LNG技术 第四章 LNG低温绝热技术.ppt

1、LNG技术,第四章 LNG低温绝热技术,2020/7/12,2,4.1 绝热的目的和方法 低温绝热的目的主要是为了减少由环境介质传入的热量，即减少冷损。这对于气体液化及分离装置来说，可使运转经济性提高；对于低温液体储运设备来说，可以减小气化损失，或为长时间储存及远距离运送创造条件。特别是对于LNG液化装置及LNG储存容器，如果没有良好的绝热，液化和储存都难以实现。因此，低温绝热不仅具有经济意义，而且具有技术意义。除此之外，对设备、管道进行绝热还可以避免在外表面上结露、结霜，也可以避免人的皮肤与之接触时有冷的感觉甚至冻伤。这对改善工作条件及防止意外事故的发生都是有必要的。,2020/7/12,3

2、,4.1.1 绝热方法的分类 低温绝热分为普通绝热和真空绝热 普通（堆积）绝热 普通绝热是一种使用较早的传统的绝热方法，它是在设备、容器，管道的外侧敷设固体的多孔性绝热材料，而在绝热材料的空隙中充满着大气压力下的空气（或其它气体）。这种绝热方法的绝热性能较差，但其结构简单、造价低廉，故在绝热要求不高的情况下普遍使用。现在，天然气液化装置、空气分离装置及大容量的液氧、液氮及液化天然气储槽多采用这种绝热方法。,2020/7/12,4,真空绝热 真空绝热是将绝热结构做成密闭的夹层，内部空间抽至一定的真空度，以减少热量的传入。真空绝热有三种基本类型：高真空绝热、真空多孔绝热及真空多层绝热 。,2020

3、/7/12,5,1）高真空绝热 亦称单纯真空绝热，它只是单纯地将夹层空间抽至1.33mPa（10-5mmHg）的真空。常见的杜瓦瓶即采用这种绝热方式。在真空夹层中，只有两个壁面之间的辐射传热及夹层内残余气体的导热。如果将夹层内表面抛光，或者涂上一层反射性物质，就形成反射性能良好的真空夹层，辐射传热量即可减小。这种绝热结构因有辐射热交换，故绝热性能不是很好；但它的结构最简单，重量轻，热容量小，故自上世纪初以来它一直应用很普遍。,2020/7/12,6,2）真空多孔绝热 它是在夹层中充填多孔性绝热材料，然后再抽至一定的真空。从工艺的方便性考虑，一般都是充填粉末材料或纤维材料，故这种绝热方式也称为真

4、空粉末绝热或真空纤维绝热。真空夹层中的绝热材料削弱了壁面之间的辐射换热，所以它的绝热性能比高真空绝热要好，对真空的要求可以降低，一般达1Pa左右（102mmHg）即可。如果向粉末或纤维材料中加入一定比例的反射性强的金属粉末，例如铝粉或铜粉，以减小材料内粉粒或纤维之间的辐射换热称为阻光作用，则可使绝热性能大为提高。真空粉末及真空纤维绝热现在广泛用于低温液体的贮存及运输设备和管道。,2020/7/12,7,3）真空多层绝热 它是在真空夹层中装入许多辐射屏，用来减少壁面之间的辐射换热。多层绝热有两种基本型式，一种是用金属箔作辐射屏，屏间填入导热性能低的间隔材料；一种是用单面喷铝的涤纶薄膜作辐射屏，且

5、压制成波纹形成凹凸形，以减少屏间的接触传热。真空多层绝热要求真空达15mPa左右（104mmHg）即可。真空多层绝热是当前绝热性能最好的绝热方式之一，常称为“超级绝热”，多用于液氢及液氦储运容器，现也用于小型液氧、液氮容器。真空多层绝热的缺点是施工比较麻烦，造价比较高，且绝热性能随施工质量而变。,2020/7/12,8,4.1.2 绝热性能的评定 绝热结构的绝热性能可用其有效导热系数（或称表观导热系数，包括对流及辐射换热在内）来评定，它的数值越小，则绝热性能越好。在图4-2中示出各种绝热方式有效导热系数的变化范围。由图可以看出，多层绝热比其它绝热方式具有高得多的绝热性能，而非真空绝热方式的绝热

6、性能最差。,2020/7/12,9,4.2 低温装置用绝热材料 在各种绝热方式中，除高真空绝热外都要应用绝热材料。绝热材料是用来增强绝热结构的绝热性能，以减小通过绝热结构的传热量。对绝热材料性质的了解是设计绝热结构的基础。 4.2.1绝热材料的种类及一般特性 绝热材料的品种较多，它们的性质相互差别也较大。绝热材料按材质可分为矿物质材料及有机质材料两类。在低温装置中多应用矿物质材料。绝热材料按其组织结构可分为泡沫状材料、粉末状材料及纤维状材料三类，它们的组织结构不同，在其中所进行的传热过程的机理不同，用它们构成的绝热结构的型式也不完全一样。,2020/7/12,10,1）泡沫塑料 以聚合物或合成

