КРИОГЕННЫЙ ТРУБОПРОВОД Российский патент 1994 года по МПК F16L9/18 

Изобретение относится к созданию трубопроводов.

Известен криогенный трубопровод, образованный собственно трубопроводом и охватывающим его кожухом, пространство между которыми вакуумировано с помощью адсорбента, размещенного в трубчатых патронах, охватывающих трубопровод, а внутри трубчатых патронов установлен змеевик для подачи греющего газа. Размещение змеевика для подачи греющего газа внутри трубчатых патронов с адсорбентом позволяет производить периодическое восстановление поглощающих свойств адсорбента без нарушения целостности криогенного трубопровода [1].

Недостатками этого устройства являются
снижение степени вакуума в теплоизоляционной полости и загрязнение поверхностей слоев экранно-вакуумной теплоизоляции в связи с десорбцией поглощенных адсорбентом газов и паров в теплоизоляционную полость при естественном отогреве конструкции;
велико время прогресса регенерации в связи с наличием больших гидравлических сопротивлений экранно-вакуумной теплоизоляции и большого объема откачиваемой полости;
высоки энергетические затраты, необходимые для проведения регенерации;
насыщение адсорбента влагой из атмосферной среды при ремонтно-восстановительных работах, проводимых с нарушением целостности теплоизоляционной полости криогенного трубопровода;
отсутствие возможности сохранить вакуум в теплоизоляционной полости во время процесса регенерации адсорбента.

Целью изобретения является уменьшение эксплуатационных и энергетических затрат путем сокращения времени и улучшения качества процесса регенерации.

Это достигается тем, что в известном криогенном трубопроводе, образованном собственно трубопроводом и охватывающим его кожухом, пространство между которыми вакуумировано с помощью адсорбента, размещенного в охватывающих собственно трубопровод трубчатых патронах, образующих замкнутое пространство, внутри которых установлен змеевик для подачи греющего газа, согласно изобретению он снабжен кольцевыми перегородками из теплопроводного материала, установленными по обе стороны от трубчатых патронов с адсорбентом для изоляции их от вакуумной полости трубопровода и термовакуумными клапанами, расположенными в вакуумной полости трубопровода, исполнительные элементы которых, выполненные в виде цилиндров, одними концами посредством тепловых мостов закреплены на внешней поверхности собственно трубопровода, а другими - жестко связаны с деформируемыми запорными элементами, размещенными в кольцевой щели, выполненной в каждой кольцевой перегородке, являющейся седлом термовакуумного клапана, при этом исполнительный и запорный элементы выполнены из материала с обращенной памятью формы. Кроме того, вакуумная полость с трубчатым патроном, ограниченная кольцевыми перегородками, связана с системой предварительной откачки посредством вакуумного вентиля. При этом расстояние между кольцевыми перегородками выбрано из условия, обеспечивающего превышение произведения объема вакуумной полости, ограниченной этими перегородками, на допустимое рабочее давление в этом объеме над максимальной суммарной адсорбционной емкостью трубчатого патрона с адсорбентом.

Сущность изобретения состоит в том, что трубчатые патроны с адсорбентом герметично разобщены от вакуумной полости криогенного трубопровода кольцевыми перегородками и снабжены термовакуумными клапанами, исполнительные и запорные элементы которых выполнены из материала с ярко выраженной обращенной памятью формы.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый криогенный трубопровод отличается тем, что трубчатые патроны с адсорбентом герметично разобщены от вакуумной полости криогенного трубопровода кольцевыми перегородками, выполненными из материала с высоким коэффициентом теплопроводности и снабженными термовакуумными клапанами, исполнительные элементы которых закреплены своими неподвижными концами через тепловые мосты на внешней поверхности собственно трубопровода, а другими свободными концами жестко связаны с деформируемыми перемещаемыми запорными элементами, причем исполнительный и запорный элементы термовакуумных клапанов выполнены из материала с обращенной памятью формы, а седло термовакуумного клапана образовано сплошной кольцевой щелью в кольцевой перегородке вокруг собственно трубопровода и поверхностью уплотнения со стороны трубчатого патрона с адсорбентом. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области, т. е. в криовакуумной технике и смежных областях, позволяет сделать следующий вывод: вновь введенные элементы в технике широко известны, однако в предлагаемом устройстве путем изменения конструкции и материала, из которого изготовлен термовакуумный клапан, достигается положительный эффект - уменьшаются эксплуатационные и энергетические затраты, повышается надежность, сокращается время процесса регенерации адсорбента, значительно увеличивается межрегламентный период функционирования трубопровода, повышается степень вакуума в теплоизоляционных полостях. Очень важным является то, что достижение положительного эффекта не сопровождается снижением степени пожароопасности криогенного трубопровода. Этот фактор определяется использованием механических автоматических термовакуумных клапанов, не потребляющих электроэнергии. В заявляемом техническом решении эти преимущества достигаются за счет автоматической механической отсечки трубчатых патронов с адсорбентом, размещенных на собственно трубопроводе, от теплоизоляционной полости криогенного трубопровода при последовательном нагреве соответственно исполнительных и запорных элементов выше температуры мартенситных превращений, а также за счет автоматического механического сообщения трубчатых патронов с адсорбентом с теплоизоляционной полостью криогенного трубопровода при последовательном охлаждении соответственно уплотнительных и запорных элементов ниже температуры мартенситных превращений. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показан криогенный трубопровод; на фиг. 2а,б показана работа термовакуумного клапана при различных температурных уровнях в криогенном трубопроводе; на фиг. 3 - термовакуумный клапан, вид в изометрии.

