Кожух криогенной установки

Полезная модель относится к криогенной технике и может быть использована при проектировании и изготовлении криогенных воздухоразделительных установок (ВРУ) и других криогенных установок, использующих в качестве изоляции сыпучие или волокнистые материалы.
Известна конструкция кожуха теплоизоляционной системы воздухоразделительных установок (см. RU 157991 U1, опубл. 20.12.2015), в которой аппараты ВРУ помещают в кожух, выполненный из металлических панелей, представляющих собой листы с приваренными к ним швеллерами и уголками, также кожух имеет замкнутые горизонтальные площадки обслуживания, одновременно являющиеся поясами жесткости. Недостатком конструкции является повышенные металлоемкость и трудоемкость при изготовлении, обусловленные наличием поясов жесткости в виде площадок обслуживания, а панели должны изготавливаться из достаточно толстых листов металлического проката, чтобы выдерживать внутреннее давление в установке.
Наиболее близкой к предлагаемой полезной модели является, выбранная как прототип, конструкция кожуха теплоизоляционной системы воздухоразделительных установок (М.Г. Каганер, «Тепловая изоляция в технике низких температур», издательство «МАШИНОСТРОЕНИЕ», Москва, 1966 г., с. 232). Согласно данному документу, аппараты установок низкотемпературного разделения воздуха помещают в общий кожух и изолируют волокнистыми материалами: минеральной или стеклянной ватой. Кожух выполняется из отдельных стальных щитов с приваренными по краям уголками. Щиты соединяются между собой болтами. Между полками уголков прокладывают для уплотнения резиновые полосы. Изоляционный материал заполняет все пространство между кожухом и расположенными в нем аппаратами и трубопроводами. Для защиты изоляции от увлажнения в нее подают под небольшим избыточным давлением часть отходящего из блока разделения сухого азота, препятствующего проникновению влажного атмосферного воздуха внутрь кожуха. Однако данная конструкция кожуха имеет существенный недостаток - большой расход металлических листов и швеллера при изготовлении кожуха. При такой конструкции кожух должен иметь прочностные характеристики, необходимые для компенсации нагрузки как от изоляционного материала внутри кожуха, так и выдерживать нагрузку от избыточного давления газа в кожухе. При этом кожухи воздухоразделительных установок, как правило, имеют различную геометрию по высоте, утолщаясь к низу установки. Расчет бокового давления на вертикальную стенку от сыпучих материалов выполняется по известной формуле Янсена (Аверин Л.В., Сайдаль Г.И., Цыбин О.Б. Силовое воздействие насыпной теплоизоляции при обрушении на кожух воздухоразделительной установки / Химическое и нефтяное машиностроение, 1994, №8, с. 13-15). Согласно данной формуле величина бокового давления существенно возрастает с утолщением установки в нижней ее части. Это ведет к росту металлоемкости кожуха. Масса таких конструкций может достигать сотен тонн для крупноразмерных ВРУ.
Целью настоящей полезной модели является упрочнение конструкции кожуха.
Технический результат полезной модели заключается в снижении металлоемкости кожуха.
Технический результат достигается тем, что кожух криогенной установки выполнен из металлических конструкций, имеет металлическую стяжку, соединяющую расположенные на разных сторонах кожуха металлические конструкции. Стяжка выполнена из двух металлических пластин, закрепленных под углом, меньшим, чем 180° минус две величины угла естественного откоса теплоизоляционного порошка, причем вершина угла, образуемого пластинами, направлена вниз. Стяжка выполнена из металлических труб, заполненных внутри теплоизоляционным материалом. Стяжка выполнена из прямоугольного или квадратного металлического профиля, грани которого расположены под углом 39-51° к вертикали, а внутренняя полость профилей заполнена теплоизоляционным материалом, подавляющим естественную конвекцию газа внутри стяжки. Кожух дополнительно содержит стяжку. Кожух дополнительно содержит стяжки.
Стяжки представляют собой металлический профиль или металлические трубы, закрепленные с двух концов на противоположных сторонах кожуха преимущественно перпендикулярно металлическим конструкциям, например, панелям кожуха. Стяжки прикрепляются к листам кожуха или к его швеллерам в местах наибольшей деформации кожуха от внутреннего давления. При этом расположение стяжки внутри кожуха должно быть выполнено таким образом, чтобы стяжка не касалась и не пересекала оборудование, размещенное внутри кожуха. Под воздействием давления на внутреннюю сторону кожуха от теплоизоляционного материала или от находящегося в кожухе под избыточным давлением газа наддува кожух выгибается наружу, однако этому препятствуют стяжки, работающие на растяжение, благодаря чему конструкция кожуха упрочняется. При захолаживании криогенного оборудования установки часть стяжки оказывается в зоне пониженной температуры. Вследствие температурной деформации в стяжке возникает механическое напряжение, направленное внутрь установки, что еще более компенсирует внутреннюю нагрузку на кожух.
