CN101542187B - 隔热系统 - Google Patents

Abstract

一种隔热系统，其在容器内阻止从周围环境到位于容器内的设备的热泄漏，该设备在低温下操作。该隔热系统包括填充容器的散装隔热材料和位于容器内的隔热层，该隔热层处在设备与容器之间。与散装隔热材料相比，隔热层具有更低的热导率。设备的一部分外部区域比设备的其余外部区域更靠近容器的相对容器壁区域。隔热层的尺寸定成仅隔热设备的该一部分外部区域避免通过相对容器壁区域的热泄漏。隔热层可由气凝胶形成。

Description

隔热系统

技术领域

本发明涉及一种隔热系统，隔热位于容器内的在低温下操作的设备避免通过容器壁的热泄漏。更具体地，本发明涉及这样的系统，在该系统中散装隔热材料填充容器，热导率低于散装隔热材料的隔热层位于设备与容器壁之间。

背景技术

在许多工业应用中，将设计成在低温下操作的设备放置在隔热容器内，以阻止从周围环境到该设备的热泄漏。

具有操作温度要求的设备的一个实例是低温蒸馏设备，该低温蒸馏设备压缩、净化空气，然后将该空气冷却到或接近露点温度，用于在一个或多个蒸馏塔中进行蒸馏，以将诸如氮和氩的较轻组分与诸如氧的较重组分分离。引入的空气逆着主热交换器内的诸如氮和氧的产物流得到冷却。

另一个实例是液化天然气的装置，通过该装置使来自高压管道的气体膨胀、冷却和冷凝以产生液化天然气(LNG)产品。

为了维持低温蒸馏设备所要求的低温，可将一个或多个蒸馏塔以及热交换器放置在被称为冷箱的容器内。这样的容器在正压下操作，即该容器没有对周围环境密封。将通常为微粒形式的散装填充隔热材料引入容器以提供隔热。这样的散装填充隔热材料(例如珍珠岩)阻止对流性热传递并抑制通过传导产生的热传递。由于传导热传递居支配地位，因此辐射热传递的影响很小。

已被建议用于低温设备的另一种类型的隔热材料是气凝胶隔热材料。气凝胶的优点是它的热导率低于诸如珍珠岩的传统隔热材料。气凝胶是无水胶，这些胶干燥成使得胶的固体物质保持完整以产生开孔结构，这些胶可包括由硅石、矾土、氧化锆、钨和钛形成的无机气凝胶。另外，还形成有诸如间苯二酚甲醛的有机气凝胶。气凝胶可形成实心材料块，如细粉或小球。气凝胶材料还可以用作毡的填充物，或与纤维混合并通过纤维得到加强以形成毡状或垫状结构。

阻止过度热泄漏所需要的最小隔热厚度将阻止在容器的表面上形成局部的冰斑点(ice spots)。容器不适于暴露在低温下。因此，防止容器壁和支撑结构的脆化同样需要最小厚度。可以了解的是，隔热材料的热导率越低，隔热材料的最小厚度就越小，同时因为需要的隔热材料减少，所以容器也越小。用气凝胶取代诸如珍珠岩的散装填充隔热材料产生的问题是尽管气凝胶的热导率比珍珠岩低大约4倍，但是气凝胶要贵得多。因此，尽管与只使用珍珠岩相比，可以将容器(例如冷箱)造得更小，但是本发明人已经发现使用气凝胶隔热材料增加的费用证明它不适合用于这样的应用场合。

正如将要讨论的，本发明提供一种隔热系统，在这种隔热系统中，使用最少的低热导率的隔热材料(诸如气凝胶)，以允许将容器制得比使用较高热导率的隔热材料(诸如珍珠岩)时的其它可能更小。

发明内容

本发明提供一种隔热系统，这种隔热系统在内部为正压的容器内阻止从周围环境到位于容器内的设备的热泄漏，该设备设计成在低温下操作。如这里和权利要求中所使用的，术语“正压”是指处于或接近环境压力的压力，而不是真空或接近真空的负压。

