УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ГАЗИФИКАЦИИ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 1996 года по МПК F17C9/02 

Изобретение относится к устройствам низкотемпературной техники, а именно к устройствам для хранения, транспортирования криогенной жидкости и выдачи газов, и может быть использовано на транспорте, в медицине, в производстве газосварочных работ и т.д. взамен баллонов со сжатым газом, работающих под высоким давлением.

Известна установка для хранения и газификации сжиженного газа, содержащая связанные между собой резервуар для хранения сжиженного газа и испаритель с газопроводом наполнения баллонов, и газопроводом подачи газа потребителю. Установка снабжена эжектором и газонакопителем. Предназначена для обеспечения газом крупных стационарно расположенных производств [1]
Недостатком этой установки является невозможность использования криогенных жидкостей непосредственно на рабочих местах без дополнительной их подготовки к применению и только потом подачи к потребителю в баллонах под высоким давлением или по трубопроводу.

Известно устройство дыхательный аппарат, предназначенный для защиты органов дыхания человека на тяжелых работах производств, содержащий теплоизолированную емкость (сосуд Дъюара) с заборным патрубком, теплообменником запуска, испаритель, отеплитель [2]
Конструкция данного аппарата не позволяет получить значение давления газа на выходе и производительность по объему, необходимые для его широкого применения на производстве, например для производства газосварочных работ взамен баллонов с сжатым газом, работающих под высоким давлением.

Наиболее близким к предлагаемому является усовершенствованный жидкостный конвертор, содержащий сосуд для жидкости, камеру расширения, капиллярную заборную трубку, предохранительную, расходную арматуру [3]
Конструкция данного устройства не рассчитана и не дает возможности широкого применения на рабочих местах производств, например, при газосварочных и подобных работах, из-за недостаточной производительности устройства по газу и давлению, низкой прочности конструкции, ненадежной конструкции соединения расширительной камеры и сосуда, малого срока хранения криогенной жидкости в сосуде устройства и низкой способности устройства регулировать выдаваемый газ по давлению и объему.

Техническая задача изобретения заключается в создании простого по конструкции и в обслуживании устройства для хранения, транспортирования и газификации криогенной жидкости, способного заменить баллоны со сжатым газом, работающих под высоким давлением на рабочих местах производства и на транспорте.

Это достигается тем, что в устройстве для хранения и газификации криогенной жидкости, содержащем термостатированный сосуд, например сосуд Дъюара, для криогенной жидкости условно разделенный на газовую и жидкостную полости, имеющий на своей горловине фланец для прочного, разъемного, болтового присоединения герметичной газовой камеры, в которой размещен секционный поддон с цилиндрической формы секциями с вогнутой во внутрь верхней частью наподобие как у чернильницы "неразливайки", состоящий, например, из трех секций, соединенных между собой трубками и поставленных каскадиком под уклон к первой секции по окружности герметичной газовой камеры. При этом герметичная газовая камера и термостатированный сосуд, а точнее донная часть первой секции поддона и донная часть термостатированного сосуда сообщаются между собой сифонной заборной трубкой, которая в донной части термостатированного сосуда снабжена конденсатором, а в поддоне фильтром. Конденсатор в свою очередь тоже снабжен сифонной трубкой с дросселем на конце, находящимся в конденсаторе и фильтром на другом конце, сообщает донную часть конденсатора с донной частью термостатированного сосуда, проходит через газовую полость термостатированного сосуда, причем конденсатор контактирует с донной частью стенки термостатированного сосуда, распирает ее сифонной заборной трубкой, оберегая от вибрации при ударах. Устройство также снабжено расходным клапаном, заправочным клапаном, сбросным клапаном, которые выполняют роль вентилей и подключаются через переходники. Предохранительный клапан объединен с регулирующим сброс клапаном, расположены все они в герметичной газовой камере и утоплены заподлицо с ее стенкой, сбросный клапан и объединенные регулирующий сброс и предохранительный клапаны врезаны на одной трубке и сообщаются с газовой полостью термостатированного сосуда, причем эта трубка обмотана спиралью вокруг заправочной трубки и сифонной заборной трубки и залита теплоизолирующим материалом, например, полимерным пенопластом, чем образуется охлаждаемая сбросными парами жидкости пробка в горловине термостатированного сосуда, а конец ее опущен над уровнем жидкости, тем самым термостатированный сосуд условно делится на газовую и жидкостные полости. Герметичная газовая камера снабжена ребрами теплообменника, имеет цилиндрическую, обтекаемую форму, как и все ее детали изготовлена из металла методом штамповки и сварки, и вместе с термостатированным сосудом рассчитана на необходимое рабочее давление. Секции поддона, не разливающие жидкость даже при опрокидывании и регулирующие производительность в устройстве, закреплены с хорошим контактом для теплообмена с окружающей средой через теплопроводность металла ее стенок. Герметичная газовая камера и термостатированный сосуд соединены болтами в один агрегат, имеют удобную для эксплуатации форму, ручку для переноски и во всех режимах эксплуатации: наполнение, транспортирование, хранение, выдача газа работает без дополнительной подготовки и неразъемно одним агрегатом.

