建筑工程管控LNG槽車儲罐絕熱結(jié)構(gòu)及施工方法設(shè)計

（建筑工程管理）LNG槽車儲罐絕熱結(jié)構(gòu)及施工方法設(shè)計

LNG槽車儲罐絕熱結(jié)構(gòu)及施工方法設(shè)計摘要隨著液化天然氣（LNG）技術(shù)的迅速發(fā)展，LNG槽車得到廣泛的應(yīng)用。本文對有效容積為40m3的槽車儲罐絕熱結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計。于詳細(xì)分析LNG槽車儲罐絕熱方式的基礎(chǔ)上，提出槽車儲罐適宜的絕熱方式，且進行了絕熱傳熱計算。針對高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)設(shè)計了壹套纏繞施工方案，最后，關(guān)鍵詞：液化天然氣；槽車儲罐；絕熱；施工DesignofThermalInsulationandWrappingProcessofTankforLNGRoadTankerAbstractAstherapiddevelopmentofLNG,LNGtankerswerewidelyapplied.Theinsulationstructureofthetankvolume40m3forLNGroadtankerwasdesigned.Baseontheanalysisofsomekindsofthermalinsulation,highvacuummultilayersthermalinsulationwasselectedandcalculated.Then,asetoftechnologyschemetowraptheinsulationlayerswaspresented.Thesketchofthetechnologyschemewasdrawnandtheoperationwasintroducedinthispaper.Keywords:LNG;Tanker;ThermalInsulation;Wrap目錄第1章緒論11.1概論 11.1.1天然氣 11.1.2液化天然氣 11.2低溫容器 31.3LNG車運發(fā)展趨勢 41.4本論文主要研究內(nèi)容 4第2章LNG槽車儲罐的絕熱方式 62.1低溫絕熱的類型 62.2高真空多層絕熱優(yōu)勢 7第3章高真空多層絕熱傳熱機理及影響因素 83.1高真空多層絕熱傳熱機理 83.1.1高真空多層絕熱中的輻射傳熱 83.1.2高真空多層絕熱中的固體導(dǎo)熱 93.1.3高真空多層絕熱中的殘余氣體導(dǎo)熱 103.2高真空多層絕熱的影響因素 123.2.1不同絕熱材料對絕熱效果影響 123.2.2通過提高層間真空度改善絕熱效果 133.2.3多層反射屏的層數(shù)及密度對絕熱效果影響 163.2.4層間壓緊力對絕熱效果的影響 16第4章高真空多層絕熱傳熱計算 174.140m3槽車儲罐計算參數(shù) 174.2支撐構(gòu)件漏熱量的計算 174.2絕熱體漏熱量的計算 194.3絕熱層厚度的計算 19第5章多層絕熱結(jié)構(gòu)施工方法 215.1施工工藝設(shè)備初步設(shè)計 215.1.1主要設(shè)備 215.1.2附件 215.2施工前的準(zhǔn)備工作 215.2.1衛(wèi)生要求初步設(shè)計 215.2.2絕熱材料的選擇 225.2.3鋁箔的處理 225.2.4玻璃絲布的處理 225.2.5分子篩的選擇及處理 225.3多層絕熱纏繞施工方案 235.3.1固定罐體 235.3.2纏繞過程 235.4層密度的控制 235.5纏繞過程中的注意事項 24第6章結(jié)論 25致謝 26參考文獻(xiàn) 27附文（外文翻譯原文及中文譯文）第1章緒論1.1概論目前，國內(nèi)外天然氣的需求空前增長，但國內(nèi)外天然氣資源和用戶分布極不均衡。世界上已探明的天然氣儲量大多位于俄羅斯境內(nèi)的西伯利亞西部和波斯灣，中國天然氣資源則多分布于中西部地區(qū)，很多天然氣用戶市場卻嚴(yán)重缺乏資源供應(yīng)，要合理利用天然氣資源，首先必須根本解決利用和運輸之間的矛盾。1.1.1天然氣天然氣和煤炭，石油且稱目前世界壹次能源的三大支柱。天然氣的蘊藏量和開采量均很大，天然氣的基本成分是甲烷。天然氣除了是壹種廉價的化工原料之外，仍是壹種清潔能源，主要作為燃料使用。