Isolamento dei Serbatoi Criogenici: Perlite contro Isolamento Multistrato

L'isolamento del serbatoio criogenico combina un alto vuoto nell'intercapedine anulare con un riempitivo che blocca la radiazione. I due sistemi comuni sono la perlite sottovuoto, un riempimento granulare usato soprattutto sui serbatoi stazionari di grandi dimensioni, e l'isolamento multistrato o MLI, una coperta riflettente avvolta usata dove contano bassa fuga termica e basso peso.

Entrambi i sistemi dipendono dal vuoto. Nessuno dei due funziona senza di esso. La scelta tra i due influisce sul tasso di evaporazione, sul peso a vuoto, sullo spessore dell'intercapedine anulare, sul costo e su come viene riparato il serbatoio se il vuoto viene mai perso.

Questo articolo spiega brevemente la fisica e confronta i due sistemi sui punti che influenzano un acquisto, incluso il motivo per cui il tipo di isolamento è una delle prime domande da porre quando due serbatoi usati dello stesso volume vengono offerti a prezzi diversi.

Come funziona l'isolamento di un serbatoio criogenico?

Il calore raggiunge il liquido criogenico attraverso tre vie, e un sistema di isolamento del serbatoio criogenico deve affrontarle tutte e tre.

• Conduzione e convezione gassosa: calore trasportato dalle molecole di gas nell'intercapedine anulare tra il recipiente interno freddo e l'involucro esterno caldo
• Radiazione: energia infrarossa emessa dall'involucro esterno caldo e assorbita dal recipiente interno freddo, senza bisogno di alcun mezzo per propagarsi
• Conduzione solida: calore che viaggia lungo i supporti che sostengono il recipiente interno e lungo le tubazioni che penetrano l'involucro esterno

L'evacuazione dell'intercapedine anulare elimina quasi tutta la conduzione e convezione gassosa. Questo è il guadagno singolo più grande, ed è per questo che ogni serbatoio criogenico moderno è a isolamento sottovuoto. Ma il vuoto non fa nulla contro la radiazione o contro i supporti. Per questo l'intercapedine anulare viene anche riempita o avvolta con un materiale scelto per bloccare la radiazione, e i supporti utilizzano materiali a bassa conducibilità con percorsi termici lunghi.

Poiché l'intero sistema dipende dal mantenimento del vuoto, sia i serbatoi con perlite sia quelli con MLI includono un adsorbente, spesso un setaccio molecolare o carbone attivo, nell'intercapedine anulare. Cattura il gas che si libera dalle superfici metalliche nel corso degli anni di servizio. Una lettura del vuoto dovrebbe comunque essere effettuata ogni 6-12 mesi.

Cos'è l'isolamento a perlite sottovuoto?

La perlite è vetro vulcanico espanso lavorato in una polvere granulare leggera. L'intercapedine anulare viene riempita con essa e poi evacuata. Le particelle disperdono e assorbono la radiazione attraverso lo spazio, e con il gas rimosso resta pochissimo percorso di conduzione tra loro.

Caratteristiche rilevanti dal punto di vista commerciale:

• Costo dei materiali e della manodopera inferiore rispetto a un sistema MLI avvolto, in particolare sui grandi recipienti
• Robusta e tollerante rispetto a piccole imperfezioni nel modo in cui è stata installata
• Richiede un'intercapedine anulare più ampia per raggiungere una data fuga termica, il che aumenta il diametro dell'involucro esterno e l'ingombro complessivo
• È più pesante, sia per la perlite stessa sia per l'involucro esterno più grande
• Può assestarsi e compattarsi nel tempo, specialmente sui recipienti che vengono trasportati o sottoposti a vibrazioni

L'assestamento è il punto debole pratico. Con il compattarsi della perlite, può aprirsi un vuoto nella parte superiore dell'intercapedine anulare, creando un'area locale di maggiore fuga termica, mentre il materiale compattato più in basso può caricare il recipiente interno. I recipienti spostati tra siti sono più esposti a questo fenomeno, il che spiega in parte perché la perlite è standard sui serbatoi stazionari e rara sulle attrezzature di trasporto stradale.

Se il vuoto viene perso e vi entra aria umida, la perlite assorbe acqua.

Cos'è l'isolamento multistrato o MLI?

