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CN111810832B - 真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统及方法 - Google Patents

真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统及方法 Download PDF

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CN111810832B
CN111810832B CN202010785999.0A CN202010785999A CN111810832B CN 111810832 B CN111810832 B CN 111810832B CN 202010785999 A CN202010785999 A CN 202010785999A CN 111810832 B CN111810832 B CN 111810832B
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Abstract

本发明公开一种真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统及方法，系统包括充氮装置、自动出气控制阀门、抽真空装置和控制系统；所述的充氮装置、自动出气控制阀门和抽真空装置均与真空多层绝热低温容器的夹层连通；所述的充氮装置包括氮气源、氮气加热器和进气控制阀门，氮气源配有供气阀门，氮气源的出气端与氮气加热器的进气端连接，氮气加热器的出气端与进气控制阀门的进气端连接，进气控制阀门的出气端与夹层连通；所述的供气阀门、氮气加热器、进气控制阀门、抽真空装置和自动出气控制阀门均与控制系统通信连接。采用本发明涉及的技术方案，夹层气体置换效果好，有助于提高置换氮气的抽除效率，进而能够获得持久的高真空寿命。

Description

真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统及方法
技术领域
本发明属于真空多层绝热低温容器夹层的抽真空技术领域，尤其涉及一种能够彻底置换夹层水分和其它不凝气体分子的真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统及方法，用于抽真空前对低温容器夹层内气体进行置换。
背景技术
随着冷冻液化气体应用范围越来越广，对储存运输冷冻液化气体的装置的隔热性能要求也越来越高，尤其是储运液氧、液氮、液氢、液氩、LNG等深冷低温液体的容器，一般只有选用高真空多层绝热结构才能可满足隔热要求。此类容器对夹层真空有极高要求，容器整个夹层真空寿命周期(5年)内冷态工作夹层真空度需要优于0.03Pa(绝压)。可见，夹层真空是影响低温容器绝热性能的重要指标之一，是真空多层绝热容器制造和维修过程中重要的技术环节。
在结构固化情况下，夹层真空是影响真空多层绝热深冷容器绝热性能的唯一指标。传统的夹层抽真空工艺具有能耗大、耗时长、工耗高、所获得的真空寿命短等缺陷；另外，多层绝热容器在内容器上包覆多层绝热材料，该绝热材料由数十层甚至上百层薄膜材料叠放后卷绕在内容器上，具有导热系数小、层数多、表面积大、排列紧密等特点，这些特点导致多层绝热材料具有传热差、吸附气体量大、吸附气体难以脱附等问题。
针对上述问题，专利CN101021209A公开了一种抽真空方法及其装置，包括：第一气体输送装置，其具有出气口；第一气体加热器，其进口与该第一气体输送装置的出气口相连通，其出口与该内筒的进气口相连通；抽真空机组，其与该夹层相连通；第二气体输送装置，其具有出气口；第二气体加热器，其进口与该第二气体输送装置的出气口相连通，其出口与该夹层相连通。
专利号为CN102913749A公开的大容积低温绝热容器用抽真空系统及方法，包括供气装置、抽真空装置以及加热装置；加热装置包括外罐加热装置以及内罐加热装置；待抽真空绝热容器包括外罐、内罐以及由外罐和内罐形成的夹层；外罐加热装置设置在待抽真空绝热容器外罐的外部；内罐加热装置设置在待抽真空绝热容器内罐的内部；供气装置通过管道分别与待抽真空绝热容器内罐以及夹层相贯通；抽真空装置通过管道分别与待抽真空绝热容器内罐以及夹层相贯通。