由于天然氣的熱值高，燃燒產(chǎn)物對環(huán)境污染少，是壹種公認(rèn)的優(yōu)質(zhì)清潔燃料。隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，石油危機的沖擊和煤、石油所帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，使能源結(jié)構(gòu)逐步發(fā)生變化，天然氣的消費量急劇增長。天然氣用于聯(lián)合發(fā)電、供冷和供熱、燃料電池等方面均具有十分誘人的前途，發(fā)達(dá)國家均于競相進行應(yīng)用開發(fā)。我國的天然氣資源比較豐富，據(jù)不完全統(tǒng)計，資源量約為3.8×1013m31.1.2液化天然氣[1]液化天然氣（liquefiednaturalgas，簡稱LNG），是指天然氣原料經(jīng)過預(yù)處理，脫除其中的雜質(zhì)后，再通過低溫冷凍工藝于-162℃下形成的低溫液體混合物。不同LNG工廠生產(chǎn)的產(chǎn)品組成不同，這主要取決于生產(chǎn)工藝和氣源氣組成。按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1160的規(guī)定，LNG的甲烷含量應(yīng)高于75%，氮含量應(yīng)低于5%。壹般商業(yè)LNG產(chǎn)品的組成如表1-1所示。由表1-1可見，LNG的主要成分為甲烷，其中仍有少量的乙烷、丙烷、丁烷及N2等惰性組分。表1-1商業(yè)LNG的基本組成組分/%組分/%甲烷92~98丁烷0~4乙烷1~6其他烴類化合物0~1丙烷1~4惰性成分0~3LNG的性質(zhì)隨組分的變化而略有不同，壹般商業(yè)LNG的基本性質(zhì)為：于-162℃和0.1MPa下，LNG為無色無味的液體，其密度約為430kg/m3，燃點為650℃，熱值壹般為37.62MJ/m3,,于-162℃LNG的主要優(yōu)點表當(dāng)下以下方面。安全可靠LNG的燃點比汽油高230℃，比柴油更高；LNG爆炸極限比汽油高2.5~4.7倍；LNG的相對密度為0.47左右，汽油為0.7左右，它比空氣輕，即使稍有泄露，也將迅速揮發(fā)擴散，不至于自然爆炸或形成遇火爆炸的極限濃度。因此，LNG是壹清潔環(huán)保天然氣于液化前必須經(jīng)過嚴(yán)格的預(yù)凈化，因而LNG中的雜質(zhì)含量較低。根據(jù)取樣分析對比，LNG作為汽車燃料，比汽油、柴油的綜合排放量降低約85%左右，其中CO排放減少97%、NOx減少30%~40%、CO2減少90%、微粒排放減少40%、噪聲減少40%，而且無鉛、苯等致癌物質(zhì)，基本不含硫化物，環(huán)保性能非常優(yōu)越。因此，LNG是壹種潔凈的能源。便于輸送和儲存通常的液化天然氣多儲存于溫度為112K、壓力為0.1MPa左右的低溫儲罐內(nèi)，其密度為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷的600多倍，體積能量密度為汽油的72%，十分有利于輸送和儲存?？勺鲀?yōu)質(zhì)的車用燃料天然氣的辛烷值高,抗爆性好,燃燒完全,污染小,和壓縮天然氣相比,LNG儲存效率高,自重輕且建站不受供氣管網(wǎng)的限制。便于供氣負(fù)荷的調(diào)節(jié)對于定期或不定期的供氣不平衡,LNG儲罐能很好地起到削峰填谷的調(diào)節(jié)作用。1.2低溫容器低溫技術(shù)是19世紀(jì)末于液態(tài)空氣工業(yè)上發(fā)展起來的，隨著科學(xué)的進步，于近30年中得到了廣泛的應(yīng)用。低溫容器是低溫工業(yè)過程中的關(guān)鍵設(shè)備，其特點是很容易產(chǎn)生低溫脆性破壞。低溫脆斷是于沒有預(yù)兆的情況下突然發(fā)生的，危害性很大，因此于選材、試驗方法和制造等方面均要采取措施，防止低溫脆斷事故的發(fā)生。對于深低溫下運行的容器，仍必須有良好的低溫絕熱結(jié)構(gòu)和密封結(jié)構(gòu)。壓力容器的低溫界限，目前世界各個國家壓力容器常規(guī)設(shè)計規(guī)范對低溫壓力容器劃分的溫度界限各不相同。溫度界線是各個國家根據(jù)本國于壓力容器方面的經(jīng)驗，人為劃分開的。