ОБРАБОТКА ВЫНУЖДЕННОЙ ДИФФУЗИЕЙ ИЗОЛЯЦИОННОЙ ДЕТАЛИ, ИЗГОТОВЛЕННОЙ ИЗ ПЕНОПЛАСТА
FORCED DIFFUSION TREATMENT FOR INSULATING PART MADE FROM FOAM PLASTIC

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области использования пенопластов для изготовления теплоизоляционных деталей и, в частности, к вспененным термопластичным или термореактивным пенопластам с замкнуто-ячеистой структурой.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Пористый материал с замкнуто-ячеистой структурой состоит из матрицы твердой среды, в которой уловлены многочисленные пузырьки газа большего или меньшего размера. Различные синтетические термопластичные и термореактивные материалы могут использоваться в качестве матрицы, например, полиуретан (ПУ), полиэтилентерефталат (ПЭТ), поливинилхлорид (ПВХ), полистирол (ПС), полиэфиримид, полиэтилен (ПЭ), полипропилен (ПП) или полимид. Этот список не является исчерпывающим.
2
В процессе синтеза вспениванием используется пенообразующее вещество. Две группы вспенивающих веществ могут использоваться в зависимости, в частности, от процесса синтеза матрицы: вспенивающие вещества, полученные химической реакцией, известные как химические вещества, и вспенивающие вещества, полученные выпариванием жидкости при повышении температуры или падении давления, известные как физические вещества. Одни пенопласты могут содержать только физические вещества, например, полипропиленовый пенопласт, вспениваемый пентаном, а другие - исключительно химические вещества, например, ПУ пенопласт, вспениваемый диоксидом углерода (СО), а, в-третьих, могут использоваться оба типа вспенивающих веществ, например, полиуретановые пенопласты, вспениваемые несколькими веществами, включая пентан и вспенивающие газы 141b, 365 и 245fa. Во всех случаях, вспенивающее вещество является газом или вызывает образование вспенивающего газа, который расширяется и заполняет ячейки пенопласта.
Вспенивающие газы обычно выбираются в соответствии с их технологическими свойствами и ценой, но также согласно их теплопроводности. Они обычно выбираются таким образом, чтобы как можно больше ограничить возможную передачу тепла путем введения в газ фазы изоляционного материала, с одной стороны, и продемонстрировать низкий коэффициент диффузии в выбранной матрице.
Когда пенопластовая деталь изготовлена, ячейки, таким образом, будут содержать исходный газ или исходную смесь газов. В течение срока эксплуатации рассматриваемого пенопласта последний становится объектом диффузионных явлений, которые изменяют состав газовой фазы в ячейках пенопласта, в частности, парциальные давления вспенивающих газов и газов вмещающей среды. Так, химические структурные единицы, парциальное давление которых слабее в окружающей среде, чем в пенопласте, имеют тенденцию улетучиваться из пенопласта, в то время как те, парциальное давление которых слабее в пенопласте, чем в окружающей среде, имеют тенденцию проникать внутрь пенопласта путем диффузии.
Таким образом, в условиях хранения на открытом воздухе большая часть вспенивающих веществ стремится улетучиться из пенопласта, в то время как азот и кислород в воздухе стремятся диффундировать в изоляционный материал. При условии, что вспенивающие газы обычно демонстрируют более низкую теплопроводность, чем газы в окружающей среде, изоляционное качество рассматриваемых пенопластов, таким образом, имеет тенденцию ухудшаться в течение долгого периода времени. Эти явления описываются как старение пенопласта.
2
3
Данный момент проиллюстрирован на фиг. 1, где представлено изменение теплопроводности при 20°С, выраженной в Вт/м-К по оси ординат, как функции времени воздействия окружающей атмосферы, выраженного в днях по оси абсцисс, для двух деталей из полиуретанового пенопласта, вспененных CO с плотностью 130 кг/м. Кривая 1 и звездочка относятся к детали толщиной 25 мм. Кривая 2 и квадраты относятся к детали толщиной 50 мм.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Одна идея в основе изобретения состоит в том, чтобы предотвратить и/или преодолеть явления старения пенопласта, которые описаны выше.
Для этого, согласно одному варианту осуществления, изобретение предлагает процесс обработки вынужденной диффузией теплоизоляционной детали, изготовленной из пенопласта, содержащий:
во время этапа нагнетания, нагревание изоляционной детали до температуры нагнетания, которая превышает температуру окружающей среды, и одновременно подвергание изоляционной детали воздействию газовой атмосферы, демонстрирующей низкие парциальные давления, по меньшей мере, молекулярного азота, молекулярного кислорода, диоксида углерода и газов, имеющих коэффициент диффузии в пенопласт больший или равный таковому молекулярного азота,
завершение этапа нагнетания, когда накопленные парциальные давления молекулярного азота, молекулярного кислорода, диоксида углерода и газов, имеющих коэффициент диффузии в пенопласт больший или равный таковому молекулярного азота в изоляционной детали, становятся меньше, чем заданное пороговое значение.
