СПОСОБ ЗАПРАВКИ ЕМКОСТИ ЖИДКИМ ВОДОРОДОМ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ Российский патент 1995 года по МПК F17C5/04 F17C6/00 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при заправке криогенных емкостей жидким водородом высокой чистоты.

Известны способы заправки емкостей криогенными жидкостями, включающие подачу криогенной жидкости из заправщика в заправляемую емкость [1]
Наиболее близким к изобретению является способ заправки емкости жидким водородом [2] включающий фильтрацию водорода при подаче его из заправщика в емкость.

Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает надежной заправки заданной массы водорода в емкость. Это связано с тем, что при подаче жидкого водорода из заправщика в заправляемую емкость с фильтрацией водорода перед подачей его в емкость не учитывается масса водорода в заправщике, и заправка емкости может производиться, если оставшаяся в заправщике масса превышает массу водорода, необходимую на захолаживание и плюс заданную заправляемую массу.

Однако, как показали экспериментальные исследования, начиная с некоторой величины заполнения заправщика, заправка заданной массы водорода, которая необходима для подачи потребителю в процессе эксплуатации емкости, невозможна. Причины этого следующие: В жидком водороде содержатся примеси других более высококипящих газов N₂, O₂, Ar, CO₂, CH₄, которые могут быть как в растворенном виде, так и в виде кристаллов (Труды ГИРХ, N 89. Л. 1983). Фазовое состояние примесей определяется их относительной концентрацией в жидкости. Имеется экспериментально определенный порог растворимости.

При концентрации примесей выше этого порога происходит насыщение жидкости и выпадание кристаллов.

На фиг.1 приведена зависимость растворимости азота и кислорода (основных примесей) в жидком водороде от температуры, где С (об.) концентрация примесей в процентах объемных долей; Т и К температура водорода. Образовавшиеся кристаллы в жидком водороде, по данным ГИПХа, имеют размеры от 2 до 20 мкм.

Часть этих кристаллов, в основном большего размера, оседает на дно заправщика, а некоторая часть кристаллов меньшего размера "витает" по объему жидкости за счет конвективных токов. При хранении жидкого водорода в заправщике за счет внешних теплопритоков происходит ее кипение и рост давления в паровой подушке. Избыточное давление периодически сбрасывают в дренаж. Давление упругих паров примесей ничтожно мало, например, при Т 22 К, давление насыщения для азота равно P_s 0,61˙10^-10 кПа (Фастовский Г.К. Криогенная техника, М. Энергоиздат, 1974, с. 464).

Поэтому дренируемые газы практически полностью состоят из паровой основной жидкости водорода, а примеси остаются в заправщике, при этом их относительная концентрация возрастает пропорционально количеству испаренного жидкого водорода.

Кроме того, при отборе жидкости из заправщика на заправку емкости в первую очередь происходит забор кристаллов меньших размеров, "витающих" в жидкости, и вынос их по тракту в сторону заправляемой емкости. Следовательно, с уменьшением количества жидкости в заправщике происходит повышение доли более крупных кристаллов.

Таким образом, с уменьшением массы жидкого водорода в заправщике происходит возрастание концентрации примесей и увеличение доли более крупных кристаллов. Это явление увеличивает вероятность забивки мелкопористых фильтров в системах заправки, что приводит к увеличению времени заправки и с некоторого момента к полному прекращению заправки.

Целью изобретения является обеспечение надежной заправки заданной массы водорода в емкость за счет предотвращения забивки фильтра кристаллами отвердевших газов.

Цель достигается тем, что в способе заправки емкости жидким водородом высокой чистоты, включающем фильтрацию водорода при подаче его из заправщика в емкость, перед началом заправки измеряют массу жидкого водорода в заправщике, по которой определяют возможность заправки в емкость заданной массы водорода и время ее заправки в соответствии с выражениями
≥ A; (1)
= -3,37·10^-3·ϕ+0,49, при 1 ≥ ϕ ≥ 0,9; (2)
= -5,5·10^-3·ϕ+1, при 0,9 ≥ ϕ > 0; (3) где относительное время заправки емкости;
τ_мин- минимальное время заправки заданной массы водорода в емкость при ϕ 1, с;
τ _i- время заправки заданной массы водорода в емкость при
0 < ϕ< 1, с;
А экспериментально определенный предельный уровень относительно времени заправки, ниже которого заправка в емкость заданной массы водорода невозможна;
ϕ коэффициент заполнения заправщика, изменяется в пределах
0 ≅ ϕ≅1;
m_maкc максимальная масса водорода в заправщике, кг;
m_i масса водорода в заправщике в момент измерения.

Способ осуществляется следующим образом.

Перед заправкой емкости жидким водородом высокой чистоты из заправщика с фильтрацией водорода через мелкопористый фильтр с размером ячейки не более 20 мкм (водород высокой чистоты необходим для нормального функционирования ряда потребителей, например для нормальной работы электрохимического генератора (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов требуется водород со степенью очистки 0,9999 об. перед подачей его в емкость производят измерение массы водорода в заправщике, например, с помощью уровнемера. При этом для уменьшения погрешности измерения предварительно производят термостатирование хранимого в заправщике водорода.

По измеренной массе определяют коэффициент заполнения заправщика
ϕ , где m_maкc масса водорода при максимальном заполнении заправщика, кг;
m_i масса водорода в заправщике в момент измерения.

Затем в зависимости от значения коэффициента заполнения заправщика с помощью выражения (2), если 1≥ ϕ ≥0,9 или выражения (3), если 0,9 ≥ ϕ >0, определяют относительное время заправки емкости , а затем истинное время заправки τ_i. При этом τ_мин величина заправки емкости при количестве водорода в заправщике m_макс, т.е. при ϕ= 1. Если при определении по выражению (3) эта величина окажется меньше предельного уровня А, определенного экспериментально, ниже которого заправка в емкость заданной массы водорода невозможна ввиду забивки фильтра в процессе заправки кристаллами отвердевших примесей, то заправка из этого заправщика не производится.