上述专利涉及的方案均需要通过供气装置(或者是气体输送装置)对夹层内的气体进行冲洗，实现对夹层内不易脱离的气体进行置换，然后利用抽真空装置将冲洗用的气体抽出，使夹层处于真空状态，进而提高绝热性能。然而，上述两个技术方案中，夹层置换均采用封闭充气方式，实际操作时易发生过充或欠充现象，置换方式效果不理想，影响夹层的真空度，最终导致容器绝热性能变差。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中真空多层绝热低温容器夹层采用氮气置换时易出现过充和欠充现象，导致夹层真空度差，容器绝热性能差的问题，提出了一种真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统及方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明涉及一种真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统，其包括充氮装置、自动出气控制阀门、抽真空装置和控制系统；所述的充氮装置、自动出气控制阀门和抽真空装置均与真空多层绝热低温容器的夹层连通；所述的充氮装置包括氮气源、氮气加热器和进气控制阀门，氮气源配有供气阀门，氮气源的出气端与氮气加热器的进气端连接，氮气加热器的出气端与进气控制阀门的进气端连接，进气控制阀门的出气端与夹层连通；所述的供气阀门、氮气加热器、进气控制阀门、抽真空装置和自动出气控制阀门均与控制系统通信连接。
优选地，所述的充氮装置还包括第一温度传感器和压力传感器，第一温度传感器连接在氮气加热器和进气控制阀门之间，压力传感器连接在进气控制阀门与夹层之间，第一温度传感器和压力传感器均与控制系统通信连接。
优选地，所述的充氮装置还包括限压阀和限流阀，限压阀和限流阀依次连接在供气阀门和氮气加热器之间，限流阀与控制系统通信连接。
优选地，所述的充氮装置还包括安全阀，安全阀连接在氮气加热器和第一温度传感器之间。
优选地，所述的抽真空装置配有用于控制其开关的抽真空阀门，抽真空装置连接在进气控制阀门和压力传感器之间，进而使抽真空装置和充氮装置连接在夹层的同一个连接口处，抽真空阀门与控制系统通信连接。
优选地，所述的抽真空装置还包括夹层抽空阀，夹层抽空阀连接在压力传感器与夹层之间。
优选地，所述的抽真空装置还包括用于检测夹层真空度的真空规管，真空规管连接在进气控制阀门和压力传感器之间，真空规管与控制系统通信连接。
优选地，所述的自动出气控制阀门和夹层之间还连接有用于检测夹层排出气体温度的第二温度传感器，第二温度传感器与控制系统通信连接。
本发明还涉及一种基于上述真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统的氮气冲洗置换方法，其包括以下步骤：
S1.设定真空度阈值，控制系统启动抽真空装置对夹层进行抽空；
S2.当夹层真空度达到低于真空度阈值后，控制系统关闭抽真空装置，停止对夹层抽真空，同时，控制系统打开供气阀门、氮气加热器和进气控制阀门，氮气源提供氮气，氮气加热后充入到夹层，当夹层压力达到～110KPa时，控制系统进一步打开自动出气控制阀门，持续充氮气和排氮气，进而置换夹层内原有气体；
S3.控制系统关闭自动出气控制阀门，关闭供气阀门和进气控制阀门，同时，控制系统启动抽真空装置，抽出夹层中的氮气；
S4.重复步骤S2和S3若干次，至夹层内原气体排除干净并将氮气全部抽出。
优选地，所述步骤S2中还包括设定氮气温度范围，氮气温度控制在氮气温度范围以内，充入夹层的氮气的温度由第一温度传感器测量并将温度信息传递给控制系统，控制系统根据第一温度传感器测量的温度控制氮气加热器的开关。
与现有技术相比，采用本发明提供的技术方案具有以下技术效果：
