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中国保温防水展

超低温领域:绝热材料的新天地

2017-03-14

  对于绝热材料来说,它们的运用领域绝不仅仅局限在建筑领域,随着经济的不断加速发展和对环保要求的不断提高,绝热材料在工业管道、冷库、造船业、航空航天等低温绝热领域也打开了新的发展局面。

  绝热材料作为我国实现节能减排、降低能耗的重要推手,在国家政策的大力支持下拥有前所未有的发展前景。对于绝热材料来说,它们的运用领域绝不仅仅局限在建筑领域,随着经济的不断加速发展以及对环保要求的不断提高,绝热材料在工业管道、冷库、造船业、航空航天等低温绝热领域也打开了新的发展局面。

  真空绝热板:冰箱冷库的“主战场”

  真 空 绝 热 板(VIP板)的 英 文 全 称 为Vacuum Insulation Panel,是真空保温材料中的一种,由填充芯材与真空保护表层复合而成,它有效地避免空气对流引起的热传递,因此导热系数可大幅度降低,小于0.0035 W/(m·K),并且不含有任何ODS(消耗臭氧层物质)材料,具有环保和高效节能的特性,是目前世界上最先进的高效保温材料。

  真空绝热板主要应用于建筑、冶金、化工、电力、石油、建材、机械、轻工、纺织、军工、交通运输、仓储等行业,是各种建筑物、工业窑炉、锅炉、热交换器、蒸馏塔、储罐、冷库、烟道、管道、阀门、风机、空调、车船等用来保温、保冷、隔热、吸声、消声的多功能材料,在我国国民经济中占有非常重要的地位。

  VIP板作为一种新型节能绝热材料,以其绝热性能方面的先天优势,目前在冰箱冰柜、冷链物流等保冷领域得到较多的应用,尤其在高端节能冰箱冰柜领域。VIP板在日本市场用量较大,家用冰箱中约 70%使用了VIP板,欧洲次之,美国较少。

  家 电 冰 箱、游 艇(船 舶)冰 箱 或 冷 库 采 用VIP隔 热 可 以 节 能10%~30%,并 且 增 加 有 效 容 积20%~30%。采用VIP隔热,除了经济意义外,还有冰箱重量轻,体积小的优点。冰箱门和冷冻箱的上开门,要求质轻、壁薄,采用VIP绝热板有较大的技术经济意义。冰箱和冷柜作为家电必需品,其市场新增需求有一定的刚性 ;随着冰箱保有量的增加,消费者的升级换代需求逐步体现 ;预计 2016 年全球冰箱冰柜产量为 21381.60 万台,高端冰柜因其售价较高、产品附加值高的特性,将率先使用VIP材料 ;随着经济发展,人们对生活品质的日益提升,高端冰箱冰柜的占比将提升,有相关专家预计 2016 年高端冰箱的产量为 5773.03 万台。在未来几年,VIP还有望在普通冰箱冷柜的领域,逐步实现对传统保温材料的替代,有着较为广阔的市场前景。业内人士预计 2016 年VIP板在全球冰箱冷柜市场的渗透率将达到 10%,按照每台冰箱冷柜平均使用 2.5 ㎡的VIP板计算,2016年VIP板在冰箱冷柜领域需求量为 5345.40 万㎡。

  另外,电商平台的发展促使了市场对冷链物流保冷的需求不断增长。冷链运作的每个环节都和能耗密切相关,因此,控制能耗,降低冷链运营成本对于促进冷链的发展至关重要。其中,储存用的冷库、蓄冷箱,以及运输用的冷藏集装箱和冷藏车,既是冷链环节中的主要保冷设施,也是主要的能耗来源。根据国际冷藏仓库协会(IARW)每隔1 年发布的数据,全球冷库的容量 从 2004 年 的 1.43 亿㎡增 长至 2012 年 4.6 亿㎡,年 均 复 合增长率达 15.71%。预计 2016年的全球冷库容量将增加至8.25 亿㎡。加上环保节能要求的提升,新增冷库至少有 5 个面会使用VIP板材料,其容量中使用VIP板的比例每年有望增加 1%,2016 年,全球冷库用VIP板需求量可达3234.78 万㎡。
   
  冷藏集装箱流动性大,随着外界气温、海水温度、太阳辐射强度和运送货物的变化,冷藏集装箱制冷系统的显热和潜热负荷随之不断变化,能耗控制难度大。降低冷藏集装箱能耗的重要方法主要是对制冷系统以及箱体的隔热效果进行节能设计,根据有关数据显示,使用VIP板可使冷藏集装箱节能 26.82%以上,节能效果显著。从 2007 年至 2012 年冷藏集装箱净增长量占该期间产量的比重平均为 66%,未来几年全球集装箱运力将以年均 8.4%的速度增长,2016 年全球冷藏集装箱保有量将达到 298.38 万TEU。每个TEU冷藏集装箱VIP板使用量约 65 ㎡,据此测算,2016 年,全球冷藏集装箱用VIP板需求量可达 158.74 万㎡。

