膨脹珍珠巖的絕熱原理及性能指標

在氣體分離行業中，人們對“膨脹珍珠巖”（國內習慣稱“珠光砂”）并不陌生。膨脹珍珠巖以其優良的保冷性能一直以來被作為氣體分離設備中主要的保冷絕熱材料。由于受技術、資金、服務意識等多方面因素的影響，膨脹珍珠巖自60 年代中期在我國開發成功并應用于深冷保冷領域以來，一直沿用工廠生產、人工充填方式。而目前國際上經常采用的是現場膨脹、自動充填方式，它是將特殊粒度級配的珍珠巖礦砂運到施工現場后，利用可移動式膨脹設備在現場制造膨脹珍珠巖，并采用空氣移送的方式實現一體化作業。因其特有的安全、無塵、含水率低等特點而深受用戶歡迎。 1、 膨脹珍珠巖的絕熱機理 珍珠巖區別于其它火山巖的最明顯的特征，是當珍珠巖被迅速加熱到其軟化點（800~1000℃）時，玻璃質熔化，內部結合水汽化，體積膨脹為原來的10~60 倍。膨脹后的珍珠巖內部為微孔結構，這種特有的微孔結構致使膨脹珍珠巖具有較低的密度和優秀的保冷絕熱性能。 眾所周知，熱量的傳遞是通過傳導、對流和輻射三種方式進行的。低溫設備要求將上述方式傳遞給低溫系統的熱量減少到盡可能低的程度，從而達到維持低溫系統的正常運轉。根據大型液化、分離和儲藏設備的結構特點，一般采用膨脹珍珠巖普通填充絕熱的方式。由于膨脹后的珍珠巖具有微孔、質輕的特點，所以當低溫設備絕熱層充入膨脹珍珠巖后，絕熱層內的空氣發生自然對流所需要的特征尺度非常小。由于空氣的粘性對對流熱阻的作用致使微孔中空氣的的吸收和散射，使輻射對熱傳遞的貢獻大大減小。所以，填充膨脹珍珠巖后的絕熱系統中的熱傳遞形式僅可以看作是絕熱材料本身的固體熱傳導和材料間的氣體傳導，實際上這部分的熱流量約占總熱流量的90%以上。而在常壓、273~77K條件下，膨脹珍珠巖的平均熱傳導率僅為0.0185~0.029W/m•K，且熱穩定性好，所以，膨脹珍珠巖作為一種非常好的絕熱材料被廣泛應用于空氣分離裝置等低溫絕熱系統。 2、 膨脹珍珠巖的性能指標 在氣體分離設備行業，由于制造廠家的制造技術和設計習慣的不同，各廠家對絕熱膨脹珍珠巖的性能要求有所不同，但基本內容大致相同。天津三華實業有限公司目前沿用的是國際珍珠巖協會的標準，數據如下：①松散密度35~55kg/m3；②振實密度48~65 kg/m3；③含水率≤0.5 %（重量比）；④有機物含量（重量比）；⑤導熱系數≤0.22 W/m•K（ 常壓273~77K；⑥粒度級配＞1.18mm≤10%，1.18~0.15mm 70%~90%，＜0.15mm≤30%。 在上述性能指標中，松散密度、含水率和粒度級配對膨脹珍珠巖絕熱性能（導熱系數）影響最大。 2.1、松散密度 松散密度的大小說明珍珠巖膨脹效果的好壞。松散密度過大，膨脹不完全，充填密度增加，導熱系數增大；松散密度過小，膨脹過度，材料在裝填過程中容易破碎，亦導致充填密度的增加，導熱系數亦隨之增大。實踐證明，保冷絕熱用膨脹珍珠巖的最佳松散密應控制在35~55kg/m3 之間。材料的導熱系數隨密度的變化關系如圖1 所示。 圖1 材料的導熱系數隨密度變化的關系（導熱率平均溫度75K） 2.2、含水率由于膨脹珍珠巖的吸水性特強，在富水的環境中，在很短的時間內重量可增加200%~400%。而水的導熱系數是空氣的25 倍（空氣的導熱系數為0.26 W/m•K、水的導熱系數為0.60 W/m•K，所以，含水率增加，將嚴重影響珍珠巖的絕熱性能。一般情況下，膨脹珍珠巖使用前的含水率應嚴格控制在0.5%（重量比）以下。通常在大型空分裝置中，均設計有側管將氮氣從換熱器旁引入絕熱層中，使其內部保持正壓，防止空氣中的水分被吸入絕熱材料中，導致材料絕熱性能的變壞。 2.3、 粒度級配 絕熱材料應具有合理的粒度級配，目的是使絕熱材料處于最佳堆積狀態。粒度過小，材料充填密度增加，致使材料的固體熱傳導增加；粒度過大，充填密度不足，粒子間空氣含量過高，導致絕熱層間的氣體熱傳導增加，絕熱性能降低。所以，絕熱材料的粒度分布對實現最佳絕熱效果起著不可忽視的作用。試驗表明，膨脹珍珠巖的最佳粒度分布1.18~0.15mm之間。 3、現場膨脹、自動充填的特點 自動充填方式是指利用可移動式膨脹設備將按一定粒度級配加工的珍珠巖礦砂在低溫設備安裝現場進行膨脹，然后利用空氣移送方式將絕熱材料充填至絕熱層中。它具備以下特點：①可實現全過程自動化控制，能夠確保材料品質（密度和粒度控制）；②膨脹后直接充填，避免與空氣接觸，含水率極低；③可實現封閉作業，現場粉塵少，無環境污染；④避免高空作業，安全性好；⑤物流費用減少，綜合經濟性好；⑥受環境因素影響小，計劃性好，工期保障能力強；⑦現場生產、現場檢測，品質穩定性好。 綜上所述，無論在絕熱材料的品質保障方面，還是在安全、環保以及經濟性方面，現場充填方式均優于人工充填方式。所以，現場膨脹、自動充填方式作為一種先進的服務方式在大中型空氣分離裝置的安裝過程中被廣泛采用，并繼之擴大到大型液化貯槽、LNG罐、LNG 運輸船等低溫系統。 隨著國內外氣體工業的不斷發展，低溫設備的制造和使用廠家在絕熱材料的經濟性、安全性以及環境保護方面將越來越重視。繼現場膨脹、自動充填方式成功應用之后，冷箱或貯罐維修時的自動扒砂方式、貯罐充填時的電磁振動方式等代表國際先進水平的技術裝備和服務方式，也將逐步被國內廣大用戶所接受。

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