Однако такая работа стяжки сопровождается негативным процессом - возникновением на поверхности кожуха в местах крепления стяжек обмерзаний и дополнительных теплопритоков к находящемуся внутри кожуха криогенному оборудованию. Обмерзание ведет к возникновению коррозии кожуха. Дополнительный теплоприток ведет к непроизводительным потерям холода и к ухудшению теплового баланса установки. Дополнительный теплоприток возникает из-за теплопроводности материала стяжки. При изолировании установки сыпучими теплоизоляционными порошками под стяжками образуется газовая полость, которая не заполнена порошком. Эта газовая полость идет через всю установку, пересекает теплые и холодные участки в установке. В газовой полости возникает конвекционный теплообмен, что значительно увеличивает тепловые потери установки и размеры пятна обмерзания на кожухе.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где:
На фиг. 1 изображен кожух криогенной установки;
На фиг. 2 - сечение стяжки в виде двутавра;
На фиг. 3 - сечение стяжки в виде соединенных под углом пластин с вершиной, направленной вниз;
На фиг. 4 - сечение стяжки, выполненной из круглой трубы;
На фиг. 5 - сечение стяжки, выполненной из прямоугольного профиля с вершиной вниз.
На фиг. 1 показан кожух криогенной установки, где:
1 - металлические листы кожуха,
2 - сыпучий теплоизоляционный материал, например, вспученный перлитовый песок,
3 - листы кожуха в зоне утолщения установки,
4 - металлическая стяжка,
5 - зона крепления стяжки и листа кожуха.
На фиг. 2 показано сечение стяжки, выполненной в виде двутавра, где:
α - угол естественного откоса вспученного изоляционного порошка,
6 - поперечное сечение стяжки, выполненной в виде двутавра,
7 - теплоизоляционный порошок, например вспученный перлитовый песок,
8 - газовая полость, образующаяся под стяжкой и проходящая по всей длине стяжки от одной стороны кожуха до другой.
На фиг. 3 показано сечение стяжки, выполненной в виде двух пластин, соединенных под углом с вершиной вниз, где:
β - угол при вершине стяжки из пластин. Его величина должна быть не более 180°-2α. В этом случае как внутри угла, так и под стяжкой не образуются газовые полости и все пространство заполняется теплоизоляционным порошком.
10 - поперечное сечение стяжки, выполненной в виде двух пластин, соединенных под углом,
7 - теплоизоляционный порошок.
На фиг. 4 показано сечение стяжки, выполненной в виде круглой трубы, где:
11 - поперечное сечение стяжки, выполненной в виде круглой трубы,
7 - теплоизоляционный порошок,
9 - изоляционный материал, наполняющий трубу стяжки, (изоляционный порошок или затвердевшая пена).
На фиг. 5 показано сечение стяжки, выполненной в виде прямоугольного профиля, в данном частном случае в виде квадрата, где:
12 - поперечное сечение стяжки, выполненной в виде прямоугольного профиля,
7 - теплоизоляционный порошок,
9 - изоляционный материал, наполняющий профиль стяжки (изоляционный порошок или затвердевшая пена).
Устройство работает следующим образом.
При монтаже кожуха установки устанавливается стяжка или стяжки, фиг 1. Стяжка или стяжки устанавливается, в первую очередь, в тех частях кожуха, где имеет место уширенное расстояние между сторонами кожуха. Стяжка или стяжки должны располагаться таким образом, чтобы они не задевали криогенное оборудование, находящееся внутри корпуса. Выполняется изолирование установки путем засыпки ее изоляционным порошком. Если стяжка выполнена в виде двутавроврового профиля, как показано на фиг. 2, то под двутавром образуется газовая полость, величина которой определяется величиной угла естественного откоса порошка α. Для вспученного перлитового песка, наиболее часто применяемого для изоляции криогенного оборудования, α≈30÷35°. Данная конструкция стяжки проста в изготовлении.
Для исключения конвекционного теплообмена стяжка выполняется в виде двух металлических пластин, фиг. 3, сваренных между собой под углом β, меньшим, чем 180°-2α. В этом случае образующийся под стяжкой при изолировании установки откос изоляционного порошка полностью заполняет пространство под стяжкой, таким образом газовая полость не образуется, а величина теплопритока конвекцией падает до нуля.
Для увеличения прочности стяжки ее можно выполнять из металлической трубы, фиг. 4. В этом случае газовая полость образуется внутри трубы, что, в свою очередь, приводит к конвекционному теплообмену внутри трубы. Для подавления этого конвекционного теплообмена следует данную трубу заполнить изоляционным порошком или другим видом теплоизоляционного материала, например  ввести самовспучивающуюся смесь, которая при вспучивании и расширении в трубе заполнит все ее свободное пространство, исключит образование газовой полости в трубе и уменьшит величину конвективного теплообмена до приемлемого уровня.
Вариант конструкции стяжки из профиля изображен на фиг. 5. В этом случае используется стяжка из прямоугольного или квадратного профиля, ребро которого наклонено под углом в 39-51° к вертикали. Поскольку ребро наклонено меньше, чем угол внутреннего откоса большинства теплоизоляционных порошков, то под обоими нижними ребрами квадратного профиля газовые полости не образуются. Полость внутри квадратного профиля заполняется изоляционным порошком или саморасширяющейся теплоизоляционной пеной. Таким образом, снаружи профиля и внутри него нет свободных полостей - теплоприток конвекцией не возникает.