本发明涉及的真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统包括充氮装置、自动出气控制阀门和抽真空装置，置换夹层内气体时，一边充入加热的氮气，一边释放置换气体，并使夹层压力控制在微正压，不会发生过充或欠充的现象，抽空时夹层空间相对绝热材料层间形成负压，可使深层绝热材料所吸附气化水分及不凝气体被脱附，使用流动的热氮气对夹层进行冲洗，有利于将夹层材料脱附的水分、不凝气体成分裹挟冲出夹层，使置换效果彻底，提高低温容器的真空度和绝热性。
附图说明
图1为实施例一真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统的结构图；
图2为实施例二真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统的结构图；
图3为实施例二中内容器加热装置的结构图；
图4为实施例二中外容器加热装置的结构图；
图5为采用本发明冲洗夹层并抽空后低温容器夹层真空度随时间变化图。
其中：1、氮气源；2、供气阀门；3、限压阀；4、限流阀；5、氮气加热器；6、安全阀；7、第一温度传感器；8、进气控制阀门；9、真空规管；10、抽真空阀门；11、压力传感器；12、夹层抽空阀；13、绝热层；14、外容器加热装置；15、外容器；16、内容器；17、第二温度传感器；18、自动出气控制阀门；19、内容器加热装置；20、抽真空装置；21、控制系统；22、第一循环风机；23、第一气体加热器；24、内容器进气阀门；25、内容器出气阀门；26、烘房；27、第二循环风机，28、第二气体加热器；29、底部气体通道；30、顶部气体通道。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合实施例和附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的保护范围的限定。
实施例一
本实施例涉及一种真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统，用于对真空多层绝热低温容器的夹层进行抽真空，真空多层绝热低温容器包括外容器15和内容器16，外容器15和内容器16之间形成夹层，内容器16的外围设有绝热层13，绝热层13由数十层甚至上百层薄膜材料叠放后卷绕在内容器7上，具有导热系数小、层数多等特点，使真空多层绝热低温容器的绝热性能更好。
参照图1所示，上述真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统包括充氮装置、自动出气控制阀门、抽真空装置和控制系统，充氮装置、自动出气控制阀门和抽真空装置均与真空多层绝热低温容器的夹层连通。
所述的充氮装置包括氮气源1、限压阀3、限流阀4、氮气加热器5、安全阀6、第一温度传感器7、进气控制阀门8和压力传感器11，氮气源1配有供气阀门2，氮气源1的出气端与氮气加热器5的进气端连接，限压阀3和限流阀4连接在氮气源1和氮气加热器5之间，限压阀3可将氮气压力限定在≤0.2MPa，限流阀4可根据被抽空间大小调节阀门开度，以实现调节气体流量的功能，氮气加热器5的出气端与进气控制阀门8的进气端连接，第一温度传感器7连接在氮气加热器和进气控制阀门之间，用于测量输出氮气的温度；安全阀6连接在氮气加热器5和第一温度传感器7之间，安全阀整定压力≤0.2MPa，当充氮装置出现堵塞等安全问题时，安全阀6自动打开，释放充氮装置内的氮气；进气控制阀门8的出气端与夹层连通，压力传感器11连接在进气控制阀门8与夹层之间，用于测量输出氮气的气压。
上述第一温度传感器7和压力传感器11均与控制系统21通信连接，测量得到的氮气输出温度和气压值均传输给控制系统21；上述供气阀门2、限压阀3、限流阀4、氮气加热器5、安全阀6和进气控制阀门7均与控制系统21通信连接，控制系统21通过第一温度传感器7和压力传感器11的测量值控制供气阀门2、氮气加热器5和进气控制阀门7的开关状态，通过控制系统21调整限流阀4的限流值。
