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

Изобретение относится к области криогенной техники 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.

Известно устройство для хранения и подачи жидкого водорода (см. "Вопросы глубокого охлаждения", сборник статей под редакцией М.П. Малкова, М., издательство иностранной литературы, 1961 г., стр. 411), содержащее теплоизолированную внутреннюю оболочку, закрепленную в вакуумно-плотной наружной оболочке, дренажный и заправочный трубопроводы, предохранительную и запорную арматуру.

Известно также устройство для хранения и подачи жидкого кислорода в ЭХГ ЭУ на основе водородно-кислородных топливных элементов, предназначенной для установки на подводных лодках, выбранное в качестве прототипа (см. патент 2094697 F 17 C 13/00).

Устройство содержит теплоизолированную внутреннюю оболочку, закрепленную в вакуумно-плотной наружной оболочке, дренажный и заправочный трубопроводы, предохранительную и запорную арматуру.

Недостатком аналога и прототипа является то, что они не предотвращают попадания жидкой фазы криогенного продукта в полость дренажного трубопровода при хранении его в емкости с открытым дренажом. Такой режим работы емкостей, установленных в составе упомянутой ЭУ на подводной лодке, т.е. с дренированием испаряющегося за счет теплопритоков из окружающей среды хранимого криогенного продукта через дренажный трубопровод, может быть продолжительным, например, до 45 суток. Это связано с тем, что упомянутая ЭУ не работает в течение всего времени похода лодки, т.к. является вспомогательной. Она может начать работу сразу после окончания заправки емкостей, может в середине или в конце похода. Паровые подушки после окончания заправки с целью более полного использования объемов емкостей обычно не превышают 5 - 10% от всего объема емкости, и поэтому, если осуществлять режим бездренажного хранения до начала работы ЭУ, то за это время давление в емкости возрастет до уровня срабатывания предохранительного клапана (ПК), после чего криогенный продукт будет периодически стравливаться через ПК. Потери криогенного продукта в этом случае будут велики, и их трудно заранее определить. ЭУ в этом случае к моменту начала работы не будет иметь требуемый энергоресурс. Более экономичным с точки зрения сохранения запасов криогенного продукта является упомянутый режим работы с открытым дренажом, но при этом ввиду имеющих место постоянных наклонов лодки как по углу крена, так и по углу тангажа заборное отверстие дренажного трубопровода в известных устройствах периодически будет находиться в жидкой фазе криогенного продукта, и, следовательно, в этот период будет отбираться жидкость. При отборе жидкой фазы криогенного продукта при одном и том же теплопритоке расход увеличивается приблизительно во столько раз, во сколько плотности жидкой фазы больше плотности паровой фазы. Для кислорода при температуре ~ 90^oK это соотношение составляет ~ 230, а для водорода при температуре 20^oK оно составляет ~ 60. Поэтому потери криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажом будут очень существенны, что приведет к уменьшению энергоресурса ЭУ и, следовательно, к невозможности выполнения запланированной программы работы.

Задачей настоящего изобретения является предотвращение попадания жидкой фазы криогенного продукта в полость дренажного трубопровода при хранении его в емкости с открытым дренажом.

Сущность изобретения заключается в том, что во внутреннюю оболочку емкости устройства для хранения и подачи криогенных продуктов, закрепленной в вакуумно-плотной наружной оболочке, содержащего дренажный и заправочный трубопроводы, запорную арматуру, введен заборник, выполненный из нечетного количества горизонтальных трубопроводов, по крайней мере из трех, расположенных в центральной вертикальной плоскости, проходящей через продольную горизонтальную ось симметрии емкости, при этом полость центрального трубопровода соединена с полостями верхнего и нижнего трубопроводов коленами, прикрепленными к внутренней оболочке емкости, а верхний и нижний трубопроводы с противоположных сторон имеют открытые скошенные концы, дренажный трубопровод емкости подстыкован к полости центрального трубопровода заборника, и ось его симметрии совпадает с вертикальной осью симметрии емкости, нижние кромки скошенных концов верхнего и нижнего трубопроводов заборника упираются в плоскости отвесов, свободно подвешенных на осях, закрепленных на внутренней оболочке емкости в плоскостях, перпендикулярных трубопроводам заборника, при этом плоскости скосов открытых концов трубопроводов заборника выполнены так, что в своей нижней части вместе с плоскостями отвесов образуют угол, равный или менее минимального угла тангажа, причем нижняя кромка нижнего трубопровода заборника находится в плоскости уровня максимальной заправки жидкой фазы криогенного продукта, а диаметр трубопроводов заборника определяется из выражения:
d_тp = d_др/(2•(tgα)^0,5),
где d_тр - диаметр каждого из трех трубопроводов заборника,
d_др - диаметр дренажного трубопровода,
α - минимальный угол тангажа.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями вновь созданная конструкция предотвращает попадание жидкой фазы криогенного продукта в полость дренажного трубопровода при хранении его в емкости с открытым дренажом.

