[宝典]液化石油气球罐应用高效太阳热反射涂料代替淋水落温的研究
液化石油气球罐应用高效太阳热反射涂料取代淋水降温的研究液化石油气球罐应用高效太阳热反射涂料取代淋水降温的研究
童仲轩
中国石化九江分公司 江西 九江332004
摘要:分析和研究了太阳热反射涂料的隔热原理和液化石油气球罐的传热特点，计算了球罐温度和渗入罐内热量，介绍了实际应用，表明其隔热效果明显好于"凉凉胶"，可取代淋水降温。
关健词:太阳辐射 反射 涂料 隔热 液化石油气 球罐 淋水 安全
1 前言
液化石油气沸点很低，其饱和蒸气压随温度升高而急剧增加，其气化后体积膨胀250,300倍。炎热夏天午后，液化石油气银粉漆球罐表面温度往往超过60?，为了安全生产，很多单位采取淋水降温，不仅造成球罐锈迹斑班、加剧设备腐蚀，而且浪费宝贵的水资源。
利用涂料是减少储罐受太阳辐射热的重要措施。九十年代初出现的"凉凉胶",可比传统的银粉漆降低球罐表面温度10,15?。为航天器进入太空，宇航部门对太阳辐射隔热进行了深入研究。九十年代末，"太空绝热涂料"进入我国，其隔热原理有新概念，近几年我国许多单位也开发出了高效太阳辐射隔热涂料。
九江分公司液化石油气球罐2000年开始应用高效太阳辐射隔热涂料, 迄今全面应用，取消了喷淋水降温，实践表明其隔热效果优于"凉凉胶"。同时体会到应用隔热涂料时，应与实际需要、应用条件、传热特点等结合起耒。因此深入分析高效太阳辐射隔热涂料的隔热原理和液化石油气球罐受太阳辐射热后的传热特点,论证取代淋水降温的可行性，提高应用水平和效果，对节约资源、安全生产、设备防腐，对推动我国太阳辐射隔热技术的发展具有重要意义。
2 高效太阳热反射涂料的隔热原理
2.1 储罐表面的太阳辐射热传热过程
图1 储罐表面受太辐射的能量收支平衡关系
现以无加热、取热设施的常温储罐(容器)表面为例进行讨论。太阳辐射为电磁波,参见图1，当其入射到涂料层表面上时，一部分就被反射回大气中，另一部分则进入涂料层;进入涂料层辐射能中的一部分就在涂料层内被吸收，衰变为热能，使涂料层蓄热增加、表面温度t表上升。t表升高并超过环境温度t环后，出现"日照超温"Δt表超(=t表,t环)，涂料层成为一个"沉积热源"，产生"热岛"效应，向大气和罐壁双向传热。向大气散热方式为对流和辐射传热。部分太阳辐射能穿透涂层进入罐壁就被吸收完，所产生的热能和涂料层传递来的热能使罐壁蓄热增加、温度升高，将热能q渗传给罐器内介质。
随t表升高，q散和q渗增加，当(q散+q渗)=JA时，t表不再上升，达到平衡温度，对图1中界面1 、2组成的系统，可写出:
q渗=J(1,R),q散 = J(1,R),(q对+q辐),JA,(q对+q辐) (1)
(2)
(3)
式(1),(3) 及图1中:J-入射到罐外表面的太阳辐射强度，W/m2; R-罐外表面涂层对太阳辐射能的反射率;A-罐外表面涂层对太阳辐射能的吸收率，A=1-R;D-涂料层的太阳辐射电磁波的穿透率;q渗-向罐内部渗透的热强度,W/m2;q散、q对、q辐-从罐外表面向大气的散热及其中的对流、辐射散热强度,W/m2; t表、t环、Δt表超-外表面、环境温度，表面"日照超温", ?;α对、α辐-罐外表面的对流、辐射放热系数，W/(m2??)。
表1太阳辐射能分布[1]
区域
波长/μm
辐射能，,
紫外区
<0.4
8.7
可见光区
0.4,0.75
43
红外区
0.75,1000
48.3
近红外区
0.75,25
远红外区
25,1000
2.2 高效太阳热反射涂料的隔热原理 2.2.1涂层表面以很高的短波辐射反射能力大幅度减少表面吸收的辐射能