На фиг. 1 дана общая схема разреза и устройства; на фиг.2 схема разреза расположения секционного поддона в герметичной газовой камере; на фиг.3 схема разреза дросселя в конденсаторе устройства; на фиг.4 схема расходного клапана с переходником; на фиг.5 схема подключения предохранительного, газосбросного и клапана регулируемого газосброса в герметичной газовой камере.

П р и м е р. Устройство для хранения и газификации криогенной жидкости содержит термостатированный сосуд 1 для криогенной жидкости, герметичную газовую камеру 2 для сбора газа, фланец 3 для крепления герметичной газовой камеры к термостатированному сосуду через прокладку 4, секционный поддон 5 для регулирования производительности газа в устройстве, сифонную заборную трубку 6 для пропуска жидкости и ее паров на расход и обратно, трубку 7 газосборосного клапана 8, предохранительного клапана 9 и регулирующего газосброс клапана 10 с змеевиком в горловине 11 и опущенным над уровнем жидкости концом трубки 12, расходный клапан 13, заправочный клапан 14, охлаждаемую пробку 15, ребра теплообменника 16, конденсатор 17 для конденсации паров, расширения жидкости и теплообмена, сифонную трубку конденсатора 18 с дросселем 19 для охлаждения жидкостного и газового пространства термостатированного сосуда, крепежные болты 20, ушки 21 крепления герметичной газовой камеры, ручку 22 для переноски устройства, фильтр 23 сифонной заборной трубки, фильтр 24 сифонной трубки конденсатора, трубку 25, соединяющую секции поддона, переходник клапана 26, шпиндель переходника 27.

Устройство для хранения и газификации криогенной жидкости работает следующим образом.

Заправка устройства криогенной жидкостью.

К клапану 14, через переходник 26 вворачиваемый в клапан (фиг.4), которые в устройстве работают вместо вентилей, что делает устройство безопасным, удобным для эксплуатации, особенно при транспортировках, хранении, так как не имеет на себе торчащих вентилей, при том, что гнезда клапанов закрываются колпачками, присоединяют заправочную трубку, а к сбросному клапану 8 трубку газосборочной линии заправочной станции и подают криогенную жидкость в термостатированный сосуд 1, часть которой, охлаждая устройство, испарится и по сбросной трубке 7 через сбросной клапан 8, охлаждая змеевиком 11 пробку 15 в горловине устройства, уходит в газосборочную линию станции. Предохранительный клапан 9 и газосбросной клапан 8 отрегулированы на рабочее давление, на которое рассчитано устройство, например 6 кг, и поэтому после окончания заправки жидкость в устройстве будет находиться под этим рабочим давлением, а регулирующий газосброс клапан 10 при заправке не работает. Устройство заполняется строго по весу или по уровню, который соблюдается газосбросной трубкой 7, спущенной концом 12 до уровня жидкости, и условно делит термостатированный сосуд 1 на жидкостную и газовую полости. В начале заправки испарившиеся пары через фильтр 24 по сифонной трубке конденсатора 18, через конденсатор 17 и по сифонной заборной трубке 6 поднимаются в поддон 5 и заполняют герметичную газовую камеру 2, давление в герметичной газовой камере 2 и в термостатированном сосуде 1 выравнивается, вследствие чего жидкость в поддон не поднимается, а набирается в термостатированном сосуде до уровня, а то, что выше уровня, выкидывается через конец 12 газосбросной трубки 7, клапан 8 в газосборочную линию заправочной станции.

Отбор газа из устройства производят следующим образом, например, при производстве газосварочных работ на рабочем месте производства.

