CN112789440A - 模块化真空隔热管道 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种模块化的基于气凝胶的真空隔热管段(10)，该真空隔热管段包括：外部导管(12)；内部导管(22)，该内部导管与气凝胶隔热材料(30)同心地设置在外部导管(12)内，并且能够冷凝的气体设置在同心导管(12、22)之间的隔热空间(20)中。作为独立式管段(10)，隔热空间(20)处于约100微米Hg至约1000微米Hg范围内的压力下。然而，在操作中，当低温流体穿过内部导管(22)时，能够冷凝的气体冷凝，并且隔热空间(20)内的压力进一步降低至约1微米Hg至约5微米Hg的范围。真空隔热管段(10)还包括设置在内部导管(22)的第一端部(52)和内部导管(22)的第二端部(54)上的联接布置，该联接布置被构造成与另一个模块化真空隔热管段的对应端部接合或配合。

Description

模块化真空隔热管道
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年10月31日提交的美国临时专利申请序列号62/753244的权益和优先权，其公开内容以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及旨在低温下使用的隔热系统，并且更具体地讲，涉及优选地具有基于气凝胶的隔热材料的真空隔热管段和组装的真空隔热管道系统或布置。
背景技术
用于双壁管道系统的常规低温真空隔热系统需要通常在0℃下小于1微米Hg的真空。真空的目的是减少气体导热/对流，以便将容纳在同心导管或其它双壁管道系统中的流体保持在低温下，通常为170开尔文或更低。用于双壁管道系统的常规真空隔热系统所需的真空生产成本很高，当现场组装真空隔热管道系统时需要很长的在高温下的泵出时间。这导致此类现场构建的真空隔热管道系统的高制造成本。
当前组装真空隔热管道系统的方法通常由以下六个步骤组成：(a)制造管道的卷轴；(b)渗漏测试；(c)管卷轴储存和运输；(d)现场分段；(e)现场组装、焊接和测试；以及(f)最终真空下拉。在低温空气分离设备的构造期间，与真空隔热管道系统或布置相关联的现场作业(即上述步骤(c)至(f))相关联的成本通常可接近或超过真空隔热管道系统的总安装成本的50％。仅基于现场的真空下拉步骤是昂贵且非常耗时的。在安装用于低温空气分离设备的真空隔热管道系统的许多情况下，根据真空隔热管道系统或布置的总体长度和几何形状，现场真空工作可能花费2至7天，这转化为更高的安装成本。此外，从质量的角度来看，真空下拉步骤以及真空隔热管道的现场组装的整体质量取决于安装工地处的环境大气条件和其它工地变量。因此，真空隔热管道系统(其中在现场获得真空)的真空水平在一定程度上不一致。
因此，需要一种用于降低安装真空隔热管道系统的成本、同时还改善真空质量和所安装的真空隔热管道系统的对应性能的系统和方法。
发明内容
本发明可被表征为一种模块化真空隔热管段，该模块化真空隔热管段包括：(i)外部导管；(ii)内部导管，该内部导管被构造成容纳低温流体，该内部导管同心地设置在外部导管内并且限定内部导管的外表面和外部导管的内表面之间的隔热空间；(iii)隔热材料，该隔热材料设置在隔热空间中，其中该隔热材料填充的隔热空间处于约100微米Hg至约1000微米Hg范围内的压力下；(iv)密封布置，该密封布置包括靠近外部导管的第一端部设置的第一密封构件和靠近外部导管的第二端部设置的第二密封构件，该密封布置被构造成使隔热空间阻隔外部大气；(v)联接布置，该联接布置设置在内部导管的第一端部和内部导管的第二端部上，该联接布置被构造成与另一个模块化真空隔热管段的对应端部接合或配合；(vi)能够冷凝的气体，该能够冷凝的气体也设置在密封隔热空间中，其中该能够冷凝的气体被构造成在低于约190开尔文的温度下冷凝；以及(vii)一个或多个阀，该一个或多个阀设置在外部导管的外表面上，该一个或多个阀被构造成与隔热空间流体连通，该一个或多个阀被构造成有利于隔热空间的加压和减压，并且有利于将能够冷凝的气体引入隔热空间中。
