Термоизолированная ёмкость

Термоизолированная ёмкость — это резервуар, конструкция которого включает теплоизоляционный слой, предназначенный для поддержания заданной температуры содержимого (жидкости, газа или сыпучего вещества) в течение определённого времени, а также для снижения теплопотерь или теплопритока из окружающей среды. Такие ёмкости относятся к классу теплотехнического оборудования и широко применяются в промышленности, энергетике, строительстве, сельском хозяйстве и быту.

Классификация

Термоизолированные ёмкости классифицируются по нескольким основным признакам.

По назначению и типу содержимого

• Криогенные ёмкости — предназначены для хранения и транспортировки сжиженных газов (кислород, азот, аргон, природный газ, водород) при температурах ниже −150 °C. Обычно имеют вакуумно-порошковую или вакуумно-многослойную изоляцию.
• Термосы для горячей воды (бойлеры) — бытовые и промышленные водонагреватели-накопители, поддерживающие температуру воды в диапазоне 40–95 °C. Изоляция выполняется из пенополиуретана, минеральной ваты или вспененного полиэтилена.
• Ёмкости для пищевых продуктов — молоковозы, пивоваренные чаны, термосы для супов и напитков. Изоляция обеспечивает сохранение температуры (как горячей, так и холодной) в течение нескольких часов.
• Резервуары для нефтепродуктов и химических реагентов — предназначены для хранения вязких, застывающих или требующих подогрева жидкостей (битум, мазут, глицерин). Часто оснащаются системами подогрева и теплоизоляцией из минеральной ваты или базальтового волокна.
• Аккумуляторы тепла — крупные ёмкости в системах отопления и горячего водоснабжения, которые накапливают тепловую энергию от котлов или солнечных коллекторов и отдают её по мере необходимости.

По конструктивным особенностям

• Вертикальные — наиболее распространённый тип, занимает меньше площади, удобен для установки в помещениях.
• Горизонтальные — применяются для транспортировки (автоцистерны, железнодорожные цистерны) или при ограничениях по высоте.
• Сферические — обеспечивают минимальное отношение поверхности к объёму, что снижает теплопотери; используются для хранения сжиженных газов под давлением.
• Цилиндрические с эллиптическими или сферическими днищами — стандартная форма для большинства промышленных резервуаров.

По типу теплоизоляции

• Вакуумная изоляция — пространство между внутренним и наружным корпусом вакуумируется, что практически исключает конвективную и кондуктивную передачу тепла. Применяется в криогенных ёмкостях и высококачественных термосах.
• Засыпная изоляция — пространство заполняется сыпучим материалом (перлит, вермикулит, керамзит). Используется в стационарных резервуарах.
• Плитная или рулонная изоляция — минеральная вата, базальтовое волокно, пенополиуретан, пенополистирол. Наиболее распространённый тип для промышленных и бытовых ёмкостей.
• Напыляемая изоляция — пенополиуретан наносится непосредственно на поверхность резервуара, образуя бесшовный слой.

Устройство и основные элементы

Термоизолированная ёмкость состоит из следующих основных частей:

• Внутренний корпус (сосуд) — изготавливается из нержавеющей или углеродистой стали, алюминия, полимерных материалов (для пищевых и химических сред). В криогенных ёмкостях внутренний корпус часто выполняется из коррозионно-стойкой стали или алюминиевых сплавов.
• Наружный корпус (оболочка) — защищает изоляцию от механических повреждений, атмосферных воздействий и влаги. Изготавливается из стали, алюминия или пластика. В криогенных ёмкостях наружный корпус герметичен и выдерживает атмосферное давление.
• Теплоизоляционный слой — располагается между внутренним и наружным корпусами. Толщина изоляции варьируется от нескольких сантиметров (бытовые термосы) до 0,5–1 метра (крупные криогенные резервуары).
• Опорные элементы — кронштейны, лапы, седловые опоры, обеспечивающие устойчивость ёмкости и передачу нагрузки на фундамент.
• Арматура и патрубки — штуцеры для заполнения и слива, вентиляционные и предохранительные клапаны, датчики уровня и температуры, люки для обслуживания.
• Системы подогрева (опционально) — электрические нагреватели (ТЭНы), паровые или водяные рубашки, змеевики для поддержания температуры или разогрева содержимого.