具體劃分見下表：表1-2各國規(guī)范的低溫界線國家美國德國日本英國中國規(guī)范名稱ASMEⅧ1AD規(guī)范JISB8207BS5500GB150低溫界限<-30℃<-10℃<-10℃<0℃≤-10℃1.3LNG車運發(fā)展趨勢LNG的主要成分是甲烷,甲烷的正常沸點為-162℃,故儲運LNG均應(yīng)采用低溫絕熱結(jié)構(gòu),屬于低溫液體儲運設(shè)備。液化天然氣輸運容器根據(jù)用途不同可分為三類：LNG罐式集裝箱；LNG罐車,包括掛車和半掛車；LNG車載儲氣瓶。三種LNG輸運容器的性能比較見下表。我國的LNG運輸工具目前主要采用LNG罐車，容積為25m3~45m3，車型均為半掛式運輸罐車。表1-3LNG輸運容器產(chǎn)品種類和特點LNG罐式集裝箱LNG罐車LNG車載儲氣瓶用途船只、鐵路、公路運轉(zhuǎn)LNG，也可兼做小型固定儲罐用公路轉(zhuǎn)運LNGLNG汽車用燃料箱規(guī)格或容積范圍20、40、43英尺三種30~120m0.6m主導(dǎo)的絕熱方式高真空多層絕熱為主真空纖維絕熱高真空多層絕熱高真空多層絕熱工作壓力國際市場價格15~25萬美元15~30萬美元5000美元左右隨著許多國家加速天然氣汽車工業(yè)發(fā)展計劃的實施，未來LNG汽車的數(shù)量將會大幅度增長，LNG燃料加注站等基礎(chǔ)設(shè)施的大力發(fā)展為重型車輛使用LNG燃料創(chuàng)造了條件。由于汽車的耗油量且不隨載重量的增加而成比例地增加，汽車列車的耗油量和同功率的單車相比增加不多，因此單掛車LNG罐車的噸km成本遠(yuǎn)小于單車，LNG罐車向大型化、列車化發(fā)展是必然趨勢。1.4本論文主要研究內(nèi)容根據(jù)LNG槽車儲罐的初始設(shè)計條件，分析粉末絕熱、纖維絕熱、真空多層絕熱等常用的隔熱結(jié)構(gòu)，于此基礎(chǔ)上提出LNG槽車儲罐適宜的絕熱形式。然后根據(jù)擬定的儲罐的絕熱結(jié)構(gòu)，進行結(jié)構(gòu)設(shè)計且計算絕熱層厚度。設(shè)計壹套高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)纏繞施工方案，且對施工工藝設(shè)備進行初步設(shè)計。第2章LNG槽車儲罐的絕熱方式2.1低溫絕熱的類型低溫絕熱的目的是采用各種不同的絕熱類型和結(jié)構(gòu),將通過對流、傳導(dǎo)和輻射等途徑傳遞給低溫體系的熱量減少到盡可能低的程度,以維持低溫系統(tǒng)正常工作。目前,常用的低溫絕熱有如下類型:堆積絕熱、高真空絕熱、真空粉末(纖維)絕熱、高真空多層絕熱(含多屏絕熱),它們的原理、性能見表2-1。表2-1各種低溫絕熱類型的原理、性能[3]序號類型原理性能W/(m·K)1堆積絕熱利用熱導(dǎo)率小的材料包覆于被絕熱體的表面上達(dá)到絕熱目的。纖維類0.035~0.05粉末類0.0185~0.064泡沫類0.028~0.0642高真空絕熱絕熱空間抽成高真空后消除氣體對流傳熱和大幅度減少氣體導(dǎo)熱。殘余氣體導(dǎo)熱量約為0.1~0.2W/m2（300K~77K）3真空粉末（纖維）絕熱利用熱導(dǎo)率很低的粉末或纖維充填于不高的真空下，即可消除氣體對流傳熱。10-3~10-24高真空多層絕熱利用于真空下氣體傳熱甚低的情況下，采用多層反射屏減少輻射傳熱，達(dá)到高效絕熱的目的。10-5~10-6堆積絕熱：也就是非真空絕熱，即于需要絕熱的表面上裝填或包覆壹定厚度的絕熱材料以達(dá)到絕熱的目的，常用于管道及大型貯罐，常用的絕熱材料有珠光砂、玻璃棉、泡沫玻璃及泡沫塑料等。堆積絕熱的絕熱效果較差。高真空絕熱：即單純真空絕熱，壹般要求于絕熱空間保持1.33Pa以下壓強的真空度，這樣就能夠消除氣體對流傳熱和絕大部分的殘余氣體導(dǎo)熱，以達(dá)到良好的絕熱效果。由于高真空絕熱空間高真空度的獲得和保持比較困難，壹般于大型裝置中很少應(yīng)用。真空粉末（纖維）絕熱：真空粉末絕熱和真空纖維絕熱均屬于真空多孔絕熱，是于絕熱空間充填多孔性絕熱材料(粉末或纖維)，再將絕熱空間抽至壹定真空度的絕熱型式。只要于不高的真空度下，就能夠消除粉末絕熱介質(zhì)間的氣體對流換熱，從而大大減少高真空度獲得和保持的困難。由于此類絕熱的熱導(dǎo)率只有堆積絕熱的幾十分之壹，且真空度要求不高，夾層壓力為1～10Pa左右,故于低溫技術(shù)中得到大量應(yīng)用。