Собственно трубопровод 1 охвачен кожухом 2, теплоизоляционная полость 3 между которыми вакуумирована с помощью адсорбента 4, размещенного в трубчатых патронах 5, охватывающих трубопровод 1, внутри трубчатых патронов 5 установлен змеевик 6 для подачи греющего газа, трубчатые патроны 5 с адсорбентом 4 герметично разобщены от вакуумной полости криогенного трубопровода кольцевыми перегородками 7, размещенными по обе стороны от трубчатого патрона 5 с адсорбентом 4 и снабженными термовакуумными клапанами 8, исполнительные элементы 9 которых закреплены своими неподвижными концами через тепловые мосты 10 на внешней поверхности собственно трубопровода 1, а другими свободными концами жестко связаны деформируемыми перемещаемыми запорными элементами 11. Исполнительные 9 и уплотнительные 11 элементы термовакуумных клапанов выполнены из материала с обращенной памятью формы. Седло 12 термовакуумного клапана образовано сплошной кольцевой щелью в кольцевой перегородке вокруг собственно трубопровода 1 и поверхностью уплотнения со стороны трубчатого патрона с адсорбентом. Вакуумная полость с трубчатым патроном 5, ограниченная кольцевыми перегородками 7, связана с системой предварительной откачки посредством вакуумного вентиля 13 и вакуумного трубопровода 14. В целях обеспечения в замкнутом объеме, ограниченном кольцевыми перегородками 7, давления, не превышающего атмосферное, т.к. при превышении атмосферного давления в вакуумной полости разрываются предохранительные мембраны, необходимо, чтобы
V_{емк.адсорбента} ≅ V_{замкн.объема}^. [P], где V_{емк.адсорбента} - суммарная адсорбционная емкость трубчатого патрона с адсорбентом;
V_{замк.объема} - объем вакуумной полости, ограниченный кольцевыми перегородками;
[P] - допустимое максимальное рабочее давление в замкнутом объеме. Для этого кольцевые перегородки 7 установлены одна от другой на расстоянии, обеспечивающем превышение произведения объема вакуумной полости, ограниченной этими перегородками, на допустимое рабочее давление в этом объеме над максимальной суммарной адсорбционной емкостью трубчатого патрона 5 с адсорбентом 4.

Устройство работает следующим образом.

В начальный момент перед подачей криогенного компонента по трубопроводу 1 трубчатые патроны 5 с адсорбентом 4 находятся в замкнутом пространстве, герметично изолированном от всей теплоизоляционной полости криогенного трубопровода, как изображено на фиг. 1. При подаче криогенного компонента происходит охлаждение собственно трубопровода 1 и установленных на нем кольцевых перегородок с запорными 11 элементами термовакуумных клапанов, а также тепловых мостов 10 и установленных на них исполнительных 9 элементов. Причем ввиду того, что кольцевые перегородки выполнены из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, а тепловые мосты имеют коэффициент теплопроводности существенно меньше, запорные 11 элементы охлаждаются ниже температуры мартенситных превращений значительно быстрее, чем исполнительные 9 элементы. В результате запорные 11 элементы меняют форму, как показано на фиг. 2а, нарушая тем самым герметичность изолированной вакуумной полости с трубчатым патроном. Далее исполнительные 9 элементы, охлаждаясь ниже температуры мартенситных превращений, также скачкообразно изменяют свою форму, тем самым обеспечивая перемещение запорных 11 элементов через седло 12 за пределы изолированной вакуумной полости (фиг. 2б). При этом кольцевая щель полностью свободна для газового потока, поступающего к поверхности трубчатого патрона 5 с адсорбентом 4. Происходит процесс криоадсорбционной откачки.

При отсутствии криогенного компонента и естественном прогреве трубопровода исполнительный элемент 9 прогревается выше температуры мартенситных превращений и принимает исходную форму (фиг. 2а). Далее тепловой поток, поступая к запорному элементу 11, прогревает его также выше температуры мартенситных превращений. В результате запорный элемент 11 принимает исходную форму, закрывая седло 12 термовакуумного клапана. В дальнейшем в процессе десорбции избыточное давление в изолированном вакуумном пространстве более плотно обожмет запорные элементы 11. Для восстановления поглощающих свойств адсорбента 4 в змеевик 6 подается греющий газ. При этом повышается температура адсорбента 4 и трубчатого патрона 5. В это же время открывается вакуумный вентиль 13, и через вакуумный трубопровод 14 начинается откачка изолированного вакуумного пространства. После окончания регенерации прекращается подача греющего газа через змеевик 6, закрывается вакуумный вентиль 13. В дальнейшем при подаче криогенного компонента в трубопровод 1 процесс повторяется в прежней последовательности.

