КРИОГЕННЫЙ РЕЗЕРВУАР Российский патент 1994 года по МПК F17C3/00 F17C3/08 

Изобретение относится к криогенным резервуарам с многослойной изоляцией и позволяет улучшить условия адсорбента за счет его защиты от паров воды при циклических режимах эксплуатации, сохранить время сушки теплоизоляционных полостей, а также исключить влияние насоса на оценку герметичности теплоизоляционной полости отогретого криогенного резервуара.

Известен сосуд для криогенной жидкости, содержащий кожух, многослойно-вакуумную изоляцию и внутренний сосуд с двумя кольцами, насаженными на его наружную поверхность по концам цилиндрической части. Кольца выполнены из сетчатого теплопроводного материала и заполнены адсорбционной насадкой. Поперечное сечение колец может иметь форму, образованную пересечением двух дуг. Кольца одновременно служат для разгрузки теплоизоляции от сжатия и выполняют роль адсорбционного насоса, т.е. поддерживают вакуум в межстенном пространстве. Устройство обладает повышенной эффективностью.

Недостатками этого устройства является следующее.

Десорбция поглощенных адсорбентом газов и паров в теплоизоляционную вакуумную полость при естественном отогреве конструкции. Это приводит к снижению степени вакуума в теплоизоляционной полости, к загрязнению поверхностей кожуха криогенного резервуара и слоев экранно-вакуумной теплоизоляции. Снижение степени вакуума в теплоизоляционной полости ведет к повышению потерь криогенной жидкости при заполнении резервуара и в процессе хранения, а загрязнение поверхностей элементов конструкции теплоизоляционной полости ведет к существенному увеличению времени последующей откачки теплоизоляционной полости.

Нет возможности избежать загрязнений поверхностей слоев экранно-вакуумной теплоизоляции криогенного резервуара парами веществ, десорбирующихся из адсорбента.

Велико время процесса регенерации. Низкое качество процесса регенерации вследствие больших гидравлических сопротивлений экранно-вакуумной теплоизоляции и большого объема откачиваемой полости.

Повышена потребная мощность средств откачки, высоки энергетические затраты средств откачки и подготовки греющего газа.

Насыщение адсорбента влагой из атмосферной среды при ремонтно-восстановительных работах, проводимых с нарушением целостности теплоизоляционной полости криогенного трубопровода.

Велико влияние встроенных отогретых адсорбционных насосов на оценку негерметичности.

Отсутствие возможности сохранить вакуум в теплоизоляционной полости во время процесса регенерации адсорбента.

Известен криогенный резервуар, содержащий внутренний сосуд, адсорбент, пористый экран, наружный кожух, размещенную между стенками кожуха и внутреннего сосуда многослойную экранно-вакуумную теплоизоляцию.

Размещение адсорбентов на внутренней (холодной) поверхности изоляционного пространства способствует значительному повышению их поглотительной способности.

Недостатками конструкции является следующее.

Десорбция поглощенных адсорбентом газов и паров в теплоизоляционную вакуумную полость при естественном отогреве конструкции.

Велико время процесса регенерации вследствие больших гидравлических сопротивлений экранно-вакуумной теплоизоляции и большого объема откачиваемой полости.

Повышена потребляемая мощность средствами откачки при регенерации, высоки энергетические затраты средств откачки и подготовки греющего газа.

Велика степень насыщения адсорбента влагой из атмосферной среды при вынужденных вскрытиях кожуха и неизбежность проведения после них дорогостоящей, длительной, трудоемкой регенерации.

Велико влияние встроенных отогретых адсорбционных насосов на оценку негерметичности.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является криогенный резервуар РЦВ-63/0,5. Криогенный резервуар состоит из внутреннего сосуда и наружного кожуха. Внутренний сосуд и кожух установлены на соосно расположенных трубчатых опорах, опирающихся на фундамент. На внутреннем сосуде смонтирована в виде матов слоисто-вакуумная изоляция. Для достижения и поддержания в изоляционном пространстве давления 10^-2-10^-3 Па на внутреннем сосуде располагаются три адсорбционных кармана. В карманы встроены змеевики для регенерации адсорбента горячим газом.

Недостатками конструкции является следующее.

Десорбция поглощенных адсорбентом газов и паров в теплоизоляционную вакуумную полость при естественном отогреве конструкции.

Велико время процесса регенерации.

Повышена потребная мощность средств откачки.

Высоки энергетические затраты средств откачки и подготовки греющего газа.

Велико влияние встроенных отогретых адсорбционных насосов на оценку негерметичности.

Отсутствие возможности сохранить вакуум в теплоизоляционной полости во время процесса регенерации адсорбента.

