СПОСОБ ХРАНЕНИЯ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК F17C13/00 B64D37/20 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности может использоваться при хранении криогенного топлива, а также в различных областях промышленности при работе с криогенными жидкостями.

Известны способ и устройство (далее бак) для хранения криогенных топлив как в наземных условиях, так и в полете, заключающийся в хранении топлива без специального перемешивания (см. Н.Ф. Фомин, А.В. Буланов. Жидкостные криогенные системы, Л. Машиностроение, 1985, с. 14 Руководство по технической эксплуатации ТУ-155, РЭ ХВ, 1985, раздело 028.00.00. стр. 7, 8, 9, 10).

В криогенных жидкостях, находящихся в покое, происходит вертикальное температурное расслоение, при котором верхний слой жидкости имеет наиболее высокую температуру. При отсутствии в надтопливном пространстве других более низкокипящих газов давление в нем соответствует давлению насыщенных паров жидкости при температуре поверхностного слоя жидкости.

Этот эффект особенно явно проявляется в стационарных емкостях, но он характерен и для баков, установленных на наземных и воздушных транспортных средствах, например, когда самолеты или наземные транспортные средства долгое время стоят или совершают достаточно продолжительное относительно спокойное движение без больших ускорений.

При неравномерных езде или полете этот эффект более или менее устраняется. В случае резких возмущений может происходить значительное падение давления.

Высокое давление в баках является недостатком, так как ведет к увеличению веса баков. Переменное давление ведет также к увеличению веса при заданном ресурсе.

Снижение максимального давления иногда достигается за счет применения предохранительных клапанов, обеспечивающих сброс в атмосферу (см. Н.В. Фомин, А.Б. Буланов. Жидкостные криогенные системы, Д. Машиностроение, 1985 г. стр. 36. Руководство по технической эксплуатации ТУ-155. РЭ ХВ. 1985, раздел 028.51.00, с. 8), но при этом происходит потеря части жидкости, возможно даже загрязнение окружающей среды.

Другой возможностью снижения давления является непрерывное или периодическое перемешивание жидкости с помощью механических мешалок, что приводит к более равномерному нагреву всей массы жидкости (см. Н.В. Филин, А.Б. Буланов. Жидкостные криогенные системы. Л. Машиностроение, 1985 г. стр. 36). Такого рода решения требуют больших дополнительных конструктивных затрат, применения дополнительных элементов (моторов, мешалок, насосов, трубопроводов и т.д.), что ведет к значительному повышению веса.

Известен также способ хранения криогенной жидкости с устранением температурной стратификации с оптимизацией давления в стационарном баке в условиях гравитации, способствующей образованию в баке объема жидкости с умеренно подвижной поверхностью с объемом газа над ней, основанный на том, что жидкость из нижней части бака откачивают и подают в область газового объема в виде одной струи вертикально вниз под углом 90^o на поверхность раздела жидкости и газа.

Данный способ реализует устройство для хранения криогенной жидкости с устранением температурной стратификации, содержащее бак, в нижней части которого расположен насос, выход из которого соединен трубопроводной системой с областью газового объема бака так, что выходной патрубок трубопроводной системы направлен вертикально вниз (см. патент США N 3918265, кл. F 17 C 13/00, 1975).

Задачей изобретения является уменьшение темпа роста давления в баке, веса бака или потерь криогенной жидкости на испарение и сбросы.

Для решения этой задачи жидкость из нижней части бака непрерывно или периодически подают в область газового объема в виде по меньшей мере одной струи и направляют вертикально или под острым углом на поверхность раздела жидкости и газа.

Бак может быть разделен для более полной выработки на основной и дополнительный отсеки. В этом случае цель достигается тем, что из нижней части основного отсека жидкость (которой может быть криогенное топливо) перекачивают в дополнительный отсек непрерывно или с временными перерывами, причем поток при его поступлении в дополнительный отсек направляют вверх и часть этого потока в верхней части этого дополнительного отсека обратно переливают в основной отсек в виде одной или нескольких струй, направленных сверху на поверхность раздела жидкости и газа.