本发明还可被表征为一种模块化真空隔热管系统，该模块化真空隔热管系统包括优选地长度为100英尺或更小的多个上述模块化真空隔热管段，并且其中在操作中，当低温流体穿过多个联接的模块化真空隔热管段的内部导管时，能够冷凝的气体冷凝，并且多个模块化真空隔热管段中的每个中的隔热材料填充的隔热空间内的压力降低至介于约1微米Hg和5微米Hg之间的压力范围。
在一些实施方案中，该模块化真空隔热管段的隔热材料包括基于气凝胶的隔热材料，优选地为二氧化硅气凝胶，而能够冷凝的气体为二氧化碳。一些实施方案还可包括辐射罩以及设置在内部导管的外表面和外部导管的内表面之间的树脂浸渍的纤维支承件。
模块化真空隔热管段中的每个的密封布置优选地包括：第一密封凸缘和第二密封凸缘，该第一密封凸缘靠近外部导管的第一端部附接到内部导管的外表面和外部导管的内表面，第二密封凸缘靠近外部导管的第二端部可密封地附接到内部导管的外表面和外部导管的内表面。第一密封凸缘和第二密封凸缘被构造成用于使隔热空间阻隔外部大气。
模块化真空隔热管段中的每个的优选联接布置可包括卡口接头或类似联接装置，该联接装置具有设置在内部导管的第一端部上并且与第一端部可密封地接合的突出段以及从内部导管的第一端部轴向延伸的远侧端部。卡口接头或类似联接装置还包括设置在内部导管的第二端部上的接收段。接收段还具有轴向延伸到内部导管中的远侧端部以及限定开口的近侧端部，开口被构造成接收另一个模块化真空隔热管段的另一个突出段。
附图说明
虽然本发明的结论是申请人视为他们的发明内容且清楚地指出发明主题的权利要求，但相信本发明在结合附图考虑时将得到更好的理解，其中：
图1是根据本发明的实施方案的模块化真空隔热管道系统的实施方案的侧面剖视图；
图2是大体描绘根据本发明的各种实施方案的模块化真空隔热管道段中的部件的布置的局部截面图的图示；
图3是大体描绘根据本发明的各种实施方案的模块化真空隔热管道段的所选部件的布置的图示；
图4是示出了用于图1和图2的模块化真空隔热管道段的树脂浸渍的纤维支承件的平面图的图；
图5是示出了预期用作本模块化真空隔热管道系统的联接布置的卡口接头的图示；并且
图6A是被构造为使用卡口式接头联接在一起的两个相邻模块化真空隔热管道段的图示，而图6B示出了使用图6A的卡口接头联接在一起的相邻段的横截面。
具体实施方式
本发明受权利要求书保护的系统和方法通过如下方式解决了上述需求：制造具有隔热材料、优选基于气凝胶的隔热材料的独立双壁管段，并且这些管段被设计成在介于约1微米Hg和300微米Hg之间的真空水平下操作。随后将独立模块化管段运输到建筑工地，在该建筑工地中通过联接多个预制真空隔热管段来组装基于气凝胶的真空隔热管道系统。
这种预制模块化管段方法确保每个管段的质量是均匀且一致的，包括每个管段的构造以及每个管段内的真空系统。由于每个管段的真空下拉发生在车间制造设施中，因此现场安装或组装真空隔热管道系统所花费的时间量以及相关联的现场安装成本和风险得以最小化。具体地说，消除了与处理隔热材料(诸如本领域的气凝胶隔热材料)相关联的成本和风险，以及与本领域的真空下拉相关联的时间和设备。
