Уважаемые посетители! На сайте проводятся технические работы. Некоторые страницы могут быть недоступны.
Уважаемые Дамы и Господа! 22.12.2017г. Наш офис и склад работает до 12:00
Просьба по всем вопросам писать на почту mail@mvif.ru
Уважаемые коллеги! 21.12.2018г. Наш офис и отгрузка товара работают до 11:30.
Просьба по всем вопросам писать на почту mail@mvif.ru

Экранно-вакуумная изоляция – настоящее и будущее криогенной техники

Скачать статью в формате pdf

Джеймс Дьюар

Рис. 1. Джеймс Дьюар

Использование вакуума для хранения криогенных продуктов неизменно ассоциируется с именем шотландского физика Джеймса Дьюара. Дьюар родился в 1842 году в Кинкардин-он-Форте в Шотландии. Он окончил Университет Эдинбурга, где затем и работал. В 1875 году Дьюар был избран профессором в Кембриджском университете. Сфера его научных интересов была весьма широка: органическая химия, водород и его физические константы, высокотемпературные исследования, температура Солнца и электрической искры, электрофотометрия и химия электрической дуги. Более 25 лет своей карьеры Дьюар посвятил спектрометрии и калориметрии газов. Но наиболее известен Дьюар в связи с его работой по сжижению газов и низкотемпературными исследованиями, в рамках которых он создал «сосуд Дьюара». Однако он не был первопроходцем в использовании вакуума. Первым использовать вакуум для хранения сжиженных газов решил немецкий физик А. Вайнхольд. В 1881 году он разработал и изготовил сосуд для хранения жидкого кислорода, представляющий из себя стеклянный ящик с двойными стенками. Из межстеночного пространства он откачал воздух и герметично запаял всю конструкцию.

Через несколько лет, в 1892 году, Джеймс Дьюар усовершенствовал «бутылку Вайнхольда». Он превратил ящик в колбу с узким горлышком, а тонкие стеклянные стенки покрыл серебром со стороны вакуума для уменьшения теплопритоков. Так родился «сосуд Дьюара». Однако Дьюар не видел никаких коммерческих перспектив в своем изобретении и поэтому не запатентовал его.

В отличие от шотландца, берлинский стеклодув Р. Бюргер увидел в изобретении Дьюара коммерческий потенциал. Немец немного усовершенствовал конструкцию, закрепив стеклянную колбу в металлическом кожухе и снабдив крышкой. В 1903 году он получил патент на «Сосуд с двойными стенками и вакуумом между ними» и основал фирму, получившую название Тhermos GmbH. Джеймс Дьюар долгие годы пытался оспорить авторство изобретения, однако безрезультатно. Бытовые сосуды Дьюара, прочно закрепившие за собой название термос, ставшее нарицательным, практически не изменились с тех пор. В отличие от них, промышленные технологии теплоизоляции криогенных жидкостей получили свое развитие в ХХ веке и продолжают развиваться в XXI. Современные типы вакуумной криогенной теплоизоляции подразделяются на три группы: высоковакуумная, вакуумно-порошковая и экранно-вакуумная теплоизоляция.

Фрагмент заявки на патент Р. Бюргера

Рис. 2. Фрагмент заявки на патент Р. Бюргера

Высоковакуумная теплоизоляция повторяет идеи Дьюара с той лишь разницей, что современная техника позволяет достичь существенно более глубокого вакуума – порядка 10–6 мм рт. ст. При таком давлении перенос тепла газом (за счет теплопроводности и конвекции) практически полностью исключается. В изолирующем пространстве устанавливается молекулярный режим течения газа, характеризующийся тем, что длина свободного пробега молекул газа, определяемая давлением, больше характерного размера – межстеночного расстояния. Перенос тепла по твердому телу (элементам конструкции) сводится к минимуму применением специальных технических решений. Единственным существенным каналом переноса тепла остается излучение, с которым борются установкой экранов, в том числе охлаждаемых.

Вакуумно-порошковая теплоизоляция широко распространена и обладает высокой эффективностью. При атмосферном давлении в порошкообразных материалах порядка 90% теплового потока приходится на газ, находящийся в порах. Поэтому помещение порошков в вакуум существенно уменьшает их теплопроводность. Благодаря небольшому размеру пор для эффективной теплоизоляции достаточно неглубокого вакуума – порядка 10–1 мм рт. ст. Снижение давления не приводит к улучшению теплоизолирующих свойств, так как основную роль играют механизмы теплопроводности по твердому телу (самим порошком) и лучистого теплообмена. Эффективная теплопроводность вакуумно-порошковой теплоизоляции составляет λ = 1,0 … 2,0 Вт/(м·К) и ниже при добавлении металлического порошка для экранирования излучения. Вакуумно-порошковая теплоизоляция применяется для изоляции криогенных емкостей, однако она малоприменима для изоляции трубопроводов.