絕熱材料多用珠光砂、玻璃棉、氣凝膠等。高真空多層絕熱：又稱多層絕熱，它是壹種于絕熱空間中安置許多層平行于冷壁的輻射屏以大幅度減少輻射熱而達(dá)到高效絕熱的結(jié)構(gòu)，為目前絕熱效果最好的壹種絕熱形式，其于低溫技術(shù)中獲得了廣泛的應(yīng)用。其中的反射屏材料為金屬箔(如鋁箔、銅箔、金箔等)，間隔材料多為無堿玻璃布、纖維紙、填碳紙等。對于多層絕熱的組合，目前使用最多的是鋁箔和纖維紙的組合。2.2高真空多層絕熱優(yōu)勢國內(nèi)于低溫液體槽車的研制上起步較晚，目前國內(nèi)多數(shù)廠家的低溫液體槽車采用的是真空粉末絕熱或真空纖維絕熱，也有部分廠家采用高真空多層絕熱。而于發(fā)達(dá)國家已經(jīng)普遍使用高真空多層絕熱槽車。真空粉末絕熱于絕熱空間充填多孔性絕熱材料，對真空度的要求不高。和之相比，高真空多層絕熱由多層反射材料和間隔物交替纏繞而成，夾層抽成高真空，反射材料通常采用鋁箔或鍍鋁滌綸薄膜，間隔物壹般采用玻璃纖維紙、植物纖維紙或尼龍網(wǎng)。由于高真空多層絕熱能有效地抑制熱輻射的作用，因此具有優(yōu)良的絕熱性能。表2-2簡單列出了于相同的邊界溫度條件下(80K、300K)倆種絕熱型式的主要技術(shù)參數(shù)[4]。能夠見出，高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)的絕熱性能要明顯優(yōu)于真空粉末絕熱。表2-2真空粉末絕熱和高真空多層絕熱主要技術(shù)參數(shù)的比較絕熱形式絕熱材料表觀熱導(dǎo)率／（mW/m·K）夾層真空度/Pa真空粉末絕熱珍珠巖粉末，128kg/m3(190K)1.510-1高真空多層絕熱MLI，鍍鋁薄膜，50層0.065×10-3和真空粉末絕熱相比，高真空多層絕熱主要具有以下優(yōu)勢：（1）夾層厚度小高真空多層絕熱的夾層厚度較小，當(dāng)外形尺寸相同時，則有更大的裝載容積；以20英寸ISO罐式集裝箱為例，若用真空粉末絕熱，則夾層厚度為200mm，有效容積僅為13m3，而采用高真空多層絕熱時，夾層厚度僅為80mm，罐箱的有效容積可達(dá)到18m3，相差27%（2）質(zhì)量輕采用高真空多層絕熱方式可使輸運容器的空載質(zhì)量大大減輕、運輸效率提高、儲能密度增大、LNG運輸成本降低。對于有效容積20m3左右的輸運容器，采用高真空多層絕熱可使空載質(zhì)量減少1500kg之上（3）防震性能好采用高真空多層絕熱方式可避免因容器運輸過程中震動而引起絕熱材料沉降，確保絕熱效果。當(dāng)然，用真空纖維絕熱（超細(xì)玻璃棉包扎）也可避免這壹問題。（4）制作工藝和成本相當(dāng)目前，高真空多層絕熱低溫容器的制作工藝和制作安裝、制作成本和制造周期和真空粉末絕熱低溫容器已趨于壹致。綜合之上考慮，本文所設(shè)計的槽車儲罐采取高真空多層絕熱的形式。第3章高真空多層絕熱傳熱機理及影響因素3.1高真空多層絕熱傳熱機理高真空多層絕熱中存于三種傳熱形式：輻射傳熱、層和層之間的固體導(dǎo)熱、層間剩余氣體導(dǎo)熱。3.1.1高真空多層絕熱中的輻射傳熱多層絕熱系統(tǒng)輻射屏采用鋁箔或鍍鋁的聚酯薄膜，間隔物采用非金屬材料，影響輻射傳熱的主要因素有材料的發(fā)射率、吸收系數(shù)、散射系數(shù)和厚度等。金屬表面的輻射性能具有明顯的尺寸效應(yīng)，這是因為倆個因素的影響。其壹是金屬薄膜的厚度和電子平均自由程的比值。隨著溫度的降低，金屬電子的平均自由程增大，當(dāng)大于金屬薄膜的厚度時，就會發(fā)生輻射波的穿透，導(dǎo)致發(fā)射率增大；其二是低溫下金屬表面的反常集膚效應(yīng)。間隔物的作用于于它的隔熱作用和對輻射波的吸收和散射。通過固體傳導(dǎo)的熱阻能夠認(rèn)為是間隔層到發(fā)射屏界面上的熱阻和間隔層本身的熱阻之和。其中間隔物和反射屏之間的熱阻起主導(dǎo)作用。因此，應(yīng)減少間隔物和反射屏的接觸面積，而不是增大間隔物的厚度。另外間隔物也能夠衰減輻射熱流。多層絕熱的輻射傳熱比熱流由下式表示：（1-1）式中：—輻射屏倆面的發(fā)射率；—間隔物厚度；—黑體輻射系數(shù)，為；—吸收系數(shù)；—散射系數(shù)；—輻射屏溫度。