СПОСОБ ИЗОЛЯЦИИ РЕЗЕРВУАРА
RESERVOIR ISOLATION METHOD

Изобретение относится к низкотемпературной и криогенной технике, преимущественно к системам хранения и транспортировки сжиженных газов и жидкостей, а также может быть использовано в области теплотехники.
Известен способ изоляции резервуара (см. JP 57173639 А, опубл. 26.10.1982), в котором раскрыто уплотнение перлита, при помощи вибрации внутренней стенки.
Недостатком данного способа является то, что применение его распространяется на изотермические хранилища с не вакуумной изоляцией, необходимость доступа внутрь сосуда, также не исключается остаточная усадка порошка.
Известен также способ (см. DE 1751533 А1, опубл. 18.03.1971) по защите внутреннего сосуда от разрушающего силового воздействия на него при переуплотнении порошка, происходящим вследствие термодеформаций стенок резервуара, посредством нанесения на поверхность демпфирующих слоев, позволяющих исключить возможность появления зазоров между массивом порошка и внешней поверхностью сосуда.
Недостатком данного способа также является то, что применение его распространяется на относительно некрупное оборудование, усложняется конструкция резервуара, не исключается при этом остаточная усадка порошка при вибрациях.
Наиболее близким к заявляемому является способ теплоизоляции резервуаров для хранения и транспортировки криогенных жидкостей (сжиженных газов), взятый за прототип, где в межстенное пространство, образованное стенками внутреннего сосуда и внешнего вакуумного кожуха, под разрежением около 0.5 бар засыпают порошкообразный материал - вспученный перлит и это пространство вакуумируется. Для исключения усадки перлита в процессе транспортировки и эксплуатации резервуара засыпку предлагается производить с одновременной вибрацией резервуара, либо использовать его смесь с мелкодисперсным порошком (аэрогель, аэросил и т.п.) (см. М.Г. Каганер «Тепловая изоляция в технике низких температур». Издательство «Машиностроение», Москва 1966, с.110-116).
Недостатками данного способа является то, что засыпка перлита с одновременной вибрацией резервуара применяется только на относительно некрупное оборудование. Для смесей перлита с порошковыми легирующими добавками не представляется возможным улучшить вакуумируемость перлита из-за существенно худшей их проводимости по газу. Кроме этого здесь не исключаются остаточная усадка порошка и возможное возникновение разрушающего силового воздействия на объект из-за переуплотнения порошка при наличии термодеформаций стенок резервуара. Все это, в целом, приводит к тому, что не обеспечивается требуемая стабильная эффективность вакуумно-порошковой теплоизоляции (ПВТИ) и снижается надежность конструкции резервуара, что ограничивает применение перлита в качестве основного материала в ПВТИ.
Цель изобретения - повышение теплоизоляционных и эксплуатационных качеств перлита в вакуумно-порошковой теплоизоляции (ПВТИ), расширение области эффективного применения ПВТИ и уменьшение теплопритоков через тепловую защиту.
Технический результат заключается в исключении усадки перлита, улучшении газовой проводимости слоя и повышении надежности конструкций, в которых используется заявленный способ.
Технический результат достигается тем, что способ изоляции резервуара для хранения и транспортировки сжиженных газов заключатся в засыпке изоляционного материала в межстенное пространство, образованное стенками внутреннего сосуда и внешнего вакуумного кожуха резервуара, и откачке этого пространства до необходимого остаточного давления. Межстенное пространство заполняют изоляционным материалом - предварительно подготовленной смесью перлита с гранулированной ватой, выполненной из кусочков, образованных из базальтовых или стеклянных супертонких волокон, используя цикличную засыпку из бункера под максимальным разрежением в межстенном пространстве. Смесь перлита с гранулированной ватой может формироваться в процессе засыпки из бункера, заполняемого послойно перлитом и гранулированной ватой.
Перлит смешивается с гранулами ваты, которые при размещении в замкнутом объеме вакуумной полости резервуара с использованием способа засыпки смеси при максимальном разрежении находятся в сжатом состоянии, что позволяет аккумулировать в гранулах достаточное количество энергии, необходимое для поддержания стабильного состояния изоляции за счет заполнения пустот, образующихся в вакуумной полости при вибрациях и термодеформациях стенок, имеющих место при транспортировке и в процессе эксплуатации изделий.
Сущноть изобретения заключается в том, что гранулы ваты, находящиеся в массиве перлита в сжатом состоянии и в процессе усадки порошка, происходящей под воздействием вибрационных и ударных воздействий со стороны граничных стенок, при их термоциклировании, а также естественном уплотнении, расширяясь за счет запасенной при их сжатии энергии упругости, заполняют все свободное пространство, образующееся в массиве порошка, исключая тем самым уменьшение объема занимаемого теплоизоляционным материалом, т.е. образование пустот в вакуумной полости, и исключая возможность разрушающего силового воздействия на объект при переуплотнении порошка, вместе с тем наличие в массиве порошка включений, обладающих значительно большей проводимостью по газу, улучшает общую пропускную способность порошка, что улучшает качество вакуумной подготовки теплоизоляции.
Использование в ПВТИ смеси перлита с гранулами ваты, которые уплотнены в вакуумной полости с использованием засыпки смеси при максимальном разряжении в полости, приводит к исключению усадки перлита, приводящей к появлению пустот с повышенной теплопроводностью, и улучшению газовой проводимости слоя, что позволяет получить меньшую эффективную теплопроводность слоя и сократить время вакуумной подготовки, вместе с тем, повышается надежность всей конструкции за счет исключения разрушающего силового воздействия на объект при переуплотнении порошка в результате термоциклирования стенок полости, что подтверждено испытаниями опытных образцов ПВТИ, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.