Другими словами, во время этапа нагнетания изоляционная деталь подвергается воздействию газовой атмосферы, демонстрирующей парциальные давления молекулярного азота, молекулярного кислорода, диоксида углерода и газов, имеющих коэффициент диффузии в пенопласт больший или равный таковому молекулярного азота, которые ниже, чем парциальные давления таковых веществ в воздухе при стандартном давлении.
Кроме того, этап нагнетания завершается, когда накопленные парциальные давления молекулярного азота, молекулярного кислорода, диоксида углерода и газов, имеющих коэффициент диффузии в пенопласт больший или равный таковому молекулярного азота в изоляционной детали, становятся меньше, чем заданное пороговое значение, когда физическое свойство изоляционной детали, относящееся к упомянутым накопленным парциальным давлениям, достигает заданного порогового значения или после заданного периода времени.
Кроме того, теплоизоляционная деталь размещается в герметичной и теплоизолированной стенке резервуара и образует изоляционный барьер стенки резервуара. Следовательно, во время этапа нагнетания вся стенка резервуара или ее часть нагревается.
Такой этап нагнетания делает возможным нагнетание газов, неблагоприятных для термических свойств пенопласта, в частности, молекулярного азота, молекулярного кислорода, диоксида углерода, гелия, свободного водорода, аргона и других.
В соответствии с одним вариантом осуществления, изобретение также предлагает процесс обработки вынужденной диффузией теплоизоляционной детали, изготовленной из термореактивного полиуретанового пенопласта, содержащего по меньшей мере 80% замкнутых ячеек, упомянутый процесс содержит:
во время этапа нагнетания нагрев изоляционной детали до температуры нагнетания, которая больше температуры окружающей среды, и одновременно подвергание изоляционной детали воздействию газовой атмосферы, демонстрирующей парциальные давления молекулярного азота, молекулярного кислорода, диоксида углерода и газов, имеющих коэффициент диффузии в пенопласт, больший или равный таковому молекулярного азота, которые ниже, чем их парциальное давление в воздухе при стандартном давлении; завершение этапа нагнетания, когда накопленные парциальные давления молекулярного азота, молекулярного кислорода, диоксида углерода и газов, имеющих коэффициент диффузии в пенопласт больший или равный таковому молекулярного азота в изоляционной детали, становятся меньше, чем заданное пороговое значение, или когда физическое свойство изоляционной детали, относящееся к упомянутым накопленным парциальным давлениям, достигает заданного порогового значения или после заданного периода времени.
В соответствии с одним вариантом осуществления, изобретение также предлагает герметичный и теплоизолированный резервуар, предназначенный для хранения сжиженного топливного газа при низкой температуре, в котором стенка резервуара содержит многослойную конструкцию, соответствующую стенке транспортного судна, многослойная конструкция содержит основную герметичную мембрану, соприкасающуюся со сжиженным топливным газом, находящимся в резервуаре, вспомогательную герметичную мембрану, расположенную между основной герметичной мембраной и стенкой транспортного судна, основной теплоизоляционный барьер, расположенный между основной герметичной мембраной и вспомогательной герметичной мембраной, и вспомогательный теплоизоляционный барьер, расположенный между вспомогательной герметичной мембраной и стенкой транспортного судна, и в котором один или каждый теплоизоляционный барьер содержит теплоизоляционные детали, изготовленные из пенопласта.
В соответствии с одним вариантом осуществления, резервуар оборудован устройством для обработки вынужденной диффузией, содержащим:
нагревательное устройство, способное нагревать основную герметичную мембрану и/или стенку транспортного судна и/или теплоизоляционные барьеры, чтобы повысить температуру теплоизоляционных деталей, например, путем циркуляции горячего газа,
насосное устройство, соединенное с одним или каждым теплоизоляционным барьером, содержащим теплоизоляционные детали, изготовленные из пенопласта и способные снижать общее давление газовой фазы в одном или каждом теплоизоляционном барьере ниже стандартного давления, предпочтительно ниже 10 мбар,
и блок управления, способный:
регулировать нагревательное устройство и насосное устройство, чтобы одновременно нагревать теплоизоляционные детали до температуры нагнетания, превышающей температуру окружающей среды, и подвергать теплоизоляционные детали действию общего давления, которое ниже, чем стандартное давление во время этапа нагнетания, и
завершать этап нагнетания, когда накопленные парциальные давления молекулярного азота, молекулярного кислорода, диоксида углерода и газов, имеющих коэффициент диффузии в пенопласт больший или равный таковому молекулярного азота в изоляционной детали, становятся меньше, чем заданное пороговое значение.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Для лучшего понимания изобретения, а также других задач, подробностей, характеристик и преимуществ изобретения предлагается следующее описание нескольких конкретных вариантов осуществления, приведенных исключительно в качестве иллюстраций и не ограничивающих изобретение, со ссылками на прилагаемые чертежи.
- Фиг. 1 - график зависимости изменений теплопроводности пенопласта от времени подвергания воздействию температуре окружающей среды.
- Фиг. 2 - график согласно фиг. 1, показывающий влияние температуры старения пенопласта.