Наибольший эффект достигается при расходе перекачиваемой из основного в дополнительный отсек жидкости, в 1,1.4 раза превышающем массовый расход из дополнительного отсека к потребителю (например, двигателю самолета).

Реализация описанного способа может быть обеспечена специальной конструкцией бака.

Бак имеет систему трубопроводов, ведущих от нижней части бака в область газового объема, связанную с насосом, а также по меньшей мере один патрубок в верхнем конце этой системы трубопроводов над поверхностью жидкости, направленный вертикально или под острым углом к поверхности. Наибольшая эффективность достигается при расположении выхода струйного насоса под углом 45 -90^o к нормальному положению поверхности жидкости.

Эффективность воздействия струи возрастает при выполнении струйного патрубка в виде сужающегося сопла.

При необходимости более полной выработки бака он оснащается перегородкой, разделяющей его на основной и дополнительный отсеки, по меньшей мере одним перекачивающим насосом, установленным в нижней части основного отсека и одним ведущим от насоса в дополнительный отсек трубопроводом с направленной вверх выводной частью, расположенной в дополнительном отсеке, на перегородке имеется один или несколько струйных патрубков, ведущих от верхней части дополнительного отсека в область газового объема основного отсека и направленных там вертикально или наклонно вниз.

Перекачивающий насос может быть выполнен по принципу струйного эжекторного насоса, связанного трубопроводом подвода активной жидкости с насосом, расположенным в основном отсеке. Такое конструктивное выполнение позволяет снизить вес и повысить надежность конструкции.

На фиг.1 представлена схема реализации способа хранения криогенной жидкости и конструкция бака в условиях отсутствия разбивки бака на отсеки; на фиг. 2 схема реализации способа хранения криогенной жидкости и конструкция бака в условиях разбивки бака на отсеки.

Бак 1 может быть стационарным или транспортным баком, в котором находится криогенная жидкость с поверхностью 2 и имеется область газового объема 3. В каждой части бака имеется насос 4 с присоединенным трубопроводом 5. После разветвления этого трубопровода имеется клапан 6, за которым имеется трубопровод 7, ведущий к потребителю, и клапан 8, за которым имеются трубопровод 9 и струйный патрубок 10.

В процессе хранения криогенной жидкости подключение потребителей осуществляется при открытом клапане 6.

В слое жидкости в процессе хранения возникает температурная стратификация, при которой поверхность 2 имеет максимальную температуру, определяющую давление в газовом объеме 3.

При включенном насосе 4 периодическое или постоянное открытие клапан 8 позволяет наиболее холодное топливо со дна бака направить с помощью патрубка 10 на поверхность 2. В зоне падения струи происходит разрушение поверхностного слоя с максимальной температурой. К этой относительно холодной зоне начинается перемещение паров и их конденсация на ее поверхности, одновременно с более "горячей" поверхности происходит испарение жидкости. Таким образом формируются потоки, показанные стрелками. При этом происходят охлаждение поверхности и понижение давления в баке или удержание его на более низком уровне.

Так как происходит более постепенный разогрев жидкости по всей массе вместо быстрого разогрева поверхности, то давление в баке растет медленнее. При поддержании постоянного давления в баке за счет предохранительных клапанов уменьшаются потери жидкости на испарение.

Конструкция бака (см. фиг.2) обеспечивает большую полноту выработки и исключение оголения насосов при маневрах, характерных для транспортных средств, например самолетов.