从图1及式(1)中可看出,涂层表面的R越高，则吸收的JA就越小。
太阳辐射主要波长范围为0.15,4μm, 地面和大气热辐射(又称温度辐射)主要波长范围为3-20μm,1,。因此一般把前者称为短波辐射，后者称为长波辐射。表1为太阳辐射的能量分布。高效太阳辐射隔热涂料对红外线和可见光都有高的反射率，对太阳辐射能的总反射率R可达0.8以上，是隔热的最主要手段，因此也称为高效太阳热反射涂料(以下简称高效隔热涂料)。 2.2.2涂层表面以高的长波辐射能力增加表面的辐射散热
从图1及式1中可看出,提高涂层表面的黑度值ε(即长波辐射
能力)，可增加q辐，有利于降低t表。但由于表面还存在对流散热(在太空无对流传热)及表面温度不是很高(远低于太空中航天器的表面温度)，提高ε降低t表的作用相对较小。 2.2.3 涂料层形成高热阻隔热屏障减少向罐内的传热量
主要措施有:
(1)减少涂料层蓄热能力。使t表升温快、温度高，增加表面向大气散热的传热温差。比重小、比热小的涂料，其蓄热能力小。
(2) 减少涂料层的太阳辐射穿透率D。有利于降低罐壁温度，可减少q渗。折射率大的涂层材料，不仅对R大，且D小。同样为白色颜料的折射率相差很大，若以金红石型钛白的折射率为100,，则立得粉、白土的折射率仅分别为67.4%、60.44%。
(3) 降低涂层的导热系数。增大涂层的传热阻力，可减少向储罐内的传热量。一些高效隔热涂料称其导热系数小于0.03W/(m??)，优于一般保温材料。
高效太阳热反射涂料的隔热原理可概括为"高反射"、"高外散"、"高热阻"。为提高其性能，许多单位对涂层材料的配方、粒径、粒子结构、表面结构等开展了研究。这些涂料往往采用空心微粒技术(如空心瓷粒或玻璃珠等)。
3 高效太阳热反射涂料降低球罐表面温度和渗入罐内热量的分析
按劳动部压力容器安全技术监察规程，对丙烷、丙烯等液化石油气球罐的压力，可按其50?时饱和蒸气压力
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
，其罐安全阀压力可按设计压力。液化石油气进罐温度一般低于40?。若能把受太阳辐射后罐外表面温度控制在50?左右，则球罐不用淋水降温也能安全操作。
由式(2)可看出，影响t表的基本因素可分为三部分:一是太阳辐射强度J、风速(影响对流散热系数α对)、t环等自然因素;二是涂料的R、ε及涂料层的热阻(影响q渗);三是球罐的容积、壁厚及其操作状态(液位、介质、温度等)，对q渗有明显影响。
3.1 用高效隔热涂料后球罐表面最高温度
当q渗?0，即表面所吸收的太阳辐射热只散发到环境中去，t表达到最大高值，若用t表max标记,可写出:
(4)
(5)
用式(4)计算t表max较为简单，也容易分析涂料隔热作用的一般规律。因t表
0.8，Δt表超max约为10?左右，当t环<40?，t表max一般<50?。
计算表明，当R为0.8、ε为0.85时，即使在J为1000w,m2、风速为零、q渗,0极端条件下，Δt表超max约为16?，当t环为40?时，t表max为56?。
3.2 用高效隔热涂料后球罐表面温度和渗入罐内热量的关系
当罐内介质温度t介接近t表时,才出现q渗?0，只要t表>t介，就必然有q渗。由式(1)可写出:
q渗=J(1,R),(α对+αq辐)×(t表-t环) (6)
图3、4标绘了一定条件下，q渗与Δt表超的关系，从中可看出:
图3一定反射率下渗入罐内热量与表面日照超温关系
(1)在相同的的涂料性能和风速下，随入射到表面的太阳辐射强度J降低，q渗和Δt表超降低;
