Синявский Ю. В. Криогенные трубопроводы

2-2. Теплоизоляция труб

Теплоизоляция криотрубопровода должна удовлетворять трем основным требованиям:
1) малая теплопроводность,
2) малая теплоемкость,
3) простота и технологичность конструкции.

Эти требования часто противоречат одно другому, и конструктор должен найти в каждом конкретном случае оптимальное компромиссное решение.

Значение отдельных требований при выборе типа теплоизоляции определяется, в основном, временем непрерывной работы криотрубопровода, а также температурой криоагента, для которого предназначен трубопровод.

По времени работы криотрубопроводы условно подразделяются на кратковременное действие (время непрерывной передачи криоагента между двумя отогревами трубопровода составляет не более получаса) и длительное действие (время между последовательными отогревами равно часам, суткам и более). В зависимости от температуры криоагента трубопроводы могут быть также условно разделены на две группы: трубопроводы для криоагентов с нормальной температурой кипения выше 70÷80K и ниже этих температур.

Для трубопроводов длительного действия превалирующее значение имеет, как правило, всемерное снижение теплопритока к криоагенту вследствие теплопроводности изоляции, что обеспечивает высокую экономичность передачи криоагента. Вместе с тем необходимо учитывать температуру криоагента и его теплофизические свойства.

Криоагенты с нормальной температурой кипения Т < 70÷80K имеют относительно низкие теплоты парообразования (гелий - 81 дж/моль, водород – 890 дж/моль, неон – 1735 дж/моль) при относительно высокой стоимости как ожижения, так и реконденсации. Поэтому для этих криоагентов трубопроводы длительного действия должны иметь самую высокоэффектиную теплоизоляцию, даже если это требует существенного усложнения конструкции.

Положение несколько меняется при выборе теплоизоляции трубопроводов, предназначенных для криоагентов с температурой кипения выше 70÷80K. Эти криоагенты (воздух, азот, углеводороды, смеси этих газов) имеют относительно большие величины теплот парообразования (не менее 5500 дж/моль). Стоимость их ожижения и реконденсации существенно ниже, чем криоагентов с Т < 70÷80K*. В связи с этим, наряду с требованием по эффективности на передний план выдвигается требование высокой технологичности и простоты конструкции.

Для трубопроводов длительного действия, вне зависимости от температуры криоагента, теплоемкость изоляции большого значения не имеет, так как нестационарный режим охлаждения криотрубопровода (время охлаждения до стационарного распределения температур по элементам криотрубопровода) составляет относительно малую часть от полного времени работы. В результате основные потери эксергии криоагента (в частности, испарение жидкости) при его передаче по такому трубопроводу определяются теплопритоком извне, а не отводом тепла от элементов теплоизоляционного пространства при охлаждении криотрубопровода.

Положение в корне меняется для криотрубопроводов кратковременного действия. В этом случае потери эксергии криоагента вследствие как теплопритока через изоляцию, так и охлаждения ее элементов могут быть соизмеримы. Кроме того, для трубопроводов кратковременного действия существенно большее значение имеет сокращение времени нестационарного режима. В совокупности это требует снижения теплоемкости теплоизоляции, даже если ведет к некоторому увеличению ее теплопроводности. Поэтому в ряде случаев для сокращения времени нестационарного режима сознательно используются материалы с относительно большим коэффициентом теплопроводности.

Тем не менее, учитывая теплофизические свойства криоагентов с температурами кипения
Т < 70K и высокую стоимость их ожижения и реконденсации, теплоизоляция трубопроводов для этих криоагентов должна применяться только высокоэффективных типов.

При кратковременной передаче криоагентов с Т > 70K повышается значение требования по сокращению времени нестационарного режима, простоте конструкции трубопровода и удобству его эксплуатации, а относительно низкая стоимость сжижения этих криоагентов допускает некоторое увеличение потерь.

Стремлением к удобной, простой в эксплуатации конструкции объясняется, в частности, применение для кратковременного слива жидких азота и углеводородов трубопроводов относительно небольшой длины (до 3-5 м) вообще без специальной теплоизоляции и использование для этих целей образующейся вследствие конденсации влаги из воздуха снеговой или ледяной «шубы» (коэффициент теплопроводности снега 0,1-0,5 Вт/м.град и льда 2-3 Вт/м.град). Естественно, что жидкие неон, водород, гелий (Т < 70K), имеющие относительно небольшие теплоты парообразования, передавать по неизолированным трубопроводам нельзя, так как конденсация атмосферного воздуха на поверхности неизолированного трубопровода сопряжена с подводом к криоагенту большого количества тепла.