抽真空装置20配有用于控制其开关的抽真空阀门10，抽真空装置连接在进气控制阀门8和压力传感器11之间，进而使抽真空装置20和充氮装置连接在夹层的同一个连接口处，抽真空阀门10与控制系统21通信连接，由控制系统21控制抽真空阀门10的开关状态；抽真空装置20还包括夹层抽空阀12，夹层抽空阀12连接在压力传感器11与夹层之间，夹层抽空阀均与控制系统通信连接；抽真空装置21还包括用于检测夹层真空度的真空规管9，真空规管9连接在进气控制阀门8和压力传感器11之间，真空规管9与控制系统21通信连接，检测所得的真空度传递给控制系统21显示。
自动出气控制阀门18和夹层之间还连接有用于检测夹层排出气体温度的第二温度传感器17，自动出气控制阀门18和第二温度传感器17均与控制系统21通信连接，第二温度传感器17测量所得的夹层排出气体温度传输给控制系统21显示，自动出气控制阀门18通过控制系统21控制其出气时的气压值。
基于上述真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统的氮气冲洗方法包括以下步骤：
S1.采用控制系统21设定真空度阈值(真空度阈值的取值范围是10Pa～300Pa)，控制系统21启动抽真空装置20，具体是开启抽真空阀门10和夹层抽空阀12，对夹层进行抽空，抽空过程中由真空规管9检测真空度；
S2.当夹层真空度低于真空度阈值后，控制系统21关闭抽真空装置20，即关闭抽真空阀门10，停止对夹层抽真空，同时，通过控制系统21设定氮气温度范围(氮气温度范围为100℃～250℃)，控制系统21打开供气阀门2、氮气加热器5和进气控制阀门8，氮气源1提供氮气，氮气经过氮气加热器5加热后充入到夹层；设定夹层的压力阈值(比如110KPa微正压)，当夹层压力上升达到压力阈值时，控制系统21进一步打开自动出气控制阀门18，持续充氮气和排氮气一段时间，一般持续1～12小时，使夹层内始终存在流动的氮气，进而置换夹层内原有气体，氮气温度控制在氮气温度范围内，充入夹层的氮气的温度由第一温度传感器7测量并将温度信息传递给控制系统，从夹层排出的气体温度由第二温度传感器17测量，控制系统21根据第一温度传感器7和第二温度传感器17测量的温度控制氮气加热器5的开关，进而控制夹层内氮气温度；上述过程中，不同阶段调整限流阀4不同的开度，当充氮阶段夹层压力未达到压力阈值时，限流阀4开大开度，维持大流量；充氮气和排氮气同步进行的阶段，需要关小限流阀4开度，维持小流量。
S3.控制系统21关闭自动出气控制阀门18，关闭供气阀门2和进气控制阀门8，同时，控制系统21启动抽真空装置20，抽出夹层中的氮气；
S4.设定氮气冲洗置换次数(氮气冲洗置换次数一般为4～15次)，重复步骤S2和S3至氮气冲洗置换次数，至夹层内原气体排除干净并将氮气全部抽出。
实施例二：
参照附图2所述，本实施例涉及的真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统与实施例一相比，增加了内容器加热装置19和外容器加热装置14。
本实施中充氮装置、自动出气控制阀门18、抽真空装置20和控制系统21的结构以及与真空多层绝热低温容器的连接关系均与实施例一相同，本实施例不再阐述；所述的内容器加热装置19可以提供室温～300℃循环洁净空气或氮气，并接受控制系统21的控制，可实现循环稳定供热工况，进而对内容器进行加热；所述的外容器加热装置14可以容纳被抽空容器，可以提供室温～250℃循环洁净空气，并接受控制系统控制，可实现循环稳定供热工况，进而对外容器进行加热。
参照附图3所示，所述的内容器加热装置19包括第一循环风机22、第一气体加热器23、内容器进气阀门24和内容器出气阀门25，内容器加热装置19的进气端和出气端分别连接在内容器进、出气口。
参照附图4所述，所述的外容器加热装置14包括烘房26、第二循环风机27、第二气体加热器28，烘房26可以容纳被抽空容器，烘房26内部靠近底板的位置设有底部气体通道29，烘房26内部靠近顶板的位置设有顶部气体通道30，第二循环风机27和第二气体加热器28的出气端与底部气体通道29连接，第二循环风机27和第二气体加热器28的进气端与顶部气体通道30连接。
采用本实施例涉及的真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统对夹层进行冲洗的步骤包括：
