СПОСОБ ТРАНСПОРТИРОВКИ ЖИДКОГО ВОДОРОДА Российский патент 1996 года по МПК F17C3/00 

Изобретение относится к ракетно-космической технике, в частности к транспортировке жидкого водорода особой чистоты порядка 99,99995% объемных, используемого в системах энергопитания космического корабля.

Известен способ перевозки жидкого водорода в цистернах с накоплением паров, образующихся при хранении жидкости в результате ее самоиспарения, и последующим их сбросом в атмосферу в автоматическом режиме при минимальном давлении, обусловленном исключением диффузионного проникновения примесей из атмосферного воздуха по трубопроводу газосброса, например, при давлении 0,22 до 0,2 МПа.

Постоянное испарение жидкости из-за теплопритока приводит не только к потере жидкости, но и повышению концентрации в ней примесей, не улетучиваемых с парами. Недостатком известного способа является сброс паров, вызванный неравномерным ростом давления в результате температурного расслоения жидкости (температурного градиента в ней), особенно при стоянках цистерны в пути следования. Так, при стоянке скорость нарастания давления в 3 раза выше скорости нарастания при движении цистерны, когда жидкость в ней перемешивается. Автоматизированная же система срабатывает независимо от условий роста давления, что ведет к необоснованным сбросам и следовательно, загрязнению жидкости, повышению концентрации примесей пропорционально потерям сбрасываемого количества водорода, что особенно нежелательно при перевозках особо чистых криогенных компонентов.

В качестве прототипа принят способ транспортировки и хранения жидкости с закрытым газосбросом без сброса паров. (1)
При данном способе транспортировки криогенной жидкости давление и температура в цистерне постепенно повышаются и при переходе через критические параметры жидкость находится в однофазном состоянии. Недостатком этого способа транспортировки является то, что в закритической области давлений вследствие вспухания жидкости происходит увеличенный теплоподвод, который вызывает более интенсивный рост давления, чем в докритической области. Особенно это характерно для жидкого водорода вследствие резкого изменения удельной теплоемкости, коэффициента объемного расширения для закритической области давлений, что снижает эффективность длительной перевозки и вызывает необходимость сброса паров в пути следования цистерны.

Цель изобретения уменьшить загрязнение и потери продукта особой чистоты при его транспортировке.

Поставленная цель достигается тем, что в способе транспортировки жидкого водорода, включающем хранение жидкости, накопление образующихся от самоиспарения паров и слив компонента у потребителя Накопление паров ведут до давления базового разделения, равновесного температуре жидкости при данном коэффициенте заполнения цистерн, после чего осуществляют слив на падающем давлении паров.

На фиг.1 представлен график изменения давления в сосуде цистерны при докритической (пологая прямая) и надкритической (вертикальные прямые) области давлений в зависимости от коэффициента заполнения сосуда. Знаком * указано максимальное давление фазового перехода из 2-х фазного состояния в однофазное; на фиг.2 дан график изменения давления в сосуде в процессе транспортировки с учетом периодических перемешиваний жидкости маневрированием цистерны при стоянках (пологая прямая). Прямая слева изменение давления в сосуде в стационарном состоянии.

Предложенный способ осуществляют следующим образом. В зависимости от чистоты жидкости и длительности транспортировки назначают давление транспортировки по графину фиг.1 и соответствующий коэффициент заполнения. Заполняют сосуд жидкостью, ведут накопление паров до достижения выбранного давления, осуществляют конденсацию паров маневрированием цистерны при стоянках до достижения равновесного температуре жидкости давления по кривой графика фиг. 2 в зависимости от времени нахождения в пути следования, а при достижении критической величины давления равновесного температуре жидкости, осуществляют слив жидкости на падающем режиме давления у потребителя.

Конкретный пример реализации способа рассмотрен применительно к ж.д. цистерне объемом 119 м³ с потерями жидкости от испарения 1% в сутки при чистоте перевозимого жидкого водорода 99,99995% объемных и длительности транспортировки восемь суток с последующим сливом у потребителя.

1. Назначают максимальное давление транспортировки по графику на фиг.1 и соответствующий коэффициент заполнения, а именно, исходя из восьми суток ездки 0,35 МПа и 0,9 соответственно.

2. Заполняют цистерну жидкостью, транспортируют и ведут накопление паров, образующихся в результате самоиспарения жидкости до достижения выбранного давления 0,35 МПа, при стоянках осуществляют частичную конденсацию паров маневрированием транспортного средства до достижения равновесного давления в соответствии с кривой графика 2. Например, по истечении шести суток до давления 0,18 МПа (для перемешивания жидкости достаточно 10-15 мин. маневрирования), а по прибытии к потребителю с достижением давления 0,35 МПа осуществляют слив водорода в хранилище на падающем давлении.

Разработанный способ транспортировки жидкого водорода в сравнении с прототипом, в котором увеличение давления свыше 0,35 МПа приведет по фиг.1 к интенсивному темпу роста давления и необходимости сброса паров в атмосферу - уменьшает степень загрязнения и потери жидкости. Так, при двух сбросах водорода в атмосферу с максимального давления транспортировки потери состарят 700 кг жидкости, а концентрация примесей, определяемая по формуле

где: Ciож

, Ciпод, Ciзах концентрация "i" примеси в жидком водороде, сливаемого из сжижителя, выносимая при подготовке сосуда к приему водорода, при захолаживании сосуда.

Vgjnthmтр

потери жидкости за счет испарения и дренирования в виде паров в атмосферу.

Vjcnемк

остаток жидкости в сосуде составляет по основным примесям: азоту 0,32 • 10^-6% об. кислороду 0,3 • 10^-7% об. что увеличивает концентрацию примерно в 3 раза по сравнению с начальной.

Таким образом, технико-экономический эффект от использования предложенного способа транспортировки жидкого водорода состоит в уменьшении степени загрязнения жидкого водорода особой чистоты и уменьшении его потерь.

Сущность изобретения: способ транспортировки жидкого водорода преимущественно особой чистоты в цистерне, включающий хранение жидкости, накопление паров и слив, при этом накопление паров ведут до максимального давления фазового разделения, равновесного температуре жидкости при данном коэффициенте заполнения цистерны, после чего осуществляют слив на падающем давлении паров в ней. 2 ил.

Способ транспортировки жидкого водорода, преимущественно особой чистоты, в цистерне, включающий хранение жидкости с накоплением ее паров и последующий слив, отличающийся тем, что, с целью уменьшения загрязнения и потерь, накопление паров ведут до максимального давления фазового разделения, равновесного температуре жидкости при данном коэффициенте заполнения цистерны, после чего осуществляют слив со сбросом давления паров в первоначальный момент.