如果多層絕熱中沒有間隔材料或者將輻射屏傳導(dǎo)和間隔物對輻射的衰減略去不計，且令，則（1-1）變?yōu)槭街校骸鄬咏^熱的層密度；—輻射層數(shù)；—多層的厚度。由上式可知，輻射傳熱反比于層密度。多層絕熱的比熱流于某種程度上能夠通過增大層密度來減少，可是應(yīng)注意層密度過大會增大間隔物的導(dǎo)熱。3.1.2高真空多層絕熱中的固體導(dǎo)熱常用的多層材料通常是由高反射率、低發(fā)射率的發(fā)射層和熱導(dǎo)率小的間隔物組成。因此，于多層絕熱中，通過固體傳熱的熱阻能夠認(rèn)為是間隔層和發(fā)射層之間的接觸熱阻以及間隔層本身的熱阻之和。所以，為了減少固體導(dǎo)熱，首先應(yīng)使間隔物和反射屏的接觸面積盡可能的小，其次，是用熱導(dǎo)率較小的材料來當(dāng)作間隔物。為了減少間隔物和屏的接觸面積，人們想了很多方法，如將多層材料做成褶皺，或于絕熱材料表面顆粒化，這樣就能夠把層和層之間直接的面接觸變?yōu)榫€接觸或點接觸，以增大接觸熱阻。同時包纏時要保證合適的松緊度以及合適的層密度，這些因素均會對固體導(dǎo)熱有很大影響。選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的材料作為間隔物也很重要。目前主要的間隔物有玻璃纖維、二氧化碳纖維、碳纖維、滌綸薄膜、尼龍網(wǎng)等。這些材料常和反射材料壹起構(gòu)成多層絕熱結(jié)構(gòu)。層密度對固體導(dǎo)熱有很大的影響。當(dāng)每壹單位厚度絕熱材料中的層數(shù)增加時，輻射傳熱將減少，輻射傳熱的當(dāng)量熱導(dǎo)率隨層密度的增大而降低?？墒?，固體導(dǎo)熱將增加，固體導(dǎo)熱的當(dāng)量熱導(dǎo)率隨層密度的增加而升高。因此于某壹層密度（即最佳層密度）時，總的當(dāng)量熱導(dǎo)率達(dá)到最小值。有人對鋁箔和玻璃纖維紙的多層絕熱的熱導(dǎo)率和層密度的關(guān)系進行研究，結(jié)果表明最佳層密度約為20～40層/cm[5]。由于影響高真空多層絕熱中固體導(dǎo)熱的因素很多，而且很多因素均是難用儀器測出的。所以除了壹些表觀性公式或壹些半經(jīng)驗公式之外，目前無壹個普遍適用于各種絕熱結(jié)構(gòu)的公式來計算固體導(dǎo)熱。可是，目前有大量的實驗結(jié)果以及經(jīng)驗表明，通過固體導(dǎo)熱的傳熱量大約占整個絕熱結(jié)構(gòu)傳熱量的5%[3]左右。3.1.3高真空多層絕熱中的殘余氣體導(dǎo)熱殘余氣體導(dǎo)熱對多層絕熱性能的影響能夠從倆個方面來考慮，其壹是表觀真空度，即真空腔中的真空測量值對絕熱性能的影響；其二是多層結(jié)構(gòu)的層間氣體壓力對氣體導(dǎo)熱的影響。于60年代中期以前，人們以為絕熱容器抽真空時，多層的層間壓力和和真空腔中的壓力是相等的，所以于高真空（10-2帕以下）時氣體傳熱可忽略不計，只考慮固體導(dǎo)熱和輻射傳熱。可是后來壹些研究表明，多層絕熱中層間氣體壓力且不等于真空腔中的氣體壓力。如前所述，有人做了多層絕熱傳熱的傳熱量和層數(shù)之間關(guān)系的實驗。結(jié)果表明，多層絕熱的輻射屏數(shù)不是越多越好，而是有壹最佳層數(shù)。當(dāng)層密度相同時，熱流且不隨層數(shù)的增多而單調(diào)下降，而是某壹層數(shù)達(dá)到最低。然后，隨著層數(shù)的繼續(xù)增加，熱流反而增大了。這個結(jié)構(gòu)顯然是和建立于輻射傳熱占主要優(yōu)勢基礎(chǔ)上的真空多層絕熱的基本理論相違背。而且通過前面的分析，于層密度壹定的情況下，層數(shù)的增加不可能使輻射熱流和固體導(dǎo)熱熱流增加。所以，只可能是多層中殘余氣體壓力的增大導(dǎo)致了當(dāng)量熱導(dǎo)率的增加，從而使總熱流增多。這是由于多層絕熱層間存于著很大的抽氣阻力以及材料的不斷放氣，造成了絕熱層內(nèi)外的壓力不同。層數(shù)越多，層密度越大，抽氣阻力就越大；表面積越大，則放氣量也就越大。因此于多層中便造成了中間層壓力最大的壓力分布。通常情況下，層間殘余氣體的運動的平均自由程要比層間隙大得多。根據(jù)文獻(xiàn)，空氣分子于不同溫度和壓力下的分子自由程如表3-1所式。表3-1空氣分子于不同溫度和壓力下的分子自由程平均自由程（cm）溫度（K）77K300K壓力（Pa）10-2/3.510-10.653.81/0.35由表可知，空氣的分子自由程至少為幾個毫米，有的甚至達(dá)到幾百毫米。