7、树脂为原料，加发泡剂和稳定剂经加热发泡而成。泡沫塑料用作绝热材料的优点是密度和导热系数都较小，能适用于低温，吸水性小，能抗酸碱的侵蚀，燃烧性差（离开火源后能自熄），易于切割和施工，因而它们的应用日益广泛。 2）矿棉 或称矿渣棉，是将熔铁炉渣（也可用泥灰岩）在熔融状态时用高压水蒸汽吹成的矿质纤维（纤维中往往含有玻璃状小球），它耐火耐冻、无味不霉、密度及导热系数都较小，价格低廉，故是一种较好的绝热材料。矿棉常用于空分装置及运输式设备。,2020/7/12,11,3）珠光砂 珠光砂也称膨胀珍珠岩。珍珠岩是一种火山喷出的酸性玻璃质熔岩，其主要成分为SiO2和AlO2。当岩浆流出地表时，由于急剧冷却，水

8、分来不及完全逸出，因而岩石中便含有一定量的结晶水。将岩石粉碎成细粒后，迅速加热至7001000C，结晶水急速汽化，岩石体积可增大420倍，便得到色白质轻的珠光砂，其尺寸大部分在0.30.6mm之间。珠光砂的密度和导热系数都很小，故是一种良好的绝热材料。珠光砂不燃烧、不霉烂、无毒无味、不会腐蚀；它的流动性好，可用风压输送；此外，还具有隔音和防辐射线的性能，加之来源较广，故应用较多。珠光砂主要用于空分装置及气体液化装置中，其缺点是吸水率较高，且有下沉现象。珠光砂还具有吸附气体的能力，当它吸附有可燃气体时，在检修施工前应予置换，以确保施工安全。,2020/7/12,12,4）碳酸镁 粉末状碳酸镁的绝

9、热性能良好，价格较低，故以往多用于低温装置及设备的真空绝热。但碳酸镁在易结块（且结块后较难再生），又其中常含有一定量的水分，使抽真空较困难，因而逐渐被其他材料代替。 5）气凝胶及硅胶粉 气凝胶也称硅酸气凝胶，它是用从硅酸凝胶中除去液体而不明显压缩其骨架的方法得到的材料，是目前已知的最有效的绝热材料。气凝胶的导热系数小，流动性好，稍具有弹性，第一次装填之后不会因震动而下沉，且在真空绝热中易于抽空。但气凝胶很贵，且浸入水中后即形成硅酸凝胶，密度增大将近十倍，不能用再作绝热材料。硅胶粉是由二氧化硅构成的粉末，其密度及导热系数均较气凝胶大。,2020/7/12,13,4.2.2 绝热材料的热物理性质

10、1）导热系数 导热系数是绝热材料的最基本的特性。绝热材料的导热系数与很多因素有关，其中影响较大的是温度、压力、密度、含湿量及环境气体 。 2）比热 绝热材料的比热是与绝热结构在降温（或升温）时所需的冷量（或热量）有关。比热的数值越大，则需要的冷量（或热量）就越多。绝热材料的比热随着温度的降低而降低 。 3）线膨胀系数 绝热材料受热时的线膨胀系数可用来估计绝热结构在降温（或升温）时的牢固性及稳定性。线膨胀系数越小，则绝热结构降温时收缩或破裂的可能性就越小。,2020/7/12,14,4.2.3 绝热材料的选择 在选择绝热材料时，有如下几方面的要求： 导热系数小、密度小； 吸湿性小； 抗冻性强；

11、耐火性强； 无气味，不易霉烂，对人体无害，并能避免虫蛀鼠咬； 机械强度高，经久耐用； 能保持固定的几何形状和尺寸，便于加工和施工； 价格低廉，易于获得和便于运输。,2020/7/12,15,在一个具体的设计中，要全部满足上述要求是很困难的，这就需要具体地分析具体情况，抓住主要矛盾，从某一点或几点出发，来选择最有利的绝热材料。 对于大型装置，绝热材料用量大，就须着重考虑价格和货源；对于小型装置材料价格就不是主要问题，而应着重考虑轻便耐用。 对于低温装置、设备及管道，应采用导热系数小的绝热材料，特别是对于直径小的管道，要防止绝热结构的外径接近临界绝热直径，而使冷损增大。,2020/7/12,16,

12、对于温度需要经常改变的设备，除要求导热系数小之外（这样绝热结构就较薄），希望其容积比热小（即密度与比热的乘积c小），这样过渡过程的能耗就少。 对于运输式装置和运输式低温容器，特别是对于空间飞行器，希望密度与导热系数的乘积小，这样运输重量或火箭的发射重量就小。,2020/7/12,17,4. 3 热桥 外界进入低温部份的热流，除通过绝热体传导外，还有一部分是通过绝热空间的连接件如管道、吊杆、支承等传导，这些连接件称为热桥。 通过热桥传导的热流比例，随绝热体绝热效率的提高而增大。在低温液体容器中，通过热桥传导的热流可高达总热流的3050%，甚至更大。因此，在低温绝热中，除设法减小通过绝热体的热流外，同时还需设法减小通过热桥传导的热流。,2020/7/12,18,减少热桥导热的措施 选用导热系数小和强度高，即具有较大 比值的材料制作热桥（为材料的许用应力，为材料在20300K下的平均导热系数）。 非金属材料的 比值较大，但在低温下脆性也较大，不能承受较大的冲击和振动。因此，多用于实验室规模的装置或小容量容器。对于大型装置，或大容量容器，则多用金属，一般用导热系数较