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1、LNG船液舱及其绝热技术概况摘要：对LNG船液舱的结构类型进行了简单介绍。低温LNG使运输船的液舱必须具有很好的隔热效果，从减少进入LNG船液货舱内的热量和LNG的蒸发以及LNG冷能利用的角度出发考虑，改变船舱的绝热结构和绝热类型以达到更好的绝热效果。论述了几种LNG船液舱的绝热技术，并分别分析了他们的工作原理和工作过程以及它们各自的优缺点及其适用领域。为LNG船液舱绝热技术的设计提供了参考和借鉴，对提高和创新LNG船液舱的绝热技术有积极的意义。关键词：LNG船舱；结构；低温；漏热；绝热技术 0引言由于产气区和用气区之间的地理位置的局限，通过海上运输的LNG占天然气总交易量的很大部分，所以，用
2、船来运输LNG是天然气运输的渠道之一。LNG船作为海运LNG的主要工具，其液货舱的设计是非常关键的，不同结构类型的液货舱其功能和效益也大不相同。由于所输的LNG具有易燃易爆、易发生化学反应等特性，降低LNG的蒸发率尤为重要，所以其液货舱的设计需满足绝热的相关规范和标准，不同型式的绝热技术其效果和适用性也大不相同1。1 LNG船液货舱结构类型目前，世界LNG船以大型船为主。LNG船最显著的特征是液货舱系统的不同，它所拥有的液货舱应使主船壳结构免受脆性破坏。其液舱型式多而且技术难度高，特别是耐低温金属材料、绝热、船舶安全等。LNG船的液货舱结构型式是总体设计中首要的关键问题，液货舱结构型式设计的好
3、坏，直接影响到船舶的经济性和安全性2。根据现阶段所建造的LNG船类型，按照LNG船液货舱系统不同可把液货舱分为独立型（Detachment）和薄膜型(Membrane )两中典型的型式。不同型式的液货舱对LNG船的总体性能指标、建造难度、操作作业和维修保养成本等方面都有较大的影响。独立型液货舱完全由自身支持，并不构成船体的一部分，也不分担船体强度，即船体与液货舱的结构是分别独立的，主要有挪威的MOSS型和日本的SPB型。薄膜型是由一层很薄的金属板作为主舱壁，通过绝热层由邻近的船体结构加以支持，属于非自身支持的系统，主要有法国的GTT型和GTZ型3。2 LNG船液舱绝热技术LNG船液货舱的绝热一
4、般汽化热小，环境相对于低温LNG来说是一个很大的热源，微小的漏热会影响液货舱的低温效果。LNG是一种多组分的液体，又是常压低温储存且海上环境复杂，其组分和温度的变化必然引发LNG热平衡的不稳定，若有相当的热量渗入则会引起许多问题，比如液货舱承受压力、LNG的蒸发问题及释放等。在LNG的海运过程中，无论从运输的经济性还是安全性角度考虑，绝热技术都是LNG储运设备设计的关键技术之一。下面将介绍几种不同的LNG船液货舱的绝热技术4、5。2.1LNG船液舱热管绝热技术热管（Heat pipe）是一种用于传热的蒸发一冷凝装置。在此装置中汽化潜热是靠蒸发加热段的液体和在冷却段冷凝蒸汽来进行传递的，而工质的
5、闭路循环是靠毛细作用或体积力来实现的。热管的基本工作原理如图1所示，典型的热管由管壳、吸液芯和端盖组成，将管内抽成1.3 x10（10-110-4)Pa的负压后充以适量的工作液体，使紧贴管内壁的吸液芯毛细多孔材料中充满液体后加以密封。管的一端为加热段，另一端冷却段，根据实际所需可在两段中间布置绝热段。当热管的一端受热时毛细芯中的液体蒸发汽化，蒸汽在微小的压差下流向另一端放出热量凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段。如此循环不停，热量由热管的一端传至另一端。图1 热管工作原理图热管作为一种新型的绝热结构应用到LNG船液舱隔热，起到对全冷式液货的绝热保温作用，具体结构如图2所示。该