- Фиг. 3 - схематический вид в разрезе герметичного и изолированного резервуара, в котором могут осуществляться процессы в соответствии с изобретением.
- Фиг. 4 - схематический вид сбоку изоляционной панели, которую можно использовать в резервуаре фиг. 3.
- Фиг. 5 - вырез схематического представления резервуара танкера для перевозки сжиженного природного газа и терминала для погрузки/разгрузки судна.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
В описании и формуле изобретения термин «стандартное давление» используется как синоним атмосферного давления.
Далее описываются процессы обработки изоляционной детали, изготовленной из пенопласта, которые позволяют предотвратить или устранить явления старения пенопласта, и даже улучшить качество теплоизоляции изоляционной детали.
Для этого во время первого этапа, известного как этап нагнетания, процесс обработки состоит в нагревании изоляционной детали до температуры нагнетания, превышающей температуру окружающей среды, и одновременном воздействии на изоляционную деталь газовой атмосферы, демонстрирующей низкие парциальные давления для молекулярного азота и молекулярного кислорода, то есть ниже, чем их парциальное давление в воздухе при атмосферном давлении.
Эти этапы позволяют ускорить диффузию газов, присутствующих в пенопласте, в направлении окружающей среды. Пенопласт помещается в условия высокой температуры, чтобы повысить коэффициенты диффузии газов, присутствующих в матрице. Кроме того, пенопласт помещается в условия пониженного давления, по меньшей мере для основных газов, составляющих воздух, чтобы ускорить диффузию газов, присутствующих в пенопласте, по меньшей мере молекулярного азота и молекулярного кислорода, в направлении атмосферы внешнего газа.
Этот процесс может применяться к многочисленным видам пенопластов и вспенивающих веществ. Предпочтительно, пенопласт содержит по меньшей мере 80% замкнутых ячеек. Материалы матрицы и вспенивающих веществ могут быть выбраны из полимеров и веществ, упомянутых во введении. Для примера, пенопласт, в частности, является термореактивным полиуретановым пенопластом, содержащим по меньшей мере 80% замкнутых ячеек.
Температура нагнетания выбирается так, чтобы не повредить пенопласт. Для этого температура нагнетания предпочтительно выбирается меньше 100°С.
Температура, доходящая до 100°С, может быть приемлемой для определенных полимеров, таких как полипропилен или полиэтилен. Для многих синтетических полимеров температура нагнетания предпочтительно меньше, чем 80°С. Это пороговое значение в 80°С является, например, предпочтительным для полиуретанового пенопласта, ПВХ пенопласта или полистирола, в частности для предотвращения испарения полистирола. При выборе температуры нагнетания можно также учитывать теплостойкость других материалов, которые собираются с изоляционной деталью, в соответствии с характеристиками целевого применения.
Любое повышение температуры имеет тенденцию увеличивать коэффициент диффузии газов. С позиций эффективности температура нагнетания предпочтительно соответствует существенному повышению температуры. В соответствии с одним вариантом изобретения температура нагнетания больше, чем 50°С, и даже больше, чем 60°С.
Изоляционная деталь может нагреваться различными способами нагрева, например, излучением, кондукцией, например, при контакте с горячим твердым объектом, или кондукцией/конвекцией, то есть при контакте с горячей жидкостью.
В соответствии с одним вариантом изобретения, газовая атмосфера этапа нагнетания дополнительно демонстрирует низкое парциальное давление для вспенивающего газа, используемого для производства пенопласта. В силу этих характеристик также возможно понижать концентрацию вспенивающего газа во время этапа нагнетания, чтобы понизить теплопроводность пенопласта.
Положительный эффект реализации этого этапа нагнетания состоит в том, чтобы изоляционный пенопласт вспенивался одним или более вспенивающими веществами, демонстрирующих как можно более высокий коэффициент диффузии.
2
2
2
2
В соответствии с одним вариантом осуществления, вспенивающий газ, используемый для производства пенопласта, главным образом состоит из диоксида углерода. Например, жесткий полиуретановый пенопласт может вспениваться с помощью CO. Коэффициент диффузии CO больше, чем таковой других известных вспенивающих веществ, в частности, вспенивающих газов 141b, 245fa, 365 или пентана. Пенопласт, вспениваемый с помощью CO, дополнительно демонстрирует двойной положительный эффект из-за неиспользования газов, имеющих тенденцию вносить большой вклад в глобальное потепление или дыру в озоновом слое, с одной стороны, и из-за демонстрации самых низких производственных затрат, с другой стороны. Это из-за того, что пенопласт, вспененный CO, вспенивается химической реакцией воды.
3
Для иллюстрации таблица 1 показывает порядок возрастания коэффициентов диффузии, измеренных при температуре окружающей среды на различных полиуретановых пенопластах, имеющих плотность 120-135 кг/м.
Таблица 2 иллюстрирует изменение коэффициентов диффузии в зависимости от температуры и показывает, в частности, увеличение коэффициента диффузии с увеличением температуры.