Это достигается благодаря введению во внутреннюю оболочку емкости заборника вышеописанной конструкции и сообщению его с соответствующе расположенным дренажным трубопроводом. При отсутствии качки оба открытых конца заборника находятся в паровой фазе, т.к. заправка производится по переливу и жидкость выше нижней кромки нижнего трубопровода заборника находиться не будет. При качке с носа лодки на киль (по углу тангажа) один из открытых концов заборника будет опускаться в жидкость, а другой подниматься и находиться почти в самой верхней точке, где обязательно будет паровая фаза. При наклоне вниз на заранее прогнозируемый минимальный угол благодаря скосу кромок открытых концов заборника на этот угол они будут прилегать к плоскостям отвесов. В случае попадания жидкости в щель, которая может образоваться из-за неплотного прилегания кромок скошенного открытого конца к плоскости отвеса, жидкость в трубопроводе не поднимется выше уровня жидкости в емкости и никогда не достигает колена, соединяющего этот трубопровод с центральным трубопроводом заборника, полость которого сообщается с полостью дренажного трубопровода, т.к. колено всегда будет находиться выше уровня жидкости. При углах наклона больше минимального прилегание кромок скошенного открытого конца заборника, отклоненного от горизонтальной плоскости вниз, будет более плотное, а нижняя кромка противоположного открытого конца трубопровода заборника, который при этом отклоняется от горизонтальной плоскости вверх, будет отжимать плоскость отвеса и увеличивать сечение для прохода пара. При наклонах по углу крена (поперечные колебания) жидкость также не попадет в полость дренажного трубопровода, т.к. заборник и дренажный трубопровод расположены в центральной вертикальной плоскости емкости и поэтому даже при минимальной паровой подушке - 5% и угле крена 40^o (такой крен не имеет места) заборник будет находиться в области пара.

Таким образом, предлагаемое техническое решение предотвращает попадание жидкой фазы в полость дренажного трубопровода при хранении его в емкости с открытым дренажом, что позволяет сохранить запасы кислорода и водорода и, следовательно, энергоресурс ЭУ к моменту начала ее работы.

Сущность изобретения поясняется фигурами:
фиг. 1 - продольный разрез устройства;
фиг. 2 - разрез по А-А;
фиг. 3 - увеличенное изображение сопряжения открытого скошенного конца заборника с закрепленным на оси отвесом.

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 запорным клапаном 6, трубопроводом дренажа 7 с запорным клапаном 8 и предохранительным клапаном 9. Во внутренней оболочке 1 расположен заборник 10, состоящий из трех параллельных горизонтальных трубопроводов 11, 12, 13, расположенных в центральной вертикальной плоскости, проходящей через продольную горизонтальную ось симметрии "x" емкости. Полость центрального трубопровода 12 соединена с полостью верхнего трубопровода 11 коленом 14, а с полостью нижнего трубопровода 13 - колесом 15. Колена 14, 15 прикреплены с помощью элементов крепления, соответственно, 16, 17 к внутренней оболочке 1. Верхний трубопровод 11 и нижний трубопровод 13 с противоположных сторон имеют открытые скошенные концы, соответственно 18, 19. Дренажный трубопровод 7 подстыкован к полости центрального трубопровода 12 заборника 10, и ось его симметрии совпадает с вертикальной осью емкости "Y", поэтому плечи трубопроводов заборника равны. Нижние кромки открытых скошенных концов 18, 19 упираются в плоскости отвесов, соответственно 20, 21, свободно подвешенных на осях, соответственно, 22, 23, закрепленных на внутренней оболочке с помощью элементов крепления 24, 25 в плоскостях, перпендикулярных трубопроводам заборника 10. Скосы открытых концов 18, 19, соответственно трубопроводов 11, 13 выполнены так, что их плоскости в своей нижней части вместе с плоскостями отвесов, соответственно, 20, 21 образуют угол α, равный или меньший минимального угла тангажа. Нижняя кромка нижнего трубопровода 13 заборника 10 находится в плоскости уровня заданной максимальной заправки жидкой фазы криогенного продукта 26.

Работает устройство следующим образом.