6、结构将热管直接插入绝热材料中，以插入部分为热管的加热段，由外界渗入的热量部分由热管的蒸发加热段吸收；而露在舱壁外的部分作为热管的冷凝段，液舱中因为吸热而蒸发的低温气体由液舱热交换器导入对冷凝段进行冷却。将蒸发的低温气体引向热管的冷凝段，就能获得低温冷流体，就地取材达到保温目的。此时，外界通过船壳渗入绝热层的热量由热管大量导出，实际进入液舱的热流量为：Q3=Q1-Q26。图2热管绝热结构图1-储槽热交换器2-热管冷凝段3-绝热材料4-船壳5-热管蒸发段与常规的绝热材料相比，采用该热管结构的优点是热渗透量将大大减少，结构简单、可靠，冷源就地取材，并因插入了热管而提高了绝热层的结构强度；热管承压能力
7、较高，可承压运行。缺点是工作液体在管壳内连续流动，同时存在着温差、杂质等因素，使管壳材料发生溶解和腐蚀，流动阻力增大，使热管传热性能降低；LNG多组分的性质在不同的温度下使其物理性能改变，其热管中工作液体物性恶化。这种绝热工艺可用在薄膜型液货船舱上。2.2 LNG船液舱热虹吸管绝热技术图3 热虹吸管工作原理图热虹吸管又称重力热管，主要由管壳、端盖、工作介质三部分组成。与普通热管所不同的是其管内没有吸液芯，冷凝液从冷凝段返回到蒸发段不靠毛细力，而靠冷凝液自身的重力在热管内回流。因此热虹吸管的工作具有一定的方向性，蒸发段必须置于冷凝段的下方，这样才能使冷凝液靠自身重力得以返回到蒸发段。热虹吸管的结
8、构及工作原理如图3所示。与普通热管一样，热虹吸管也是利用管内工作介质的相变（蒸发和冷凝）所产生的潜热来传递热量，且不需外加动力而工作介质自行循环6。由于热虹吸管没有吸液芯这一重要特点，所以和普通热管相比，其优点是结构简单、制造方便、成本低廉，而且传热性能优良、工作可靠。缺点是：蒸发段必须置于冷凝段的下方，如果热管倾斜则将影响换热效率。 适用于薄膜型LNG液货舱。2.3LNG船液舱蒸汽绝热技术 对于LNG的储存和运输，增加隔热层厚度是控制LNG蒸发损失的最简单方法，但由于液舱可用空间的限制，增加隔热层厚度的方法实际上是不可行的。在航行中，LNG 船液货舱因从外界吸热而蒸发出来的蒸发气大约为- 1
9、50 左右，有较大的冷量，从利用这些冷能和控制LNG蒸发气损失的角度出发考虑，提出一种液舱隔热性能的新技术液舱蒸汽绝热技术，称为“蒸汽绝热”。 “蒸汽绝热”具体工作过程如图4所示。冷BOG被导入到液舱周围的环形通道中，和蒸发的暖BOG进行热交换。在通道中，冷BOG沿液舱底部向上流动，将从液舱吸收的热量带出液舱系统，在液舱顶部，暖BOG通过出口系统离开，从而减少了从周围环境通过绝热层渗入到液舱的热量，这样就降低了货物的蒸发率。在蒸汽隔热系统中，冷BOG作为从大气传入热量的换热器，与传统的方法相比，将这种吸收热量的方式用作隔热系统，是一种全新的方法7。图4 蒸汽绝热工作示意图1-暖BOG出口2-外
10、层隔热3-BOG通道4-内层隔热5-冷BOG进口6-球径这种全新的隔热工设计简单，BOG直接从舱内蒸发气取材，不需要制取设备；经济效益显著，排放出的BOG可重新加以回收利用，既可以把BOG 输入天然气管道, 重新净化、液化，又可以将其输入到天然气管道作为燃料；导入的冷BOG提高了安全性，一旦绝热系统发生漏泄，冷BOG在隔热系统的小空间中可避免发生着火、爆炸等安全隐患。缺点是适用性不设计很广泛。应用在LNG船的MOSS型液货舱中，效益比较显著。2.4 LNG船液舱高真空绝热技术高真空绝热技术是将要求绝热的空间抽成10-310-4 Pa 的真空，使气体的平均自由程远大于绝热空间的线性尺寸，从而排除
11、气体的对流传热和绝大部分的气体热传导，其绝热示意图如图5所示。由于气体压力比较低，剩余气体的导热也控制在较低的水平。现代的高真空绝热夹层壁由玻璃或铜制成，壁间距离1cm左右，壁面镀银；在夹层中保持1.33M Pa（10-5mmHg）以下压强的真空度，用活性炭做吸附剂，以改善和长期保持真空度简单、热容量小的特点。图5 高真空绝热示意图在这个空间中，热以两种途径进行传递：大部分热量以热辐射方式从容器的热壁穿过环形绝热空间传递给内容器表面（冷壁）；小部分热量通过绝热空间中残余气体的热传导进入内容器。如果将夹层内表面抛光，或者涂上一层反射性物质，就形成反射性能良好的真空夹层，辐射传热量即可减小8。这种