Несколько приемов можно использовать во время этапа нагнетания, чтобы создать градиенты парциального давления, которые позволяют вызвать отрыв от пенопласта желаемых химических структурных единиц, в частности, молекулярного кислорода и молекулярного азота и диоксида углерода.
Первый технический прием состоит в подвергании изоляционной детали действию пониженного общего давления. Согласно соответствующему варианту осуществления, газовая атмосфера этапа нагнетания демонстрирует общее давление, которое меньше стандартного давления, предпочтительно менее 100 мбар. В силу такого сниженного давления внешняя атмосфера убывает в газовых структурных единицах, склонных преимущественно диффундировать в пенопласт. Такое сниженное давление может устанавливаться и поддерживаться с помощью вакуумного насоса или другого всасывающего устройства. Всасывание позволяет удалять из окружающей среды газы, которые улетучились из пенопласта, по мере их улетучивания из пенопласта. В вакуумной технологии нагревание изоляционной детали преимущественно должно осуществляться прямой теплопередачей или излучением.
Второй технический прием, альтернативный первому, состоит в погружении изоляционной детали в атмосферу, главным образом состоящую из одного или более газов, которые очень плохо диффундируют в пенопласт. Согласно соответствующему варианту изобретения, газовая атмосфера этапа нагнетания является газовой фазой газов, имеющих большие молекулы в принудительной конвекции, то есть газовой фазой газов, демонстрирующих молярную массу, превышающую или равную 70 г/моль.
Газовая фаза газов, имеющих большие молекулы, поскольку она демонстрирует исключительно низкое содержание молекулярного азота и молекулярного кислорода, также создает градиент парциального давления, который способствует миграции молекулярного азота и молекулярного кислорода наружу из изоляционной детали. Кроме того, конвекционного движение позволяет удалять из окружающей среды газы, которые улетучились из пенопласта, по мере их улетучивания из пенопласта.
5
10
4
2
3
Такая промывка с помощью газа, коэффициент диффузии которого в пенопласт очень низкий, может осуществляться с помощью газов, имеющих очень большую молекулу, например, циклопентана (СН), CF, газа R-23, газа R-508 В, газа R-134 (CHFCF), газа 141b, газа 245fa, газа 365 или любого другого газа с молярной массой, превышающей или равной 70 г/моль.
Молярные массы нескольких газов представлены в таблице ниже, газы ниже демонстрируют молярную массу, превышающую или равную 70 г/моль, которые имеют тенденцию использоваться как газовая атмосфера, куда изоляционная деталь погружается во время нагнетания.
Это потому, что наблюдение показало, что чем меньше молярная масса газа, тем быстрее происходит явление диффузии в пенопласте.
2
Этап нагнетания прекращается после того, как парциальные давления определенных газов, первоначально присутствовавших в ячейках, достигли целевого значения. Самые важные и наиболее вредоносные газы для проводимости пенопласта -это молекулярный азот и молекулярный кислород, и возможно CO, например, если он использовался как газообразователь. Поэтому уместно закончить этап нагнетания, когда накопленные парциальные давления по меньшей мере молекулярного азота и молекулярного кислорода в изоляционной детали меньше, чем заданное пороговое значение.
В соответствии с одним вариантом осуществления, заданное пороговое значение меньше или равно 30 мбар для накопленных парциальных давлений молекулярного азота, молекулярного кислорода, диоксида углерода и газов, имеющих коэффициент диффузии в пенопласт больший или равный таковому молекулярного азота. Это пороговое значение соответствует приблизительно пенопласту, содержащему 3% воздуха.
Такое условие может быть обнаружено прямым или непрямым экспериментальным измерением и/или путем вычислений, в частности, с помощью численного моделирования. В соответствии с вариантом осуществления, соответствующим прямому измерению, молекулярный азот и молекулярный кислород количественно оцениваются в изоляционной детали во время этапа нагнетания, и этап нагнетания останавливается, когда концентрации молекулярного азота и молекулярного кислорода, измеренные в изоляционной детали, пересекают желаемые пороговые значения.
В соответствии с вариантом осуществления, соответствующим непрямому измерению, одно или более физических качеств, относящихся к концентрации молекулярного азота и молекулярного кислорода в изоляционной детали, напр., теплопроводность пенопласта, измеряется/-ются и этап нагнетания останавливается, когда измеряемое качество достигает значения, которое иным образом было определено, экспериментально или моделированием, как соответствующее желаемой концентрации.
В соответствии с одним вариантом осуществления, этап нагнетания останавливается после заданного периода времени, которое было определено путем вычислений, в частности, путем численного моделирования, учитывая термодинамические условия обработки и физические свойства пенопласта и присутствующих химических элементов.
Процесс обработки вынужденной диффузией может применяться к любому типу изоляционных деталей, изготовленных из пенопласта. Такой процесс обработки вынужденной диффузией может осуществляться или в специализированном обрабатывающем цехе, например, на заводе по производству изоляционных деталей, или напрямую в среде, в которой используется изоляционная деталь.