然而層和層之間的間隙壹般小于0.5mm。所以能夠認(rèn)為分子平均自由程遠(yuǎn)大于層間距。因此，殘余氣體是靠其分子和壁面碰撞而傳熱的。分子間的相互碰撞對傳熱所引起的作用可忽略不計。3.2高真空多層絕熱的影響因素多層絕熱材料由倆類物質(zhì)組成：①反射率高、有效輻射率小的屏材料，如鋁箔、金箔或噴鋁聚酯薄膜等；②由熱導(dǎo)率低和低放氣率的材料組成的間隔物材料，如玻璃纖維布、纖維紙、尼龍網(wǎng)、絲網(wǎng)等。[6]3.2.1不同絕熱材料對絕熱效果的影響不同多層絕熱結(jié)構(gòu)及其當(dāng)量熱導(dǎo)率如表3-2所示[7]。表3-2不同多層絕熱結(jié)構(gòu)及其當(dāng)量熱導(dǎo)率材料層數(shù)厚度/mm冷面溫度/℃熱面溫度/℃當(dāng)量熱導(dǎo)率/（4.2kJ/m·h·K）雙面鍍鋁滌綸膜+KT-231尼龍網(wǎng)299.4-87.332.25.39×10-4雙面鍍鋁滌綸膜+敷料紙289.5-77.127.55.02×10-410厚雙面鍍鋁滌綸膜，無間隔342.9-82.127.61.81×10-4GS-80302.7-101.042.17.72×10-4雙面鍍鋁滌綸膜+填炭紙104.5——2.29×10-4多層鋁膜+絲纖維20—-194.625.61.63×10-4多層鋁膜+玻璃纖維20—-192.428.84.42×10-4多層鋁膜+手工填炭紙92.8——1.29×10-410厚單面鍍鋁滌綸膜，無間隔層302.224.3120.92.89×10-4由表3-2可見,反射材料大多采用高反射率的鍍鋁薄膜等，充分利用其高反射率來減少輻射傳熱。選擇導(dǎo)熱系數(shù)小的材料作為間隔物也很重要，目前主要的間隔物有尼龍網(wǎng)、玻璃纖維、二氧化碳纖維氈、碳纖維、滌綸薄膜、尼龍網(wǎng)等,這些材料常和反射材料壹起構(gòu)成多層絕熱結(jié)構(gòu)。為了進壹步提高絕熱效果,多層反射材料間仍能夠加入像填炭紙之類具有吸附性能的材料,使抽空工藝得以簡化,絕熱效果進壹步提高。通過之上分析，對本文設(shè)計所用到的絕熱材料進行選擇。選擇絕熱材料，既要考慮材料的性能是否滿足設(shè)備的運行工藝要求,又要考慮絕熱工程造價和絕熱施工工藝等諸方面因素。超低溫保冷的選材,除要了解絕熱材料的耐低溫性能外,壹定要對材料提出抗水蒸氣滲透性的要求。對于多層絕熱材料的組合,目前使用最為理想的是玻璃纖維布或尼龍網(wǎng)布和鋁箔交替重疊纏繞和復(fù)合材料自身纏繞。玻璃纖維于低溫下的隔熱性能比較好,能有效降低絕熱層導(dǎo)熱系數(shù),增大絕熱層內(nèi)各鋁屏間邊界層的熱阻,且有效抗對流給熱。所以，本文設(shè)計的絕熱結(jié)構(gòu)采用的絕熱材料為0.02mm厚鋁箔+0.015mm厚玻璃布。3.2.2通過提高層間真空度改善絕熱效果多層絕熱中,層間氣體導(dǎo)熱占了傳熱量的主要部分,因此,要提高絕熱效果,必須減少層間氣體導(dǎo)熱量。主要途徑是通過提高真空度來實現(xiàn)的。但多層絕熱中,腔內(nèi)真空度且不等于層間真空度,由于多層絕熱層間存于著很大的抽氣阻力以及材料的不斷放氣，造成了絕熱層內(nèi)外的壓力不同，多層間的真空度遠(yuǎn)比腔內(nèi)真空度低[8]。因此,提高層間真空度才是解決殘余氣體導(dǎo)熱的根本途徑。為了改善絕熱效果，提高層間真空度，能夠采取很多方法：1、預(yù)先于多層輻射屏上開孔或材料印花或褶皺化，以增大抽真空的流導(dǎo)，改善透氣性，減少抽氣阻力；2、為了使氣體分子易于于層間間隙中流動，多層纏繞不能太緊，應(yīng)采用較薄的隔墊材料和松軟的多層纏繞結(jié)構(gòu)；3、對絕熱材料進行烘烤，以促使材料所吸附的氣體脫附出來，這樣能夠減少于抽真空時材料放到層間的氣體量[9]；4、于絕熱層內(nèi)用吸氣劑吸附材料表面放出的氣體，維持內(nèi)部壓強小于10-2Pa。這壹點可通過于層間放置吸氣材料來完成，如填炭碳紙，這樣填炭紙中的炭纖維能夠吸附絕熱材料放出的氣體,從而提高層間真空度，使材料的當(dāng)量熱導(dǎo)率有所下降。表3-3給出了加入填炭紙前后絕熱效果的對比情況。