S0.设定内循环加热温度范围(内循环加热温度范围为100℃～300℃)和外循环加热温度范围(外循环加热温度范围为100℃～200℃)，开启内容器加热装置19对内容器循环加热，内循环气体温度控制在内循环加热温度范围内；打开外容器加热装置14对外容器循环加热，外循环气体温度控制在外循环加热温度范围内。
S1.采用控制系统设定内循环加热温度上限值(内循环加热温度上限值为300℃)、内循环加热下限值(内循环加热下限值100℃)、外循环加热温度上限值(外循环加热温度上限值为200℃)、外循环加热下限值(外循环加热下限值100℃)和真空度阈值(真空度阈值取值范围为10Pa～300Pa)，当内容器出气温度达到内循环加热下限值时，控制系统21启动抽真空装置20，具体是开启抽真空阀门10和夹层抽空阀12，对夹层进行抽空，抽空过程中由真空规管9检测真空度，在抽真空装置20的工程中，当该内容器排气口排出的气体温度达到内循环加热温度上限值时，内烘气体加热器停止加热，当该内容器的排气口排出的气体温度低于内循环加热下限值时，内烘气体加热器开始加热，以使排出的气体温度维持在内循环加热下限值和内循环加热温度上限值之间，当该烘房内的气体温度达到外循环加热温度上限值时，外烘气体加热器停止加热，当该烘房内的气体温度低于低于外循环加热下限值时，外烘气体加热器开始加热，以使烘房气体温度维持在外循环加热下限值和外循环加热温度上限值之间；
S2.采用控制系统设定氮气温度范围(氮气温度范围为100℃～250℃)，当夹层真空度达到真空度阈值后，控制系统21关闭抽真空装置20，即关闭抽真空阀门10，停止对夹层抽真空，同时，控制系统21打开供气阀门2、氮气加热器5和进气控制阀门8，氮气源1提供氮气，氮气经过氮气加热器5加热后充入到夹层；设定夹层的压力阈值(比如110KPa微正压)，当夹层压力上升达到压力阈值时，控制系统21进一步打开自动出气控制阀门18，持续充氮气和排氮气一段时间，一般是1～12小时，使夹层内始终存在流动的氮气，进而置换夹层内原有气体，氮气温度控制在氮气温度范围以内，充入夹层的氮气的温度由第一温度传感器7测量并将温度信息传递给控制系统，从夹层排出的气体温度由第二温度传感器17测量，控制系统21根据第一温度传感器7和第二温度传感器17测量的温度控制氮气加热器5的开关，进而控制夹层内氮气温度；上述过程中，不同阶段调整限流阀4不同的开度，当充氮阶段夹层压力未达到压力阈值时，限流阀4开大开度，维持大流量；充氮气和排氮气同步进行的阶段，需要关小限流阀4开度，维持小流量。
S3.控制系统21关闭自动出气控制阀门18，关闭供气阀门2和进气控制阀门8，同时，控制系统21启动抽真空装置20，抽出夹层中的氮气；
S4.设定氮气冲洗置换次数(氮气冲洗置换次数一般为4～15次)，重复步骤S2和S3至氮气冲洗置换次数，至夹层内原气体排除干净并将氮气全部抽出。
效果实施例一
从2002年起至2019年，在兰州某公司对36台20m3～32m3某新型潜艇用低温容器实施。真空多层绝热低温容器夹层有效容积为6～8m3；实现的夹层封口真空度为1.5×10-4Pa～3.3×10-3Pa，实现的夹层低温压强为6×10-5Pa～3×10-4Pa。4～14年后复测夹层低温压强未见明显变化，如图5所示。
效果实施例二
2017年11月在南通某公司进行抽空效果展示：1只40英尺LNG集装箱，真空夹层有效空间8.5m3，双方进行了联合测试，有效抽空时间6天，当时结束抽空时封口真空度3.1E-3Pa，见表1；加注液氮热平衡后冷态真空度为1.8E-4Pa，见表2；2年后，2019年10月双方进行了夹层真空度跟踪测试，数据见表3；数据表明2年夹层真空度下降2E-4Pa，可以预计20年后夹层真空仍然在E-3量级。
表1：封口真空度测试表
表2：初始冷态真空度测试表
表3：2年后冷态真空度测试表
效果实施例三
2019年2月在无锡某公司实施，1只40英尺LNG罐箱，真空夹层有效空间8.5m3。有效置换+抽空总计耗时6天，封口时内罐出气温度52℃，夹层真空度9.5×10-4Pa(安装在夹层规管直接测量)，现行国标NB/T47059-2017要求同型产品封结真空度指标为室温8×10-2Pa，封口数据优秀，在行业中绝无仅有。