Бак 1 разделен перегородкой 11 на основной 12 и дополнительный 13 отсеки. Над жидкостью имеется газовый объем 3, отделенный поверхностью жидкости 2. В основном отсеке имеется подкачивающий насос 4 с присоединенным трубопроводом 5, за разветвлением которого имеется клапан 6 с трубопроводом 7, по которому подается криогенная жидкость (топливо) к потребителю, и клапан 8 с трубопроводом 9, по которому активное топливо подается к струйному эжекторному насосу 14, установленному в нижней части основного отсека. Насос 14 имеет на выходе трубопровод 15, по которому жидкость перекачивается в дополнительный отсек и выход которого направлен вверх. На перегородке имеется струйный патрубок 10, направленный вниз, который может заканчиваться сужающимся соплом 16.

На фиг. 2 показаны массовые потоки в случае авиационного топливного бака:
m1 поток топлива, перекачиваемый насосом 14 из основного отсека в дополнительный;
m2 расход топлива к потребителям;
m3 расход топлива, подаваемого из дополнительного отсека в основной для местного разрушения поверхностного слоя и образования зоны конденсации;
m4 поток активного топлива для привода перекачивающего струйного насоса;
m5 поток топлива, откачиваемого перекачивающим насосом из основного отсека в дополнительный;
m6 поток топлива, подаваемый основным подкачивающим насосом.

Баланс потоков должен быть таким, чтобы поток m3 был больше нуля при m2 больше 0. Наибольшая эффективность обеспечивается, когда поток m3 в 1,1.4 раза больше, чем поток m2.

Использование рассмотренного способа хранения криогенной жидкости с устранением температурной стратификации и устройства для его осуществления обеспечивает значительное снижение нагрузок на стенки баков, а следовательно, позволяет снизить вес и материалоемкость баков или существенно уменьшить потери криогенных жидкостей, имеющих высокую стоимость.

Использование: авиационная техника, в частности летательные аппараты на криогенных топливах и другие отрасли криогенной техники. Сущность изобретения: из нижней части бака 1 жидкость непрерывно или периодически откачивается и подается в область газового объема 3 в виде струи, направленной на поверхность 2 раздела жидкости и газа. Устройство для реализации данного способа заявлено в вариантах бака 1 с разделительной перегородкой и без нее. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ хранения криогенной жидкости, преимущественно криогенного топлива, при котором откачивают жидкость из нижней части бака и подают ее в верхнюю часть бака на поверхность раздела жидкости и газа в виде струи, а также подают жидкость к потребителю, отличающийся тем, что до подачи жидкости в верхнюю часть бака и к потребителю ее перекачивают в дополнительный отсек, направляя поступающий поток снизу вверх, а затем переливают часть потока из верхней части дополнительного отсека обратно в основной отсек бака на поверхность находящейся в нем жидкости, при этом перекачку осуществляют непрерывно или периодически. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при осуществлении непрерывной перекачки жидкости из основного отсека в дополнительный отсек ее подают с расходом, в 1,1 4 раза превышающим расход жидкости, подаваемой к потребителю. 3. Устройство для хранения криогенной жидкости, преимущественно криогенного топлива, содержащее топливный бак, перекачивающий насос с трубопроводом и расположенный в верхней части бака струйный патрубок для подачи криогенной жидкости на поверхность жидкости в баке, отличающееся тем, что топливный бак выполнен с внутренней перегородкой, разделяющей его на основной и дополнительный отсеки, упомянутый перекачивающий насос установлен в основном отсеке, а трубопровод от него, выведенный в дополнительный отсек, имеет выходное отверстие, ориентированное вверх, при этом перегородка выполнена с отверстием в верхней части, а указанный патрубок закреплен на перегородке по периметру этого отверстия со стороны основного отсека, сообщая его с дополнительным отсеком. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что выходное отверстие струйного патрубка ориентировано под углом 45 90^o к горизонтали. 5. Устройство по пп.3 и 4, отличающееся тем, что выход струйного патрубка выполнен в виде суживающего сопла. 6. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено подкачивающим насосом, расположенным в дополнительном отсеке и связанным с потребителем, а перекачивающий насос выполнен в виде струйного эжекторного насоса с подводом активной жидкости от подкачивающего насоса.