В соответствии с одним вариантом осуществления, изоляционная деталь содержит выступы или отверстия, небольшие по размеру, которые увеличивают область поверхности обмена изоляционной детали с газовой атмосферой. В силу этих характеристик пенопластовая деталь демонстрирует высокий коэффициент объем/площадь поверхности обмена, чтобы способствовать явлениям диффузии во время этапа нагнетания. Для этого пенопластовая деталь демонстрирует, например, бороздки толщиной порядка миллиметра или углубления меньшего диаметра, например, приблизительно 2 мм, аккуратно рассеянные, чтобы способствовать диффузии газов без риска образования областей конвекции газов. Эти выступы или отверстия могут, в частности, располагаться по ширине или по длине параллелепипедной панели.
В соответствии с одним вариантом осуществления, изоляционная деталь размещается в герметичной и теплоизолированной стенке резервуара и образует изоляционный барьер стенки резервуара. Изоляционная деталь, изготовленная из пенопласта, может в конкретной форме образовывать составную часть изоляционной панели заводского изготовления, установленной в толще стенки резервуара, например, в танкере для перевозки сжиженного природного газа. Необходимо отметить, в порядке иллюстрации, что примеры таких панелей заводского изготовления описаны в публикации FR-A-2781557.
Согласно соответствующему варианту осуществления, этап нагнетания содержит этап нагревания всей или части стенки резервуара. В случае, если резервуар предназначен для хранения холодного продукта, например, резервуар со сжиженным газом, такое нагревание стенки резервуара должно осуществляться, когда резервуар пустой. Такое нагревание может осуществляться разными способами, например, излучающим нагревом, кондуктивным нагревом или кондуктивным/конвективным нагревом. В соответствии с одним вариантом осуществления, внутренняя поверхность и/или внешняя поверхность стенки резервуара подвергается воздействию горячей газовой атмосферы.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, процесс дополнительно содержит одно или более тормозящих диффузию действий, применяемых к изоляционной детали во время этапа эксплуатации, следующего за этапом нагнетания, при этом упомянутое или каждое тормозящее действие эффективно в замедлении диффузии газа в направлении внутренней части детали из пенопластового материала. В силу этих характеристик, после этапа нагнетания проникновение или повторное проникновение газов окружающей среды в пенопласт, когда он впоследствии используется, предотвращается или замедляется.
Предпочтительно, чтобы тормозящее диффузию действие или действия являлись действиями, которые главным образом непрерывны в течение времени, так чтобы длительно предотвращать или замедлять проникновение воздуха или других газов окружающей среды путем диффузии в пенопласт. Для этого различные тормозящие действия могут использоваться поочередно или в сочетании. Несколько тормозящих действий могут использоваться в сочетании при одновременном использовании по времени или при использовании последовательно во времени в течение последовательных периодов этапа эксплуатации изоляционной детали.
Три варианта осуществления тормозящих действий представлены ниже в качестве иллюстраций.
В соответствии с первым вариантом осуществления, тормозящее действие состоит в подвергании изоляционной детали воздействию газовой атмосферы, общее давление которой поддерживается ниже стандартного давления, предпочтительно ниже 10 мбар. В силу этих характеристик пенопласт удерживается в пространстве при пониженном давлении. Так как газы окружающей среды имеют затем очень низкие парциальные давления, их крайне слабая диффузия больше не воздействует на проводимость пенопласта.
В соответствии со вторым вариантом осуществления, тормозящее действие состоит в удержании изоляционной детали при температуре менее 0°С, предпочтительно меньше -20°С. В силу этих характеристик эксплуатация пенопласта осуществляется в условиях пониженной температуры, при которой коэффициенты диффузии газов окружающей среды в матрицу намного ниже, чем во время этапа нагнетания. Так как явление диффузии по этой причине очень слабо, миграция газов окружающей среды в направлении ячеек может быть существенно замедлена, пока не будет достигнута такая кинетика, действием которой на продолжительность использования изоляции можно пренебречь.
3
Фиг. 2 иллюстрирует воздействие низких температур на изменение теплопроводности с течением времени. Теплопроводность, выраженная на оси ординат в Вт/м-К, нанесена как функция времени старения, выраженная по оси абсцисс в днях. Пример относится к ПУ пенопласту с плотностью 40 кг/м. На кривых 3 и 4 теплопроводность измеряется при положительной температуре +20°С. На кривых 5 и 6 теплопроводность измеряется при отрицательной температуре -120°С, что дает более низкие значения.
2
На кривых 3 и 5 старение пенопласта происходило при положительной температуре +20°С. На кривых 4 и 6 старение пенопласта происходило при отрицательной температуре -20°С. Таким образом, воздействие холода как замедлителя диффузии газа очень значительно в течение периода по меньшей мере 60 дней. Наблюдения за старением пенопласта высокой плотности дают аналогичные результаты, начиная от высокой первоначальной теплопроводности, варьирующейся от 0,024 Вт/м-К для пенопласта, вспенивающие газы которого являются ГФУ и 141b, до 0,027 Вт/м-К для пенопласта, вспенивающегося с помощью CO.