Использование предлагаемого способа в резервуарах и трубопроводах с вакуумной изоляцией, особенно транспортного исполнения, позволит повысить теплоизоляционные и эксплуатационные качества перлита в вакуумно-порошковой теплоизоляции (ПВТИ), расширить области эффективного применения ПВТИ и уменьшить теплопритоки через тепловую защиту.
Изобретение поясняется чертежами,
гГде на фиг.1 - показан изоляционный слой с равномерным распределением гранул ваты в массиве перлита;
на фиг.2 - показан изоляционный слой с послойным распределением гранул ваты и перлита;
на фиг.3 - схема засыпки смеси в изоляционную полость резервуара под разрежением;
на фиг.1 изоляционная полость между стенками внутреннего криогенного сосуда 1 и вакуумным кожухом 2 заполнена перлитом 3 с равномерно распределенными по объему гранулами ваты 4;
на фиг.2 изоляционная полость между стенками внутреннего криогенного сосуда 1 и вакуумным кожухом 2 заполнена перлитом 3 и гранулами ваты 4 с послойным их распределением по объему;
на фиг.3 схема засыпки смеси в изоляционную полость резервуара под разрежением обеспечивает заполнение вакуумной полости между стенками внутреннего криогенного сосуда 1 и вакуумным кожухом 2, предварительно подготовленной по одному из двух способов смесью перлита 3 с гранулированной ватой 4.
По первому варианту способа смесь предварительно готовится в заданной пропорции с использованием известных способов смешивания сыпучих материалов, при этом массив смеси в объеме полости будет с равномерным распределением гранул ваты.
По второму варианту способа смесь формируется в засыпочном бункере посредством последовательной послойной засыпки перлита и гранулированной ваты в весовом соотношении, соответствующем заданной пропорции, при этом объем перлита в слое не должен превышать 5% от объема вакуумной полости.
Заполнение полости смесью из бункера 9 осуществляется в несколько циклов, каждый из которых включает предварительную откачку полости до максимального разрежения в 0.95-1.0 бар по линии, включающей фильтр 6 и клапан 5, последующую засыпку смеси из бункера 9 в полость при открытии клапана 8 до остановки движения смеси или до разрежения в 0.4-0.3 бар и очистку линии откачки от остатков смеси посредством продувки сжатым газом через вентиль 7 при закрытом клапане 8. Линия между бункером 9 и вакуумным кожухом 2 должна иметь максимальную пропускную способность, обеспечивающую максимально возможную скорость засыпки смеси, при этом внутренний диаметр должен превышать максимальный размер гранул.
Формирование массива смеси в вакуумной полости 11 при первом варианте выполнения способа подготовки соответствует вид, представленный на фиг.1, по второму варианту способа - на фиг.2.
Способ осуществляют следующим образом.
Исходные материалы для подготовки смеси: перлит, например тип А, со средним диаметром частиц от 0.4 до 0.8 мм; гранулированная вата, представляющая собой элементы, которые могут быть выполнены различной формы, например в виде нарезанных кубиков с размером стороны от 10 до 30 мм или округлой формы из матов или ваты базальтового или стеклянного супертонкого волокна без связующего.
3
Смесь из этих материалов, любым из известных способов, например простым перемешиванием в таре, готовится в пропорции 4:1, где 20% весовых составляет гранулированная вата, при этом потребное количество смеси определяется исходя из объема вакуумной полости и из условия размещения в ней смеси с плотностью от 100 до 120 кг/м.
При схеме засыпки, представленной на фиг.3, приготовленная смесь помещается в бункер 9 в количестве, достаточном не менее чем на один цикл засыпки. Вакуумная полость межстенного пространства, например, резервуара предварительно откачивается до давления ниже 10 мбар с использованием форвакуумного насоса, подключенного к линии, включающей клапан 7 и фильтр 6. После достижения требуемого разрежения линия откачки отключается перекрытием клапана 7, далее открывается клапан 6 и смесь из бункера под действием разрежения устремляется в полость. При достижении давления в полости в 0.6-0.7 бар клапан 8 перекрывается и производится освобождение линии откачки от остатков смеси посредством кратковременного открытия клапана 7. Далее циклы засыпки повторяются, при необходимости с пополнением бункера смесью, до полного расхода требуемого количества смеси. Процесс заполнения полости заканчивается после прекращения опорожнения бункера или после прекращения движения смеси по загрузочному тракту в начальный период цикла загрузки. Сжатие смеси в полости происходит постоянно под действием перепада давления на границе раздела засыпанного слоя смеси и внутри самого слоя, при этом максимальный эффект сжатия имеет место в начале каждого цикла засыпки, который возрастает по мере наполнения объема. После каждого цикла и по окончании заполнения полости уплотненный слой (массив) смеси сохраняет свой объем за счет сил сцепления частиц порошка друг с другом и поверхностями стенок, при этом энергии упругости гранул ваты, полученной при их сжатии, как правило, недостаточно для преодоления сил сцепления и сил от собственного веса порошка.
Работа сил упругости ваты происходит преимущественно при усадке порошка, окружающего гранулы, т.е. при заполнении освобождающегося объема, что в наибольшей мере проявляется при встрясках и вибрации стенок, вызывающих подвижность частиц порошка при уменьшении сил сцепления между частицами, а также при перемещениях граничных стенок (термоциклирование), здесь происходит расширение либо сжатие слоя порошка за счет гранул, что блокирует возможные подвижки порошка сверху вниз вдоль стенок полости. Количества гранулированной ваты и энергии упругости, необходимой для увеличения объема гранул, должно быть достаточно для компенсации освобождающегося пространства в массиве порошка при его усадке или при перемещениях стенок полости в результате их термодеформации.