КРИОГЕННЫЙ ТРУБОПРОВОД Российский патент 1995 года по МПК F17C13/00 F17C3/06 

Изобретение относится к криогенной технике, в частности к криогенным трубопроводам с суперизоляцией и охлаждаемым экраном, и может быть использовано в устройствах, обеспечивающих транспортировку и хранение жидкого гелия и водорода.

Известен криогенный трубопровод с охлаждаемым экраном, содержащий внутреннюю трубу с охлаждаемым экраном и фиксирующими относительно кожуха опорами в виде спиц, закрепленных с одной стороны в алюминиевом кольце, установленном на внутренней трубе, а с другой опирающихся на стенку кожуха [1]
Недостатком такого криогенного трубопровода является то, что обеспечение малых теплопритоков связано с необходимостью использования длинных спиц с малым поперечным сечением, что снижает прочностные характеристики опорного устройства и увеличивает габаритные характеристики вакуумного кожуха и экрана, а использование неразъемного опорного устройства усложняет монтаж тепловой защиты, приводит к разрыву слоя суперизоляции и экрана, при этом вероятны разрывы и образование зазоров в слое при термодеформациях и перемещениях при транспортировке.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является криогенный трубопровод, содержащий вакуумный кожух с установленной на опорах внутренней трубой, включающей охлаждаемый экран, выполненный в виде охлаждающей трубки и теплоотражательного экрана, и суперизоляцию [2] Подвеска трубы и экрана относительно кожуха осуществляется с помощью гибкой проволоки или полос из материалов с низкой теплопроводностью.

Недостатками этого устройства являются низкая надежность, возможное разрушение слоя суперизоляции при транспортировке, высокие теплопритоки, при этом затруднена центровка труб относительно кожуха, имеющего большие габариты.

Задачей изобретения является повышение надежности, снижение теплопритоков, уменьшение габаритов и трудоемкости монтажа.

Это достигается тем, что криогенный трубопровод, содержащий вакуумный кожух с установленной на опорах внутренней трубой, включающей охлаждаемый экран, выполненный в виде охлаждающей трубки и теплоотражательного высокотеплопроводного экрана, и суперизоляцию, дополнительно содержит стяжной хомут, охватывающий внутреннюю трубу поверх суперизоляции и размещенное под хомутом внутри слоя суперизоляции, непосредственно под охлаждаемым экраном, незамкнутое кольцо, снабженное по крайней мере тремя держателями, притупленные концы которых опираются на трубу через слой суперизоляции. Охлаждаемый экран снабжен со стороны хомута дополнительным слоем высокотеплопроводной фольги, находящимся в тепловом контакте с охлаждаемым экраном по обе его стороны. На хомуте выполнены выступы, направленные к охлаждаемому экрану. Держатели изготовлены в виде продольных зигов кольца с выступами в вершинах зигов. По обе стороны кольца установлены дополнительные фиксирующие кольца, соединенные с основным кольцом в местах касания. Дополнительные кольца не замкнуты. Стяжной хомут установлен на опоры, опирающиеся на стенку кожуха.

На фиг. 1 схематически представлен криогенный трубопровод; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 хомут, снабженный выступами; на фиг. 4 держатели, образованные зигами кольца; на фиг. 5 разрез Б-Б на фиг. 4.

Криогенный трубопровод содержит вакуумный кожух 1, внутреннюю трубу 2, покрытую слоем суперизоляции, разделенным незамкнутым кольцом 3 на внутренний слой 4 и внешний слой 5. На трубе 2 между слоями 4 и 5 установлена охлаждающая трубка 6, находящаяся в тепловом контакте с высокотеплопроводным теплоотражательным экраном 7, выполненным, например, из высокотеплопроводной фольги. Кольцо 3 снабжено держателями 8, а поверх наружного слоя 5 суперизоляции установлен стяжной хомут 9, который может быть снабжен держателями 10, концы которых опираются на стенку кожуха, обеспечивая радиальную фиксацию хомута относительно стенок кожуха. Держатели 8 могут быть образованы продольными зигами кольца 3, а по краям поверх кольца могут быть установлены дополнительные фиксирующие кольца 13. Держатели удерживают внутреннюю трубу 2 в заданном положении относительно кожуха.

Охлаждаемый экран, включающий экран 7 и трубку 6, может быть снабжен со стороны стяжного хомута 9 дополнительным слоем 11 высокотеплопроводной фольги, нанесенной поверх незамкнутого кольца 3, находящегося в тепловом контакте с экраном по всей площади соприкосновения, при этом последняя может быть больше площади кольца. Держатели незамкнутого кольца 3 могут быть выполнены в виде продольных зигов кольца с выступами 15 в вершинах зигов 14, а на хомуте 9 могут быть выполнены выступы 12.

Необходимая теплопроводность экрана в зоне более высоких тепловых нагрузок, имеющих место в области сжатия под хомутом, достигается также за счет увеличения толщины слоя экрана 7 с использованием дополнительного слоя 11 высокотеплопроводной фольги, а эффективная тепловая связь экрана 7 и слоя 11 с трубкой 6 обеспечивается за счет плотного прилегания экрана 7 и слоя 11 к стенке трубки. Тепловая связь дополнительного слоя 11 с трубкой может быть усилена увеличением его площади контакта с снованием слоем экрана.

Криогенный трубопровод работает следующим образом.