Для криотрубопроводов применяются, в основном, вакуумные типы теплоизоляции, и лишь в трубопроводах, предназначенных для относительно непродолжительной передачи криоагентов с температурами кипения выше, чем температура конденсации атмосферного воздуха, используются волокнистые и ячеистые теплоизоляционные материалы, работающие при атмосферном давлении.

Величина теплопритока к криоагенту через теплоизоляцию рассмотренных типов рассчитывается по известным формулам, приведенным, в частности, в [7, 8]. При предварительных расчетах толщина δ теплоизоляции может быть принята по эмпирической формуле, полученной путем сопоставления затрат на изготовление трубопроводов и оценки стоимости ожижения жидких продуктов, теряемых при эксплуатации трубопроводов в течение двух лет:

,        (2-1)

где D - диаметр трубы для передачи криоагента,
А - коэффициент, зависящий от типа изоляции и температуры криоагента.

Для криоагентов с температурой 70-90K коэффициент А равен при:
волокнистых материалах под атмосферным давлением    2,4÷2,5
вакуумно-порошковой теплоизоляции    1,0+1,1
высоковакуумной изоляции    0,9+1,0
вакуумно-экранной изоляции (многослойной)    0,5

Для криоагентов с температурой 4-20K численное значение коэффициента А удваивается.

Для сохранения стабильности характеристик теплоизоляционного пространства криотрубопровод с индивидуальной теплоизоляцией должен быть спроектирован таким образом, чтобы при его эксплуатации сохранялась соосность внутренней трубы для передачи криоагента и кожуха теплоизоляции.

Для коротких прямых трубопроводов без компенсаторов выполнение этого требования обеспечивается соответствующей жесткой заделкой кожуха на концах трубопровода. Во всех трубопроводах с компенсаторами линейных перемещений, а также в длинных трубопроводах без компенсаторов для достижения этой цели необходимо предусматривать специальные конструктивные элементы по длине трубы.

Роль таких элементов при использовании теплоизоляционных материалов, работающих при атмосферном давлении, а также вакуумно-порошковой теплоизоляции выполняют, как правило, сами материалы, заполняющие теплоизоляционное пространство, с плотностью, достаточной для сохранения соосности трубы и кожуха.

При большом диаметре трубы (большой массе ее) для снижения удельного давления на теплоизоляционный материал ставятся дополнительные элементы (проставки), посредством которых силы тяжести передаются на кожух.

При использовании высоковакуумной или вакуумно-многослойной теплоизоляции соосность трубы и кожуха обеспечивается только проставками, устанавливаемыми в теплоизоляционном пространстве. Конструкции проставок показаны на рис. 2-1.

Рис. 2-1. Типы проставок. 1. Труба для криоагента. 2. Кожух. 3. Вакуумная полость. 4. Шарик из керамики или нержавеющей стали. 5. Обойма. 6. Плоская проставка. 7. Хомутик из проволоки

Толщина S плоских проставок и диаметр d шариков, упоров, «пальцев» зависит от нагрузки на них (диаметра D внутренней трубы). При относительно небольших D (до 20-30 мм) сливных и переливных трубопроводов, применяемых в рефрижераторах и ожижителях, принимают S≈0,8-2,0 мм и d≈2-10 мм. Каждый прямой участок трубы должен иметь не менее двух трех проставок; на длинных прямых трубопроводах проставки устанавливаются не реже, чем через 1,5-2,0 м.

Кроме рассмотренных выше типов проставок были попытки использовать для этих целей шнуровые материалы, в частности, капрон и тефлон (фторопласт-4) . Однако они не получили распространения, так как приводили к большим теплопритокам к криоагенту, чем в случае применения других типов проставок в аналогичных условиях.

Величина теплопритока, обусловленного наличием проставок любого типа, определяется, в основном, тремя факторами: контактным термосопротивлением между проставкой и трубами, лучистым теплообменом между поверхностями проставки и труб, теплопроводностью материала проставки. При иженерном расчете учесть первые два фактора весьма затруднительно, так как для рассмотренных конструкций нет достаточного количества экспериментальных данных.

При определении теплопритока по пальцевым проставкам их длина, находящаяся в металлическом опорном колпачке, в расчете не учитывается. Высоту опорного колпачка следует, естественно, принимать как можно меньше.

* Достаточно напомнить, что удельный расход эксергии на получение единицы холода на уровне Т = 70K даже в идеальном случае примерно в 20 раз меньше, чем на уровне 4,2K. Для реальных установок эта разница еще больше.

Следующая страница: 2-3. Присоединение криотрубопроводов