ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЯ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ Российский патент 1996 года по МПК F17C3/04 

Изобретение относится к области хранения и транспортировки криогенных жидкостей, а именно к конструкции крупногабаритной железнодорожной цистерны для жидкого водорода.

Применение комбинированной изоляции, сочетающей в одном вакуумном изолирующем пространстве многослойную экранную и порошковую изоляции обусловлено несколькими соображениями. Во-первых, засыпка порошка уменьшает приток тепла через зазоры в стыках между отдельными пакетами (матами) многослойной изоляции и через торцы пакетов, во-вторых, тепловой поток дополнительно уменьшается вследствие заполнения порошком свободного пространства, не занятого многослойной изоляцией. Этот эффект может быть существенным, так как свободное пространство имеет часто по конструктивным.

С другой стороны, и экранная изоляция снижает эффективность порошковой за счет изменения градиента температур и толщины слоя изоляции. Когда одна граничная поверхность имеет температуру 300 K, а другая 20 K средней эффективный коэффициент теплопроводности вакуумно-порошковой изоляции меньше, чем в интеграле 300-76 К, характерном для случая комбинированной изоляции из-за термического сопротивления многослойной изоляции (1).

В известных железнодорожных цистернах с комбинированной многослойной-порошковой изоляцией до сих пор не обращалось внимание на то, что неизбежная термическая усадка сосуда при заливе в него хранимой жидкости, может при определенных условиях снизить обжатие экранов многослойной изоляции, и что в пристенной области изолирующей полости имеется более глубокий вакуум, обусловленный низкой температурой стенки, наличием адсорбера и термического зазора между сосудом и изоляцией.

Цель изобретения повысить эффективность комбинированной многослойно-порошковой изоляции за счет разграничения условий работы экранов и порошка в одном изолирующем объеме.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемой железнодорожной цистерне, содержащей сосуд, оболочку и комбинированную многослойно-порошковую изоляцию, выполненную в виде чередующихся слоев изолирующего и экранирующего материалов на сосуде и теплоизолирующего порошка, заполняющего свободное изолирующее пространство, толщина чередующихся слоев изолирующих и экранирующих материалов на сосуде при данной плотности ее укладки связана соотношением:

где Х толщина многослойной изоляции, мм
b термическая усадка сосуда при заливе в него хранимой жидкости, мм.

s обжатие многослойной изоляции давлением засыпки порошка на 1 см ее толщины при данной плотности укладки, мм.

На фиг.1 показана предлагаемая цистерна, в разрезе, общий вид, на фиг.2
даны сечения изолирующей полости: а) многослойная изоляция в свободной укладке без порошка, б) многослойная изоляция, сжатая порошком, в) многослойная и порошковая изоляция после термической усадки сосуда, на фиг.3 представлена схема термической усадки сосуда в случае ее крепления на опорах, расположенных под углом, на фиг.4 показана зависимость остаточного давления в изолирующей полости от толщины комбинированной изоляции при нахождении жидкости в сосуде.

Железнодорожная цистерна состоит из сосуда 1, оболочки 2, вакуумного изолирующего пространства 3, чередующихся слоев изолирующего и экранирующего материалов 4 (многослойной изоляции), теплоизолирующего порошка 5, заполняющего свободное пространство, адсорбента 6.

Пример подбора комбинированной многослойно-порошковой изоляции для предлагаемой железнодорожной цистерны.

Сосуд цистерны выполнен из алюминиевого сплава, диаметр 2,6 метра, многослойная изоляция содержит 16-20 экранов на см. Порошок засыпается под разряжением 100-120 мм рт.ст. при этом прогиб многослойной изоляции толщиной 1 см 3,5 мм.

Общая толщина многослойной изоляции, обеспечивающая ее разгрузку от давления при засыпке порошка составит:

где: β g D_c 5,2 х 2,6 13,5 мм
g = 5,2 термоусадка алюминиевого сплава на 1 м длины при температуре 20 ^o K, мм
D_c 2,6 диаметр сосуда, м
σ 3,5 величина обжатия многослойной изоляции давлением засыпки порошка на 1 см ее толщины, мм.

Комбинированная изоляция ж.д. цистерны для жидкого водорода монтируется и работает следующим образом.

На сосуд 1 укладывается многослойная изоляция 4 принятой плотности, например 16-20 экранов (см и расчетной толщины, например, 2,5 см). После установки сосуда в оболочку в изолирующем пространстве 3 технологическими насосами создается разрежение 100-120 мм рт.ст. которое поддерживается в процессе засыпки порошка 5. Такая величина остаточного давления, установленная опытным путем, необходима для предотвращения усадки порошка от вибраций при транспортировке цистерны.

Засыпанный таким образом порошок сжимает многослойную изоляцию, которая при термической усадке сосуда принимает, благодаря изобретению, исходную плотность (фиг. 2, в) при этом относительно большее число экранов изоляции оказывается в пристенной области, характеризуемой более глубоким вакуумом за счет конденсации остаточных газов на холодной стенке сосуда, сопротивлению слоя порошка и работе адсорбента.

Свободное давление порошка на многослойную изоляцию ввиду малой его плотности 40-60 кг/м³ в расчетах не учитывается.

Предлагаемая железнодорожная цистерна для жидкого водорода позволяет снизить потери хранимой жидкости от самоиспарения примерно на 20% а именно с 1% в сутки от гидравлической емкости до 0,8% для данного типа изоляции, или 50 м³ жидкого водорода в год на одну цистерну.

Кроме того, стоимость комбинированной изоляции снижается вследствие того, что толщина многослойной изоляции уменьшается примерно на 2/3. Так как стоимость такой изоляции высока, общие затраты на изготовление одной цистерны снижаются примерно на 15% ЫЫЫ2

Сущность изобретения: железнодорожная цистерна жидкого водорода, содержащая сосуд, оболочку и комбинированную многослойно-порошковую изоляцию между ними в виде чередующихся слоев изолирующего и экранирующего материалов на сосуде и теплоизолирующего порошка, заполняющего свободное пространство. При этом толщина чередующихся слоев изолирующих и экранирующих материалов многослойной изоляции при данной плотности ее укладки связана зависимостью x = 5 β / σ, где Х - толщина многослойной изоляции, мм, b - термическая усадка сосуда при заливке в него хранимой жидкости, мм, s - величина обжатия многослойной изоляции давлением засыпки порошка на 1 см ее толщины при данной плотности укладки, мм. 4 ил.

Теплоизоляция криогенных устройств, содержащая размещенные на внутреннем сосуде чередующиеся слои изолирующего и экранирующего материалов и заполняющего оставшееся свободное пространство теплоизолирующего порошка, отличающаяся тем, что, с целью повышения эффективности экономичности, общую толщину слоев экранирующего и изолирующего материалов определяют из соотношения

где X толщина, мм;
b термическая усадка сосуда при заливе в него хранимой жидкости, мм;
s величина обжатия слоев изоляции давлением засыпки порошке на 1 см ее толщины при данной плотности укладки, мм.