12、高真空绝热技术结构简单，重量轻，热容量小。但抽真空比较困难，而且一旦有缝隙，检查和补救都很困难。比较适合于降温速度和升温速度快，降温、升温比较繁琐的小型低温储存容器，在大型LNG船液货舱的绝热中很少应用。2.5 LNG船液舱真空粉末绝热技术真空粉末绝热又叫真空多孔绝热，是为了减少真空夹层中的辐射传热量，向真空夹层中填入粉末材料或纤维材料(珍珠岩、玻璃纤维、硅胶等粉末等)的一种绝热技术，其绝热示意图如图6所示。真空夹层中的绝热材料削弱了壁面之间的辐射换热，对真空的要求低，一般达110Pa左右（102mmHg）即可。如果向粉末或纤维材料中加入一定比例的反射性强的金属粉末，例如铝粉或铜粉，以减小材料
13、内粉粒或纤维之间的辐射换热，则可使绝热性能大为提高。图6 真空粉末绝热示意图在真空粉末绝热中，由于粉末材料及纤维材料的反射作用而使辐射换热减弱。材料间隙的定形尺度很小，在真空度低的情况下，容易达到减弱气体导热的目的，但同时却增加了粉末材料的固体导热8。这种绝热技术的优点是绝热性能好；在真空外套发生泄漏的情况下，可进行检修，适宜极低温范围内应用和设计。缺点就是结构复杂而笨重，有沉降压实问题。可用于大、中LNG薄膜型液货舱绝热及低温液体的贮存及运输设备和管道。 2.6 LNG船液舱高真空多层绝热技术高真空多层绝热是由许多层具有高反射率、低发射率的辐射屏与具有低热导率的间隔物交替层组成，置于密封夹层
14、中，绝热空间被抽到10-2Pa以上的真空度。由于绝热性能卓越，因而被称为“超级绝热”。辐射屏通常用金属铝箔制成，厚度0.0050.02mm，铝箔具有足够的强度和刚度，辐射系数也比较低。间隔物需用热导率小的绝热材料制成，常用的有玻璃纤维纸、玻璃纤维织物、尼龙网及丝绸等，其厚度一般为0.020.1mm。间隔物表面不易光滑，以减少与辐射屏的接触。辐射屏也可用双面涂铝的涤纶薄膜（厚0.0060.012mm，铝涂层厚约0.025m）制成，也可用单面涂铝的涤纶薄膜作辐射屏，此时可不再使用间隔物，而将涤纶薄膜制成波纹形或凹凸形直接叠置起来8。这样制成的多层绝热结构堆积密度较小。其绝热示意图如图7所示。图7高
15、真空多层绝热示意图在高真空多层绝热中，热流主要以三种形式进行传递：辐射传热、残余气体导热、间隔物与屏之间及间隔物中的固体导热。在高真空多层绝热的传热中，起主导作用的是固体导热和辐射，高真空绝热夹层中的残余气体多是空气、氢气、氦气等气体，而这些气体均可视为不吸收及非散性介质。屏间距很小，又被间隔物分离，因而不参与冷热壁面的辐射传热。故在高真空条件下，气体导热是微不足道的。固体传热的热阻可以认为是间隔层与反射层之间的接触热阻以及间隔层本身的热阻之和。为了减少固体导热，应使间隔物与反射屏的接触面积尽可能小，并用上面提到的热导率较小的材料作间隔物8。这种方法的优点在于热平衡快，预冷损失小，夹层薄；在不
16、改变液舱外形尺寸的前提下，减小了液舱重量，增加了载液容积，降低了运输损耗；绝热稳定性能好，可避免液舱因运动或震荡而产生的绝热材料沉降压实问题。缺点是真空度要求高，制作困难，机械耐久性不稳定，而且造价高，绝热性能随施工质量而变。适用于大型LNG槽船及FPSO-LNG船的薄膜型液舱上。参考文献1.刘淮.世界LNG船发展现状J.船舶市场.2000,18（5）：34392.崔益篙.LNG船液舱技术及预冷过程热力研究M.上海海运学院.2001,1115,25283.刘林.透视LNG船.造船航运J.2001,4（1）:51584.邱林.液化天然气船液货舱绝热技术及传热技术分析M.上海海事大学.2004，18225.初良勇.中国进口LNG船型论证M.大连海事大学.20