现在转向图，并且具体地讲转向图1至图4，示出了模块化真空隔热管系统100和模块化真空隔热管段10的不同视图。模块化真空隔热管段10包括具有外表面14和内表面16的外部导管12以及同心地设置在外部导管10内的内部导管22。内部导管22还具有外表面23和内表面24。内部导管22和外部导管12之间的同心布置限定了内部导管的外表面23和外部导管12的内表面16之间的隔热空间20。也沿着隔热空间20内的管段10的长度设置的一个或多个树脂浸渍的纤维支承件28是优选的，该一个或多个树脂浸渍的纤维支承件28被构造成提供管段10的结构完整性并且维持内部导管22和外部导管12之间的间距。在一些实施方案中，膨胀波纹管25或其它装置允许导管相对于其它导管热致收缩和/或膨胀。
隔热材料30，诸如气凝胶隔热材料，也优选地设置在隔热空间20中。优选的隔热材料30为基于金属氧化物的气凝胶材料，诸如二氧化硅气凝胶。气凝胶隔热材料可以固体整体形式或作为合并纤维絮片的复合气凝胶毯供应。另选地，预期使用气凝胶复合毯和气凝胶材料的组合。气凝胶材料和气凝胶毯均具有高度期望的特性，包括低密度和非常低的热导率。在大于约10微米Hg的压力下，气凝胶隔热材料的热导率优选地等于或小于3mW/mK。
如果将气凝胶颗粒用作隔热介质，则气凝胶颗粒优选地具有介于约0.05g/cm3至约0.15g/cm3之间的密度，并且具有优选至少约200m2/g的表面积。优选的气凝胶颗粒还具有介于约0.5mm至约5mm之间的平均直径。气凝胶毯还具有低密度和非常低的热导率的期望特性。在此类气凝胶毯中，根据应用，可通过将气凝胶与纤维诸如聚酯、玻璃纤维、碳纤维、二氧化硅或石英纤维混合而将气凝胶合并成毯形式。接着将复合气凝胶/纤维毯以一系列层形式紧密地包裹在内管周围。在此分层构造中，还可能通过使低辐射率材料(通常为抛光金属，诸如铜或铝)的薄片交错来提供辐射罩32。
现在转向图1、图5、图6A和图6B，模块化真空隔热管段10还包括在内部导管22的每个端部处的联接布置40。图5所示的图示联接布置40包括内部导管22的第一突出端部52和设置在内部导管22的另一端部上的对应突出端部54。端帽55附接到外部导管12的每个端部并且附接到内部导管的靠近此种端部的外表面，以密封隔热空间20，其中内部导管22的突出端部52、54延伸经过端帽55。联接布置40的另选的实施方案大体在图6A和图6B中示出为卡口接头的示例，该卡口接头包括设置在内部导管22的第一端部上的突出段62和设置在内部导管22的第二端部或其它端部上的对应接收段66。在两个相邻模块化真空隔热管段10的接合点60处，连接的管段的环形空间之间在此处存在间隙，可优选地使用外部隔热材料，诸如永久性或可移除的固体隔热盖50或中间真空罐，以包围联接的管段10并进一步使其隔热，如图1大体所描绘。
在图6A和图6B所描绘的另选的联接布置40中，突出段62具有被构造成可密封地接合内部导管22的近侧端部63和从内部导管22的第一端部轴向延伸的远侧端部64。突出段62还具有密封凸缘65，该密封凸缘65被构造成用于密封隔热空间20的靠近内部导管22的第一端部的一个端部。接收段66设置在内部导管22的第二端部或其它端部上。接收段66还具有近侧端部67和轴向延伸到内部导管22中的远侧端部68。接收段66还包括另一个密封凸缘69，该密封凸缘69被构造成用于密封隔热空间20的靠近内部导管22的第二端部的另一端部。
