Навигация по таблицам
- Таблица 1: Сравнение типов теплоизоляции
- Таблица 2: Характеристики изоляционных материалов
- Таблица 3: Температурные диапазоны криогенных сред
- Таблица 4: Рекомендуемые толщины изоляции
Справочные таблицы
Таблица 1: Сравнение типов теплоизоляции для криогенных резервуаров
| Тип изоляции | Теплопроводность, Вт/(м·К) | Температурный диапазон, °C | Применение | Преимущества |
|---|---|---|---|---|
| Экранно-вакуумная (ЭВИ) | 0,00005-0,0001 | -269...+150 | Мобильные резервуары, трубопроводы | Минимальные потери, компактность |
| Порошково-вакуумная (ПВИ) | 0,001-0,005 | -269...+100 | Стационарные резервуары большого объема | Простота изготовления, надежность |
| Пеностекло | 0,042-0,080 | -260...+485 | Днища резервуаров, фундаменты | Негорючесть, химическая стойкость |
| Высоковакуумная | 0,0001-0,001 | -269...+50 | Лабораторное оборудование | Высокая эффективность при малых объемах |
Таблица 2: Характеристики изоляционных материалов
| Материал | Плотность, кг/м³ | Размер фракции, мм | Водопоглощение, % | Прочность на сжатие, МПа |
|---|---|---|---|---|
| Перлит вспученный | 50-75 | 0,16-1,25 | 5-10 | 0,1-0,3 |
| Перлит вакуумированный | 130-140 | 0,16-1,25 | 2-5 | 0,2-0,4 |
| Пеностекло блочное | 100-200 | - | 0-1 | 0,7-4,0 |
| Пеностекло гранулированное | 140-180 | 10-60 | 1-3 | 1,0-2,0 |
Таблица 3: Температурные диапазоны криогенных сред
| Криогенная жидкость | Температура кипения, °C | Рабочая температура, °C | Рекомендуемая изоляция |
|---|---|---|---|
| Жидкий гелий | -269 | -269...-268 | ЭВИ, высоковакуумная |
| Жидкий водород | -253 | -253...-250 | ЭВИ, ПВИ |
| Жидкий азот | -196 | -196...-190 | ПВИ, ЭВИ, пеностекло |
| Жидкий кислород | -183 | -183...-180 | ПВИ, пеностекло |
| СПГ | -164 | -164...-160 | ПВИ, пеностекло |
Таблица 4: Рекомендуемые толщины изоляции
| Температура среды, °C | ЭВИ, мм | ПВИ (перлит), мм | Пеностекло, мм | Примечание |
|---|---|---|---|---|
| -269 (гелий) | 25-50 | 200-300 | 300-500 | Для минимальных потерь |
| -196 (азот) | 15-30 | 150-250 | 200-350 | Стандартные условия |
| -183 (кислород) | 15-25 | 100-200 | 150-300 | Промышленные резервуары |
| -164 (СПГ) | 10-20 | 80-150 | 100-250 | Транспортные цистерны |
Оглавление статьи
- 1. Введение в криогенную теплоизоляцию
- 2. Основные типы теплоизоляции
- 3. Характеристики изоляционных материалов
- 4. Критерии выбора теплоизоляции
- 5. Методы расчета толщины изоляции
- 6. Особенности монтажа и эксплуатации
- 7. Нормативные требования и стандарты
- Часто задаваемые вопросы
1. Введение в криогенную теплоизоляцию
Эффективная теплоизоляция является критически важным элементом конструкции криогенных резервуаров, предназначенных для хранения сжиженных газов при температурах от -164°C до -269°C. Правильный выбор изоляционного материала и его параметров напрямую влияет на потери продукта, энергоэффективность системы и безопасность эксплуатации.
Криогенные резервуары представляют собой конструкцию типа "сосуд в сосуде", где внутренний сосуд изготавливается из хладостойких марок нержавеющей стали, а внешний кожух - из углеродистой стали. Межстенное пространство заполняется специальными теплоизоляционными материалами и вакуумируется для минимизации теплопритоков.
2. Основные типы теплоизоляции
Экранно-вакуумная изоляция (ЭВИ)
Экранно-вакуумная изоляция представляет собой наиболее эффективный тип теплоизоляции для криогенных применений. Система состоит из множества параллельных отражающих экранов с низкой излучательной способностью, разделенных прокладками из волокнистых материалов с низкой теплопроводностью.
λэфф = 0,00005 Вт/(м·К) при оптимальных условиях
При давлении в вакуумной полости: 10⁻⁵ Па
Количество экранов: 30-100 слоев на 25 мм толщины
Порошково-вакуумная изоляция (ПВИ)
Данный тип изоляции использует вакуумированное межстенное пространство, заполненное мелкодисперсным материалом - чаще всего перлитом. Перлит обеспечивает экранирование лучистого теплообмена и препятствует конвективному переносу тепла.
Изоляция на основе пеностекла
Пеностекло представляет собой ячеистый материал, получаемый путем вспенивания стекломассы. Материал обладает уникальным сочетанием свойств: теплопроводность 0,042-0,080 Вт/(м·К), абсолютная негорючесть, химическая инертность и широкий температурный диапазон применения от -260°C до +485°C.
3. Характеристики изоляционных материалов
Перлит вспученный
Перлит получают путем термической обработки природного вулканического стекла при температуре 1000-1200°C. При нагревании материал увеличивается в объеме в 10-20 раз, образуя легкие гранулы с замкнутыми порами. Для криогенных применений используется фракция 0,16-1,25 мм с насыпной плотностью 50-75 кг/м³.
