Хранение и транспортирование криогенных веществ

Производство, использование и транспортирование жидких криоагентов потребовало создания специальных емкостей-хранилищ стационарного и транспортного типа. Основная сложность хранения и использования жидких криоагентов связана с тем, что эти жидкости имеют малую теплоту испарения, а следовательно, высокую испаряемость даже при малых теплопритоках.

По этой причине применяют высокоэффективные виды теплоизоляции, специальные конструкции тепловых мостов и другие меры для снижения теплопритоков.

Современные типы криогенной теплоизоляции подразделяются на две основные группы: изоляция, находящаяся под атмосферным давлением; вакуумная теплоизоляция.

Тепловую изоляцию, находящуюся под атмосферным давлением, применяют для систем, работающих при Т > 80 К, т. е., главным образом, для воздухоразделительных установок. Она характеризуется низкой стоимостью, простотой в эксплуатации и относительно невысокой эффективностью. В качестве теплоизолирующей среды применяют материалы трех типов: волокновые (минеральную вату, стекловату); порошкообразные (перлит, аэрогель); ячеистые (мипора, пенопласт).

Для обеспечения низкой теплопроводности (обычно принимается λ = 0,05–0,02 Вт/(м∙К)), необходимо, чтобы теплоизоляция имела малые плотность и влагоемкость. При влажности свыше 5–10 % теплопроводность резко увеличивается. При понижении температуры и плотности теплопроводность значительно снижается, примерно по линейному закону [2, 3].

Данный тип изоляции нельзя применять при температурах ниже 80 К, так как при этом начинается конденсация атмосферного воздуха на холодной поверхности, что резко ухудшает теплоизоляционные свойства.

Различные виды вакуумной теплоизоляции широко применяют в криогенных системах, работающих в основном при Т < 80 К.

Основная идея применения вакуума для теплоизоляции заключается в том, что перенос теплоты вследствие теплопроводности и конвекции газа при этом практически исключается. Существуют три вида теплоизоляции, основанной на использовании вакуума: высоковакуумная, вакуумно-порошковая и вакуумно-многослойная.

Высоковакуумную теплоизоляцию применяют для небольших сосудов Дьюара, криостатов и т.п. Здесь в вакуумной теплоизолирующей полости создается вакуум (около 10-4 Па), что почти полностью исключает перенос теплоты газом. Теплоперенос по твердому телу сохраняется лишь в местах соединения теплой и холодной поверхностей (тепловые мосты). Теплоперенос в вакууме определяется в основном теплоизлучением.

Лучистый поток можно значительно снизить установкой экранов между теплыми и холодными поверхностями. Применяют экраны двух типов: свободно установленные и охлаждаемые. Свободно установленные проще, а их эффективность зависит от коэффициентов черноты излучающей поверхности и поверхности экрана.

Значительный эффект дает применение охлаждаемых экранов. Обычно для охлаждения используют внешний источник холода, часто жидкий азот. Но можно использовать холодные пары криоагента, находящегося в емкости. Теплопроводность экранов уменьшается при понижении их температуры. Эффективность использования холодных паров при этом увеличивается.

Обычно в изоляции устанавливают два-три экрана, охлаждаемых паром. Дальнейшее увеличение числа экранов дает небольшой эффект.

Вакуумно-порошковая теплоизоляция, широко применяемая в криогенных системах, характеризуется высокой эффективностью.

В порошкообразных материалах при атмосферном давлении около 90 % теплоты переносится заполняющим их газом. Помещение порошков в вакуумированную полость резко снижает их теплопроводность.

Наряду с порошками в вакууме можно применять и волокнистые материалы (стекловату, минеральную вату и др.).

Применение вакуумно-порошковой изоляции эффективно по многим причинам. Так, этой изоляцией можно заполнить полости сложной геометрической формы. Изоляция под вакуумом исключает возможность ее увлажнения, что обеспечивает стабильность теплопроводности. Изоляция недорога и не требует высокого вакуума.

Эффективная теплопроводность вакуумных изоляционных порошков минимальна при давлении 0,1–1 Па, причем ее значения в 10–30 раз меньше теплопроводности при атмосферном давлении, что и определяет эффективность вакуумно-порошковой изоляции.

Добавлением металлического порошка удается снизить эффективную теплопроводность в 3–5 раз по сравнению с чистыми изоляционными порошками. Наилучшие результаты достигаются при использовании металлических пудр с дискообразными частицами (чешуйками) диаметром 5 мкм и толщиной не более 0,5 мкм при массовой доле в смеси 40–50 % [2].

Вакуумно-многослойная теплоизоляция – наиболее эффективная из существующих в настоящее время. Она состоит из большого числа слоев с низкой излучательной способностью, которые служат экранами, отражающими тепловое излучение. Эти экраны разделены теплоизоляционными прокладками, вся изоляция находится в вакуумной полости. В качестве основных элементов такой изоляции чаще всего применяют алюминиевую фольгу и стеклоткань. В теплоизолирующем пространстве поддерживается вакуум (10-4 – 10-3 Па).

Криогенные емкости

Емкости-хранилища стационарного и транспортного типа очень разнообразны по вместимости (от нескольких литров до сотен и тысяч метров кубических) и по назначению. При всем разнообразии конструкций криогенные емкости имеют много общего.

Емкости обычно имеют цилиндрическую форму, причем в стационарных емкостях (до 60 м3) ось цилиндра располагают вертикально для уменьшения занимаемой площади, а в транспортных – горизонтально (для увеличения устойчивости и уменьшения высоты).

Внутренний сосуд изготавливают из металлов, сохраняющих достаточную ударную вязкость при низких температурах: аустенитных сталей (в основном 12Х18Н10Т) или алюминиевых сплавов АМц и АМг-5В. Наружный корпус может быть выполнен из перечисленных металлов, а также из обычной углеродистой стали. Между внутренним сосудом для криогенной жидкости и кожухом помещена порошковая или многослойная теплоизоляция. Требуемый вакуум в теплоизоляционной полости поддерживается в период эксплуатации физическими (адсорбентами) и химическими поглотителями газа. Внутренний сосуд закрепляют в кожухе с помощью системы опор и подвесок.

В небольших емкостях внутренний сосуд крепят к горловине, служащей одновременно подвеской и трубой, позволяющей выполнять все технологические операции при эксплуатации сосуда. Сосуды этой простой конструкции называют сосудами Дьюара.

Существует два основных способа хранения криогенных жидкостей в емкостях: а) с открытым сбросом испарившегося газа в окружающую среду; б) бездренажное хранение – в закрытых емкостях. При втором способе, казалось бы, потери газа исключаются, но по мере поступления теплоты из окружающей среды давление в емкости увеличивается. Давление возрастает по определенному закону, достигая предельного значения, определяемого прочностью сосуда, после чего давление необходимо сбрасывать. Методики расчетов потерь криопродуктов с испарением при их хранении достаточно сложны [2, 3].