根据本发明，用散装隔热材料填充容器。如这里和权利要求中所使用的，术语“散装隔热材料”是指通常为粉末或小球形式的隔热材料，其能用于填充容器并完全包围设备。

附加的隔热层位于容器内并处在设备与容器之间。要注意的是，这里和权利要求中所使用的术语“层”是指具有总长度、总宽度和总深度或总厚度的任何构件。本发明的层不需要是刚性的，这样它就可以由毡形成，并且进一步地能够与由它覆盖的设备的构件相合。但是，术语“层”的限定不排除刚性层。此外，术语“在...之间”并不意味着这样的隔热层与设备或容器壁要有必要的间隔。例如，隔热层可位于设备上并与该设备相合，或者可与容器物理接触但仍然位于设备与容器壁之间。

本发明的隔热层的热导率低于散装隔热材料的热导率。设备的一部分外部区域比设备的其余外部区域更靠近容器的相对容器壁区域。这样就可将隔热层的尺寸定成仅隔热设备的该部分外部区域避免从相对容器壁区域到该设备的热泄漏。

隔热层可以是气凝胶。此外，如上面所指出的，气凝胶可以是毡形式，即纤维垫材料或毡材料中的填充物。上面还提及可将隔热层定位在设备上。

容器和设备都可以是圆柱形结构的。在这样的情形下，当设备在容器内不居中时，设备的所述一部分外部区域是设备的外圆柱面的外部分，相对壁区域则是容器的内圆柱面的内部分。隔热层覆盖设备的外圆柱面的该外部分。

容器还可以是由四个连接的侧壁限定的矩形横截面的。设备可以是圆柱形结构的，因此隔热层是四个相邻隔热层之一，该四个相邻隔热层覆盖设备的外圆柱面的四个相邻的相等部分。在这样的情形下，相对壁区域可以是四个连接的侧壁的四个相对壁区域之一，该四个相对壁区域位置与设备的外圆柱面的相邻的相等部分相对。

容器可以是矩形横截面的，其具有四个连接的侧壁并可构成冷箱。在这样的情形下，设备可包括蒸馏塔和热交换器。蒸馏塔是圆柱形结构的，而热交换器具有矩形横截面并且它的操作温度高于蒸馏塔的温度。在本发明这样的实施例中，隔热层是五个隔热层之一。五个隔热层中的第一和第二隔热层覆盖蒸馏塔外圆柱面的两个相邻部分，这两个相邻部分位置最靠近四个连接的侧壁中的第一侧壁和第二侧壁。五个隔热层中的第三和第四隔热层覆盖热交换器的两个相对的第一和第二侧，这两个相对的第一和第二侧位置最靠近四个连接的侧壁中的第二侧壁和第三侧壁。五个隔热层中的第五隔热层覆盖四个连接的侧壁的的第四侧壁，这第四侧壁位置与热交换器的第三侧相对，该第三侧连接热交换器的两个相对的第一和第二侧。另外，该系统可以进一步包括定位在热交换器的第四侧上的第六隔热层，该第四侧位置与蒸馏塔相对，该第六隔热层隔热蒸馏塔避免从热交换器到蒸馏塔的附加热泄漏。

在上面刚讨论的实施例中，隔热层可以是毡形式的气凝胶隔热层。进一步地，四个相邻的隔热层中的每一个隔热层也可以是毡形式的气凝胶隔热层。还有，五个隔热层和第六隔热层都可以是毡形式的气凝胶隔热层。

通过上面的讨论可以了解的是，高价隔热材料的使用很节省，即用于隔热最靠近容器壁的容器表面。这样，与只使用热导率比低热导率隔热材料(例如气凝胶)高得多的散装填充隔热材料时的其它可能相比，用于低温设备的容器可以造得更紧凑。在这方面，如这里和权利要求中所使用的，术语“气凝胶”是指由无水胶形成的任何材料，这些无水胶干燥成使得胶的固体物质保持完整，以产生在体积上具有不低于50％孔隙率的开孔结构固体材料。

附图说明

尽管说明书是以清楚地指出申请人视认他们发明的主题的权利要求结束的，但仍相信通过结合附图将会使人更好地理解本发明，其中：

图1是根据本发明的隔热系统的示意性剖视图；

图2是根据本发明的隔热系统的替代实施例；和

图3是根据本发明的隔热系统的替代实施例。

具体实施方式

参考图1，其图示了容器10内的隔热系统，该容器10不是气密的，因此具有处于大气压力下的内部正压。

容器10是圆柱形结构，因而具有圆柱形侧壁12。位于容器10内的是设备14，该设备设计成在低温下操作。例如，设备14可以是空气分离设备的蒸馏塔，空气在该蒸馏塔中被精馏至低温。要注意的是，在这样的设备中，空气是先被冷却到或接近它的露点，再被引入蒸馏塔，在该蒸馏塔中，包含空气较轻组分(例如氮)的上升气相在该塔的顶部部分被液化，以用液体使该塔回流。下降液相通过诸如规整填料或筛盘的接触元件与上升气相接触，以在相之间产生传质。结果是上升气相中的诸如氮的较轻组分含量变得更高，而下降的液相在下降时氧的含量变得更高。