В соответствии с третьим вариантом осуществления, тормозящее действие состоит в подвергании изоляционной детали воздействию газовой атмосферы, главным образом состоящей из химической структурной единицы, имеющей большие слабо диффундирующие молекулы. В силу этих характеристик пенопласт содержится в недиффундирующей газовой среде.
4
2
3
4
Предпочтительно выбирать газы, которые демонстрируют следующие свойства: очень низкий коэффициент диффузии в матрицу пенопласта, низкая теплопроводность, а также плотность и вязкость, которые сильно ограничивают тепловую конвекцию. Газы, которые могут использоваться для этого, в частности, - CF, газ R-23, газ R-508 В, газ R-134 (CHFCF), газ 141b, газ 245fa, газ 365 или любой другой газ с молярной массой большей или равной 70 г/моль. Выбор из вышеупомянутых газов может, в частности, осуществляться как функция условий температуры и давления в рабочей среде. Это связано с тем, что рекомендуется, чтобы выбранный газ находился в фазе пара в условиях температуры и давления рабочей среды. Следовательно, чтобы эти вещества оставались в фазе пара, может потребоваться одновременно поддерживать относительно низкое давление в рабочей среде изоляционной детали, например, в основном или вспомогательном изоляционном барьере стенки резервуара для сжиженного природного газа. В качестве иллюстрации газы, которые особенно пригодны для рабочей среды в основном или вспомогательном изоляционном барьере стенки резервуара для сжиженного природного газа, представляют собой, в частности, газы ГФУ R-508-B и ГФУ R-23 при температуре приблизительно от -100°С до - 120°С и CF при более низкой температуре.
4
В качестве иллюстрации давление насыщенного пара газа ГФУ R-23 составляет 60 мбар при -120°С. Давление насыщенного пара газа CF при -160°С составляет 30 мбар и при -120°С составляет 1,15 бар.
Далее описываются варианты осуществления процесса, которые применяются к блокам пенопласта, которые могут использоваться для изготовления теплоизоляционного барьера, размещаемого в толще стенки резервуара для сжиженного газа.
В соответствии с вариантом осуществления, представленным на фиг. 3, герметичный и теплоизолированный резервуар 10, предназначенный для хранения сжиженного топливного газа при низкой температуре, имеет призматическую форму и встроен в конструкцию транспортного судна, образованную двойным корпусом танкера. Внешняя стенка и внутренняя стенка двойного корпуса, образующие конструкцию транспортного судна, обозначены номерами 11 и 12 на фиг. 3. Балластный отсек 13 размещается между двумя стенками 11 и 12.
Как схематично изображено на фиг. 3, стенка резервуара содержит многослойную конструкцию, соответствующую стенке 12 транспортного судна. Многослойная конструкция содержит основную герметичную мембрану 15, соприкасающуюся со сжиженным топливным газом, содержащимся в резервуаре, вспомогательную герметичную мембрану 16, расположенную между основной герметичной мембраной 15 и стенкой 12 транспортного судна, основной теплоизоляционный барьер 17, расположенный между основной герметичной мембраной 15 и вспомогательной герметичной мембраной 16, и вспомогательный теплоизоляционный барьер 18, расположенный между вспомогательной герметичной мембраной 16 и стенкой 12 транспортного судна.
Существуют многочисленные материалы, которые можно использовать в теплоизоляционных барьерах. В рассматриваемом варианте осуществления один или каждый теплоизоляционный барьер 17 и 18 содержит теплоизоляционные детали, изготовленные из пенопласта.
В одном варианте осуществления пенопласт, составляющий изоляционные блоки, обрабатывается, будучи установленным на борту, но в фазе, предшествующей охлаждению резервуаров танкера. Для этого блоки пенопласта нагреваются до температуры нагнетания, при которой пенопласт и необязательные компоненты, используемые в сочетании с пенопластом, например, такие широко используемые материалы, как фанера, стекловата и триплекс, не повреждаются при нагреве. В соответствии с предпочитаемым вариантом осуществления эта температура варьируется приблизительно от 60°С до 80°С. Таким образом, коэффициенты диффузии газов, присутствующих в пенопласте, повышаются, чтобы снизить продолжительность обработки вынужденной диффузией.
Для этого можно повторно нагреть внутреннее пространство 20 резервуара и необязательно балластные отсеки 13 до желаемой температуры с помощью продувочной установки 21, например, нагнетающей горячий воздух или отработанные газы, регенерированные из установки для движения танкера. Также можно использовать другие средства нагрева. Фиг. 3 схематично изображает продувочную трубу 22, проходящую во внутреннее пространство 20, и продувочную трубу 23, проходящую в балластный отсек 13 с этой целью.
Единственное или одно из изоляционных пространств 17 и 18, повторно нагретые таким образом, также подвергаются действию пониженного давления, например, от 0,1 мбар до 10 мбар, чтобы повысить градиент давления, которое приводит в движение диффузию газов, присутствующих в пенопласте, для обеспечения того, чтобы окружающая среда пенопласта демонстрировала парциальные давления, которые достаточно низкие для газов, улетучивающихся из пенопласта, чтобы главным образом опустошить ячейки с газом, который они содержат. Для этого можно использовать вакуумный насос 25, устроенный таким образом, чтобы извлекать газовую фазу из основного теплоизоляционного барьера 17 и/или вспомогательного теплоизоляционного барьера 18. Фиг. 3 схематически показывает всасывающую трубу 26, входящую в основное пространство, и всасывающую трубу 27, входящую во вспомогательное пространство для этой цели.