Наиболее совершенным типом криогенной теплоизоляции является экранно-вакуумная (многослойно-вакуумная, слоисто-вакуумная) теплоизоляция. Она является дальнейшим развитием высоковакуумной изоляции в направлении снижения лучистого теплообмена. Основная идея заключается в многократном экранировании излучения. Строение типичной экранно-вакуумной изоляции рассмотрим на примере криогенного металлорукава производства MV&F (Рисунок 3).

Устройство металлорукава с экранно-вакуумной теплоизоляцией

Рис. 3. Устройство металлорукава с экранно-вакуумной теплоизоляцией

Экранирование излучения достигается за счет большого числа слоев тонкой алюминиевой фольги. Слои фольги разделены между собой стеклобумагой. Наибольшая эффективность экранновакуумной изоляции достигается подбором оптимальной плотности экранирующих слоев и оптимальной толщины пакета. Весь пакет изоляционных экранов помещен в вакуум с давлением не выше 10–5 мм рт. ст. Причем такое давление необходимо поддерживать как в объеме изолирующего пространства, так и между слоями. Наиболее важной задачей является поддержание вакуума на необходимом уровне в течение всего срока службы криогенного трубопровода. Это достигается такими мерами, как применение материалов с минимальным газовыделением, вакуумирование с предварительным прогревом, размещение адсорбирующих материалов в вакуумной полости. Для вакууммирования экранно-вакуумной изоляции в компании MV&F был спроектирован и собран полностью безмасляный откачной пост, включающий в себя мембранный форвакуумный насос, высоковакуумный турбомолекулярный насос и азотную ловушку для более быстрой и эффективной откачки паров воды.

Абсолютно необходимым условием сохранения глубокого вакуума в изоляционной полости в течение долгого времени является полная герметичность всех соединений и сварных швов. Для контроля герметичности используется наиболее точный на сегодняшний день метод – масс-спектрометрический.

Эффективная теплопроводность экранно-вакуумной теплоизоляции достигает значений λ = 0,05 мВт/(м·К), что делает ее самой совершенной на сегодняшний день из всех видов криогенной теплоизоляции.

Для теплоизоляции криогенных трубопроводов применяют еще один вид изоляции, которая не относится к вакуумному типу – газонаполненная. Газонаполненная теплоизоляция характеризуется невысокой стоимостью, простотой применения и относительно низкой эффективностью. Различают три основных типа применяемых материалов: волоконные, порошкообразные и ячеистые. Сейчас наиболее часто используемыми являются материалы на основе вспененного синтетического каучука, характеризующиеся теплопроводностью λ = 0,02 … 0,04 Вт/(м·К), а также материалы на основе аэрогеля с теплопроводностью λ = 0,01…0,02 Вт/(м·К). Газонаполненную изоляцию применяют для криогенных трубопроводов в случае, если время работы этих трубопроводов невелико и сравнимо со временем переходных процессов, например, при заправке небольших емкостей. Для примера рассмотрим 10-метровый трубопровод жидкого азота с Ду=20 мм с разными типами теплоизоляции.

Экранно-вакуумная теплоизоляция толщиной 15 мм обеспечивает теплопритоки 1,5 Вт на 1 метр длины. Таким образом, теплопритоки к 10-метровому трубопроводу будут составлять 15 Вт, что соответствует испарению 270 грамм или 0,33 литра жидкого азота в час. Теплоизоляция на основе аэрогеля толщиной 30 мм (достаточной для предотвращения конденсации на внешней поверхности теплоизоляции) обеспечивает теплопритоки 14 Вт/м. Таким образом, в 10-метровом трубопроводе потери азота на испарение составят 3,1 литра в час. Теплоизоляции из вспененного синтетического каучука требует толщину не менее 100 мм во избежание образования конденсата на поверхности изоляции. При такой толщине тепловой поток составляет порядка 19 Вт/м. Это соответствует 4,2 литра испаряемого азота в час.


Таблица 1. Сравнение характеристик различных видов теплоизоляции криогенного трубопровода


Теплоизоляция Эффективная
теплопроводность,
Вт/(м·К)
Наружный диаметр
теплоизоляции
для трубопровода Ду20,
мм
Потери азота
на испарение
на 10 метрах
трубопровода,
л/час
Экранно-вакуумная 1,0·10–4 55 0,33
На основе аэрогеля 0,012 85 3,1
Вспененный синтетический каучук 0,027 125 4,2

Компания MV&F, применяя современные технологии, производит несколько типов продукции с использованием экранно-вакуумной изоляции: криогенные трубопроводы, криостаты для технологических и научных задач, а также специализированное оборудование, проектируемое и изготавливаемое по техническому заданию клиента.

