УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ КРИОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ Российский патент 2000 года по МПК F17C3/08 F17C13/00 

Изобретение относится к криогенной технике и предназначено для хранения и подачи криогенных продуктов к потребителям, например для подачи водорода и кислорода, хранящихся при криогенных температурах, в электрохимический генератор (ЭХГ) энергетической установки (ЭУ) на основе водородно-кислородных топливных элементов, предназначенной для установки на подводных лодках, кроме того, оно может быть использовано в космической технике для подачи криогенных продуктов к потребителям, установленным на космических кораблях (КК), а также в народном хозяйстве в составе автономных ЭУ на основе водородно-кислородных топливных элементов, предназначенных для использования в районах, куда прокладка линий электропередач затруднительна.

Известно принятое за аналог устройство для хранения и подачи водорода и кислорода в ЭХГ ЭУ (см. "Энергоустановки и системы энергопитания космических летательных аппаратов на основе водородно-кислородных топливных элементов" под редакцией М.В.Мельникова, М., ГОНТИ-4, 1970, с. 43-89).

Устройство включает криогенные емкости для хранения водорода и кислорода, каждая из которых содержит теплоизолированную внутреннюю оболочку с расположенной в ней датчиковой аппаратурой, заключенную в вакуумно-плотную наружную оболочку с установленным на ней клапаном вакуумирования, трубопроводы заправки и дренажа, предохранительную и запорную арматуру.

Известно также устройство для хранения и подачи жидкого водорода, выбранное в качестве прототипа (см. "Вопросы глубокого охлаждения", сборник статей под редакцией М.П.Малкова.- М.: Издательство иностранной литературы 1961, с. 409-413).

Устройство содержит теплоизолированную внутреннюю оболочку с расположенной в ней датчиковой аппаратурой, заключенную в вакуумно-плотную наружную оболочку с установленными на ней клапаном вакуумирования, трубопроводы заправки и дренажа, предохранительную и запорную арматуру.

Недостатком аналога и прототипа является то, что они не обеспечивают ремонтоспособность, и, следовательно, восстановление работоспособности устройства при наиболее вероятном отказе-потере герметичности теплоизоляционной полости (полость между внутренней и наружной оболочками) устройства. Причиной потери герметичности в основном является нарушение герметичности трубопроводов на участке между оболочками устройства. На этом участке для уменьшения теплопритока по трубопроводам их выполняют в виде змеевиков или с сильфонными вставками, что увеличивает длину теплопередающего тракта. В процессе длительной эксплуатации в условиях перегрузок при вибрации змеевиков в местах их вварки в оболочки может быть нарушена герметичность, также она может быть нарушена в местах вварки сильфонов и электрогерморазъемов, к которым припаяны провода от датчиков аппаратуры.

Устройства для хранения и подачи водорода и кислорода, входящие в состав ЭУ, установленной на подводной лодке, должны эксплуатироваться в течение 25 лет в условиях перегрузок до 10g, поэтому вероятность потери герметичности в вышеупомянутых местах велика. Для устранения негерметичности в этих местах требуется полная разборка устройства: демонтаж наружной оболочки теплоизоляции и всего, что установлено на оболочках. В условиях подводной лодки проводить такой ремонт неудобно и нецелесообразно, т.к. он займет очень продолжительное время, и лодка будет простаивать. Поэтому в этом случае устройство подлежит замене, что, во-первых, дорого, а во-вторых, извлечение устройства из энергетического отсека лодки и монтаж нового тоже требует продолжительного времени.

Другим недостатком известных устройств является то, что при потере герметичности теплоизоляционной полости, и, следовательно, потере в ней вакуума произойдет быстрый рост давления хранимого криогенного продукта до уровня срабатывания предохранительного клапана. Если в это время лодка находится на глубине максимального погружения, например 300 м, то время ее всплытия может быть меньше, чем время роста давления до уровня срабатывания предохранительного клапана. В этом случае дренаж криогенного продукта будет производиться в окружающее водное пространство. При дренаже криогенного продукта, температура которого ниже температуры воды, образующиеся льдинки могут забить забортное отверстие трубопровода аварийного сброса. В этих условиях давление криогенного продукта может возрасти выше предельного расчетного уровня, что приведет к аварийной ситуации в энергетическом отсеке лодки, т. е. известные устройства при потере вакуума в теплоизоляционной полости не обеспечивают условий безопасной эксплуатации.

