Изоляция криогенного резервуара: перлит и многослойная изоляция MLI

Изоляция криогенного резервуара строится на сочетании глубокого вакуума в межстенном пространстве и наполнителя, который блокирует излучение. Применяются две системы: вакуумно-перлитная засыпка, характерная для крупных стационарных резервуаров, и многослойная изоляция MLI, ее также называют суперизоляцией, которую применяют там, где важны низкий теплоприток и малая масса.

Обе системы держатся на вакууме. Без вакуума не работает ни одна из них. Выбор между ними влияет на испаряемость, массу тары, толщину межстенного зазора, стоимость и на то, как резервуар ремонтируют, если вакуум все же потерян.

В статье кратко разобрана физика процесса, честно сопоставлены обе системы по тем пунктам, которые влияют на покупку, и показано, почему тип изоляции стоит выяснять одним из первых, когда два б/у резервуара одинакового номинального объема предлагаются по разной цене.

Как работает вакуумная изоляция криогенного резервуара?

Тепло попадает к криогенной жидкости тремя путями, и система изоляции криогенного резервуара должна перекрывать все три.

• Теплопроводность и конвекция газа: тепло переносят молекулы газа в межстенном пространстве между холодным внутренним сосудом и теплым наружным кожухом
• Излучение: инфракрасная энергия, которую излучает теплый наружный кожух и поглощает холодный внутренний сосуд, для ее передачи не нужна никакая среда
• Теплопроводность по металлу: тепло идет по силовым опорам внутреннего сосуда и по трубопроводам, проходящим сквозь кожух

Откачка межстенного пространства снимает почти всю газовую теплопроводность и конвекцию. Это самый крупный выигрыш, и именно поэтому любой современный криогенный резервуар выполняется вакуумным. Но вакуум ничего не дает против излучения и никак не меняет теплоприток по опорам. Поэтому межстенное пространство дополнительно заполняют или обматывают материалом, блокирующим излучение, а опоры делают из малотеплопроводных материалов с удлиненным путем теплопередачи.

Поскольку вся система держится на вакууме, и перлитные, и MLI резервуары имеют в межстенном пространстве адсорбент, чаще всего молекулярное сито или активированный уголь. Адсорбент поглощает газы, которые годами выделяются с поверхности металла, и именно это не дает вакууму деградировать самопроизвольно. Показания вакуума при этом все равно нужно снимать с периодичностью от 6 до 12 месяцев.

Что такое вакуумно-перлитная изоляция?

Перлит представляет собой вспученное вулканическое стекло, переработанное в легкий сыпучий порошок. Межстенное пространство засыпают перлитом, после чего откачивают. Частицы рассеивают и поглощают излучение по всему зазору, а при удаленном газе между ними почти нет пути для теплопроводности.

Свойства, которые имеют коммерческое значение:

• Материал и работы дешевле, чем при обмотке MLI, особенно на крупных сосудах с большой площадью поверхности
• Система устойчива к ошибкам. Мелкие огрехи монтажа для нее не критичны, и она не повреждается при перемещениях сосуда в ходе изготовления
• Для достижения заданного теплопритока нужен более широкий межстенный зазор, что увеличивает диаметр наружного кожуха и габарит установки
• Конструкция тяжелее и за счет самого перлита, и за счет более крупного наружного кожуха
• Засыпка со временем усаживается и уплотняется, особенно на сосудах, которые перевозят или которые работают в условиях вибрации

Усадка является практическим слабым местом. По мере уплотнения перлита в верхней части межстенного пространства может открыться пустота, дающая локальный участок повышенного теплопритока, а уплотнившийся внизу материал начинает нагружать внутренний сосуд. Вертикальные сосуды, которые перевозят с площадки на площадку, подвержены этому сильнее, чем стоящие на одном месте. Отчасти поэтому перлит остается стандартным решением для стационарных резервуаров и почти не встречается на автотранспортном оборудовании.

Кроме того, перлит гигроскопичен в том смысле, который здесь важен. Если вакуум потерян и внутрь попал воздух с влагой, перлит впитывает воду. Одной повторной откачки для восстановления уже недостаточно.

Что такое многослойная изоляция MLI?