Диффузия газов принудительно вызывается температурой и градиентом концентрации, пока не будет получен удовлетворительный уровень. Этот этап нагнетания может автоматически регулироваться электронным блоком 30 управления, управляющим вакуумным насосом 25 и продувочной установкой 21, при помощи использования различных параметров 31 обратной связи, например, физических измерений, измеренных в резервуаре датчиками давления, температуры, газоанализаторами и другими датчиками.
За этим этапом нагнетания предпочтительно следуют тормозящие диффузию действия, которые позволяют сохранять ячейки пенопласта существенно свободными от газов, негативно действующих на теплопроводность.
Одно возможное действие - поддерживать газ в изоляционном пространстве при пониженном давлении во время эксплуатации танкера, чтобы снизить парциальные давления структурных единиц, склонных к миграции в пенопласт.
Одно из возможных действий - это охлаждать резервуар таким образом, чтобы изоляционный пенопласт помещался в условия пониженной температуры. Снижение этих температур позволяет очень значительно понизить коэффициенты диффузии газов окружающей среды в пенопласт, даже если изоляционные пространства 17 и 18 снова помещаются в атмосферное давление. Каждое изоляционное пространство может, таким образом, продуваться паром азота без риска ухудшить свойства теплопроводности, до тех пор, пока резервуары танкера находятся в условиях холода.
Одно из возможных действий, когда танкер возвращается практически к условиям температуры окружающей среды, то есть когда резервуары пусты, - это снова создать вакуум с помощью вакуумного насоса 25, без необходимости одновременного нагрева стенки резервуара. Это позволяет предотвратить диффузию окружающих газов в пенопласт и дополнительно освобождать периферийные слои пенопласта от продувочных газов, которые могли бы диффундировать в небольшом количестве.
Другое возможное действие - наполнить изоляционное пространство газом, демонстрирующим максимально низкий коэффициент диффузии в матрицу пенопласта.
Чтобы усилить эффект вышеупомянутых тормозящих действий, также можно применять облицовку, которая будет герметичной для газа или которая имеет низкий коэффициент диффузии газов во внешние поверхности пенопласта, который подвергается действию окружающих газов. Такая облицовка устанавливается перед монтажом пенопластовых блоков в стенку резервуара, например, на промышленном предприятии, где осуществляется предварительная обработка пенопластовых блоков вынужденной диффузией. Облицовка затем может оставаться на месте в течение всего срока эксплуатации изоляционной детали.
В соответствии с одним вариантом осуществления, изображенным, в частности, на фиг. 4, изоляционная деталь является плоским параллелепипедным пенопластовым блоком 40, поверхность которого имеет две основные поверхности 43, 44, параллельные направлениям длины и ширины блока и взаимно разделенные в направлении толщины блока, и периферийные поверхности 41, 42, которые меньше основных поверхностей и которые проходят по направлениям толщины блока между двумя основными поверхностями. Герметичное покрытие 45 имеет здесь форму полосы, расположенной продольно на периферийных поверхностях 41, 42 блока вокруг всего блока и имеющей длину, которая меньше толщины блока.
В соответствии с вариантом осуществления на фиг. 4 это герметичное покрытие расположено исключительно на поверхностях пенопластового блока 40, которые подвергаются воздействию температуры выше -20°С в процессе эксплуатации, то есть на участках, близких к двойному корпусу 11, 12. Например, ширина полосы 45 составляет 3-6 см и в идеале 4,5 см для вспомогательного изоляционного барьера, изготовленного из высокоплотного ПУ пенопласта.
Газонепроницаемое покрытие может изготавливаться несколькими способами. Например, газонепроницаемое покрытие содержит слой полимерной смолы и/или краски, расположенной на внешней поверхности изоляционной детали и/или металлического листа, например, толщиной несколько микрон, клеевым образом присоединенного к внешней поверхности изоляционной детали. Такой металлический лист может быть изготовлен из алюминия или других металлов.
В варианте осуществления на фиг. 4 пенопластовый блок 40 используется внутри изоляционной панели 50 заводского изготовления, конструкция которой в прочих случаях известна и описывается далее.
Панель 50 главным образом имеет форму прямоугольного параллелепипеда; она состоит из первого листа 51 из фанеры или композитного материала толщиной 9 мм, монтируемого на пенопластовый блок 40, на который сверху накладывается слой 52 герметичного композитного материала, предназначенный для образования вспомогательной мембраны 16. Второй пенопластовый блок 53 располагается на герметичном слое 52, а на самом пенопластовом блоке располагается второй лист фанеры 54 толщиной 12 мм. Субузел 53, 54 предназначен быть составляющей частью основного изоляционного барьера 17. Он имеет, как видно на плане, прямоугольную форму, стороны которой параллельны сторонам субузла 51, 40, 52. Два субузла имеют, как видно на плане, форму двух прямоугольников, имеющих один центр. Периферийная кромка 57 постоянной величины проходит вокруг всего субузла 53, 54 и состоит из края субузла 51, 40, 52. Герметичный слой 52, например, сделан из многослойной композитной конструкции, состоящей из одного или более металлических листов и одного или более стекловолокнистых матов, пропитанных полимерной смолой.