Основной точкой приложения технологии экранно-вакуумной теплоизоляции являются трубопроводы для транспортировки криоагентов от источника (криогенного резервуара) до потребителей – одного или нескольких. Первые криогенные трубопроводы с экранновакуумной изоляцией создавались для заправки космических ракет на стартовых комплексах – по ним в баки подавали криогенное топливо и окислитель – жидкие водород и кислород. Масштаб и спектр применения криогенных трубопроводов в наши дни крайне широк – от трубопроводов в сотни метров длиной в металлургической промышленности до лабораторных металлорукавов длиной в несколько метров. Они находят применение в медицине, пищевой промышленности, на высокотехнологичных вакуумных линиях, в микроэлектронике, в научных лабораториях.

Компания MV&F производит как жесткие криогенные трубопроводы, так и технически более сложные гибкие металлорукава. Применение гибких трубопроводов имеет существенные преимущества на всех этапах реализации проекта – от проектирования до демонтажа. На этапе проектирования применение гибких трубопроводов снижает потребность в точном определении длины линии подачи криоагента. На этапе монтажа гибкие трубопроводы существенно снижают объем и стоимость монтажных работ. Еще одним важным преимуществом гибких трубопроводов является возможность их демонтажа и повторного применения при изменении конфигурации или модернизации системы подачи криоагентов. Это продлевает срок жизни трубопровода и снижает затраты на модернизацию, что позволяет нашим клиентам развиваться и расти.

При необходимости в длинном криогенном трубопроводе возникает потребность в соединениях различных отрезков трубопровода. Наиболее удобным и современным решением является применение так называемых байонетных соединений (Рисунок 4).

Байонетное соединение

Рис. 4. Байонетное соединение

Они обеспечивают теплопритоки на уровне 2–4 Вт/соед., не требуют инструментов для сборки и разборки, позволяют много раз проводить монтаж и демонтаж соединения без ухудшения своих свойств.

Сложные системы обеспечения криогенными жидкостями неизбежно включают в себя разветвления. Компания MV&F изготавливает различные фитинги с экранно-вакуумной изоляцией (Рисунок 5). Возможны как байонетные соединения для присоединения криогенных трубопроводов, так и резьбовые соединения для присоединения к оборудованию. Отдельно стоит отметить применение металлорукавов с экранно-вакуумной теплоизоляцией для подачи криопродуктов в поршневые и центробежные криогенные насосы. Существенное снижение теплопритоков за счет применения экранно-вакуумной изоляции минимизирует кипение сжиженных газов и практически сводит на нет явление кавитации, что существенно продлевает ресурс работы криогенного насоса.

Криогенные фитинги с байонетными соединениями

Рис. 5. Криогенные фитинги с байонетными соединениями

Компания MV&F также разрабатывает и изготавливает криостаты для поршневых и погружных центробежных криогенных насосов. Криостаты для криогенных насосов с экранно-вакуумной теплоизоляцией минимизируют теплопритоки и, как следствие, кипение криогенной жидкости, что способствует стабильной работе насоса с минимальным износом. Специалисты компании MV&F не боятся сложных задач и всегда готовы прийти Вам на помощь и разработать оптимальное решение, удовлетворяющее всем проектным и техническим требованиям и пожеланиям.

Шумилин Никита, начальник сектора
конструирования вакуумного оборудования
ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг»
(MV&F)


 

Статьи:

Стабилизация состава водородосодержащих газовых смесейСжиженные газы и емкости для нихОсобенности менеджмента качества при изготовлении криогенного и газового оборудованияТрубопроводный транспорт промышленных газовПочему мы выбираем кованые баллоны из легированной стали?Насосные агрегаты с пневматическим приводомАтмосферные испарители для сжиженного природного газаНасосные и компрессорные агрегаты с пневматическим приводомЭксплуатация криогенных насосовКомпрессорные агрегаты с пневматическим приводомВеские причины для применения природного газа на транспортеГлубокая очистка газовИнтервью с директором по продажам компании Worthington IndustriesИнтервью с директором компании MV&FСовременные криогенные насосные агрегаты для наполнительных станцийЦелая вселенная решенийБольшое будущее малых криогенных сосудовВес имеет значениеАвтоматизация для современных технологических процессов – как воздух для живых организмовЭкранно-вакуумная изоляция – настоящее и будущее криогенной техникиКриогенная революция по имени LNGТС-34. Особенности и преимущества погружных центробежных криогенных насосовSEETRU - это безопасностьОборудование для хранения и применения водородаКриогеника и жизньСКПГ. Преимущества и перспективы.Криогенные поршневые насосы: насосов много - P2K одинБезопасность людей - главная задача современной промышленностиИнтервью главный инженер ООО «Мониторинг Вентиль и Фитинг» («МВиФ»)Углекислота, испарители и нагревателиПочему под давлением?Как рассчитать стоимость владения газовыми баллонами?Seetru - это инновации! Интервью с господином Отто Варга, основателем компании SeetruБезопасность сварочных работДавление под контролемКонтроль чистоты технологических газов – основа качества готового продуктаРегазификация СПГКриогенные клапаны с экранно-вакуумной изоляциейГлубокая очистка газовВопросы безопасности при эксплуатации баллонов