Многослойная изоляция, обычно называемая MLI или суперизоляцией, представляет собой намотанное полотно. Тонкие отражающие пленки, как правило металлизированный полиэфир, чередуются с малотеплопроводной прокладкой, например стеклобумагой или тонкой сеткой. Полотно наматывают на внутренний сосуд до закрытия наружного кожуха и последующей откачки.

Отражающие слои работают непосредственно против излучения. Каждый слой отражает большую часть падающей инфракрасной энергии, и каждый следующий слой холоднее предыдущего, так что общий перепад температуры делится на множество ступеней. Прокладка не дает пленкам соприкасаться, поскольку контакт пленок создал бы мостик теплопроводности и свел бы эффект на нет.

Свойства, которые имеют коммерческое значение:

• Меньший теплоприток на единицу площади поверхности, чем у перлита при том же межстенном зазоре
• Существенно более узкий межстенный зазор, что уменьшает наружный диаметр при заданном внутреннем объеме
• Заметно меньшая масса, что решает дело на автотранспортном оборудовании, где каждый килограмм тары является потерянным килограммом полезной нагрузки
• Более высокая чувствительность к качеству работ. Плотность намотки, нахлесты и обработка проходок меняют результат
• Более высокие требования к вакууму. Характеристики MLI ухудшаются быстрее, чем у перлита, по мере падения качества вакуума, поэтому частичная потеря вакуума проявляется раньше

MLI является стандартом на криогенных полуприцепах-цистернах, ISO контейнерах-цистернах, сосудах MicroBulk и небольших стационарных резервуарах. На крупных стационарных сосудах картина смешанная, и часть изготовителей применяет комбинацию, обматывая внутренний сосуд MLI и засыпая оставшееся пространство перлитом.

Как тип изоляции влияет на испаряемость?

Испаряемость, которую также называют статической испаряемостью или нормой испарения, представляет собой долю содержимого резервуара, испаряющуюся за сутки при полном и неработающем резервуаре. Современные стационарные криогенные резервуары укладываются примерно в диапазон от 0,2 до 0,6 процента в сутки в зависимости от объема и изоляции.

Положение конкретного резервуара в этом диапазоне определяют два фактора:

• Объем резервуара. У более крупного сосуда меньше площадь поверхности на единицу хранимого объема, поэтому при том же качестве изоляции процент получается ниже. Малый резервуар с показателем 0,5 процента в сутки и крупный резервуар с показателем 0,25 процента в сутки могут иметь одинаковое качество изоляции
• Система изоляции и качество вакуума. Для двух сосудов близкого объема система MLI при исправном вакууме обычно дает меньшую цифру, чем перлитная, поскольку в узком зазоре путь излучения перекрыт лучше

Именно поэтому процент испаряемости сам по себе не является характеристикой, которую можно сравнивать между коммерческими предложениями. Запрашивайте цифру вместе с объемом сосуда, продуктом, на котором она измерена, и условиями испытания. Наш материал про испаряемость криогенного резервуара объясняет, как определяется этот показатель и как читать его в опросном листе, а связанное с ним время бездренажного хранения, то есть норма испарения NER, показывает, сколько продукт может простоять до достижения уставки предохранительного клапана.

Еще одно предостережение. Опубликованная цифра испаряемости описывает резервуар в исправном состоянии с целым вакуумом. Она ничего не говорит о состоянии конкретного б/у аппарата, стоящего на площадке. Об этом говорит только измерение или снятые показания вакуума.

Как изоляция влияет на массу, габариты и перевозку?

Для стационарных резервуаров масса важна на этапе монтажа. Сосуд с перлитной засыпкой тяжелее и больше по диаметру при той же вместимости, что влияет на проект фундамента, на требуемый кран и на пятно застройки площадки, которая может быть уже плотно занята. На новой площадке со свободным местом это редко решает дело. При встраивании в существующую площадку иногда решает.