突出段62还限定从突出段62的远侧端部64到内部导管22的内部的第一流动路径，而接收段66限定从其远侧端部68到内部导管22的内部的第二流动路径。接收段66的近侧端部67被构造成接收另一个模块化真空隔热管段的突出段。同样，突出段62的远侧端部64被构造成接合另一个模块化真空隔热管段的接收段。鉴于第一流动路径和第二流动路径，低温流体可从第一模块化真空隔热管段自由流动到相邻且配合的第二模块化真空隔热管段，并且继续流动到另一个相邻且配合的第三模块化真空隔热管段，以此类推。
当隔热空间被密封并用合适的隔热材料30(诸如气凝胶隔热材料)填充时，通过经由真空口33真空泵送隔热空间20，在隔热空间20内产生适度的真空，优选地至1000微米Hg以下的压力、更优选地至300微米Hg以下的压力、并且最优选地至约100微米Hg的压力。当模块化真空隔热管段10未被真空泵送时，具有O形环密封件44的插塞43可密封地设置到真空口33中。真空口33可任选地包括隔离阀36和真空压力计38，如图2所描绘。当模块化真空隔热管段10正在被真空泵送时，真空连接器72与真空口33接合。真空泵70连同真空计74和微粒过滤器76经由真空连接器72连接到模块化真空隔热管段10的真空口33。
在模块化真空隔热管段的制造期间，吹扫并冷却容纳气凝胶的隔热空间。在吹扫过程中，最初使用真空泵布置(示出为真空连接器72、具有真空计74的真空泵70和微粒过滤器76)来将隔热空间抽空到低于约1000微米Hg的压力、并且更优选地介于100微米Hg和1000微米Hg之间的压力，以便去除气凝胶材料中的任何水分或重烃。接着，容纳气凝胶的隔热空间经历至少一个吹扫循环，该至少一个吹扫循环包括加压步骤和减压步骤。加压步骤优选地包括经由配备有另一个隔离阀45和真空压力计48的另一个口将能够冷凝的气体诸如二氧化碳气体引入到密封且容纳气凝胶的隔热空间中。可在加压步骤期间使用的其它能够冷凝的气体包括一氧化二氮、氮气、氧气和氩气。加压步骤可以是高达外壁的额定压力的压力。减压步骤可使压力降低至介于约100微米Hg至1000微米Hg的范围内。优选地，容纳气凝胶的隔热空间经历至少两个此类加压和减压循环，并且可经历最多十个此类循环。优选地，在最后的减压循环之后，容纳气凝胶的隔热空间的最终压力在约100微米Hg至1000微米Hg的范围内。任选地，在此类循环期间也可使用外部热源(未示出)加热模块化真空隔热管段以加速能够冷凝的气体的脱气和解吸。
在操作中，由于低温液体流过内部导管，因此内部导管的外表面被冷却至小于约190开尔文的温度。合适的低温液体包括液氮、液氧、液氩和液化天然气或其它低温液体。当内部导管的外表面被冷却至处于或低于能够冷凝的气体在常压下的凝固点的温度时，能够冷凝的气体(例如二氧化碳)将迁移到冷却表面并冻结，从而进一步降低隔热空间中的压力。这样，模块化真空隔热管段在操作期间的真空压力下降到小于10微米Hg的压力，并且优选地下降到介于1微米Hg和5微米Hg之间的最终操作真空压力。
模块化真空隔热管段的优选长度小于约100英尺长，以有利于容易地储存并随后运输到建筑工地，以用于组装包括多个上述模块化真空隔热管段的真空隔热管系统或布置。
虽然已通过参照一个或多个优选实施方案讨论了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求书描述的本发明的精神和范围的情况下，可对其进行多种改变和省略。

Claims (23)

1.一种模块化真空隔热管段，所述模块化真空隔热管段包括：
外部导管；
内部导管，所述内部导管被构造成容纳低温流体，所述内部导管同心地设置在所述外部导管内并且限定所述内部导管的外表面和所述外部导管的内表面之间的隔热空间；
隔热材料，所述隔热材料设置在所述隔热空间，其中所述隔热材料填充的隔热空间处于约100微米Hg至约1000微米Hg范围内的压力下；