Характеристики и параметры

Основные технические характеристики термоизолированных ёмкостей:

• Объём — от нескольких литров (бытовые термосы) до десятков тысяч кубических метров (криогенные хранилища на газораспределительных станциях).
• Рабочая температура — от −269 °C (жидкий гелий) до +400 °C и выше (для некоторых химических реагентов).
• Рабочее давление — от атмосферного (открытые ёмкости) до 30–40 МПа (криогенные ёмкости высокого давления).
• Коэффициент теплопроводности изоляции — для высокоэффективной вакуумной изоляции может составлять 0,001–0,005 Вт/(м·К), для пенополиуретана — 0,02–0,04 Вт/(м·К).
• Время сохранения температуры — критический параметр для термосов и криогенных ёмкостей. Для бытовых термосов составляет 6–24 часа, для криогенных резервуаров — от нескольких суток до нескольких месяцев (в зависимости от объёма и качества изоляции).
• Материал корпуса — выбирается исходя из химической совместимости с содержимым, температурных условий и механических нагрузок.

Применение

Термоизолированные ёмкости используются в различных отраслях:

• Промышленность и энергетика — хранение сжиженных газов (кислород, азот, аргон, природный газ), нефтепродуктов, химических реагентов, теплоносителей для систем отопления и горячего водоснабжения.
• Транспортировка — автоцистерны для перевозки молока, пива, нефтепродуктов, сжиженных газов. Железнодорожные цистерны для криогенных жидкостей и химических веществ.
• Строительство — ёмкости для битума и мастик, аккумуляторы тепла в системах отопления зданий.
• Сельское хозяйство — молоковозы, термосы для хранения и транспортировки жидких удобрений, воды для поения скота.
• Медицина — сосуды Дьюара для хранения и транспортировки жидкого азота (используется для криоконсервации биоматериалов, в криохирургии).
• Быт — термосы для напитков, термокружки, термосумки, водонагреватели-накопители (бойлеры).

История

Идея сохранения тепла или холода с помощью изолирующих оболочек известна с древности. В античном мире использовались глиняные сосуды с двойными стенками, пространство между которыми заполнялось песком или золой. В Средние века для хранения льда и снега строили ледники — заглублённые помещения с толстыми стенами из соломы, опилок или торфа.

Первым промышленным термоизолированным сосудом считается сосуд Дьюара, изобретённый в 1892 году шотландским физиком и химиком Джеймсом Дьюаром. Он представлял собой стеклянную колбу с двойными стенками, между которыми создавался вакуум, а внутренняя поверхность была посеребрена для снижения теплового излучения. Сосуд Дьюара стал прообразом современных криогенных ёмкостей и бытовых термосов.

В 1904 году немецкий стеклодув Рейнхольд Бургер усовершенствовал конструкцию, добавив металлический корпус и пробку, и запатентовал «термос» как бытовое изделие. В XX веке развитие технологий привело к появлению крупных криогенных резервуаров (первые — в 1950-х годах), а также широкому внедрению пенополиуретановой изоляции в 1960–1970-х годах.

В России (СССР) производство термоизолированных ёмкостей началось в 1930-х годах, в первую очередь для нужд нефтяной и химической промышленности. Крупнейшими производителями стали заводы «Криогенмаш» (Балашиха), «Уралхиммаш» (Екатеринбург), «Сибэнергомаш» (Барнаул) и другие.

Интересные факты

• Крупнейшие в мире криогенные резервуары для хранения сжиженного природного газа (СПГ) имеют объём до 200 000 м³ и высоту с 20-этажный дом. Их изоляция состоит из нескольких слоёв перлита и вакуумных панелей.
• В бытовых термосах для напитков вакуумная изоляция позволяет сохранять температуру до 24 часов, а в термокружках — до 6–8 часов.
• Сосуды Дьюара для жидкого азота (температура −196 °C) могут хранить его без потерь в течение нескольких недель при условии регулярного сброса избыточного давления.
• В некоторых конструкциях криогенных ёмкостей используется «экранно-вакуумная изоляция» — система из множества тонких металлических экранов, разделённых вакуумом, что позволяет достичь коэффициента теплопроводности, близкого к нулю.

Источники

• ГОСТ 34347-2017 «Сосуды и аппараты стальные сварные. Общие технические условия».
• ГОСТ Р 54895-2011 «Сосуды криогенные. Общие технические условия».
• Д. А. Баранов, В. В. Кузнецов. «Криогенная техника и технологии». — М.: Машиностроение, 2015.
• В. М. Бродянский. «Термодинамические основы криогенной техники». — М.: Энергия, 1973.
• Материалы сайта ООО «Криогенмаш» (история и описание продукции).
• Энциклопедия «Кругосвет»: статьи «Термос», «Сосуд Дьюара».