УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ КРИОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ Российский патент 2001 года по МПК F17C9/00 F17C3/08 

Изобретение относиться к области криогенной техники и предназначено для хранения и подачи криогенных продуктов к потребителям, например для подачи водорода и кислорода, хранящихся при докритических давлениях в электрохимический генератор (ЭХГ) энергетической установки (ЭУ) на основе водородно-кислородных топливных элементов, предназначенной для установки на различных изделиях, работающих в условиях гравитации.

Известно принятое за аналог устройство для хранения и подачи криогенных продуктов (см. Н.В.Филин, А. Б.Буланов, Жидкостные криогенные системы. Л.: Машиностроение, 1985, стр. 18), содержащее теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, заправочный, дренажный и отборный трубопроводы с запорными клапанами, к заправочному и дренажному трубопроводам подстыкован соединительный трубопровод, содержащий теплообменник-испаритель, запорную, предохранительную и регулирующую арматуру.

Известно также устройство для хранения и подачи криогенных продуктов, выбранное в качестве прототипа (см. Сборник статей "Вопросы глубокого охлаждения", М., Издательство иностранной литературы, 1961, стр. 307-309).

Устройство содержит теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, заправочный и дренажный трубопроводы с запорными клапанами, к которым на участках между кожухом и клапанами подключен соединительный трубопровод, содержащий теплообменник-испаритель и запорную арматуру, к которому после теплообменника-испарителя подключен отборный трубопровод.

Аналог и прототип имеют следующие недостатки:
- не исключают падения давления в емкости ниже рабочего уровня в процессе выдачи из нее криогенного продукта. Это связано с тем, что подъем давления в емкости до требуемого рабочего уровня осуществляется путем подачи теплого газа, нагретого в теплообменнике-испарителе, в паровое пространство емкости.

В результате теплообмена наддуваемого газа с поверхностным слоем жидкости температура этого слоя быстро повышается, а температура основной массы жидкости при этом почти не изменяется. Температура поверхностного слоя жидкости определяет давление в емкости, поэтому давление также быстро повышается. При колебаниях жидкости, связанных, например, с качкой изделия, на котором установлены емкости в составе ЭУ, жидкость будет перемешиваться и в результате перемешивания ее температура станет одинаковой по всему объему емкости и равной температуре основной массе жидкости, которая в начальный период выдачи криогенного продукта потребителю будет несущественно отличаться от температуры жидкости после окончания заправки емкости. Давление в емкости после перемешивания жидкости будет соответствовать установившейся температуре и будет значительно ниже требуемого рабочего уровня.

В результате выдача криогенных продуктов в ЭХГ ЭУ станет невозможной, что недопустимо.

- не предотвращают попадание жидкой фазы криогенного продукта в полость дренажного трубопровода при наклонах емкости, что приведет к повышенным потерям криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажем, т.к. при одном и том же теплопритоке массовый расход при отборе жидкости больше во столько раз, во сколько плотность жидкой фазы больше плотности паровой фазы. Такой режим работы емкостей в составе ЭУ, установленных на ряде изделий - с дренированием испаряющегося криогенного продукта за счет теплопритоков из окружающей среды, может быть продолжительным. Поэтому потери криогенного продукта за это время могут составить существенную величину, что приведет в дальнейшем к невозможности выполнения запланированной программы работы ЭУ.

Задачей настоящего изобретения является исключение падения давления в емкости ниже рабочего уровня в процессе выдачи из нее криогенного продукта и минимизация потерь криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажом.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащее теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, заправочный и дренажный трубопроводы с запорными клапанами, к которым на участках между кожухом и клапанами подключен соединительный трубопровод, содержащий теплообменник-испаритель и запорную арматуру, к которому после теплообменника-испарителя подключен отборный трубопровод, в емкость введена туннельная труба, расположенная соосно с вертикальной осью емкости, закрепленная на днище и куполе емкости и перфорированная в этих зонах, при этом суммарная площадь перфорационных отверстий в зоне купола не меньше площади сечения дренажного трубопровода, а в зоне днища - не меньше площади сечения туннельной трубы, участок дренажного трубопровода, находящийся внутри емкости, размещен в полости туннельной трубы и выполнен в виде вертикальной петли, открытый конец которой расположен в зоне купола емкости, причем участок вертикальной петли, находящийся в жидкости при заданной начальной степени заполнения емкости, снабжен тепловыми ребрами, а его суммарная площадь оребренной наружной поверхности определяется из выражения:
F_нар = G с 1n((t_вх-t_ж)/(t_вых-t_ж))/ К,
где F_нар - суммарная площадь оребренной наружной поверхности участка вертикальной петли;
G - расход газа наддува в начальный период выдачи криогенного продукта;
c - теплоемкость газа наддува;
t_вх - температура газа наддува в месте входа дренажного трубопровода в жидкость;
t_ж - температура жидкой фазы криогенного продукта после окончания заправки емкости;
t_вых = t_ж + Δt - температура газа наддува на выходе из дренажного трубопровода;
Δt - принятое превышение температуры газа наддува над температурой жидкой фазы криогенного продукта на выходе из дренажного трубопровода;
K - коэффициент теплопередачи от газа наддува к жидкости через стенку дренажного трубопровода, оребренную с наружной стороны.

Технический результат заключается в том, что вновь созданное устройство для хранения и подачи криогенных продуктов позволяет исключить падение давления в емкости ниже рабочего уровня в процессе выдачи из нее криогенного продукта и минимизировать потери криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажем.