Открываются запорные клапаны 8, 6 и производится заправка полости внутренней оболочки 1 криогенным продуктом (жидким водородом или жидким кислородом). Заправка производится до перелива, т. е. когда в дренажный трубопровод 7 попадает жидкость. Попадание жидкости в дренажный трубопровод фиксируется по резкому скачку температуры в дренажном трубопроводе. Уровень жидкости в емкости при переливе 26 определяется конструктивным расположением нижней кромки открытого скошенного конца 19 нижнего трубопровода 13. Этот уровень определяется исходя из заданного заправляемого количества криогенного продукта. Этот уровень определяет и объем паровой подушки после окончания заправки. Объем паровой подушки обычно составляет 5-10% от объема полости внутренней оболочки 1. После заправки требуемого количества криогенного продукта закрывается запорный клапан 6 на трубопроводе заправки 5. Если сразу после окончания заправки работа ЭУ не требуется, то запорный клапан 8 на дренажном трубопроводе 7 остается открытым и через него производится дренаж паров испаряющегося за счет теплопритоков из окружающей среды криогенного продукта. При наклонах емкости по углу тангажа (продольные колебания) в процессе ее эксплуатации в составе изделия один открытый конец заборника 10 окажется в области жидкости, например, открытый скошенный конец 18 трубопровода 11, а другой - 19 трубопровода 13 в области пара. Благодаря равенству расстояний от центральной вертикальной оси "Y" у трубопроводов заборника 10 - плеч трубопроводов при изменении направления угла наклона на противоположное, открытый конец 18 трубопровода 11 окажется в области пара на таком же удалении от уровня жидкости, на котором до этого находился открытый конец 19. Плечи трубопроводов заборника должны иметь максимально возможную длину, т. к. чем больше длина, тем больше удаление открытого конца трубопровода от уровня жидкости при нахождении его при наклоне в паровой фазе. При наклоне на минимальный угол тангажа α, который заранее оговаривается в эксплуатационных требованиях, благодаря скосу кромок открытых концов трубопроводов заборника 10 на этот минимальный угол (или меньший), кромки открытого конца, находящегося в жидкости, будут прилегать к плоскости соответствующего отвеса, что предотвращает попадание жидкости в полость трубопровода. Чем больше угол наклона, тем сильнее будет прилегание кромок открытого конца трубопровода заборника к плоскости отвеса. Если по каким-либо причинам прилегание кромок к плоскости отвеса будет неплотное, то в образовавшуюся щель может попасть жидкость, но она не достигнет колена, находящегося на противоположном конце этого трубопровода, т.к. оно при наклоне будет находиться выше уровня жидкости в емкости, а жидкость в трубопроводе может подняться только до уровня жидкости в емкости. Следовательно, при наклонах емкости по углу тангажа жидкость никогда не попадет в полость дренажного трубопровода 7. При наклоне емкости по углу крена (поперечные колебания) жидкость не попадет в полость дренажного трубопровода, т.к. заборник 10 и дренажный трубопровод 7 расположены в центральной вертикальной плоскости, что обеспечивает максимальное удаление от уровня жидкости при таких наклонах.

Таким образом, предлагаемое техническое решение по сравнению с известными предотвращает попадание жидкой фазы криогенного продукта в полость дренажного трубопровода при хранении его в емкости с открытым дренажом. Это позволяет сохранить запланированные запасы криогенных продуктов и, следовательно, обеспечить требуемый энергоресурс энергетической установки.

Устройство содержит теплоизолированную внутреннюю оболочку, наружную оболочку, дренажный и заправочный трубопроводы, предохранительную и запорную арматуру. Во внутренней оболочке емкости расположен заборник, выполненный из нечетного количества горизонтальных трубопроводов, по крайней мере из трех, расположенных в центральной вертикальной плоскости, проходящей через продольную горизонтальную ось симметрии емкости. Полость центрального трубопровода коленами соединена с полостями верхнего и нижнего трубопроводов, которые с противоположных сторон имеют открытые скошенные концы, нижние кромки которых упираются в плоскости отвесов, свободно подвешенных на осях, закрепленных на внутренней оболочке емкости в плоскостях, перпендикулярных трубопроводам заборника. К плоскости центрального трубопровода заборника подстыкован дренажный трубопровод, и ось симметрии дренажного трубопровода совпадает с осью симметрии емкости. Использование изобретения позволит предотвратить попадание жидкой фазы криогенного продукта в полость дренажного трубопровода при хранении его в емкости с открытым дренажом при продольных и поперечных колебаниях жидкости, что позволит сократить потери криогенного продукта. 3 ил.

Устройство для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащее теплоизолированную внутреннюю оболочку, закрепленную в вакуумно-плотной наружной оболочке, дренажный и заправочный трубопроводы, предохранительную и запорную арматуру, отличающееся тем, что во внутреннюю оболочку емкости введен заборник, выполненный из нечетного количества горизонтальных трубопроводов, по крайней мере, из трех, расположенных в центральной вертикальной плоскости, проходящей через продольную горизонтальную ось симметрии емкости, при этом полость центрального трубопровода соединена с полостями верхнего и нижнего трубопроводов коленами, прикрепленными к внутренней оболочке емкости, а верхний и нижний трубопроводы с противоположных сторон имеют открытые скошенные концы, дренажный трубопровод устройства подстыкован к полости центрального трубопровода заборника, и ось его симметрии совпадает с вертикальной осью симметрии емкости, нижние кромки скошенных концов верхнего и нижнего трубопроводов заборника упираются в плоскости отвесов, свободно подвешенных на осях, закрепленных на внутренней оболочке емкости в плоскостях, перпендикулярных трубопроводам заборника, при этом плоскости скосов открытых концов трубопроводов заборника выполнены так, что в своей нижней части вместе с плоскостями отвесов образуют угол, равный или менее минимального угла тангажа, причем нижняя кромка нижнего трубопровода заборника находится в плоскости уровня максимальной заправки жидкой фазы криогенного продукта, а диаметр трубопроводов заборника определяется из выражения
d_тр= d_др/(2(tgα)^0,5),
где d_тр - диаметр каждого из трех трубопроводов заборника;
d_др - диаметр дренажного трубопровода;
α - минимальный угол тангажа.