Технический прием для предотвращения старения изоляционных деталей, описанный выше, может использоваться в различных типах танков, например, в танк-контейнере для СПГ, в морских и наземных установках или на плавучих конструкциях, например, в танкерах для перевозки сжиженного природного газа или других системах.
Резервуар, оборудованный устройством для обработки вынужденной диффузией, как изображено на фиг. 3, может также изготавливаться в форме наземного хранилища, например, для хранения СПГ, или может быть установлен на береговой или морской плавучей конструкции, в частности, на танкере для сжиженного природного газа, плавучей установке для регазификации и хранения газа (FSRU), платформа для добычи, хранения и отгрузки нефти (FPSO) и других.
В соответствии с вариантом осуществления, танкер для перевозки холодных жидких продуктов содержит двойной корпус и вышеупомянутый резервуар, размещенный в двойном корпусе.
В соответствии с одним вариантом осуществления, изобретение также предлагает процесс погрузки и разгрузки такого танкера, в котором холодный жидкий продукт поступает через изолированный трубопровод от плавучего или наземного хранилища или из него в резервуар танкера или из него.
В соответствии с одним вариантом осуществления, изобретение также предлагает систему транспортировки холодного жидкого продукта, система содержащая вышеупомянутый танкер, изолированный трубопровод, размещенный таким образом, чтобы соединять резервуар, установленный в корпусе танкера, с плавучим или наземным хранилищем, и насос для направления струи холодного жидкого продукта по изолированному трубопроводу из плавучего или наземного хранилища или в него, в резервуар танкера или из него.
В отношении фиг. 5 вид с вырезом танкера 70 для жидкого природного газа показывает герметичный и изолированный резервуар 71 общей призматической формы, установленный в двойном корпусе 72 танкера. Стенка резервуара 71 содержит основной герметичный барьер, предназначенный для контактирования с СПГ, содержащимся в резервуаре, вспомогательный герметичный барьер, размещенный между основным герметичным барьером и двойным корпусом 72 танкера, и два изоляционных барьера, размещенных соответственно между основным герметичным барьером и вспомогательным герметичным барьером и между вспомогательным герметичным барьером и двойным корпусом 72.
Известным образом трубы 73 для погрузки/разгрузки, расположенные на главной палубе танкера, могут быть соединены с помощью подходящих соединителей с морским или портовым терминалом, чтобы перекачивать груз СПГ из резервуара 71 или на него.
На фиг. 5 представлен пример морского терминала, содержащего погрузочно-разгрузочную станцию 75, подводную трубу 76 и наземное сооружение 77. Погрузочно-разгрузочная станция 75 - морское сооружение, содержащее мобильный рукав 74 и башню 78, несущую мобильный рукав 74. Мобильный рукав 74 имеет связку изолированных шлангов 79, которые могут быть подсоединены к погрузочно/разгрузочным трубам 73. Регулируемый мобильный рукав 74 приспособлен для всех размеров танкеров для перевозки сжиженного природного газа. Соединительная труба (не изображена) проходит внутри башни 78. Погрузочно-разгрузочная станция 75 позволяет осуществлять погрузку и разгрузку танкера 70 для перевозки сжиженного природного газа из наземного сооружения 77 или в него. Последнее содержит резервуары 80 для хранения сжиженного газа и соединительные трубы 81, подсоединенные подводной трубой 76 к погрузочно-разгрузочной станции 75. Подводный трубопровод 76 позволяет перекачивать сжиженный газ между погрузочно-разгрузочной станцией 75 и наземным сооружением 77 на большое расстояние, например, 5 км, что позволяет танкеру 70 для перевозки сжиженного природного газа оставаться на большом расстоянии от берега во время погрузочно-разгрузочных работ.
Чтобы создать давление, необходимое для перекачки сжиженного газа, используются насосы на борту танкера 70 и/или насосы, которыми оборудовано наземное сооружение 77, и/или насосы, которыми оборудована погрузочно-разгрузочная станции 75.
Хотя изобретение описывалось в связи с несколькими определенными вариантами осуществления, очевидно, что это никаким образом его не ограничивает и оно содержит все технические эквиваленты описанных средств и также их сочетаний, если последние попадают в контекст изобретения.
Использование глаголов «содержит» или «включает в себя» и их форм не исключает присутствия других элементов или других этапов, помимо указанных в пункте формулы изобретения. Использование единственного числа при описании элемента или этапа не исключает, если не упомянуто иначе, наличия множества таковых элементов или этапов.
В формуле изобретения любая сноска в скобках не должна пониматься как ограничивающая формулу изобретения.