密封布置，所述密封布置包括靠近所述外部导管的第一端部设置的第一密封构件和靠近所述外部导管的第二端部设置的第二密封构件，所述密封布置被构造成使所述隔热空间阻隔外部大气；
联接布置，所述联接布置设置在所述内部导管的第一端部和所述内部导管的第二端部上，所述联接布置被构造成与另一个模块化真空隔热管段的对应端部接合或配合；
能够冷凝的气体，所述能够冷凝的气体也设置在所述密封隔热空间中，其中所述能够冷凝的气体被构造成在低于约190开尔文的温度下冷凝；以及
一个或多个阀，所述一个或多个阀设置在所述外部导管的所述外表面上，所述一个或多个阀被构造成与所述隔热空间流体连通，所述一个或多个阀被构造成有利于所述隔热空间的加压和减压，并且有利于将所述能够冷凝的气体引入所述隔热空间中。
2.根据权利要求1所述的模块化真空隔热管段，其中所述密封布置还包括：(i)第一密封凸缘，所述第一密封凸缘靠近所述外部导管的所述第一端部附接到所述内部导管的所述外表面和所述外部导管的所述内表面；以及
以及(ii)第二密封凸缘，所述第二密封凸缘靠近所述外部导管的所述第二端部可密封地附接到所述内部导管的所述外表面和所述外部导管的所述内表面；其中所述第一密封凸缘和所述第二密封凸缘被构造成用于使所述隔热空间阻隔所述外部大气。
3.根据权利要求2所述的模块化真空隔热管段，其中所述联接布置还包括：
(i)突出段，所述突出段设置在所述内部导管的所述第一端部上，所述突出段具有可密封地接合所述内部导管的近侧端部、从所述内部导管的所述第一端部轴向延伸的远侧端部，其中所述突出段限定从所述突出段的所述远侧端部到所述内部导管的内部的第一流动路径；以及
(ii)接收段，所述接收段设置在所述内部导管的所述第二端部上，所述接收段具有限定被构造成接收另一个突出段的开口的近侧端部、轴向延伸到所述内部导管中的远侧端部，其中所述接收段限定从所述接收段的所述远侧端部到所述内部导管的所述内部的第二流动路径。
4.根据权利要求3所述的模块化真空隔热管段，其中所述联接布置是卡口接头，并且所述突出段是所述卡口接头的凸形段，并且所述接收段是所述卡口接头的凹形段。
5.根据权利要求1所述的模块化真空隔热管段，其中所述隔热材料包括气凝胶。
6.根据权利要求5所述的模块化真空隔热管段，其中所述隔热材料包括二氧化硅气凝胶。
7.根据权利要求1所述的模块化真空隔热管段，其中所述隔热材料呈气凝胶毯的形式。
8.根据权利要求7所述的模块化真空隔热管段，其中所述气凝胶毯包含与纤维絮片组合的气凝胶。
9.根据权利要求1所述的模块化真空隔热管段，其中所述能够冷凝的气体为二氧化碳。
10.根据权利要求1所述的模块化真空隔热管段，所述模块化真空隔热管段还包括设置在所述隔热空间内的辐射罩。
11.根据权利要求1所述的模块化真空隔热管段，所述模块化真空隔热管段还包括设置在所述内部导管的所述外表面和所述外部导管的所述内表面之间的树脂浸渍的纤维支承件。
12.根据权利要求1所述的模块化真空隔热管段，其中所述管段的长度小于或等于100英尺。
13.根据权利要求1所述的模块化真空隔热管段，其中所述外部导管和所述内部导管包括双壁导管，并且所述隔热空间为所述双壁导管的内壁和外壁之间的空间。
14.一种模块化真空隔热管道系统，所述模块化真空隔热管道系统包括多个模块化真空隔热管段，每个模块化真空隔热管段包括：
外部导管；
内部导管，所述内部导管被构造成容纳低温流体，所述内部导管同心地设置在所述外部导管内并且限定所述内部导管的外表面和所述外部导管的内表面之间的隔热空间；
隔热材料，所述隔热材料设置在所述隔热空间中，其中所述隔热材料填充的隔热空间处于约100微米Hg至约1000微米Hg范围内的压力下；