Быстрый рост давления криогенного продукта связан с тем, что при потере вакуума эффективный коэффициент теплопроводности вакуумно-многослойной теплоизоляции увеличивается с 1 • 10^-4 до 2 • 10^-1 ккал/м•ч•град (см. Г.Н. Напалков, "Тепловая защита баков с криогенным ракетным топливом", Справочник, ч.1, М., ГОНТИ-4, 1973, рис. 33), т.е. в 2000 раз. Общий теплоприток из окружающей среды к хранимому криогенному продукту складывается из теплопритока по тепловым мостам (опорам, трубопроводам, проводам) и теплопритока через теплоизоляцию. При применении вакуумно-многослойной теплоизоляции теплоприток по ней не превышает 50% от общего теплопритока. При таком уровне теплопритока через теплоизоляцию (50% от общего теплопритока) при потере вакуума, и, следовательно, увеличении теплопритока через теплоизоляцию в 2000 раз общий теплоприток возрастает ~ в 1000 раз. Такое увеличение теплопритока приведет к быстрому росту давления и к вышеупомянутым последствиям.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение ремонтоспособности устройства для хранения и подачи криогенных продуктов и повышение безопасности его эксплуатации.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащем теплоизолированную внутреннюю оболочку с расположенной в ней датчиковой аппаратурой, заключенную в вакуумно-плотную наружную оболочку с установленным на ней клапаном вакуумирования, трубопроводы заправки и дренажа, предохранительную и запорную арматуру, упомянутые трубопроводы и провода от датчиковой аппаратуры на участке между наружной и внутренней оболочками локализованы в одной зоне, которая заключена в дополнительную вакуумно-плотную оболочку, образующую с прилегающими к ней участками внутренней и наружной оболочек замкнутую вакуумно-плотную полость, которая снабжена дополнительным клапаном вакуумирования.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными на сегодняшний день техническими решениями вновь созданная конструкция обеспечивает ремонтоспособность устройства для хранения и подачи криогенных продуктов и повышает безопасность его эксплуатации.

Это достигается благодаря локализации в одной зоне всех трубопроводов, пересекающих пространство между внутренней и наружной оболочками и проводов от датчиковой аппаратуры, выводимых из внутренней оболочки к наружной с помощью электрогерморазъемов или с помощью расположения их внутри специальных трубопроводов и заключения этих трубопроводов, проводов и электроразъемов в дополнительную вакуумно-плотную оболочку, образующую с прилегающими к ней участками внутренней и наружной оболочек замкнутую вакуумно-плотную полость, которая снабжена клапаном вакуумирования. В результате этого при нарушении герметичности трубопроводов, сильфонов или электроразъемов для ее устранения потребуется только вскрыть верхнее днище вновь образованной вакуумно-плотной полости и устранить негерметичность, а не производить замену всего устройства, как в известных технических решениях, что позволяет на порядки сократить стоимость восстановительных работ и время их выполнения. Кроме того, при нарушении герметичности трубопроводов вакуум в основном объеме теплоизоляционной полости не нарушается. Площадь локализованной зоны составляет 1-2% от всей площади внутренней оболочки, например, для устройства для хранения и подачи жидкого водорода в количестве ~ 1,5 т, устанавливаемого в составе ДУ на подводной лодке, вся площадь внутренней оболочки равна 55 м², а площадь локализованной зоны - 0,8 м², т.е. ~ в 70 раз меньше всей площади. Поэтому, если в известных устройствах теплоприток к криогенному продукту при потере вакуума в теплоизоляционной полости возрастает, как сказано выше, в 1000 раз, то в предлагаемой конструкции он возрастает в 1000 : 70 = 14,3 раза. В результате в предлагаемой конструкции скорость роста давления будет существенно меньше. После обнаружения несанкционированного роста давления лодка успеет всплыть с любой глубины, и дренаж криогенного продукта будет производиться под контролем, что позволит предотвратить забивку забортного отверстия трубопровода аварийного сброса и исключить возможные аварийные ситуации при сбросе, т.е. повысить безопасность эксплуатации.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема устройства для хранения и подачи криогенных продуктов.

Устройство содержит внутреннюю оболочку 1, на которую нанесена вакуумно-многослойная теплоизоляция 2. Внутренняя оболочка 1 закреплена в вакуумно-плотной наружной оболочке 3 на опорах 4. Устройство снабжено трубопроводом заправки 5 с сильфонной вставкой 6 на участке между оболочками и трубопроводом дренажа 7, который на участке между оболочками выполнен в виде змеевика 8. Трубопроводы 5, 7 снабжены электропневмоклапанами соответственно 9, 10. Во внутренней оболочке 1 установлены датчик температуры 11, внутренний источник тепловыделения, например электронагреватель 12, датчик количества 13. Датчики 11, 13 и электронагреватель 12 с помощью проводов 14 подсоединены к электрогерморазъему 15, вваренному во внутреннюю оболочку 1, который соединен проводами 16 с электрогерморазъемом 17, вваренным в наружную оболочку 3. Трубопроводы 5, 7 и электроразъемы 15, 17, соединенные проводами 16, сконцентрированы в одной зоне и заключены в дополнительную вакуумно-плотную оболочку 18, которая с прилегающими к ней участками внутренней и наружной оболочек соответственно 19, 20 образует замкнутую вакуумно-плотную полость, в которой на участок 19 поверхности внутренней оболочки 1 нанесена вакуумно-многослойная теплоизоляция 21. На наружной оболочке 2 установлен основной клапан вакуумирования 22 и дополнительный клапан вакуумирования 23, установленный на участке 20 наружной оболочки 3. Устройство снабжено предохранительным клапаном 24 и датчиком давления 25.