表3-3國外填炭實驗結(jié)果試材層數(shù)厚度/mm真空度/Pa比熱流/當(dāng)量熱導(dǎo)率/8.7鋁箔+機制填炭紙103.240.001448.7鋁箔+烘烤過的機制填炭紙102.980.0010708.7鋁箔+機制填炭紙+吸氣劑103.050.00128鋁箔+烘烤過機制填炭紙+吸氣劑103.240.00077鋁箔+烘烤過機制填炭紙+吸氣劑（只用機械泵抽真空）103.240.00076鋁箔+驗貨標(biāo)準(zhǔn)的玻璃纖維紙102.850.00228鋁箔+烘烤過的玻璃纖維紙102.090.00179鋁箔+驗貨標(biāo)準(zhǔn)的尼龍網(wǎng)103.110.00131續(xù)表3-3試材層數(shù)厚度/mm真空度/Pa比熱流/當(dāng)量熱導(dǎo)率/12鍍鉛網(wǎng)+機制填炭紙101.842.160.003120.0021512鍍鋁膜102.670.00305多層鋁膜+手工填炭粉102.800.0015多層鋁膜+烘烤過的手工填分子篩紙10～30.0041多層鋁膜+烘烤過的機制填氧化鋁紙10～30.00353.2.3多層反射屏的層數(shù)及密度對絕熱效果的影響從理論上講,反射屏層數(shù)越多,包的越密,將使輻射傳熱下降,會提高絕熱效果。但事實上不是這樣。由于輻射傳熱不占傳熱的主要部分，層數(shù)及密度增大會造成抽真空阻力增大,從而造成殘余氣體導(dǎo)熱加劇。層數(shù)越多，層密度越大，抽氣阻力就越大；表面積越大，則放氣量也就越大。因此于多層中便造成了中間層壓力最大的壓力分布。同時包纏越密,層間接觸面積大,造成固體導(dǎo)熱增加,均不利于絕熱。當(dāng)然層數(shù)太少也達(dá)不到多層絕熱的效果。當(dāng)總層數(shù)于10層左右時,隨層數(shù)的增加,絕熱效果是變好的。壹般來說,10～30層左右是高真空多層絕熱的最佳層數(shù)[10]。3.2.4層間壓緊力對于絕熱效果的影響層間壓緊力越小越有利于絕熱,但壓緊力過小會造成多層屏變松脫落,失去絕熱作用。故于實際纏繞多層屏?xí)r要掌握好力量。優(yōu)良的多層絕熱應(yīng)是相當(dāng)松軟同時又具有較大的纏繞牢固性,于振動沖擊下不會脫落。第4章高真空多層絕熱傳熱計算4.140m3槽車儲罐計算參數(shù)選取鋼板作為儲罐壁的材料，內(nèi)膽選用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭,外膽選用標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭，本儲罐采取高真空絕熱形式，這種絕熱方式能有效的減少熱量的滲入所以大多被選用。儲罐的總漏熱量主要包括多層絕熱體漏熱、接管漏熱和支承漏熱這3部分，接管漏熱忽略不計，僅計算支撐漏熱和多層絕熱體漏熱。內(nèi)膽內(nèi)徑：D1=2200mm；外膽內(nèi)徑：D2=2400mm；內(nèi)封頭高：L2=550mm；內(nèi)封頭直邊高度：h=25mm；儲罐內(nèi)膽容積：V=40充裝率：；內(nèi)外膽間的支承結(jié)構(gòu)采用玻璃鋼支承元件，上下各4個支承機構(gòu)，下支撐為空心，玻璃鋼圓環(huán)外直徑D3=200mm，內(nèi)直徑D4=100mm；上支撐為實心，外直徑D5=1內(nèi)筒筒體長：L1=10m；筒壁厚：mm。4.2支撐構(gòu)件漏熱量的計算玻璃鋼的導(dǎo)熱系數(shù)為：玻璃鋼支撐構(gòu)件熱傳導(dǎo)長度：上支撐的截面積：下支撐的截面積：內(nèi)膽中液化天然氣的溫度：-162℃外界大氣溫度：20℃根據(jù)圓筒壁熱傳導(dǎo)方程求單個上支承漏熱量為：上支承構(gòu)件的漏熱總量：單個下支承漏熱量為：下支承構(gòu)件的漏熱總量：支承漏熱總量為：4.3絕熱體漏熱量的計算此絕熱方式采用0.02mm厚鋁箔+0.015mm厚玻璃布來進行組合。由于槽車允許的日蒸發(fā)率為0.2%，所以以此來計算絕熱體的漏熱量。(5.9)式中，——整體漏熱量，W；——LNG的汽化潛熱，；——儲罐的容積，；——LNG密度，，——充裝率，。所以，多層絕熱體的漏熱量：4.4絕熱層厚度的計算絕熱層厚度計算公式如下:式中:δ——多層絕熱層厚度m；λ——多層絕熱體的有效熱導(dǎo)率，；——多層絕熱體的傳熱計算面積，m2；——傳熱溫差，K；——通過多層絕熱體的漏熱量,W。