L'isolamento multistrato, comunemente chiamato MLI o superisolamento, è una coperta avvolta. Sottili pellicole riflettenti, tipicamente poliestere alluminizzato, si alternano a un materiale distanziatore a bassa conducibilità come carta di vetro o una rete fine. La coperta viene avvolta attorno al recipiente interno prima che l'involucro esterno venga chiuso e lo spazio evacuato.

Gli strati riflettenti attaccano direttamente la radiazione. Ogni strato riflette la maggior parte dell'energia infrarossa in arrivo, e ciascuno si trova a una temperatura più bassa di quello esterno, così il salto di temperatura si suddivide su molte fasi. Il distanziatore impedisce alle pellicole di toccarsi, perché il contatto creerebbe un ponte di conduzione solida.

Caratteristiche rilevanti dal punto di vista commerciale:

• Fuga termica inferiore per unità di superficie rispetto alla perlite a parità di intercapedine anulare
• Un'intercapedine anulare molto più sottile, che riduce il diametro complessivo a parità di volume interno
• Significativamente più leggero, il che è decisivo sul trasporto stradale dove ogni chilogrammo di peso a vuoto è carico utile perso
• Più sensibile alla qualità della lavorazione. Densità degli strati, sovrapposizioni e trattamento delle penetrazioni cambiano tutti il risultato
• Più esigente riguardo al vuoto. Le prestazioni MLI degradano più rapidamente della perlite al calare della qualità del vuoto

L'MLI è standard su semirimorchi cisterna criogenici, container cisterna ISO, recipienti MicroBulk e serbatoi stazionari più piccoli. Sui grandi recipienti stazionari il quadro è misto, e alcuni costruttori combinano i due sistemi, avvolgendo il recipiente interno con MLI e riempiendo lo spazio residuo con perlite.

Come influisce il tipo di isolamento sul tasso di evaporazione?

L'evaporazione, chiamata anche tasso di evaporazione statica, è la percentuale del contenuto del serbatoio che evapora al giorno quando il serbatoio è pieno e inattivo. I moderni serbatoi criogenici stazionari rientrano in un intervallo compreso tra circa 0,2 e 0,6 per cento al giorno, a seconda delle dimensioni e dell'isolamento.

Due fattori determinano dove si colloca un serbatoio in quell'intervallo:

• Dimensione del serbatoio. Un recipiente più grande ha meno superficie per unità di volume stoccato, quindi la stessa qualità di isolamento fornisce una percentuale inferiore. Un serbatoio piccolo allo 0,5 per cento al giorno e uno grande allo 0,25 per cento al giorno possono essere isolati altrettanto bene
• Sistema di isolamento e qualità del vuoto. A parità di dimensioni, un sistema MLI in buon vuoto darà generalmente una cifra inferiore rispetto a un sistema a perlite, perché il percorso della radiazione è bloccato meglio in uno spazio più sottile

Quindi una percentuale di evaporazione da sola non è confrontabile tra preventivi diversi. Chiedete la cifra insieme al volume del recipiente, al prodotto su cui è stata misurata e alle condizioni di prova. Il nostro articolo sul tasso di evaporazione dei serbatoi criogenici spiega come viene definito il numero, e la relativa cifra di autonomia o tasso di evaporazione normale vi dice per quanto tempo il prodotto può restare fermo prima che la pressione raggiunga la taratura della valvola di sicurezza.

Una cifra di evaporazione pubblicata descrive anche un serbatoio in buone condizioni con il vuoto integro. Non dice nulla su una specifica unità usata ferma in un piazzale. Solo una misurazione o una lettura del vuoto ve lo dice.

Come influisce l'isolamento su peso, dimensioni e trasporto?

Per i serbatoi stazionari, il peso conta al momento dell'installazione. Un recipiente riempito di perlite è più pesante e di diametro maggiore a parità di capacità, il che influisce sulla fondazione, sulla gru necessaria per posizionarlo e sull'ingombro nel sito. Su un sito greenfield questo raramente è decisivo. Su un retrofit in un'area esistente a volte lo è.

