高真空多层绝热低温液体运输半挂车的开发研制

高真空多层绝热低温液体运输半挂车的开发研制高真空多层绝热低温液体运输半挂车的开发研制胡明学,梁金余等摘要本文简述高真空多层绝热低温液体运输半挂车的基本结构,绝热特点及其优点并说明其发展前景关键词高真空,多层绝热,运输l前言近年随着我国道路运输条件的改善,高速公路高等级公路网络化已初步建成,低温液体运输车向大型化,列车化发展成为必然,提高运输效率,降低吨公里成本,维护和使用方便,成为设备制造商和气体行业的共识,我厂经过调查研究决定利用本厂多年制造真空粉末运输半挂车的经验,研制生产绝热效果更优,使用周期长,具有绝热层永不沉降的高真空多层绝热低温液体运输半挂车(简称多层绝热运输车,下同).2多层绝热运输半挂车设计总体方案2.1主要技术参数表1主要技术参数充装介质rL何容积,容器类别充装系数安全阀开启压力卟壳防爆装置开启压力绝热形式目蒸发率,%夹层漏放气速率,Pa?l/s夹层真空度,Pa主要受压元件内胆材质外套腐蚀裕度,内胆外套液氧(液氯,液氩)22<0.950.930.980.020.07多昙绝热<0.14(液氧)2lO一10一10Crl9Ni9或SUS30416MJR或20R012.2结构简介本半挂车主要由罐体,阀门仪表箱,增压器,输液管和车架等组成.2.2.1罐体罐体由内胆和外套两大部件组成.内胆材质为低碳或超低碳不锈钢,外套材质为容器专用钢板.内胆封头的一侧设有吸附室,外筒上部设有一防爆装置.夹层为高真空多层绝热层.2.2.2阀门仪表箱阀门仪表箱为箱式结构.设置在罐体外套封头的一侧(汽车尾部).内装设压力表,液位计,安全阀,放空阀,增压阀,液体进出口阀及真空检测和封结阀等.2.2.3增压器增压器为翅片管式结构.安装在阀门仪表箱底或车体的左侧,排放液体时作内胆升压之用.2.2.4输液软管输液软管是由内径为DN40的不锈钢带编织软管,快速接头等组成.供液体灌充和排放时使用.灌充时软管一头接在本车液相进口,另一头接在贮配站的固定贮罐液相出口.反之亦然.2.2.5车架选用低重心车架,使整车质心降低.本车行驶安全稳定,且具有双回路气制动系统,适宜大型运输车的使用.整体结构如图1所示.2002年第4期广东化工3l阀门仪表箱车架增压器罐体外壳防爆装置组合多层绝热材料牵l盘真空吸附剂I21450/B666/550/,|/|j/,/,0,屯f.I_|ll/.j/0/,/量/f,fff1j/2t着鲁ff|l7阳/P600l心,|,IJL-.?Jm一-I.I口II圈一li匦鞋_町口rr./-lB己0J8己呻24B0-10B903工作原理高真空多层绝热(简称多层绝热)是一种在绝热空间安置许多层平行于冷壁的辐射屏,来大幅度减少辐射传热而达到高效绝热效果的新型结构.由图2所示的多层绝热模型可以看出,在壁温为T1,Tn+两壁之间的空间中安置n个辐射屏,当到达热平衡时,通过各辐射屏的比热流q,=q2:q,假设各屏的发射率相同,则ql=.A()q2=()q=.A(+一+)将上面所有方程相加而得l如下式子.图2多层绝热模型q:(+一)式中r比热流;q=qI=q2=.=q+2r斯忒藩一玻耳兹曼常量A发射表面积发射率(黑度)由式中可知,多层绝热的辐射传热与辐射屏的发射率有关,辐射屏发射率越少,辐射传热就越少,辐射屏通常取铝箔,镀铝涤纶薄膜等,因其反射性能好,发射率低,大大降低了辐射传热.同时为了使相邻两个辐射屏之间存在温度梯度,还必须在两个屏之间增加间隔物,不让两个有温差的屏直接接触,使用的间隔物有玻璃丝布,尼龙网,图I玻璃纤维纸,植物纤维纸等.由于镀铝涤纶薄膜,尼龙网,玻璃纤维纸等可燃,不宜使用在液氧罐,因而本厂选用铝箔与玻璃丝布组合作多层绝热层.