к их растрескиванию.
Наличие щелей и трещин в изоляционном слое приводит к возрастанию конвективной теплопередачи через газ в полости щели или трещины и к снижению теплоизолирующих свойств конструкции теплоизоляции. Также через трещины и щели происходит диффузия водяных паров из окружающей атмосферы к внутренним слоям изоляции, накопление воды в твердом виде и, вследствие этого, снижение изоляционных свойств конструкции изоляции.
Техническим результатом полезной модели является сохранение постоянного значения теплоизоляционной эффективности криогенного оборудования за счет предотвращения возникновения в процессе функционирования во внутренних слоях изоляции трещин и щелей.
Технический результат достигается тем, что в теплоизоляции для криогенного оборудования, состоящего из контактирующего с поверхностью криогенного оборудования основного слоя и расположенной над ним оболочки, в соответствии с предлагаемым решением основной слой покрыт стяжной лентой и выполнен наборным из контактирующих с поверхностью криогенного оборудования теплоизоляционных элементов, между которыми расположены трапециевидные вставки, контактирующие своими большими основаниями со стяжной лентой, выполненной с обеспечением прижима малых оснований трапециевидных вставок к поверхности оборудования, а оболочка выполнена в виде пароизоляционного слоя и последующих слоев из эластичных материалов с увеличивающимся значением температуры стеклования.
Для обеспечения прижима трапециевидных вставок к поверхности оборудования стяжная лента упруго связана с малыми основаниями трапециевидных вставок, например, посредством пружин или может быть снабжена крепежными элементами.
Теплоизоляционные элементы и трапециевидные вставки могут быть выполнены из жесткой теплоизоляции или изоляции, которая при криогенных температурах становится твердой, например, из пенополиуретана. Трапециевидные вставки, меньшее основание которых обращено к изолируемой поверхности, частично входят в зазор между теплоизоляционными элементами и находятся в подпружиненном состоянии благодаря стяжной ленте. При охлаждении оборудования теплоизоляционные элементы сжимаются, расстояние между ними увеличивается, а трапециевидные вставки под действием стяжной ленты входят глубже в зазор. При этом не возникает щелей в основном теплоизоляционном слое и не происходит ухудшения изоляционных свойств. Таких наборных слоев из теплоизоляционных элементов и трапециевидных вставок в теплоизоляции оборудования может быть несколько в зависимости от толщины каждого слоя и изоляционной эффективности материала.
Изоляционная эффективность наборных слоев выбирается из требований, чтобы температура на внешней поверхности верхнего наборного слоя была не ниже температуры стеклования нижнего эластичного теплоизоляционного слоя. При этом не происходит растрескиваний нижнего эластичного слоя.
Выполнение эластичных изоляционных слоев только из материала с низкой температурой стеклования, как правило, технически неоправданно, так как эластичные изоляционные слои с низкой температурой стеклования имеют более низкую изоляционную эффективность и более высокую себестоимость.
Наличие над наборным слоем пароизоляционного слоя позволяет получить теплоизоляцию с высоким уровнем защиты от проникновения водяного пара к внутренним слоям изоляции. Проникновение водяного пара во внутренние слои изоляции ведет к накоплению в них влаги и вымерзанию влаги на криогенной поверхности. Поскольку водяной лед имеет высокую теплопроводность, наличие льда во внутренних слоях изоляции резко снижает эффективность теплоизоляции криогенной системы. Также наличие влаги во внутренних слоях изоляции при наличии циклов охлаждения - отогрева ведет к разрывам теплоизоляционных слоев.
Сущность изобретения поясняется чертежами:
фиг. 1 - поперечный разрез теплоизоляции криогенного трубопровода;
фиг. 2 - поперечный разрез теплоизоляции плоской поверхности криогенного оборудования.
Теплоизоляция для оборудования с криогенной средой 1 (жидкий азот, жидкий кислород, сжиженный природный газ, газообразный гелий со сверхнизкой температурой и другие криосреды) состоит из контактирующего с поверхностью 2 оборудования криогенной системы основного теплоизоляционного слоя, который выполнен наборным из теплоизоляционных элементов 3, между которыми расположены трапециевидные вставки 4. Основной теплоизоляционный слой покрыт стяжной лентой 5 с упругими вставками 6 или крепежными элементами 10, 11.
В качестве упругой вставки может быть использована пружина или другой упругий при криогенных температурах элемент. Наборных слоев, покрытых стяжной лентой, в теплоизоляции криогенной системы может быть несколько.
Над стяжной лентой расположен пароизоляционный слой 7 и слои из эластичных материалов 8 и 9. В качестве герметичного пароизоляционного слоя может быть использован чехол из синтетического материала, металлическая фольга или слой синтетических вспученных каучуков.
Устройство работает следующим образом.
Теплоизоляция осуществляет защиту криогенных систем, предотвращая поступление теплового потока из окружающей среды к работающему оборудованию системы. При этом для криогенных сосудов, резервуаров или аппарата под работой подразумевается хранение криопродуктов, для криогенных трубопроводов транспортирование криопродуктов, для газоразделительных (воздухоразделительных) и других установок - функционирование, при котором в установке есть какие-либо элементы, охлажденные до криогенных температур.
При захолаживании оборудования происходит одновременное охлаждение изоляции оборудования, в частности снижается температура теплоизоляционных элементов 3 и трапециевидных вставок 4. При этом из-за температурной усадки происходит уменьшение их линейных размеров. Поскольку трапециевидные вставки 4 находятся в подпружиненном состоянии стяжной лентой 5, то уменьшение линейных размеров теплоизоляционных элементов 3 приводит к углублению трапециевидных вставок 4. Отсутствие щелей позволяет повысить эффективность теплоизоляции криогенного оборудования. Наличие пароизоляционного слоя 7 позволяет предотвратить попадание паров влаги в сложную конструкцию наборного слоя и, тем самым, предотвратить нарушение функционирования наборного слоя и всей теплоизоляционной системы. Поскольку на наборном слое теплоизоляции имеет место температурный перепад, то нижний слой 8 эластичной изоляции не охлаждается ниже температуры стеклования, и его растрескивание не происходит, что ведет к сохранению постоянного значения теплоизоляционной эффективности криогенного оборудования в течение длительного времени и достижению технического результата. Наборный слой и нижний эластичный слой 8 позволяют исключить возникновение на эластичном изоляционном слое 9 достаточно низких температур и, тем самым исключить возникновение его стеклования и растрескивания.
Использование предлагаемого технического решения позволяет увеличить эффективность теплоизоляции криогенного оборудования за счет предотвращения возникновения в процессе функционирования во внутренних слоях изоляции трещин и щелей.