为了减少从周围环境通过容器壁12到设备14的热泄漏，根据本发明提供一种隔热系统。该隔热系统包括简单地倒在容器中的散装隔热材料，例如珍珠岩、硅酸盐、岩棉。除此之外，隔热层18位于容器内，其处在设备14与容器壁12之间。隔热层18的热导率低于散装隔热材料16的热导率。例如，隔热层18可由气凝胶形成。玻璃纤维、聚氨酯或聚异氰脲酯层也是可能的。

在图1中很明显设备14是偏心的。这样，设备14的位于箭头“A”之间的外部区域就比设备14的其余外部区域更靠近容器壁12的位于箭头“B”之间的相对容器壁区域。隔热层18的尺寸定成仅隔热设备14的位于箭头“A”之间的外部区域避免来自箭头“B”之间的相对容器壁区域的热泄漏。这样就能实现诸如气凝胶的高价隔热材料的使用最小化的优点。另外，如果人们观察其余的壁区域就会发现，它们距设备14的外部表面较远。这样就存在足够深度的散装隔热材料16来提供隔热。因此，将隔热层18的宽度尺寸定成使得相邻区域具有足够深度的散装填充隔热材料16，进而充分地隔热设备14避免来自容器壁12的其余容器壁区域的热泄漏。隔热层18的必要宽度及其厚度的计算是本领域的技术人员所公知的常规计算方式。

因此，与没有隔热层18的其它可能的相比，设备14定位能更靠近容器壁12。结果是，与只使用散装隔热材料16的其它可能情形相比，容器10可以制得更小。

优选地，隔热层18是毡形式的，从而构成附接到设备14的外表面的层。尽管优选程度较低，但是仍可将隔热层18定位在相对容器壁区域“B”上。在本发明的范围内，甚至有可能将隔热层18定位在由箭头“A”指示的外部区域与位于箭头“B”之间的内部区域之间。

尽管上面讨论的是关于气凝胶毡的隔热层18，但其它气凝胶形式也是可能的，诸如保持在刚性或半刚性壁之间的小球形式、物质完整的固态形式、包含气凝胶的纤维垫，其中纤维垫加强了气凝胶。另外，隔热层可由玻璃纤维片制成或由热导率比散装填充隔热材料16低的其它任何材料制成。

参考图2，设备14位于容器20内，该容器20是矩形横截面的并具有四个连接的侧壁22、24、26和28。在本发明的该实施例中，设备14在容器20内居中。然而，由于设备14的圆柱形结构与容器20的矩形结构之间的交叉，因此存在位于设备14的相应箭头“A¹”之间、“A²”之间、“A³”之间和“A⁴”之间的四个相对外部区域，它们分别较靠近容器壁22、24、26和28的由位于箭头“B¹”之间、“B²”之间、“B³”之间和“B⁴”之间的区域指示的内部壁区域。因此，根据本发明，隔热层30、32、34和36覆盖设备14的外部表面的四个相邻的相等部分，即位于箭头“A¹”之间、“A²”之间、“A³”之间和“A⁴”之间的外部区域。

参考图3，图示容器40是矩形横截面的并具有四个连接的侧壁42、44、46和48。容器40构成冷箱，在该冷箱中的设备为空气分离设备的蒸馏塔49。另外，该设备还包括热交换器50。热交换器50是典型的板翅式设计，因而构成几何上具有四个矩形侧壁52、54、56和58的结构，该四个矩形侧壁52、54、56和58在顶部和底部处由矩形顶壁和底壁连接，图中能看到顶壁60。

热交换器50用于冷却在低温精馏塔14内蒸馏的空气。然而，因为热交换器50冷却输入的空气，所以其还在较高的温度下操作。因此，在冷箱或容器40中，存在从周围环境通过容器壁42、44、46和48的热泄漏，同时还存在从热交换器50到蒸馏塔14的潜在热泄漏。