  气凝胶 :航空航天领域的“助力者”

  SiO2气凝胶作为无定型纳米多孔材料,其结构可控,具有连续的三维网络结构,是世界上密度最低的一种固体材料,孔隙率可达 80%~99.8%,孔径尺寸在 1~100nm之间。由于独特的纳米多孔结构,其热导率极低(常温常压下热导率低达0.017W/(m·K)),是目前所知热导率最低的固体材料之一。由于构成气凝胶骨架的结构单元比可见光波长要小,因此还具有较好的透光性能。同时它又是无机材料,具有不燃或阻燃作用,在航空航天、工业管道这些低温保温领域有着良好的应用前景。

  1997 年美国宇航员将气凝胶作为绝热材料被率先用在航天领域的火星探测器——探索者号火星车上面。在探测器执行任务过程中,夜间温度降至-67℃,而内部则稳定的维持在 21℃。使用气凝胶绝热使得火星车中非常敏感的电子设备和电池免受低温的破坏。2008 年,美国国家航空航天局(NASA)肯尼迪太空中心报道了气凝胶在运载火箭液氢储罐绝热中的应用。他们将气凝胶置于LH2 储罐的表面进行绝热。在这体系中,气凝胶能经受-147℃的低温,而传统的绝热材料则难以实现。采用气凝胶之后,航天飞机减重达 230kg。

  欧洲在卫星运载研究中也在应用气凝胶来绝热。由此可见,气凝胶材料的优异性能使其能够应用于极端条件下的保温隔热。另外,运载飞机的航母等船只在海洋中穿行,也需要保温隔热材料对其进行保护。海洋石油及天然气游轮及管道保温隔热是美国阿斯彭(Aspen)气凝胶保温隔热毡最早的应用领域。2002 年,美国阿斯彭气凝胶公司将气凝胶与纤维等增强体复合开发出了一种特殊的低温气凝胶保温隔热毡——冷凝胶Z。美国卡伯特(Cabot) 公司也在供应填充气凝胶的压缩材料,可供轮船衬里及管道几何体等这些更复杂低温体系的保温绝热,是一种很有前景的可替代传统的保温隔热毡的材料。

  优越的保温隔热性能、改善的抗化学/压力性能及低装配成本使其成为此类应用的理想替代材料。衣服、鞋子、手套、暖脚器、帐篷、睡袋等都可装配气凝胶保温绝热层。2007 年,美国阿斯彭公司开始用气凝胶制作太空服的保温隔热衬里,以便为 2018年的人类登陆火星计划做准备。该公司一位科学家认为,18mm厚的气凝胶衬里就足以帮宇航员隔绝-130℃的低温。2006 年,英国登山爱好者安妮·帕门特在攀登珠穆朗玛峰时所穿的靴子和所用的睡袋都填充了气凝胶材料。随着市场容量的扩大和消费者意识的提高,气凝胶的这些产品在低温保温绝热产品领域将有巨大的潜在竞争力。

  聚氨酯 :造船业产业化的宠儿

  聚氨酯泡沫是由聚醚(酯)多元醇、催化剂、泡沫稳定剂、发泡剂、阻燃剂等原料组合,其与聚合MDI进行凝胶、交联、发泡等一系列反应制成,高性能聚氨酯保温板具有密度小、材料轻、运输安装方便。且与其他保温材料相比较,具有高强度,低吸湿性、气密性,良好的防火性能,无毒性,无刺激性以及无生物寄生性,加工多样性,优良的建筑性能等诸多优点。

  聚氨酯在装配式冷库结构中的运用是一种新型的船舶冷库制造方式,它是中国塑料产业和船舶加工之间成功的产业化案例。聚氨酯泡沫塑料装配式冷库作为一种模块式组装型冷库适应了现代造船业的发展轨迹,可以逐渐降低船舶内配置需要现场施工的低效率制造局面,增加了船舶制造中的预安装工艺比例,大大缩短了船舶制造的周期。较之传统的冷库安装,聚氨酯泡沫塑料装配式冷库的安装周期仅为前者的四分之一。从价格方面来说聚氨酯泡沫塑料装配式冷库的制作价格要高于传统的岩棉冷库价格,然而聚氨酯泡沫塑料装配式冷库的装备需要的人力成本会低于岩棉冷库的投入,加之聚氨酯泡沫塑料装配式冷库的施工周期远低于岩棉冷库,故在总成本上两者价格相当。相信在聚氨酯泡沫塑料装配式冷库不断的发展过程中,其技术成本价格会有持续的下降。另外,聚氨酯泡沫塑料装配式冷库的组装模块采用的是专业工厂设计制作,随后在船体内进行现场装配,所以可以按照需求搭载在不同类型船舶上。并且聚氨酯泡沫塑料还具有强度高,绝热效果好,质量轻,外观可以设计等优点。值得一提的是,聚氨酯泡沫塑料装配式冷库因为其绝热效果好,不需要厚重的保温层就可以增加其储存容积,有利于在船体内充分利用空间。因此聚氨酯泡沫塑料装配式冷库在目前的造船业中已被广泛的关注,有着广阔的发展前景。