К расходному клапану 12 через переходник 26 присоединяют кислородный редуктор (не показано), и начинают отбор кислорода под давлением, например, 3 кг, в результате давление газа в герметичной газовой камере 2 упадет а в газовой полости термостатированного сосуда 1 останется прежним (6 кг), и в силу расширения газов в газовой полости холодная жидкость из донной части термостатированного сосуда 1 через фильтр 23 на конце сифонной трубки конденсатора 18 поднимется по ней и за счет теплообмена в слоях жидкости переместит ее, снимет температурные расслоения жидкости, и охладит газовую полость термостатированного сосуда, а сама подогреется и поступит на дроссель 19, расширится в конденсатор 17. Конденсатор 17 контактирует с донной частью стенки термостатированного сосуда 1, через заборную сифонную трубку 6, распирая, удерживает от вибрации его и снимает температурное напряжение с него теплообменом, из конденсатора 17 уже подогретая парожидкостная эмульсия поднимается по сифонной заборной трубке 6, по пути опять охлаждая и перемешивая жидкость и охлаждая газовую полость термостатированного сосуда, в первую секцию поддона 5 герметичной газовой камеры 2. В поддоне 5, который не дает разлиться жидкости по камере и, резко испарившись, поднять давление, происходит плавный теплообмен с окружающей средой через стенки поддона 5, стенки герметичной газовой камеры 2, ребра теплообменника 16 за счет теплопроводности металла, и в результате происходит восполнение расходованного через расходный клапан 13 газа и выравнивание давления в герметичной газовой камере 2 и наджидкостном пространстве термостатированного сосуда 1. При этом, если отбор газа через расходный клапан 13 будет оставаться прежним, то устройство описанным образом будет трансформировать криогенную жидкость в газ и равномерно под заданным давлением подавать его потребителю. Если расход газа увеличится, то в силу того, что давление в герметичной газовой камере 2 будет ниже, чем давление в термостатированном сосуде 1, интенсивность подачи жидкости на него по вышеописанной схеме усилится, и тогда уровень жидкости в первой секции поддона 5 поднимется и по трубке 25, соединяющей неразливающие жидкость секции поддона, перетечет во вторую секцию поддона или даже в третью секцию, которые поставлены по окружности герметичной газовой камеры 2 каскадиком по отношению к первой секции поддона 5 и вступают в работу при увеличении расхода газа чрез расходный клапан 13 устройства, увеличивая площадь поддона. При уменьшении расхода газа через расходный клапан 13 давление в герметичной газовой камере 2 увеличивается, а в наджидкостном пространстве термостатированного сосуда 1 остается прежним, и в силу этого жидкость и ее пары из неразливающей жидкость секции поддона 5 вместе с жидкостью, обратно стекающей из таких неразливающих жидкость секций поддона два и три, и через фильтр 23 сифонной заборной трубки 6, будет выдавливаться обратно в термостатированный сосуд 1, чем уменьшается общая площадь поддона, находящегося в работе, а следовательно уменьшается и производительность газа в устройстве. Жидкость и ее пары по сифонно-заборной трубке 6 выдавливаются обратно в конденсатор 17, где происходит теплообмен с холодной донной частью жидкости и, следовательно, частичная конденсация паров, затем охладившиеся жидкость и несконденсировавшиеся пары дросселируются через дроссель 19, где, расширяясь, еще охлаждаются в сифонной трубке конденсатора 18 и, охлаждая по пути наджидкостное газовое пространство термостатированного сосуда 1, подаются на дно его жидкостного пространства, где полностью конденсируются пары жидкости и происходит перемешивание слоев жидкости, что дополнительно продляет срок хранения жидкости в устройстве и уменьшает выброс газов через предохранительный клапан 9 в окружающую среду.

При прекращении отбора газа через расходный клапан 13 устройство переходит в режим хранения, при котором давление в герметичной газовой камере 2 термостатированном сосуде 1 вышеописанным образом уравновесится, жидкость и ее пары перестанут перетекать из термостатированного сосуда 1 в герметичную газовую камеру 2 и обратно по причине расхода газа через расходный клапан 13. Но приток тепла через плохую теплоизоляцию существует, и температурные колебания окружающей среды тоже создают разницу давления в герметичной газовой камере 2 и термостатированном сосуде 1, в силу чего происходит небольшой переток жидкости и ее паров туда и обратном по вышеописанной схеме, при котором происходит дросселирование вышеописанным образом через дроссель 19 и, следовательно, охлаждение устройства, снятие температурных расслоений в жидкости за счет перемешивания слоев, охлаждение газовой полости, при этом снимаются температурные перекосы в металле стенки термостатированного сосуда 1 за счет контакта конденсатора 17 в его донной части. Перемешивание жидкости, охлаждение газовой полости термостатированного сосуда 1 происходит за счет теплопроводности и теплообмена по трубкам сифонной трубке конденсатора 17 и сифонной заборной трубке в ее части, находящейся в термостатированном сосуде 1 из донной части в газовую и наоборот. Контакт конденсатора 17 с донной частью термостатированного сосуда 1 через сифонную заборную трубку 6, работающую как растяжка, удерживает внутренний сосуд термостатированного сосуда 1 от вибрационных колебаний при транспортировке устройства и при динамических ударах.