При захолаживании труб степень поджатия слоев суперизоляции уменьшается ввиду сокращения радиальных размеров труб, что делает возможным взаимные перемещения труб относительно друг друга при их термоусадке без нарушения целостности суперизоляции. Теплоприток к внутренней трубе определяется термосопротивлением отдельных элементов опорного устройства и эффективностью промежуточного теплоотвода от экрана 7, изготовленного из фольги. В данном устройстве использованы высокие теплоизолирующие свойства суперизоляции, которая является наиболее эффективной из всех известных теплоизоляторов, при этом термосопротивление суперизоляции на участке сжатия увеличено посредством ограничения размеров зон обжатия за счет выступов в хомуте и держателях кольца и частичной разгрузки слоя при термоусадке труб. Основная часть тепла, поступающего от хомута 9 к кольцу 3, перехватывается охлаждаемым экраном и отводится к охлаждающей среде, циркулирующей по трубке 6. При этом температура охлаждаемого экрана поддерживается близкой к температуре среды, циркулирующей по охлаждающей трубке 6, за счет отвода тепла теплопроводностью экрана 7, выполненного из фольги, изготовленной из материала с высокой теплопроводностью, например алюминиевой или медной, в зону ее контакта со стенкой трубки 6. Необходимая теплопроводность достигается также увеличением толщины слоя экрана 7 с использованием дополнительного слоя фольги, а эффективная тепловая связь экрана 7 с тpубкой 6 обеспечивается плотным прилеганием экрана 7 к стенке трубки 6 за счет поджатия экрана 7 упругим слоем 5 суперизоляции, предварительно сжатой между хомутом 9 и трубкой 6. Хомуты 9 удерживают охлаждаемую трубку 6 относительно внутренней трубы 2, а хомуты 9, установленные на опоры, дополнительно удерживают внутреннюю трубу 2 в заданном положении относительно кожуха и воспринимают весовую нагрузку трубопровода, обеспечивая свободное перемещение внутренней трубы относительно кожуха в продольном направлении.

В данном устройстве термосопротивление опор хомута 9 и держателей 8 кольца 3 не оказывает существенного влияния на теплопотери, так как температура под хомутом 9 и держателями 8 кольца 3 определяется температурой поверхности слоев суперизоляции, которая в первом случае близка к температуре окружающей среды, а в последнем к температуре охлаждаемого экрана. С учетом этого, элементы хомута 9 и кольца 3 могут изготавливаться из любого материала, а их габариты не выходят за границы суперизоляции трубопровода, обеспечивая тем самым компактность всей конструкции тепловой защиты. Дополнительная установка фиксирующих колец 13, соединенных с незамкнутым кольцом 3 в зонах их касания с кольцом 3, обеспечивает заданное положение хомута 9 и кольца 3 относительно друг друга и улучшает прочностные характеристики. Незамкнутые фиксирующие кольца позволяют упростить монтаж кольца на поверхность трубы.

Использование предлагаемого изобретения позволяет значительно уменьшить габариты устройства, снизить теплопритоки и повысить надежность. Таким образом, сравнение предложенного и известных решений отвечает критериям новизны, изобретательского уровня и промышленной применимости.

Сущность изобретения: на установленной на опоры в вакуумном кожухе внутренней трубе, включающей охлаждаемый экран и суперизоляцию, поверх суперизоляции размещен хомут, а под хомутом внутри слоя суперизоляции установлено незамкнутое кольцо, снабженное по крайней мере тремя держателями, притупленные концы которых опираются на трубу через слой суперизоляции. 6 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. КРИОГЕННЫЙ ТРУБОПРОВОД, содержащий вакуумный кожух с установленной на опорах внутренней трубой, включающей охлаждаемый экран, выполненный в виде охлаждающей трубки и теплоотражательного высокотеплопроводного экрана, и суперизоляцию, образующую в ваккумном пространстве по обе стороны экрана внутренний и наружный слои в виде чередующихся пар теплоотражательных экранов и прокладок, отличающийся тем, что он дополнительно содержит стяжной хомут, охватывающий внутреннюю трубу поверх суперизоляции, и размещенное под хомутом внутри слоя суперизоляции непосредственно под охлаждающим экраном незамкнутое кольцо, снабженное по крайней мере тремя держателями, притупленные концы которых опираются на трубу через слой суперизоляции. 2. Трубопровод по п.1, отличающийся тем, что стяжные хомуты снабжены держателями, концы которых опираются на стенку. 3. Трубопровод по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что охлаждаемый экран снабжен со стороны хомута дополнительным слоем высокотеплопроводной фольги, находящимся в тепловом контакте с охлаждаемым экраном. 4. Трубопровод по пп.1 3, отличающийся тем, что на хомуте выполнены выступы, направленные к охлаждаемому экрану. 5. Трубопровод по пп.1 4, отличающийся тем, что держатели выполнены в виде продольных зигов кольца с выступами в вершинах зигов. 6. Трубопровод по пп.1 5, отличающийся тем, что поверх замкнутого кольца по его краям установлены дополнительные фиксирующие кольца, соединенные с незамкнутым кольцом так, что стяжной хомут вместе со сжатым слоем суперизоляции расположен между кольцами. 7. Трубопровод по пп.1 и 6, отличающийся тем, что фиксирующие кольца выполнены незамкнутыми с разъемом в области разъема незамкнутого кольца.