絕熱體的有效熱導(dǎo)率：傳熱溫差：內(nèi)筒筒體內(nèi)表面面積：查表得橢圓封頭內(nèi)表面面積：內(nèi)筒內(nèi)表面積為：所以，所選保溫材料的層密度為層/mm，故，保溫層數(shù)為：=49.5=50層第5章多層絕熱結(jié)構(gòu)施工方法設(shè)計5.1施工工藝設(shè)備初步設(shè)計5.1.1主要設(shè)備纏繞裝置是施工時的主要設(shè)備（示意圖見CAD圖），由固定裝置，轉(zhuǎn)軸，電動機和皮帶輪組成。其中，固定裝置包括輪子（可多向轉(zhuǎn)動且可固定），支架（采用型號為10/6.3(GB9788-88)角鋼），銷子。轉(zhuǎn)軸分為倆段，全部位于支架上，壹段固定于皮帶輪上，可左右移動。電動機接皮帶輪。所用絕熱材料為鋁箔加玻璃布，每卷寬900毫米，長1005.1.2附件1．剪刀，壹把2．針，線（玻璃纖維絲）用于分別縫合鋁箔和玻璃布3．電吹風(fēng)4．卷尺5．粘膠帶6．記數(shù)器（記錄包扎層數(shù)）5.2施工前的準(zhǔn)備工作5.2.1衛(wèi)生要求初步設(shè)計真空絕熱空間的“衛(wèi)生”程度直接影響到絕熱的效果,因此,施工中應(yīng)注意如下三個方面：1.于多層絕熱材料纏繞之前,對真空絕熱空間所有部件和真空夾層接觸件均應(yīng)采用四氟化碳進行嚴(yán)格的去油污清洗。2.真空腔內(nèi)所有部件均不得用手直接觸摸,施工時應(yīng)戴潔凈的白手套才能進行裝配。3.纏繞施工時,環(huán)境應(yīng)保持潔凈,不得于灰塵大的環(huán)境中進行。初步設(shè)計為于壹個相對封閉車間,裝上空調(diào)及抽風(fēng)系統(tǒng),地面為水泥地板再涂壹層青漆,保證環(huán)境潔凈。5.2.2絕熱材料的選擇絕熱材料的選擇,既要考慮材料的性能是否滿足設(shè)備的運行工藝要求,又要考慮絕熱工程造價和絕熱施工工藝等諸方面因素。對于多層絕熱材料的組合,目前使用最為理想的是玻璃纖維布或尼龍網(wǎng)布和鋁箔交替重疊纏繞和復(fù)合材料自身纏繞。玻璃纖維于低溫下的隔熱性能比較好,能有效降低絕熱層導(dǎo)熱系數(shù),增大絕熱層內(nèi)各鋁屏間邊界層的熱阻,且有效抗對流給熱。鋁箔能有效抗輻射。故采用的鋁箔加的玻璃絲布（具體分析見3.2.1）。5.2.3鋁箔處理采用的鋁箔應(yīng)為最純的鋁材制成,表面黑度系數(shù)應(yīng)盡量小,應(yīng)經(jīng)過℃表面除油且經(jīng)退火處理,使之為軟態(tài)下使用。然后于真空罐中保存待用（防止氧化變質(zhì)）。5.2.4玻璃絲布處理超細(xì)無堿玻璃絲布規(guī)格：，于560℃溫度下脫臘處理,經(jīng)分析其含臘量應(yīng)小于或等于‰（重量含量）。使用前將玻璃絲布置烘箱中加熱至℃,干燥小時。以便將潮濕空氣組分盡可能降至最低。5.2.5分子篩的選擇及處理分子篩選用型的分子篩。先將分子篩充入壹容積約12升的容器內(nèi)（此容器壁開倆孔接不銹鋼管,壹管用的鋁箔密封）,然后進行抽真空加熱再生處理,最后充人高純氮氣至常壓封存,即成壹分子篩吸附器。（纏繞絕熱材料前將此分子篩吸附器焊于罐體內(nèi)容器封頭外壁上）。5.3多層絕熱結(jié)構(gòu)纏繞施工方案5.3.1固定罐體利用罐體倆側(cè)的固定裝置，用銷子將罐體和轉(zhuǎn)軸連接。由此，罐體被軸向固定于支架上。5.3.2纏繞過程絕熱材料的纏繞壹般有倆種方法。其壹是“螺旋”式纏繞法,其二是“筒體竹節(jié)”式纏繞法。于此設(shè)計中選取“螺旋”式纏繞法。先將玻璃布貼于罐體直筒壁最左端，開啟電動機，電動機帶動皮帶輪旋轉(zhuǎn)，皮帶輪帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸帶動罐體旋轉(zhuǎn)，絕熱材料即被纏繞于罐體上。每纏繞4層時,用針線順筒體縱向縫合4線（4條線沿筒體均勻分布）,多層絕熱材料應(yīng)比封頭過度區(qū)處長mm(以備和封頭多層絕熱材料縫合),以后每隔層縫合壹次。封頭處的包扎用多層絕熱材料預(yù)先做好的“被子”直接覆蓋,每10層左右和筒體多層材料縫合,搭疊10mm左右,封頭“被子”插到筒體多層絕熱材料中。5.4層密度的控制單位厚度內(nèi)多層絕熱輻射層的數(shù)目稱為層密度。于單位厚度絕熱層中,當(dāng)層數(shù)增加時,輻射傳熱將減小,而接觸熱阻減少,固體導(dǎo)熱將增加,故