由式中可知,多层绝热的辐射传热与辐射屏的数量有关,如:在冷,热壁真空夹层中增加n个辐射屏,则其辐射传热可减少到I/(n+I),这是“多层绝热”的最显着的特点.但辐射屏并非越多越好,因为随着辐射屏的增多,绝热层间的抽气阻力增大,加上多层绝热材料的放气率高,层间的压强比真空夹层压强高很多,因此辐射屏增多,虽然辐射传热减少了,但残留气体的热传导与对流却增大了,其综合导热系数反而增大,因而可以通过实验求出最佳层数.辐射传热还与辐射屏的层密度有关.在单位厚度内多层绝热的辐射屏的数目称为层密度,当层密度增加时,辐射传热将减少,但接触热阻也随着减少,固体导热将增加,因此也存在一个最佳层密度,这也通过实验求得.辐射传热还与多层材料的种类及其组合相关,所使用的材料不同,组合不同,其有效热导率也不同.一些材料不同组合方式的性能见表l.真数(PQ)图3真空度(Pa)丌一0一.)1.一.),.即豢懈32高真空多层绝热低温液体运输半挂车的开发研制胡明学,梁金余等真空多层绝热对真空要求较高,绝热空间的表观真空度与多层绝热的有效热导率一般呈图3所示关系.当真空度较低时,即绝对压强P>lOPa时,其真空度对热导率的影响不大;在真空度为1010Pa区间,随着真空度的提高,热导率急速下降;当真空度优于10Pa时,热导率趋于一个恒定值,这时夹层真空的残余气体分子对流传热很小,可忽略不计.为此,对于多层绝热的表观真空度一般要求优于10Pa,所以多层绝热对夹层的材料要求特别严格,放气率大的材料是不能使用的,与真空夹层空间相接触的表面必须严格通过除锈,除油,脱脂,清洗,干燥等工艺处理,保证组装后真空夹层不得有油污,灰尘和固体颗粒等杂质.所以在多层绝热的应用中如何处理,保存,使用绝热材料,如何减少绝热材料的放气问题,是会直接影响抽真空的情况及真空度的保持,也就决定了多层绝热的绝热性能优良与否.在多层绝热结构中,固体导热主要是指各种支撑拉杆及管道的传热,在设计中支撑拉杆及管道应取足够的长度,以减少其导热,通常应将固体导热控制小于整体漏热量的30%左右.4制造中的要点和难点4.1多层绝热运输车的真空要求较高,只有在真空度优于10-2Pa时,其绝热效果最好.本厂原有的罗茨真空泵其极限真空为310Pa已不符合要求,为此本厂另购一台JK630/270型扩散泵真空抽气机组,其极限真空可达510Pa,从而保证达到高真空的要求.4.2内胆与外套各焊接接头必须进行氦质谱仪检漏合格,其总漏率不大于210Pa?1/s.严格控制夹层漏放气速率,保持夹层长期处于高真空状态,是多层绝热绝热效果优劣的关键.43由纯铝经过多次压延后,表面会接触到油脂等,这对于高真空的提高和保持是极为不利的,因此必须对铝箔进行去油处理.铝箔表面必须不氧化,光亮,清洁.本厂购回铝箔后将它放进专用真空储简,防止长期与空气接触而被氧化.4.4璃丝布按要求也要进行脱脂处理,保证检验合格后才能进行使用.4.5多层绝热的缠绕是一项细致而且艰巨的任务,本厂专门修建了缠绕室,配备干燥抽湿机,室内一尘不染,工人们要求换上干净的衣服和布鞋,戴上帽子,口罩和手套.内胆外表面使用无水酒精进行清洗.缠绕工作要求连续进行,防止绝热材料长时间与空气接触,总之要求杜绝一切对高真空不利影响因素.由于内胆体积大,不易缠绕,缠绕过程不宜太紧也不能太松,更不能使铝箔受冲压而上下层贴在一起而增加热传导,为此本厂专门设计一套电动缠绕工具,既降低了劳动强度又加快工作进度.4.6多层绝热罐车中,内胆的支撑是设计的重点.