尽管为了说明的目的公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员应当清楚在不脱离本发明所附的权利要求公开的范围和精神情况下，仍然可以进行多种修改、添加及替代。

Claims (8)

1.一种真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统，其特征在于：其包括充氮装置、自动出气控制阀门、抽真空装置和控制系统；所述的充氮装置、自动出气控制阀门和抽真空装置均与真空多层绝热低温容器的夹层连通；所述的充氮装置包括氮气源、氮气加热器和进气控制阀门，氮气源配有供气阀门，氮气源的出气端与氮气加热器的进气端连接，氮气加热器的出气端与进气控制阀门的进气端连接，进气控制阀门的出气端与夹层连通；所述的供气阀门、氮气加热器、进气控制阀门、抽真空装置和自动出气控制阀门均与控制系统通信连接；
所述的充氮装置还包括第一温度传感器和压力传感器，第一温度传感器连接在氮气加热器和进气控制阀门之间，压力传感器连接在进气控制阀门与夹层之间，第一温度传感器和压力传感器均与控制系统通信连接；
所述的自动出气控制阀门和夹层之间还连接有用于检测夹层排出气体温度的第二温度传感器，第二温度传感器与控制系统通信连接。
2.根据权利要求1所述的真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统，其特征在于：所述的充氮装置还包括限压阀和限流阀，限压阀和限流阀依次连接在供气阀门和氮气加热器之间，限流阀与控制系统通信连接。
3.根据权利要求1所述的真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统，其特征在于：所述的充氮装置还包括安全阀，安全阀连接在氮气加热器和第一温度传感器之间。
4.根据权利要求1所述的真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统，其特征在于：所述的抽真空装置配有用于控制其开关的抽真空阀门，抽真空装置连接在进气控制阀门和压力传感器之间，进而使抽真空装置和充氮装置连接在夹层的同一个连接口处，抽真空阀门与控制系统通信连接。
5.根据权利要求4所述的真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统，其特征在于：所述的抽真空装置还包括夹层抽空阀，夹层抽空阀连接在压力传感器与夹层之间。
6.根据权利要求4所述的真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统，其特征在于：所述的抽真空装置还包括用于检测夹层真空度的真空规管，真空规管连接在进气控制阀门和压力传感器之间，真空规管与控制系统通信连接。
7.一种基于权利要求1所述的真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统的氮气冲洗方法，其特征在于：其包括以下步骤：
S1.设定真空度阈值，控制系统启动抽真空装置对夹层进行抽空；
S2.当夹层真空度低于真空度阈值后，控制系统关闭抽真空装置，停止对夹层抽真空，同时，控制系统打开供气阀门、氮气加热器和进气控制阀门，氮气源提供氮气，氮气加热后充入到夹层，当夹层压力达到～110KPa时，控制系统进一步打开自动出气控制阀门，持续充氮气和排氮气，进而置换夹层内原有气体；
S3.控制系统关闭自动出气控制阀门，关闭供气阀门和进气控制阀门，同时，控制系统启动抽真空装置，抽出夹层中的氮气；
S4.重复步骤S2和S3若干次，至夹层内原气体排除干净并将氮气全部抽出。
8.根据权利要求7所述的真空多层绝热低温容器夹层氮气冲洗置换系统的氮气冲洗置换方法，其特征在于：所述步骤S2中还包括设定氮气温度范围，氮气温度控制在氮气温度范围以内，充入夹层的氮气的温度由第一温度传感器测量并将温度信息传递给控制系统，控制系统根据第一温度传感器测量的温度控制氮气加热器的开关。
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