В вакуумированном состоянии теплопроводность перлита снижается в 20-25 раз по сравнению с атмосферными условиями. При остаточном давлении 10⁻³ Па и плотности 130-140 кг/м³ эффективная теплопроводность составляет 0,001-0,005 Вт/(м·К).
Пеностекло
Блочное пеностекло изготавливается из стекольного порошка с добавлением газообразователей методом спекания при температуре около 1000°C. Материал характеризуется плотностью 100-200 кг/м³ и теплопроводностью 0,042-0,050 Вт/(м·К) при температуре +10°C.
При -196°C: λ ≈ 0,025-0,035 Вт/(м·К)
При +20°C: λ ≈ 0,042-0,050 Вт/(м·К)
При +200°C: λ ≈ 0,065-0,080 Вт/(м·К)
4. Критерии выбора теплоизоляции
Выбор оптимального типа теплоизоляции зависит от комплекса факторов, включающих температурный режим, тип резервуара, условия эксплуатации и экономические соображения.
Температурный фактор
Для температур ниже -200°C рекомендуется применение экранно-вакуумной или порошково-вакуумной изоляции. Пеностекло эффективно работает во всем диапазоне криогенных температур, но требует большей толщины для достижения аналогичных характеристик.
Тип резервуара
Стационарные резервуары большого объема обычно оснащаются порошково-вакуумной изоляцией из-за простоты изготовления и обслуживания. Мобильные криогенные емкости чаще используют экранно-вакуумную изоляцию для минимизации веса и габаритов.
Долговечность вакуума
Качественно выполненная вакуумная изоляция сохраняет свои характеристики в течение 20-25 лет без дополнительной откачки. Это достигается применением высококачественных материалов и герметичной сварки всех соединений.
5. Методы расчета толщины изоляции
Расчет необходимой толщины теплоизоляции выполняется на основе теплового баланса системы с учетом допустимых потерь продукта и условий эксплуатации.
Q = (λ × S × ΔT) / δ
где:
Q - тепловой поток, Вт
λ - теплопроводность изоляции, Вт/(м·К)
S - площадь поверхности, м²
ΔT - разность температур, К
δ - толщина изоляции, м
Пример расчета
Для цилиндрического резервуара объемом 50 м³ с жидким азотом при температуре -196°C и температуре окружающей среды +20°C:
- Внутренний диаметр: 3,5 м
- Высота: 5,2 м
- Площадь поверхности: ≈ 85 м²
- ΔT = 216 К
- Допустимые потери: 0,2% в сутки
Расчет для ПВИ (λ = 0,002 Вт/(м·К)):
δ = (λ × S × ΔT) / Q = (0,002 × 85 × 216) / 80 ≈ 0,046 м = 46 мм
Принимаем толщину изоляции 60 мм с запасом.
6. Особенности монтажа и эксплуатации
Монтаж экранно-вакуумной изоляции
ЭВИ поставляется в виде рулонов или готовых матов, которые наматываются на поверхность внутреннего сосуда с определенным натяжением. Критически важно обеспечить равномерность укладки экранов и исключить их соприкосновение.
Заполнение порошковой изоляцией
Перлит засыпается в межстенное пространство через специальные загрузочные люки. Процесс сопровождается вибрацией для обеспечения равномерного распределения материала и достижения требуемой плотности засыпки 130-140 кг/м³.
Контроль вакуума
Качество вакуума контролируется с помощью вакуумметров и течеискателей. Рабочее давление в изоляционной полости должно составлять 10⁻³-10⁻⁵ Па для обеспечения расчетных характеристик.
7. Нормативные требования и стандарты
Проектирование и изготовление криогенных резервуаров регламентируется комплексом актуальных нормативных документов, обеспечивающих безопасность и эффективность эксплуатации.
Основные нормативные документы 2023-2025 гг.
ГОСТ Р 71142-2023 "Техника криогенная. Установки разделения воздуха криогенные и смежное оборудование отрасли криогенной техники. Термины и определения" устанавливает современную терминологию для криогенного оборудования.
ГОСТ Р 71143-2023 "Техника криогенная. Аппараты. Термины и определения" определяет требования к криогенным аппаратам и резервуарам.
ГОСТ 21957-76 "Техника криогенная. Термины и определения" остается действующим базовым стандартом по терминологии.
ГОСТ Р 54892-2012 "Монтаж установок разделения воздуха и другого криогенного оборудования. Общие положения" регламентирует требования к монтажу изоляционных систем.
Требования к испытаниям
Теплоизоляционные характеристики проверяются методом измерения удельных потерь при стационарном тепловом режиме. Испытания проводятся на полностью смонтированных резервуарах с рабочей средой при номинальных параметрах.
- Стационарные резервуары большого объема: не более 0,05-0,15% в сутки
- Транспортные цистерны: не более 0,2-0,5% в сутки
- Лабораторные сосуды: не более 1-3% в сутки
Часто задаваемые вопросы
Важное уведомление: Данная статья носит исключительно ознакомительный характер и не может служить основанием для принятия проектных решений без дополнительных расчетов и консультаций со специалистами.
Источники информации:
• ГОСТ Р 71142-2023 "Техника криогенная. Установки разделения воздуха криогенные и смежное оборудование отрасли криогенной техники. Термины и определения"
• ГОСТ Р 71143-2023 "Техника криогенная. Аппараты. Термины и определения"
• ГОСТ 21957-76 "Техника криогенная. Термины и определения"
• ГОСТ Р 54892-2012 "Монтаж установок разделения воздуха и другого криогенного оборудования"
• Техническая документация производителей криогенного оборудования
• Справочники по теплофизическим свойствам материалов
Отказ от ответственности: Автор не несет ответственности за возможные последствия применения информации, изложенной в данной статье, без проведения индивидуальных расчетов и проектирования квалифицированными специалистами.