在普通的真空粉末绝热罐车中使用支撑为3840环氧酚醛玻璃钢,但它放气较大,在高真空条件下不宜使用,在此使用先进的交叉吊杆结构,见图四所示,该结构既可大大降低热桥的热传导,又具有自动协调调节内胆热胀冷缩余量的能力.4.7多层绝热夹层的抽真空是绝热效果的关键,由于多层绝热材料表面积大,吸附于表面的气体很多,单纯使用真空泵很难将空气抽干净,还必须使用高温高纯氮气进行间隔置换,本厂在抽真空方面已总结出很好的经验和工艺,从而保证了设计要求.图45多层绝热运输车的优点多层绝热低温液体运输车与真空粉末绝热低2002年第4期广东化工33温液体运输车相比具有以下优点.5.1日蒸发率低.保温效果好多层绝热真空度一般要求优于10Pa,夹层真空的残余气体分子对流传热很小,可忽略不计.而在真空粉末绝热中真空度只有1lOPa,还存在残余气体的对流传热.多层绝热由于采用许多的辐射屏,辐射传热只有真空粉末绝热的几十分之一.因而多层绝热的综合导热系数较真空粉末绝热少得多,一般相差100倍左右,所以尽管多层绝热保温层实际厚度只有2030nun,但多层绝热的传热量还是比真空粉末绝热小l4倍左右,因而多层绝热低温液体运输车的保冷效果更优,也更适合长时间,长距离的低温液体运输.5.2整车重心低.行驶稳定性更高由于多层绝热的夹层厚度一般取约100,而真空粉末绝热的夹层厚度需200nun,因而多层绝热低温液体运输车的整车重心高度比相同容积的真空粉末绝热低温液体运输车降低100nn左右,所以多层绝热低温液体运输车的行驶更稳定,使用更安全.5.3运输率高.节约运输使用成本在相同外壳容积的情况,多层绝热罐体的内胆直径比真空粉末绝热的内胆可增大200nun,这样,可以在不改变罐车外形尺寸的前提下,提供更大的载液容积.其载液量增幅为26%左右.在相同内胆容积的情况,由于真空多层绝热与真空粉末绝热的绝热材料不同,所以绝热层的重量也不同,例如:一台20n13的低温液体运输半挂车,采用真空粉末绝热时,粉末重量将近1400kg,而采用真空多层绝热时,重量仅为260kg左右.同时由于真空多层绝热的外套小200nun,在外套厚度相同的情况下,其重量也将减少10%左右.可见采用多层绝热低温液体运输车可降低设备重量,从而降低液体运输吨公里成本,相应就提高了运输经济效益.5.4使用寿命长,维护费用低真空粉末绝热运输车因运动及冷缩等原因会引起粉末沉降而影响绝热效果,所以夹层空间每隔一年左右必须进行补充珠光砂并重抽真空处理,这个时间长则一个月,最短也要十天左右,花钱且费时.而多层绝热则不存在这个问题,只是在每隔35年左右视夹层的真空度情况补抽真空即可,从而大大地降低了维护费用.6展望目前在发达国家已普遍使用多层绝热运输车,如:美国空气化工产品公司在中国的空分厂使用的低温液体运输车(贮运LN,L0,等)都采用了多层绝热,而不是真空粉末绝热结构.而国内真正的多层绝热低温液体运输车还不多见,主要是多层绝热的材料要求苛刻,真空度要求高,制造过程要求严格,但随着多层绝热制造工艺的成熟,我国多层绝热的低温液体运输车也正如火如荼发展起来.由于多层绝热低温液体运输车具有诸多的优点,是具有方向性的新技术应用,可以相信多层绝热运输车一定在深冷介质运输方面有一个广宽的发展前景,创造出可观的经济效益.参考文献1徐烈,朱卫东,汤晓英编.低温绝热与贮运技术,机械工业出版社.2化学工业部第四设计院主编.深冷手册(下册)(2002年8月收稿)作者简介胡明学,毕业于广东石油化工高等专科学校,工程师TheexploitureoftheHighVacuumMultilayerInsulationTankTruckforLowTemperatureLiquidHuMingxue,LiangJinyu,YuBaijian(Ka/piMachineryFactory,GInngPetrochemicalSpecialEquipmentCorporation,