Работает устройство следующим образом.

Открываются электроклапаны 9, 10 и производится захолаживание и затем заправка полости внутренней оболочки 1 криогенным продуктом (жидким водородом или жидким кислородом). После окончания заправки закрываются электропневмоклапаны 9, 10, включается электронагреватель 12 и производится подъем давления до рабочего уровня, например до 10 кгс/см², после чего электронагреватель 12 выключается. Производится отбор криогенного продукта в ЭХГ. Отбираться может как жидкая, так и паровая фаза, для чего открываются клапаны 9 или 10. При росте давления, когда расход небольшой, отбирается паровая фаза, а при большой величине расхода давление падает, и производится отбор жидкой фазы. Таким образом, путем регулирования отбора фаз и включения и выключения электронагревателя 12 производится поддержание давления в процессе отбора в заданном регулируемом рабочем диапазоне, например 8-10 кгс/см². Если в процессе эксплуатации будет нарушена герметичность, например сильфона 6, то произойдет потеря вакуума в замкнутой вакуумно-плотной полости, образованной вакуумно-плотной оболочки 18 и участками 19, 20 соответственно внутренней и наружной оболочек. В результате в этой локальной зоне будет повышенный теплоприток через теплоизоляцию, что приведет к нерасчетному росту давления, которое фиксируется датчиком давления 25. Скорость роста давления в предлагаемом устройстве будет значительно меньше, чем в известных устройствах, т.к. вакуум будет потерян только в замкнутой дополнительной вакуумно-плотной полости, площадь днища которой - участок 19 - составляет не более 1,5% от всей площади оболочки 1, и повышенный теплоприток через теплоизоляцию будет только на эту площадь. Время роста давления до срабатывания предохранительного клапана, например, до 35 кгс/см² (такой уровень давления срабатывания предохранительного клапана необходим для того, чтобы можно было сбрасывать криогенный продукт на любой возможной глубине погружения, например 300 м) будет составлять не минуты, как в известных устройствах, а от 1,5 до 5 ч в зависимости от количества криогенного продукта в этот момент. После всплытия лодки будет производиться контроль за состоянием заборного отверстия трубопровода сброса, чтобы не было его забивки, при этом помимо сброса криогенного продукта через предохранительный клапан может быть организован слив криогенного продукта через трубопровод 5, чего нельзя сделать в условиях погружения. Все это повышает безопасность эксплуатации. Для устранения негерметичности после удаления криогенного продукта из полости оболочки 1 необходимо только вскрыть верхнее днище 20 дополнительной вакуумно-плотной полости, удалить из нее теплоизоляцию и заменить сильфон 6, а не производить извлечение из энергоотсека отказавшего устройства для хранения и подачи криогенных продуктов и установку нового.

Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями предлагаемое устройство благодаря локализации в одной зоне всех трубопроводов, пересекающих пространство между внутренней и наружной оболочками и проводов от датчиков аппаратуры, выводимых из внутренней оболочки к наружной с помощью электрогерморазъемов и заключения этих трубопроводов, проводов и электроразъемов в дополнительную вакуумно-плотную оболочку, образующую с прилегающими к ней участками внутренней и наружной оболочек замкнутую вакуумно-плотную полость, снабженную клапаном вакуумирования, позволяет обеспечить ремонтоспособность устройства с минимизацией времени и затрат на проведение ремонта и повысить безопасность эксплуатации устройства и всей лодки в целом.

В устройстве для хранения и подачи криогенных продуктов трубопроводы заправки и дренажа и провода от датчиковой аппаратуры на участке между наружной и внутренней оболочками локализованы в одной зоне, заключенной в дополнительную вакуумно-плотную оболочку. Оболочка образует с прилегающими к ней участками внутренней и наружной оболочек устройства замкнутую вакуумно-плотную полость, которая снабжена дополнительным клапаном вакуумирования. Использование изобретения позволит обеспечить ремонтоспособность устройства для хранения и подачи криогенных продуктов и повысить безопасность его эксплуатации. 1 ил.

Устройство для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащее теплоизолированную внутреннюю оболочку с расположенной в ней датчиковой аппаратурой, заключенную в вакуумно-плотную наружную оболочку с установленным на ней клапаном вакуумирования, трубопроводы заправки и дренажа, предохранительную и запорную арматуру, отличающееся тем, что упомянутые трубопроводы и провода от датчиковой аппаратуры на участке между наружной и внутренней оболочками локализованы в одной зоне, которая заключена в дополнительную вакуумно-плотную оболочку, образующую с прилегающими к ней участками внутренней и наружной оболочек замкнутую вакуумно-плотную полость, которая снабжена дополнительным клапаном вакуумирования.