(2)在相同的太阳辐射强度J和风速下，涂料的反射率越大，q渗和Δt表超降低;图4中，当J为800w/m2、Δt表超为5?时， q渗为78.7 w/m2，q渗不到J的10 %; (3)在一定的自然条件(J、风速)和涂料R、ε性能下，q渗与Δt
表超成反比关系。当罐内介质温度较低、易蒸发時，q渗较大，Δt表超就较小。对相同R、ε性能的涂料,涂料层本身的热阻大，有利于增加Δt表超，就有利于增加q散、降低q渗。增加涂层厚度可增加热阻，但将明显增加成本。理论分析和测试数据表明，随涂层厚度增加，提高Δt表超、降低q渗的作用逐渐减弱。一般涂层厚度为0.2-0.5mm。
由于涂料的热阻性能对Δt表超的影响，与涂料的R、ε性能不同，再加上储罐及应用条件
图3一定反射率下渗入罐内热量与表面日照超温关系
不同，使不同涂料性能对比较为复杂。若有两种高效涂料，与银粉漆相比，均能大辐度降低Δt表超，则表明两者隔热性能均较优良，但两者中降低Δt表超间中辐度大者，未必隔热性能更为优良，而应是相同操作工况下q渗小者性能更优越。因此，当评价不同涂料的隔热性能时，表面温降多少只是个粗判断，要准确判断，应根据不同的应用情况作综合比较。
图4 一定自然条件下渗入罐内热量与表面日照超温关系
图3、4中，当q渗=0的Δt表超max就是相应条件的Δt表超max。此外当太阳辐射强度较弱(如夏日的日出后不久、傍晚前，非向阳面等)和罐内介质温度较低、又易蒸发时，还有二种较为特殊情况:
(1) 球罐表面温度等于环境温度
此时，表面与环境之间无散热传热温差， q渗等于表面吸收的太阳辐射热，即q渗=J(1,R)
(2) 球罐表面温度低于环境温度
此时，表面既吸收太阳辐射热又从环境传入热量，关系式为:
q渗=J(1,R)+(α对+α辐)×(t环,t表)
由上两式分析可看出，当t表?t环時，采用高效隔热涂料也能降低q渗。
4 用高效太阳热反射涂料后的球罐内温度压力 4.1 球罐受太阳辐射热的传热特点
球罐高液位操作时温度、压力上升比低液面要大。若将渗入球罐的热量以液相界面划分成上、下两部分，即分成球冠气相、球缺液相(对高液位操作)，显然在中午前后这段J、t环都较大的時间，太阳辐射热主要从球冠表面渗入，其传热特点如下。
(1)由于球罐内有相当的压力，气体密度比常压下大，气相升温需一定的热量。液化石油气易蒸发，耗热量较大。在气相升温和蒸发用热中，前者约占80%，后者約占20%。
(2)球冠气相(热面向下)的对流传热系数较小;气体的导热系数较小且平均厚度较大，因此罐内对流和传导传热量不多。球冠内壁和界面之间有一定的温差，辐射(长波)是将球冠渗入的热量传入界面的主要方式。
(3)由于罐内液体的导温系数较小，进入液相界面的热量，向下传递不多，主要就用于液相界面浅表层的升温和液体的蒸发。
参照湖泊水温研究, 可把罐内液相分为三层:最上面为"暖液层"，来自上部的(长波)热辐射的穿透能力很弱，就在该层吸收，使该层温度升高;最下面为"主体层", 其一日之内温度基本不变;中间为为"次暖层"，其纵向温度从接近"暖液层"温度很快下降到"主体层"温度。目前尚无液化石油气球罐内温度分布数据。但有类似数据可借鉴，如文献,3,的兰卅炼油化工总厂2000m3拱顶汽油罐实测图中，一天之内，油面温升约7?，但距油面下1m处的温度基本没有变化。正是渗入球罐的太阳辐射热主要采集中用于液相界面浅表层，引起罐温、罐压升高。
(4) 随液相界面温度增加，液相蓄热增加，约午后三、四时后，随太阳辐射强度、环境温度的下降，液相界面温度下降，开始释放蓄热。从球缺表面渗入的热量，先使球缺内壁附近的液体升温，逐渐向里渗透，增加液相蓄热，但因入射到的太阳强度较弱且时间也往往较