  泡沫玻璃 :LNG低温储罐国产化的新希望

  泡沫玻璃属于无机材料,具有良好的化学稳定性、耐腐蚀性、耐紫外线及热辐射性能,高温下不分解,低温下不变质,而且不燃烧、不氧化,防火性能好。同其他一般材料相比,泡沫玻璃具有许多优良性能,主要体现在 :不吸湿、吸水,长年使用不会降低隔热保冷效果 ;隔热性能良好,不燃烧,可在-268~482℃范围内使用 ;吸声性能良好 ;机械强度较高,易于加工、切割成各种形状 ;使用寿命长,不存在风化、老化现象,本身无毒、无放射性和无腐蚀性 ;化学稳定性良好,可耐除氢氟酸外所有的化学侵蚀。由于泡沫玻璃具备优良的物理、化学性能,现在广泛应用在石化、电力、国防军工及房屋装饰等领域,在石油、化工领域主要用于 :深冷、低温管道、设备、容器与储罐 ;中温和高温管道、设备 ;流体换热系
统 ;石油化工生产过程。

  LNG低温储罐处于低温-162℃微正压状态,外界的热量漏入会引发LNG蒸发、增加能耗,因此LNG低温储罐的保冷系统尤为重要。根据LNG低温储罐结构特点、材料的绝热性能、经济性及方便安装等方面的需求,一般罐底可以选取抗压强度较高的泡沫玻璃砖进行低温绝热。

  LNG低温储罐一般设计运行年限为 25 年,实际操作年限可达 50 年。罐底保冷用泡沫玻璃砖主要防止内罐超低温的LNG将低温传导至外罐底板,以免底板受冻开裂,影响使用寿命,因此对泡沫玻璃砖的导热系数要求严格。LNG低温储罐投入使用后,不考虑二次修复,泡沫玻璃砖将承受内罐、罐内溶液的全部质量,对其的抗压强度要求极高,另外对于泡沫玻璃砖的组分、透湿系数、燃烧性、比热、线膨胀性、体积吸水率及抗折强度等性能也有一定要求。

  法国St.Gubain1935 年成功研制出了泡沫玻璃,随后美、德、日本等国家相继发表了相关研制和生产的许多专利和研究报告,并不断进行改良和技术革新。我国不论在泡沫玻璃的研发及产能,一直处于落后地位,已建LNG低温储罐大部分使用进口泡沫玻璃,进口产品长期垄断市场。目前,我国泡沫玻璃的生产企业主要为民营中小型企业,中型企业平均年产普通型泡沫玻璃 10 万~15 万㎡,小型企业平均年产普通型泡沫玻璃 1 万~5 万㎡。而应用于LNG低温储罐的国产泡沫玻璃砖较少,主要是由于生产工艺较落后、大部分性能难以达到使用要求等因素所致。据相关数据显示,我国可生产LNG低温储罐泡沫玻璃的企业仅有 1 ~ 2 家,年最大可生产 10 万㎡的产品。三大石油公司在我国沿海在建、拟建LNG接收站在 13 座左右,若每座LNG接收站年处理LNG300 万t,仅LNG储罐对泡沫玻璃砖的需求就在 11万㎡左右,外加配套管道保冷在 5 万㎡左右,LNG低温泡沫玻璃砖的市场前景非常巨大。同时,LNG低温储罐泡沫玻璃砖的国产化,意味着我国可以实现LNG接收站储罐在设计、建造及安装的国产化。LNG储罐国产化不仅可以推动我国LNG发展的新高潮,而且还会推动其他相关产业技术的不断发展。

  这些材料尽管目前在运用上还没有非常广泛,有些仍停留在高端或小众的运用领域中。但我们从中可以窥见到这些材料在低温领域的光明前景。它们各自拥有不同的特质和优点,期待它们未来能够在低温领域“百花齐放”,实现材料创造未来的繁荣盛世。

来源:保温材料与节能技术

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