Per le attrezzature di trasporto, il calcolo è diverso e molto più netto:

• Il trasporto stradale è limitato dal peso totale a terra del veicolo, quindi il peso a vuoto riduce direttamente il carico utile di ogni viaggio per tutta la vita del veicolo
• Un'intercapedine anulare più sottile consente più volume interno entro l'ingombro legale del semirimorchio o le dimensioni fisse di un telaio ISO
• Le attrezzature di trasporto sono soggette a vibrazioni costanti e a carichi da urto, la condizione in cui il riempimento granulare può assestarsi

Per questo i semirimorchi cisterna criogenici, gli autocarri cisterna e i container cisterna ISO T75 sono costruiti con MLI anziché perlite. È una conseguenza progettuale, non una preferenza, e vale la pena verificarla rispetto al carico utile quando si confrontano autocisterne criogeniche su strada.

Quale sistema di isolamento è più facile da riparare?

Questa domanda conta solo dopo una perdita di vuoto, che è esattamente il momento in cui diventa costosa. I sintomi visibili sono gli stessi per entrambi i sistemi: brina o condensa sulla superficie esterna, evaporazione crescente e aumento di pressione più rapido tra una consegna e l'altra.

Se il vuoto si è degradato lentamente e lo spazio è rimasto asciutto

Nel caso migliore lo spazio può essere rievacuato, spesso con l'adsorbente rigenerato tramite riscaldamento durante la messa sotto vuoto, e le prestazioni vengono ripristinate. Questo vale in modo simile per entrambi i sistemi ed è l'esito sperato quando un serbatoio viene individuato in tempo. Il nostro articolo sulla perdita di vuoto nei serbatoi criogenici descrive come si sviluppa la condizione.

Se aria e umidità sono entrate nell'intercapedine anulare

Qui i sistemi divergono. La perlite bagnata deve essere rimossa e sostituita, il che significa aprire l'involucro esterno, estrarre il riempimento, rinnovare il materiale, riempire di nuovo e rievacuare. È un'operazione da officina con un notevole contenuto di manodopera, ma il materiale in sé è economico e il processo è ben conosciuto.

L'MLI contaminato deve generalmente essere sballato e sostituito. Il costo del materiale è più alto e il riavvolgimento deve essere eseguito alla densità di strato corretta, il che richiede un'officina che esegue questa operazione regolarmente.

In entrambi i casi la perdita deve prima essere individuata e riparata. Rievacuare un'intercapedine con una perdita non risolta compra settimane, non anni.

Perché l'isolamento del serbatoio criogenico conta quando si confrontano due serbatoi usati?

Due serbatoi usati con lo stesso volume di targa possono differire nel costo di esercizio, e l'isolamento è una delle ragioni. Il prodotto perso per evaporazione è prodotto che avete pagato per liquefare e trasportare.

Quando confrontate le offerte, chiedete quanto segue per ciascuna unità:

• Il tipo di isolamento dichiarato dal costruttore originale, non presunto dalla forma del serbatoio
• La cifra di evaporazione di progetto o il tasso di evaporazione normale, con il volume e il prodotto a cui si riferisce
• Una lettura attuale del vuoto nell'intercapedine anulare, con la data in cui è stata rilevata
• Quante volte il vuoto è stato rievacuato, e se il serbatoio è mai stato reisolato
• Se l'involucro esterno è stato tagliato e risaldato, il che è il segno di una precedente riparazione dell'isolamento
• Fotografie della superficie esterna in condizioni fresche e umide, quando le chiazze di brina sono più facili da vedere
• Se il dispositivo di sicurezza dell'intercapedine anulare è mai intervenuto, il che indicherebbe una precedente perdita del recipiente interno

Un serbatoio con una lettura del vuoto documentata e un involucro esterno pulito vale di più di uno con un prezzo di richiesta più basso e nessun dato. Iniziate l'ispezione dalla targa del recipiente, che vi indica volume, MAWP e codice di progetto da confrontare, e proseguite con il registro di manutenzione programmata.

KAF Cryogenics fornisce serbatoi criogenici usati certificati che hanno superato ispezione, controlli non distruttivi, e prova del vuoto e di pressione, venduti con un fascicolo documentale e una garanzia scritta. Dove è richiesto un sistema di isolamento o una classe di pressione specifici, i recipienti nuovi vengono costruiti su specifica. Le unità usate certificate possono essere consegnate da magazzino in poche settimane, mentre una nuova costruzione richiede mesi di fabbricazione.

Domande frequenti

Letture correlate

• tasso di evaporazione dei serbatoi criogenici
• autonomia o tasso di evaporazione normale
• perdita di vuoto nei serbatoi criogenici
• targa del recipiente
• registro di manutenzione programmata
• autocisterne criogeniche su strada