短，对球罐气相压力影响较小。
4(2 高效隔热涂料降低球罐内温度压力的分析
受太阳辐射热，液相界面温度t界升高,当升温用热等于q渗时，t界不再上升达到平衡温度, 该平衡温度就决定了球罐压力上升情况。对稳定传热，不难算出各部位的温度。但是对球罐受太阳辐射热，则是复杂的不稳定传热，一日之内，J和t环不断变化，球罐表面各部位的J和t表相差很大，球罐内气、液的温度分布和传热更为复杂，要精确计算十分困难，现从热平衡角度分析罐内温度压力的变化。
对球罐内部，可写出如下关系式:
Q渗= Q壁+Q气 +Q蒸+Q液 (6) 式中:Q渗、Q气、Q蒸、Q液-某段时间内渗入球罐、罐壁升温、气相升温、液体蒸发、液体升温的热量,Wh。
表2以丙烷为例，计算了不同温升下，球冠部分的罐壁蓄热及蒸发用热和气相蓄热增加情况，从表2中可看出: 表2 丙烷球罐球冠内温升与用热关系 公称球罐体积/m3
1000
1000
1000
400
400
400
装载系数,%
90
70
50
90
70
50
罐内用热wh?m-2
温升1? 88 176 270 67 133 203 温升2? 179 357 547 136 270 411 温升3? 269 537 821 205 405 617 温升4? 358 716 1096
273
540
824
温升5?
448
895
1371
342
676
1030
温升6?
544
1088
1667
415
821
1252
注:?计算取基准液相界面温度40?时丙烷物性数据;
?用热量以每平方米液相界面积计，不包括界面浅表层液相蓄热增加
(1)在相同球冠渗入热强度下，对相同容积的球罐，装载系数越大，t界温升越大;对相同的装载系数，球罐容积越大，t界温升越小。因此小罐、高液面操作易引起罐内温度、压力上升。
(2)由于液化石油气易蒸发、蒸发用热较大(计算表明，表中热量约80,为蒸发用热)，t界不会上升很多。参见图3(风速为1m/s、ε为0.85、R为0.8)，假设在上午7时到下午3时(气相温度达最高)的8个小时内,以球冠投影面积(等于液相界积)计的平均J为700w/m2、平均Δt表超为6?时，从球冠渗入的热量q渗冠为42.26 w/m2，8小时共338 wh/m2;假设这些热量全部用于罐内的液体的蒸
发和气相升温，参见表2，对400m3球罐，装载系数90%时，升温约5?;由于Q渗中相当部分要用于增加液相浅表层的蓄热，实际温升要低更些。当罐容积大、液位低些时，t界温升更小。当t界较高时，(t表-t界)较小, q渗就较少，Δt表超就增加。计算表明,即使罐内介质清晨温度达40?、环境温度高达40?, 应用高效隔热涂料后，炎热夏日午后罐内液相介面温度不会超过44?。
当球罐内液体储存温度较低时，与储存温度较高相比，q渗增加、Δt表超降低，虽t界上升量要大些，但t界离球罐安全操作压力对应的温度要更大些。因此控制好球罐进料温度是确保球罐安全操作的重要措施。对储存温度较低的球罐，可选用隔热性能差些涂料。
5 高效隔热涂料应用实践
表3 不同涂料液化气球罐测试数据
项目
通宇T-1?
凉凉胶
银粉漆
日期
01.9.7
94.8.10
00.7.11
罐号
828罐
806罐
825罐
容积/m3
2000
400
1000
液位/m
1.154
2.239
1.117
环境温度/?
32
34.2
38.8
风速/m.s-1
1.5
1.5
向光处表面温度/?
34
45
62
日照超温/?