Приведенные выше выражения (1), (2) и (3) получены в результате проведения в НИИХИММАШе большой серии экспериментов по заправке емкостей системы энергопитания на основе водородно-кислородного ЭХГ жидким водородом через фильтр с размером ячейки 20 мкм. Объем заправляемых водородных емкостей 0,84 м³, объем заправщика 24 м³ с максимальной заправляемой в него массой жидкого водорода m_maкc 1400 кг.

Результаты экспериментов в виде графической зависимости приведены на фиг. 2, где точками показаны результаты экспериментов. Данная графическая зависимость отработана в виде уравнений (2) и (3). Числовые значения коэффициентов в этих уравнениях получены путем линеаризации экспериментальных данных двумя прямыми и рассчитаны методом наименьших квадратов по стандартным программам на ЭВМ. Пределы коэффициента заполнения 1≥ ϕ ≥0,9 и 0,9 ≥ ϕ >0 выбраны из условия адекватности линеаризирующих прямых экспериментальным точкам. Экспериментально установлен также предельный уровень относительного времени заправки А, который получился при коэффициенте заполнения заправщика ϕ 0,2 (фиг.2), т.е. в заправщике при этом находилась масса водорода
ϕ __→ m_i=ϕ·m_макс=0,2·1400 кг=280 кг.

При проведении заправки емкости из заправщика с меньшей чем 280 кг массой в нем водорода полностью заправить заданное количество водорода (54 кг) в емкость, необходимое для подачи в ЭХГ в процессе работы системы электропитания не удавалось. В этих случаях в процессе заправки происходила забивка фильтра при заполнении в емкость водорода (15-20 кг). Больше этой массы заправить водород в емкость не удавалось. Обычно для заправки в упомянутую емкость заданной массы водорода (54 кг) с учетом захолаживания емкости и трубопроводов из заправщика расходовалось 150 кг водорода. Оставшаяся масса в заправщике (280 кг) превышает требуемую при нормальной заправке (150 кг). В соответствии с предлагаемым способом при упомянутом количестве водорода в заправщике может быть начата заправка емкости. При этом из заправщика будет израсходован весь водород, а заправить заданную массу (54 кг) не удастся. В предлагаемом способе в этом случае заправка из этого заправщика производиться не будет, т.е. не будет напрасно потерь водорода. Такой заправщик должен быть заполнен, после чего из него можно производить заправку емкости. В процессе заправок упомянутых водородных емкостей было установлено, что при ϕ= 1 время заправки заданной массы водорода в емкость (54 кг) находилось в пределах 23-25 мин. Хотя исследования проведены для конкретных размеров емкостей и заправщиков, но установленная тенденция изменения времени заправки и вообще возможности заправки емкости в зависимости от заполнения заправщика характерна при всех заправках жидким водородом высокой чистоты с фильтрацией водорода перед подачей его в емкость через мелкопористый фильтр.

Эффективность предлагаемого технического решения состоит в том, что это решение в отличие от известных позволяет заранее определять время заправки емкости и возможность надежной заправки заданной массы водорода в зависимости от заполнения заправщика. Это очень важно при заправках бортовых криогенных емкостей. В стартовых комплексах ракетных систем время заправки криогенных емкостей является одной из основных характеристик. Время задается заранее и вводится в циклограмму всей предстартовой подготовки. При фактическом превышении этого времени весь цикл предстартовой подготовки нарушается и при определенных условиях, в частности при невозможности заправки в емкость заданной массы водорода, может быть отмена старта, что влечет за собой значительные убытки.

На стартовых комплексах ракетных систем для заправки бортовых криогенных емкостей используются криогенные хранилища, заполнение которых производится из железнодорожных цистерн в течение месяцев. К началу заправки криогенных емкостей изделия в заправщиках может быть различный уровень заполнения жидким водородом. Это зависит от начального заполнения заправщика и длительности предшествующего хранения. Как было показано выше, от первоначального заполнения заправщика жидким водородом зависит продолжительность заправки и возможность заправки в емкость заданной массы.

Предлагаемый способ учитывает эти моменты и позволяет исключить исключительные ситуации при подготовке изделия к работе и обеспечить заправку заданной массы водорода в емкости.

Сущность изобретения: способ включает фильтрацию водорода при подаче его из заправщика в емкость. Перед началом заправки измеряют массу жидкого водорода в заправщике, по которой определяют возможность заправки в емкость заданной массы водорода и время ее заправки по приведенной формуле. 2 ил.

СПОСОБ ЗАПРАВКИ ЕМКОСТИ ЖИДКИМ ВОДОРОДОМ ВЫСОКОЙ ЧИСТОТЫ, включающий фильтрацию водорода при подаче его из заправщика в емкость, отличающийся тем, что перед началом заправки измеряют массу жидкого водорода в заправщике, по которой определяют возможность заправки в емкость заданной массы водорода и время ее заправки в соответствии с выражениями



где относительное время заправки емкости;
τ_min минимальное время заправки заданной массы водорода в емкость при ϕ = 1, c;
τ_i время заправки заданной массы водорода в емкость при 0 < ϕ < 1, c;
A экспериментально определенный предельный уровень относительного времени заправки, ниже которого заправка в емкость заданной массы водорода невозможна;
ϕ = m_i/m_max коэффициент заполнения заправщика, изменяется в пределах 0 ≅ ϕ ≅ 1;
m_max максимальная масса водорода в заправщике, кг;
m_i масса водорода в заправщике в момент измерения, кг.