Целью изобретения является улучшение условий работы адсорбента за счет его защиты от паров воды при циклических режимах эксплуатации, сокращение времени сушки теплоизоляционной полости, улучшение условий регенерации адсорбента, исключение влияния насоса на оценку герметичности теплоизоляционной полости.

Поставленная цель достигается тем, что криогенный резервуара, содержащий внутренний криогенный сосуд, кожух, размещенную между стенками криогенного сосуда и кожуха многослойную экранно-вакуумную теплоизоляцию, расположенный внутри теплоизоляционной полости на наружной стенке криогенного сосуда встроенный криогенный насос, согласно изобретению снабжен герметичной оболочкой с термовакуумными клапанами, размещенной в теплоизолирующей полости и охватывающей пористый экран криосорбционного насоса, термовакуумные клапаны выполнены в виде корпуса из диамагнитного материала, установленного в нем подпружиненного запирающего органа, постоянного магнита, закрепленного на запирающем органе, и установленного неподвижно в корпусе со стороны постоянного магнита термочувствительного элемента из ферромагнитного материала с точкой Кюри, равной температуре десорбции адсорбента, при этом термовакуумный клапан размещен в герметичной оболочке с обеспечением теплового контакта термочувствительного элемента с пористой стенкой пористого экрана. Причем полость, образованная герметичной оболочкой, сообщена с системой предварительной откачки через вакуумный трубопровод и вакуумный клапан. Кроме того, криогенный резервуар снабжен предохранительным клапаном, установленным на вакуумном трубопроводе до вакуумного клапана и сообщающим полость, образованную герметичной оболочкой, с атмосферой.

Сущность изобретения заключается в автоматической отсечке встроенного криосорбционного насоса, размещенного на внутреннем криогенном сосуде, от теплоизоляционной полости криогенного резервуара при нагреве адсорбента до температуры десорбции, а также за счет автоматического сообщения встроенного криосорбционного насоса с теплоизоляционное полостью криогенного резервуара при охлаждении адсорбента ниже температуры десорбции.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый криогенный резервуар отличается тем, что пористый экран криосорбционного насоса охвачен герметичной оболочкой, снабженной термовакуумным клапаном с термочувствительным элементом из ферромагнитного материала с точкой Кюри, равной температуре десорбции адсорбента, при этом полость, охваченная герметичной оболочкой, через вакуумный трубопровод и вакуумный клапан сообщена с системой предварительной откачки, а через тепловакуумный клапан сообщена с теплоизоляционной полостью криогенного резервуара.

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 вывод, что предлагаемое устройство в отличие от известных позволяет:
сохранить вакуум в теплоизоляционной полости во время регенерации, а также в периоды естественного отогpева конструкции;
избежать загрязнений поверхностей слоев экранно-вакуумной теплоизоляции криогенного резервуара парами веществ, десорбирующихся из адсорбента;
существенно снизить время и повысить качество процесса регенерации, т. к. в конструкции значительно уменьшен откачиваемый объем и существенно снижены гидравлические сопротивления;
существенно снизить потребную мощность средств откачки и снизить энергетические затраты средств откачки, т.к. уменьшен откачиваемый объем, снижены гидравлические сопротивления, уменьшено время регенерации при одновременном повышении ее качества;
исключить насыщение адсорбента влагой из атмосферной среды при ремонтно-восстановительных работ с нарушением целостности теплоизоляционной полости криогенного резервуара;
исключить влияние встроенных адсорбционных насосов на оценку герметичности.

В заявляемом техническом решении эти преимущества достигаются за счет автоматической отсечки криосорбционных насосов, размещенных на внутреннем криогенном сосуде, от теплоизоляционной полости криогенного резервуара при нагреве адсорбента до температуры десорбции, а также за счет автоматического сообщения криосорбционных насосов с теплоизоляционной полостью криогенного трубопровода при охлаждении адсорбента ниже температуры десорбции. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 показан общий вид криогенного резервуара; на фиг. 2 - конструкция термовакуумного клапана.

Внутренний криогенный сосуд 1 охвачен кожухом 2, теплоизоляционная полость 3 между которыми вакуумирована с помощью адсорбента 4, размещенного в криосорбционном насосе 5, имеющем пористый экран 6, установленный на внешней стенке внутреннего криогенного сосуда 1. Внутри пористого экрана 6 установлен змеевик 7 для подачи греющего газа. Пористый экран 6 с адсорбентом 4 охвачен герметичной оболочкой 8 с образованием полости 9, при этом герметичная оболочка 8 снабжена термовакуумным клапаном 10. Полость 9 сообщена с атмосферой посредством вакуумного трубопровода 11 и размещенного на нем вне криогенного резервуара предохранительного клапана 12. Полость 9 сообщена с системой предварительной откачки через вакуумный трубопровод 11 и вакуумный клапан 13.