2
10.8
23.2
注:?为江西省经委节能中心测试数据。
九江分公司在液化气球罐上，2000年应用进口"太空绝热涂料"，2001年与江西萍乡华宇技术发展有限公司合作，应用"通宇T-1型特种太空隔热涂料"，取得了良好隔热效果，两者性能均明显好于凉凉胶，并表明后者性能更优良。表3表明，用"通宇T-1型"涂料，与银粉漆相比，可降低表面"日照超温"20?以上。九江分公司液化气球罐已全面应用"T-1型" 涂料，取消了喷淋水降温。迄今不仅在球罐全面应用 "通宇T-1型特种太空隔热涂料"，并在内浮顶(汽油、溶剂油、苯类等) 油罐上应用该种涂料
2004年7月27日午后，气温37?,笔者用便携式红外测温仪，测得九江分公司811号400m3丙烯球罐顶向阳面大部分表面温度在43?左右，最高温度为45.8?,背阴面温度接近大气温度，其时液位6.9m、压力1.32Mpa(相当于34?时的饱和蒸气压)，表明用高效隔热涂料、
取消喷淋降温可满足安全生产要求。。
工厂实际生产中，影响球罐操作压力的因素较多，例如进料温度变化、进料带不凝气、进罐泵扬程的限制等, 安全阀定压往往要低于设计压力。九江分公司现规定的球罐操作压力为:液化气罐1.1Mpa(g)，丙烯罐1.6 Mpa(g)。显然此规定值远低于按设计允许的操作压力，较为保守，部分原因是受?套催化裂化液化气出装置泵压力的限制。由于规定压力较低，炎热夏天当上游来料带不凝气时，操作工偶尔会排放不凝气泄压。
据操作人员反映，使用"T-1型" 涂料后，在冬天当进料温度较高时要降温较难。虽然这种要求末必合理，但也反映出该涂料不仅具有优良的阳光隔热性能(制造厂商称对日光总反射率为82-83%)而且还具有良好的保温性能(该涂料厂生产专门用于保温的型涂料)。现九江分公司用该涂料的厚度均为0.3mm，可以根据实际情况进行优化，例如对球罐下半部可适当减少涂层厚度。
九江分公外球罐区环境条件较差，附近有火炬、煤锅炉。过去用银粉漆、"凉谅胶"时，不仅夏天喷水，而且往往二、三年要重刷。2000年使用美进口"太空涂料"，到次年表面就变脏，経清洗后涂刷了一层"T-1型" 涂料。"T-1型" 涂料最长使用已有四个夏天，不淋水降温，但因需定期进行消防水检查，会使表面有些脏迹，但基本上仍为白色,少数罐清洗过一次。最近生产的该种涂料增加了自洁性能。有的罐己作过开罐检查，施工人员打磨焊缝处涂料感到很费劲，表明该涂料与球罐附着性能很好。检查后作修补处理。实践表明该涂料有良好的防腐性能，使用寿命长。
6 结论
(1) 高效太阳反射涂料的隔热原理可概括为"高反射"、"高外散"、"高热阻":表面对太阳辐射(短波辐射)具有很高的反射能力，从而可大幅度降低表面吸热;表面具有较高的热辐射(长波辐射)能力，从而可增加表面散热;涂料层构筑成隔热屏障，阻挡太阳辐射热渗入储罐内部。温
(2)球罐受太阳辐射热后，其表面会出现"日照超温"。热量主要从球冠方向渗入，并主要用于液相界面浅表层。
(3)由于液化石油气易蒸发，蒸发用热量较大，液相界面温升不会很大。计算分析表明，应用高效涂料后，炎热夏日，最大"日照超温"約为10?;对于丙烷罐，在允许的最高液位下操作，液相界面温升不超过5?，球罐容积越大、操作液位越低，液相界面温升越小。因此即使环境温度、清晨罐内温度均高达10?，罐内压力不会超过设计允许压力。
(4)可根据实际需要、应用条件、传热特点，优化选用高效隔热涂料。
(5)"通宇T-1型"高效太阳反射涂料在九江分公司的应用表明:可储罐表面的"日照超温"和罐内温度，隔热效果明显好于凉凉胶、银粉漆，可替代喷淋水降温，该涂料防腐性能好、使用寿命长。
参考文献
1李申生，太阳常数与太阳辐射的光谱分布，太阳能，2003，(4):5,6
2陈维扭，传递过程与单元操作上册(上册)，浙江大学出版社，1993年8月
3郭光臣，炼油厂油品储运，中国石化出版社，1999.4:306
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