密封布置，所述密封布置包括靠近所述外部导管的第一端部设置的第一密封构件和靠近所述外部导管的第二端部设置的第二密封构件，所述密封布置被构造成使所述隔热空间阻隔外部大气；
联接布置，所述联接布置设置在所述内部导管的第一端部和所述内部导管的第二端部上，所述联接布置被构造成与所述多个模块化真空隔热管段中的另一个的对应端部接合或配合；
能够冷凝的气体，所述能够冷凝的气体也设置在所述密封隔热空间中，其中所述能够冷凝的气体被构造成在低于约190开尔文的温度下冷凝；以及
一个或多个阀，所述一个或多个阀设置在所述外部导管的所述外表面上，所述一个或多个阀被构造成与所述隔热空间流体连通，所述一个或多个阀被构造成有利于所述隔热空间的加压和减压，并且有利于将所述能够冷凝的气体引入所述隔热空间中；
其中当低温流体穿过所述多个模块化真空隔热管段的所述内部导管时，所述能够冷凝的气体冷凝，并且所述多个模块化真空隔热管段中的每个中的所述隔热材料填充的隔热空间内的压力降低至介于约1微米Hg至约5微米Hg之间的压力范围。
15.根据权利要求14所述的模块化真空隔热管系统，其中所述多个模块化真空隔热管段中的每个的所述密封布置还包括：(i)第一密封凸缘，所述第一密封凸缘靠近所述外部导管的所述第一端部附接到所述内部导管的所述外表面和所述外部导管的所述内表面；以及
以及(ii)第二密封凸缘，所述第二密封凸缘靠近所述外部导管的所述第二端部可密封地附接到所述内部导管的所述外表面和所述外部导管的所述内表面；其中所述第一密封凸缘和所述第二密封凸缘被构造成用于使所述隔热空间阻隔所述外部大气。
16.根据权利要求14所述的模块化真空隔热管系统，其中所述多个模块化真空隔热管段中的每个的所述联接布置还包括：
(i)突出段，所述突出段设置在所述内部导管的所述第一端部上，所述突出段具有可密封地接合所述内部导管的近侧端部、从所述内部导管的所述第一端部轴向延伸的远侧端部，其中所述突出段限定从所述突出段的所述远侧端部到所述内部导管的内部的第一流动路径；以及
(ii)接收段，所述接收段设置在所述内部导管的所述第二端部上，所述接收段具有限定被构造成接收另一个突出段的开口的近侧端部、轴向延伸到所述内部导管中的远侧端部，其中所述接收段限定从所述接收段的所述远侧端部到所述内部导管的所述内部的第二流动路径。
17.根据权利要求16所述的模块化真空隔热管系统，其中所述多个模块化真空隔热管段中的每个的所述联接布置是卡口接头，并且所述突出段是所述卡口接头的凸形段，并且所述接收段是所述卡口接头的凹形段。
18.根据权利要求14所述的模块化真空隔热管系统，其中所述多个模块化真空隔热管段中的每个的所述隔热材料包括气凝胶。
19.根据权利要求18所述的模块化真空隔热管系统，其中所述多个模块化真空隔热管段中的每个的所述隔热材料包括二氧化硅气凝胶。
20.根据权利要求14所述的模块化真空隔热管系统，其中所述多个模块化真空隔热管段中的每个中的所述能够冷凝的气体是二氧化碳。
21.根据权利要求14所述的模块化真空隔热管系统，其中所述多个模块化真空隔热管段中的每个还包括设置在所述隔热空间内的辐射罩。
22.根据权利要求14所述的模块化真空隔热管系统，其中所述多个模块化真空隔热管段中的每个还包括设置在所述内部导管的所述外表面和所述外部导管的所述内表面之间的树脂浸渍的纤维支承件。
23.根据权利要求14所述的模块化真空隔热管系统，其中所述多个模块化真空隔热管段中的每个具有小于100英尺的长度。
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