Термовакуумный клапан выполнен в виде корпуса 14 из диамагнитного материала, в корпусе 14 установлены запирающий орган 15 и пружина 16 запирающего органа. Натяжение пружины 16 запирающего органа регулируется гайкой 17, которая одновременно является направляющей для перемещения постоянного магнита 18. Постоянный магнит 18 закреплен на запирающем органе 15, термочувствительный элемент 19 из ферромагнитного материала размещен с тепловым контактом на пористой стенке криосорбционного насоса 5. Седло 20 термовакуумного клапана снабжено уплотнением 21. Полость 9 через термовакуумный клапан сообщена с теплоизоляционной полостью 3 криогенного резервуара.

Устройство работает следующим образом.

После опорожнения внутреннего криогенного сосуда 1 в ходе отогрева криогенного резервуара повышается температура адсорбента и стенок пористого экрана 6. Термочувствительному элементу 19 сообщается тепловой поток. Термочувствительный элемент 19 нагревается до температуры Тк, равной точке Кюри, при этом ферромагнетик, из которого выполнен термочувствительный элемент теряет свои магнитные свойства. В результате магнитная сила, действующая между постоянным магнитом 18 и термочувствительным элементом 19 и удерживающая магнит 18 в верхнем положении (положения "Клапан открыт"), исчезает. Под действием пружины 16 запирающий орган 15 перемещается в сторону седла 20 клапана, термовакуумный клапан 10 закрывается. При этом автоматически отсекается полость 9, в которой находится криосорбционный насос, от теплоизоляционной полости 3. После этого проводится регенерации адсорбента 4. В змеевик 7 подается греющий газ, начинается прогрев адсорбента 4. После прогрева адсорбента 4 открывается вакуумный клапан 13 и полость 9 сообщается в системой предварительной откачки. Производится откачка десорбирующих газов. После восстановления поглотительных свойств адсорбента 4 прекращается подача греющего газа в змеевик 7, вакуумный клапан 13 закрывается. Система готова к работе. В ходе наполнения внутреннего криогенного сосуда 1 его наружная стенка охлаждается. Вместе с ней охлаждаются адсорбент 4, пористый экран 6, термочувствительный элемент 19. При достижении температуры Т_к, равной точке Кюри, ферромагнетик приобретает свои магнитные свойства и термочувствительный элемент 19 притягивает постоянный магнит 18. В связи с тем, что сила напряженности магнитного поля постоянного магнита 18 равна силе сжатия пружины 16 запирающего органа в положении ее рабочей осадки, запирающий орган 15 передвигается по направлению к термочувствительному элементу 19 до положения, соответствующего рабочей осадке пружины 16 запирающего органа. При этом полость 9 автоматически сообщается с теплоизоляционной полостью 3. Начинается процесс откачки теплоизоляционной полости 3 охлаждающимся адсорбентом 4. После опорожнения внутреннего криогенного сосуда 1 конструкция отогревается и начинается десорбция паров и газов, поглощенных адсорбентом 4, снижающих степень вакуума в теплоизоляционной полости 3 и загрязняющих элементы конструкции, находящиеся в теплоизоляционной полости. В этот момент термочувствительный элемент 19, имея, например, температуру Т_т.ч = Т_к = 203 К, теряет свои магнитные свойства. Запирающий орган 15 под действием пружины 16 запирающего органа движется по направлению к седлу клапана. Термовакуумный клапан 10 закрывается, запирающий орган 15 уплотняется возрастающим давлением десорбирующихся газов. Избыточное давление газов дренажируется в атмосферу через вакуумный трубопровод 11 и предохранительный клапан 12.

Необходимо отметить, что для различных температурных уровней могут потребоваться различные рабочие вещества для термочувствительного элемента 19. Известно множество ферромагнитных материалов, точки Кюри которых лежат в интервале 24-293 К. Таким образом, работа вблизи точки Кюри может быть обеспечена в широком диапазоне температур.

При ремонтно-восстановительных работах, разгерметизации или переосвидетельствовании теплоизоляции на отогретом криогенном резервуаре с нарушением целостности теплоизоляционной полости 3 термовакуумные клапаны 10 закрыты, полость 9 отсечена от теплоизоляционной полости. В связи с тем, что в этом случае удается избежать попадания влаги в адсорбент, время регенерации последнего существенно снижается или регенерация вообще не проводится. Последнее позволяет существенно снизить экономические, материальные и трудовые затраты при проведении ремонтно-восстановительных работ.