В конструкции, выбранной в качестве прототипа, при длительной эксплуатации криогенного трубопровода, в периоды естественного отогрева трубчатого патрона 5 с адсорбентом 4 наблюдаются снижение степени вакуума в теплоизоляционной полости криогенного трубопровода и загрязнение экранно-вакуумной теплоизоляции парами различных веществ, десорбирующихся из адсорбента 4. Загрязнение поверхностей слоев экранно-вакуумной теплоизоляции парами десорбирующихся веществ очень негативно сказывается на качестве процесса получения и поддержания требуемой степени вакуума. Это приводит к повышению температуры криогенных жидкостей и к их потерям, к увеличению эксплуатационных затрат, связанных с проведением регенерации, потере вакуума в теплоизоляционной полости криогенного трубопровода во время регенерации.

Предлагаемое устройство позволяет сохранить вакуум в теплоизоляционной полости во время регенерации, а также в периоды естественного отогрева конструкции; избежать загрязнений отражающих поверхностей слоев экранно-вакуумной теплоизоляции парами веществ, десорбирующихся из адсорбента; существенно снизить время и повысить качество процесса регенерации, т.к. существенно уменьшается откачиваемый объем и уменьшаются гидравлические сопротивления; существенно снизить мощность и энергетические затраты средств откачки за счет повышения технологичности процесса регенерации; изолировать трубчатые патроны с адсорбентом от контакта с атмосферой при ремонтно-восстановительных работах на криогенном трубопроводе с нарушением целостности теплоизоляции и тем самым сократить время процесса регенерации после ремонтно-восстановительных работ; получить более высокую степень вакуума в теплоизоляционной полости криогенного трубопровода; принцип действия заявляемого устройства обеспечивает достижение положительного эффекта без применения электропитания, что не снижает уровень пожарной безопасности; применение материалов с обращенной памятью формы позволяет создать значительные уплотняющие усилия, что очень важно при изоляции вакуумного пространства с трубчатыми патронами при ремонтно-восстановительных работах. Таким образом, тепловакуумный клапан с памятью формы позволяет парировать влияние перепада давлений между давлением в теплоизоляционной полости с нарушенной целостностью и давлением в изолированной вакуумной полости на герметичность изолированной вакуумной полости.

Итак, предлагаемое устройство способствует уменьшению эксплуатационных затрат на 80% , энергетических затрат на 60%, позволяет сократить время процесса регенерации адсорбента на 50%, избежать процесса регенерации адсорбента после проведения ремонтно-восстановительных работ с нарушением целостности криогенного трубопровода, повысить степень вакуума в теплоизоляционной полости на один порядок, обойтись средствами откачки с меньшей мощностью.

Сущность изобретения: пространство между трубопроводом (ТП) и охватывающим его кожухом вакуумировано адсорбентом. Адсорбент размещен в охватывающих ТП трубчатых патронах, образующих замкнутое пространство, внутри которых установлен змеевик для подачи греющего газа. Кольцевые перегородки из теплопроводного материала установлены по обе стороны от патронов для изоляции их от вакуумной полости ТП. Термовакуумные клапаны расположены в вакуумной полости ТП, исполнительные элементы которых выполнены в виде цилиндров. Цилиндры одними концами посредством тепловых мостов закреплены на внешней поверхности ТП, другими - жестко связаны с деформируемыми запорными элементами, размещенными в кольцевой щели, выполненной в каждой кольцевой перегородке, являющейся седлом клапана. Исполнительный и запорный элементы выполнены из материала с обращенной памятью формы. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. КРИОГЕННЫЙ ТРУБОПРОВОД, образованный собственно трубопроводом и охватывающим его кожухом, пространство между которыми вакуумировано с помощью адсорбента, размещенного в охватывающих собственно трубопровод трубчатых патронах, образующих замкнутое пространство, внутри которых установлен змеевик для подачи греющего газа, отличающийся тем, что он снабжен кольцевыми перегородками из теплопроводного материала, установленными по обе стороны от трубчатых патронов с адсорбентом для изоляции их от вакуумной полости трубопровода, и термовакуумными клапанами, расположенными в вакуумной полости трубопровода, исполнительные элементы которых, выполнены в виде цилиндров, одними концами посредством тепловых мостов закреплены на внешней поверхности собственно трубопровода, а другими жестко связаны с деформируемыми запорными элементами, размещенными в кольцевой щели, выполненной в каждой кольцевой перегородке, являющейся седлом термовакуумного клапана, при этом исполнительный и запорный элементы выполнены из материала с обращенной памятью формы. 2. Трубопровод по п.1, отличающийся тем, что вакуумная полость с трубчатым патроном, ограниченная кольцевыми перегородками, связана с системой предварительной откачки посредством вакуумного вентиля. 3. Трубопровод по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что расстояние между кольцевыми перегородками выбрано из условия, обеспечивающего превышение произведения объема вакуумной полости, ограниченной этими перегородками, на допустимое рабочее давление в этом объеме над максимальной суммарной адсорбционной емкостью трубчатого патрона с адсорбентом.