Для транспортного оборудования расчет другой и гораздо жестче:

• Автомобильная перевозка ограничена полной массой автопоезда, поэтому масса тары напрямую уменьшает полезную нагрузку каждого рейса за весь срок службы техники
• Более узкий межстенный зазор позволяет разместить больший внутренний объем в габаритах полуприцепа или в фиксированных размерах ISO рамы
• Транспортные сосуды постоянно работают в условиях вибрации и ударных нагрузок, а это как раз те условия, в которых сыпучая засыпка усаживается

Поэтому криогенные полуприцепы-цистерны, автоцистерны типа bobtail и ISO контейнеры-цистерны T75 строят с MLI, а не с перлитом. Это следствие конструкции, а не предпочтение. Если вы сравниваете варианты автомобильной доставки, наше руководство по криогенным автоцистернам разбирает, как масса тары связана с полезной нагрузкой и экономикой маршрута.

Какая изоляция проще в ремонте?

Этот вопрос становится актуальным только после потери вакуума, но именно тогда он становится дорогим. Внешние признаки одинаковы для обеих систем: иней или отпотевание на наружном кожухе, рост испаряемости и ускоренный набор давления между поставками.

Если вакуум ухудшался медленно и пространство осталось сухим

В лучшем случае пространство можно откачать повторно, зачастую с регенерацией адсорбента прогревом в ходе откачки, и характеристики восстанавливаются. Для обеих систем это происходит примерно одинаково, и именно на такой исход рассчитывают, когда проблему заметили рано. Наша статья про потерю вакуума в криогенных резервуарах описывает, как развивается это состояние и насколько рано его можно поймать.

Если в межстенное пространство попали воздух и влага

Здесь системы расходятся. Отсыревший перлит приходится удалять и заменять, то есть вскрывать кожух, извлекать засыпку, сушить или обновлять материал, засыпать заново и снова откачивать. Это цеховая операция со значительными трудозатратами и расходом материала, но сам материал недорог, а процесс хорошо отработан.

Отсыревшую или загрязненную MLI, как правило, приходится разматывать и менять. Стоимость материала выше, а перемотку нужно выполнить с правильной плотностью слоев, что требует цеха, который делает это регулярно. С другой стороны, MLI не приходится извлекать из замкнутого объема вакуумной техникой, как перлит.

В обоих случаях сначала нужно найти и устранить течь. Повторная откачка кожуха с неустраненной течью дает недели, а не годы.

Почему тип изоляции важен при сравнении двух б/у резервуаров?

Два б/у резервуара с одинаковым паспортным объемом могут заметно отличаться по эксплуатационным затратам, и изоляция является одной из причин. Продукт, потерянный на испарение, это продукт, за сжижение и перевозку которого уже заплачено.

При сравнении предложений запрашивайте по каждому аппарату следующее:

• Тип изоляции по данным изготовителя, а не предположение по внешнему виду резервуара
• Проектную испаряемость или норму испарения с указанием объема и продукта, к которым она относится
• Актуальные показания вакуума в межстенном пространстве с датой измерения
• Историю эксплуатации: сколько раз вакуум откачивался повторно и переизолировался ли резервуар
• Вскрывался ли кожух с последующей переваркой, что является признаком прежнего ремонта изоляции
• Фотографии наружного кожуха в прохладную влажную погоду, когда пятна инея и отпотевание видны лучше всего
• Срабатывало ли когда-либо предохранительное устройство межстенного пространства, что указывало бы на прошлую течь внутреннего сосуда

Резервуар с задокументированными показаниями вакуума и чистым кожухом стоит дороже, чем резервуар с меньшей ценой и без данных, и разница обычно окупается за счет сокращения потерь продукта за несколько сезонов. Осмотр начинайте с заводской таблички сосуда, поскольку она сообщает объем, MAWP и код проектирования, которые вы фактически сравниваете, а затем переходите к графику планового обслуживания.

KAF Cryogenics поставляет сертифицированные б/у криогенные резервуары, прошедшие освидетельствование, неразрушающий контроль, вакуумные и пневмогидравлические испытания, с комплектом документов и письменной гарантией. Если требуется конкретная система изоляции, класс давления или компоновка, новые сосуды изготавливаются по спецификации. Сертифицированные б/у аппараты отгружаются со склада в течение нескольких недель, тогда как новое изготовление занимает месяцы.

Часто задаваемые вопросы

Читайте также

• испаряемость криогенного резервуара
• время бездренажного хранения, то есть норма испарения NER
• потерю вакуума в криогенных резервуарах
• графику планового обслуживания
• криогенным автоцистернам