В конструкции, выбранной в качестве прототипа, при длительной эксплуатации криогенного трубопровода в периоды естественного отогрева криосорбционного насоса наблюдаются снижение степени вакуума в теплоизоляционной полости 3 криогенного резервуара 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 с проведением регенерации, потере вакуума в теплоизоляционной полости криогенного резервуара во время регенерации и загрязнению поверхностей слоев экранно-вакуумной теплоизоляции. Кроме того, при оценке суммарной негерметичности теплоизоляционных полостей, производимой манометрическим методом, наличие криоадсорбционного насоса в полости может привести к искажению результатов проверки за счет эффекта адсорбции. Так, при двух замерах, проводившихся соответственно при температурах 293 и 243 К, показания уровня негерметичности отличаются в несколько раз как для теплоизоляционных полостей с цеолитом, так и для полостей с углем при одинаковом уровне негерметичности.

Предлагаемое устройство позволяет:
сохранить вакуум в теплоизоляционной полости во время регенерации, а также в периоды естественного отогрева конструкции;
избежать загрязнений поверхностей слоев экранно-вакуумной теплоизоляции трубопровода 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;
изолировать адсорбент криосорбционных насосов от контакта с атмосферой при ремонтно-восстановительных работах на криогенном резервуаре с нарушением целостности теплоизоляции и тем самым существенно снизить время процесса регенерации после ремонтно-восстановительных работ или вовсе исключить регенерацию адсорбента;
получить более высокую степень вакуума в теплоизоляционной полости криогенного резервуара;
исключить влияние встроенных отогретых адсорбционных насосов на оценку негерметичности.

Таким образом, предлагаемое устройство способствует уменьшению эксплуатационных затрат на 80%, энергетических затрат (нагрев технологического газа, откачка) на 60%, сократить время процесса регенерации на 50%, повысить степень вакуума в теплоизоляционной полости на один порядок, полностью исключить влияние встроенных насосов на оценку герметичности в теплом состоянии криогенного резервуара.

Сущность изобретения: криогенный резервуар содержит внутренний криогенный сосуд, кожух, размещенную между стенками криогенного сосуда и кожуха многослойную экранно-вакуумную теплоизоляцию, расположенный внутри теплоизоляционной полости на наружной стенке криогенного сосуда встроенный криосорбционный насос, герметичную оболочку с термовакуумными клапанами, размещенную в теплоизоляционной полости и охватывающую пористый экран криосорбционного насоса. При этом термовакуумные клапаны снабжены термочувствительным элементом из ферромагнитного материала с точкой Кюри, равной температуре десорбции адсорбента. Резервуар снабжен предохранительным клапаном. При этом полость, образованная герметичной оболочкой, сообщена с системой предварительной откачки через вакуумный трубопровод и вакуумный клапан. 1 з. п. ф-лы, 2 ил.

1. КРИОГЕННЫЙ РЕЗЕРВУАР, содержащий внутренний криогенный сосуд, кожух, размещенную между стенками криогенного сосуда и кожуха многослойную экранно-вакуумную теплоизоляцию, расположенный внутри теплоизоляционной полости на наружной стенке криогенного сосуда встроенный криосорбционный насос, снабженный термоуправляемыми запорными элементами, размещенными внутри теплоизоляционной полости сосуда, а также запорным элементом, соединенным с атмосферой, отличающийся тем, что, с целью улучшения условий работы адсорбента за счет его защиты от паров воды при циклических режимах эксплуатации, сокращения времени сушки теплоизоляционной полости, улучшения условий регенерации адсорбента, исключения влияния насоса на оценку герметичности теплоизоляционной полости, криосорбционный насос имеет пористый экран и снабжен герметичной оболочкой, размещенной в теплоизоляционной полости и охватывающей пористый экран криосорбционного насоса, а термоуправляемые запорные элементы размещены в герметичной оболочке с обеспечением теплового контакта термочувствительного элемента со стенкой пористого экрана, при этом термоуправляемые запорные элементы выполнены в виде корпуса из диамагнитного материала, установленного в нем подпружиненного запирающего органа, постоянного магнита, закрепленного на запирающем органе, и установленного неподвижно в корпусе со стороны постоянного магнита термочувствительного элемента из ферромагнитного материала с точкой Кюри, равной температуре десорбции адсорбента. 2. Резервуар по п.1, отличающийся тем, что он снабжен предохранительным клапаном, установленным на вакуумном трубопроводе до запорного элемента, соединенного с атмосферой, и сообщающим полость, образованную герметичной оболочкой, с атмосферой.