Клапан регулируемого газосброса 10 работает при длительном хранении устройства, например, конденсатор 17, расположенный в холодной донной части и термостатированного сосуда 1 за счет большего перепада температуры в герметичной газовой камере 2 и в конденсаторе 17 втягивает в себя пары из поддона 5 и конденсирует их, и в силу этого и, например, в силу повышения давления в газовом пространстве термостатированного сосуда выше, например 6 кг, на которые отрегулированы предохранительный клапан 9, казалось бы должен произойти выброс газов в окружающую среду через предохранительный клапан, но этого не происходит, так как клапан регулируемого газосброса 10 отрегулирован на давление, например, 5,8 кг и в силу этого произойдет сброс газов из газового пространства термостатированного сосуда 1 в герметичную газовую камеру 2 через клапан регулируемого газосброса 10, который врезан также в трубку 7. В то же время небольшая часть жидкости продросселирует через дроссель 16, давление в геpметичной газовой камере 2 и термоизолированном сосуде 1 уравняется, снизится за счет охлаждения паров и перемешивания жидкости, практически выброс газов в окружающую среду происходит редко, что позволяет повысить сохраняемость криогенной жидкости в устройстве. При этом, температура сбрасываемых газов через предохранительный клапан 9 и через клапан регулируемого газосброса 10 используется для охлаждения змеевиком 11 теплоизолирующей пробки 15 в горловине устройства.

Сущность изобретения: устройство содержит термостатированный сосуд с охлаждаемой змеевиком газосброса пробкой в горловине из теплоизолирующего материала, объем сосуда условно разделен трубкой уровня на газовую и жидкостные полости, на дне жидкостной полости с контактом со стенкой сосуда расположен конденсатор, в котором происходит расширение жидкости через дроссель сифонной трубки конденсатора, конденсация паров и таплообмен, конденсатор с помощью сифонной заборной трубки производит распор внутренней стенки термостатированного сосуда, оберегая его от вибрации, динамических ударов, и снимает температурные напряжения, газовая полость охлаждается теплообменом через теплопроводность трубок. Термостатированный сосуд имеет фланец для крепления на нем герметичной газовой камеры, в которой расположен секционный поддон, установленный каскадиком с уклоном к первой секции по окружности камеры, секции изготовлены цилиндрической формы с забортованными вовнутрь верхними краями, как у чернильниц " неразливаек ", и соединены между собой трубками на разных уровнях по высоте. Первая секция поддона, его донная часть соединены с конденсатором сифонной заборной трубкой, свободно пропускающей жидкость и ее пары туда и обратно, устройство имеет заправочный, расходный, газосбросный и предохранительный клапаны и клапан регулируемого газосброса, которые производят регулируемый газосброс или в окружающую среду, или в герметичную газовую камеру, при этом все клапаны утоплены заподлицо со стенками герметичной газовой камеры. Устройство имеет ручку для переноски, удобную форму для эксплуатации и может заменить баллоны со сжатым газом, работающих под высоким давлением во всех отраслях народного хозяйства, в том числе и на транспорте. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для хранения и газификации криогенной жидкости, содержащее термостатированный сосуд, камеру расширения, капиллярную заборную трубку, запорную, предохранительную арматуру, отличающееся тем, что термостатированный сосуд снабжен фланцем для крепления к нему герметичной газовой камеры, теплоизолирующей пробкой в горловине со змеевиком газосбросной трубки, охлаждающим эту пробку при газосбросах, конденсатором, расположенным в донной части сосуда, контактирующим с донной частью стенки сосуда и снабженным сифонной трубкой с дросселем на конце, расположенном в конденсаторе, и фильтром на другом конце, с дросселированием, пропускающим жидкость и ее пары туда и обратно и герметичная газовая камера снабжена секционным поддоном с вогнутыми внутрь верхними краями секций цилиндров и установленными каскадиком с уклоном к первой секции и соединенными между собой трубками, ребрами теплообменника для теплообмена с окружающей средой, расходным, заправочным, сбросным клапанами, при этом предохранительный клапан и клапан регулируемого газосброса производят регулируемый газосброс в герметичную газовую камеру и в окружающую среду и все клапаны утоплены в герметичную газовую камеру заподлино с ее стенками, а сифонная заборная трубка соединяет верхнюю часть конденсатора с донной частью первой секции поддона в герметичной газовой камере и свободно пропускает жидкость и ее пары туда и обратно и имеет фильтр на своем конце, расположенном в поддоне, и служит растяжкой, удерживающей внутренний сосуд устройства от вибрационных и динамических колебаний при эксплуатации. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что термостатированный сосуд и герметичная газовая камера неподвижно, разъемно соединены между собой в один агрегат. 3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что сбросная трубка, в которую врезаны предохранительный клапан, клапан регулируемого газосброса и сбросной клапан, опущена в термостатированном сосуде до уровня жидкости и условно делит термостатированный сосуд на газовую и жидкостные полости и при заправках не позволяет заправить его выше уровня.