蒸馏塔49是偏心的。这样就存在蒸馏塔49的外表面的两个相邻部分，这两个相邻部分位于箭头“C¹”之间和箭头“C²”之间，较靠近容器壁42和48的位于箭头“D¹”之间和箭头“D²”之间的相对壁区域。

关于热交换器50，存在热交换器侧52、54和56的位于括号“E¹”、“E²”和“E³”内的三个外部区域，它们较靠近容器壁42、44和46的由箭头“D³”、“D⁴”和“D⁵”指示的相对壁区域。提供隔热层62和64分别覆盖热交换器50的侧52和56。提供附连至侧壁44的隔热层66，以增强热交换器侧54与侧壁44之间的隔热。

为了允许蒸馏塔49紧邻热交换器50，在热交换器50的与蒸馏塔49的外部表面相对的侧58上设置隔热层68，隔热层68位于箭头“C³”之间。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但是本领域的技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可作出许多改变、添加和省略。

Claims (10)

1.一种隔热系统，其在内部为正压的容器内阻止从周围环境到定位在容器内的设备的热泄漏，该设备设计成在低温下操作，该隔热系统包括：

填充所述容器的散装隔热材料；

隔热层，其位于所述容器内，并处在所述设备与所述容器之间，该隔热层的热导率低于所述散装隔热材料的热导率；

所述设备的外部区域，该外部区域比所述设备的其余外部区域更靠近所述容器的相对容器壁区域；以及

所述隔热层的尺寸定成仅隔热所述设备的所述外部区域避免从所述的相对容器壁区域到所述设备的该外部区域的热泄漏。

2.根据权利要求1所述的隔热系统，其特征在于：所述隔热层是气凝胶。

3.根据权利要求2所述的隔热系统，其特征在于：所述隔热层为毡形式。

4.根据权利要求3所述的隔热系统，其特征在于：所述隔热层定位在所述设备上。

5.根据权利要求1所述的隔热系统，其特征在于：

所述容器和所述设备都是圆柱形结构；

所述设备在所述容器内不居中，使得所述设备的所述外部区域是所述设备的外圆柱面的外部分，所述的相对壁区域是所述容器的内圆柱面的内部分；以及

所述隔热层覆盖所述设备的外圆柱面的所述外部分。

6.根据权利要求1所述的隔热系统，其特征在于：

所述容器是矩形横截面的并具有四个连接的侧壁；

所述设备是圆柱形结构；

所述隔热层是四个相邻隔热层之一，所述四个相邻隔热层覆盖所述设备的外圆柱面的四个相邻的相等部分；和

所述的相对壁区域是所述四个连接的侧壁的四个相对壁区域之一，所述四个相对壁区域与所述设备的外圆柱面的相邻的相等部分相对。

7.根据权利要求1所述的隔热系统，其特征在于：

所述容器是矩形横截面，它具有四个连接的侧壁并构成冷箱；

所述设备包括蒸馏塔和热交换器，所述蒸馏塔是圆柱形结构，所述热交换器具有矩形横截面并且它的操作温度高于所述蒸馏塔的温度；

所述隔热层是五个隔热层之一，所述五个隔热层中的第一和第二隔热层覆盖所述蒸馏塔外圆柱面的两个相邻部分，这两个相邻部分位置最靠近所述四个连接的侧壁中的第一侧壁和第二侧壁；

所述五个隔热层中的第三和第四隔热层覆盖所述热交换器的两个相对的第一和第二侧，这两个相对的第一和第二侧位置最靠近所述四个连接的侧壁中的第二侧壁和第三侧壁；

所述五个隔热层中的第五隔热层覆盖所述四个连接的侧壁中的第四侧壁，这第四侧壁位置与所述热交换器的第三侧相对，这第三侧连接所述热交换器的相对的第一和第二侧；以及

所述系统进一步包括定位在所述热交换器的第四侧上的第六隔热层，这第六隔热层位置与所述蒸馏塔相对以隔热所述蒸馏塔避免从所述热交换器到所述蒸馏塔的附加热泄漏。

8.根据权利要求5所述的隔热系统，其特征在于：所述隔热层为毡形式的气凝胶隔热层。

9.根据权利要求6所述的隔热系统，其特征在于：所述四个相邻隔热层中的每一个隔热层均为毡形式的气凝胶隔热层。

10.根据权利要求7所述的隔热系统，其特征在于：所述五个隔热层和第六隔热层均为毡形式的气凝胶隔热层。

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