Это достигается, во-первых, благодаря введению в полость емкости туннельной трубы с минимально возможным из конструктивных условий диаметром, расположенной соосно с вертикальной осью емкости, закрепленной на днище и куполе емкости и перфорированной в этих зонах, при этом суммарная площадь перфорационных отверстий в зоне купола не меньше площади сечения дренажного трубопровода, а в зоне днища - не меньше площади сечения туннельной трубы;
- во-вторых, благодаря размещению участка дренажного трубопровода, находящегося внутри емкости, в полости туннельной трубы, выполнению его в виде вертикальной петли, открытый конец которой расположен в зоне купола емкости, и оребрению наружной поверхности участка вертикальной петли, находящейся в жидкости при заданной начальной степени заполнения емкости;
- в-третьих, благодаря определению суммарной площади оребренной наружной поверхности вышеупомянутого участка из условия, при котором, исходя из расхода газа наддува, определяемого высотой столба жидкости температура его на выходе из дренажного трубопровода в паровое пространство емкости при начальной паровой подушке не должна превышать температуру жидкости более чем на принятую величину Δt, которая должна быть минимальной, например, Δt = 1^o.

Такое конструктивное выполнение устройства для хранения и подачи криогенных продуктов позволяет исключить давление в емкости ниже рабочего уровня в процессе выдачи из нее криогенного продукта и минимизировать потери криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажом.

Это обеспечивается тем, что подаваемый в паровое пространство емкости газ наддува в начальный период выдачи криогенного продукта имеет температуру почти не отличающуюся от температуры жидкости. В результате повышение давления в емкости происходит не за счет прогрева верхнего слоя жидкости и, как следствие, установления давления в соответствии с температурой верхнего слоя, что имеет место в известных устройствах, а за счет увеличения массы газа в паровой подушке, который туда поступает как с газом наддува, так и за счет испарения жидкости в результате подвода к ней тепла от теплого наддуваемого газа. Наддуваемый и испаряемый газ имеют температуру, практически равную температуре жидкости, поэтому при перемешивании криогенного продукта в емкости температура и давление не будут изменяться, в то время как в известных устройствах в начальный период выдачи будут иметь место провалы давления ниже рабочего уровня при перемешивании криогенного продукта.

При наклонах емкости в любом направлении, связанных, например, с качкой изделия, на котором установлены емкости в составе ЭУ, жидкость не будет попадать как в перфорационные отверстия туннельной трубы, так и в полость дренажного трубопровода, т.к. они расположены у вершины емкости около вертикальной ее оси и поэтому даже при минимальной паровой подушке 5% (реальная начальная подушка обычно больше) и угле наклона 40^o, что не имеет места в реальных условиях эксплуатации, вышеупомянутые отверстия будут еще находиться в области пара. Поэтому при хранении криогенного продукта с открытым дренажом отбираться будет только пар, расход которого известен и определяется теплопритоком из окружающей среды и никаких дополнительных потерь, связанных с отбором жидкости, учесть которые заранее невозможно не будет.

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

Устройство содержит емкость 1, на поверхность которой нанесена вакуумно-многослойная теплоизоляция 2. Емкость 1 закреплена в вакуумно-плотном кожухе 3 на опорах 4. Устройство снабжено трубопроводом заправки 5 с запорным клапаном 6 и трубопроводом дренажа 7 с запорным клапаном 8. К трубопроводу заправки 5 на участке между кожухом 3 и запорным клапаном 6 подстыкован соединительный трубопровод 9, который через последовательно установленные запорный клапан 10, теплообменник-испаритель 11 и запорный клапан 12 подстыкован другим концом к дренажному трубопроводу 7 на участке между кожухом 3 и запорным клапаном 8. Внутри емкости 1 размещена туннельная труба 13, расположенная соосно с вертикальной осью 14 емкости 1, закрепленная на днище и куполе емкости 1 и перфорированная в зоне днища емкости перфорационными отверстиями 15, а в зоне купола емкости 1 - перфорационными отверстиями 16. Участок дренажного трубопровода 7, находящийся внутри емкости 1, размещен в полости туннельной трубы 13 и выполнен в виде вертикальной петли 17, открытый конец которой 18 расположен в зоне купола емкости 1.

Участок вертикальной петли 17, находящийся ниже уровня жидкости 19, соответствующего начальной заданной степени заполнения емкости, снабжен тепловыми ребрами 20, расстояние между которыми увеличивается от уровня жидкости 19 к днищу емкости. На открытом конце вертикальной петли 17 и в месте раздела паровой и жидкой фаз при заданном начальном заполнении емкости установлены датчики температуры, соответственно 21 и 22. К соединительному трубопроводу 9 на участке между теплообменником-испарителем 11 и запорным клапаном 12 подстыкован отборный трубопровод 23 с запорным клапаном 24. Для измерения количества криогенного продукта в емкости 1 установлен датчик количества 25.

Работает устройство следующим образом.

Открываются запорные клапаны 6, 8 и производится заправка емкости 1 криогенным продуктом, например водородом. Контроль количества заправляемого водорода при заправке производится с помощью датчика количества 25. Кроме того, для увеличения точности заправки производится еще контроль заполнения заданного количества криогенного продукта по датчику температуры 22, показания которого резко падают при достижении заданной степени заполнения. После окончания заправки закрывается клапан 6 на заправочном трубопроводе 5. Если по условиям эксплуатации работа ЭУ после окончания заправки сразу не требуется, то клапан 8 на дренажном трубопроводе 7 остается открытым и осуществляется режим работы емкости с открытым дренажем. В этом режиме производится отвод паров испаряющегося криогенного продукта за счет теплопритоков к нему из окружающей среды. При наклонах емкости в любом направлении жидкость не будет попадать в полость дренажного трубопровода, т.к. его открытый конец расположен в зоне вершины емкости и при реальной начальной паровой подушке (10-15)% и реальных углах наклона - не более 30^o открытый конец дренажного трубопровода будет все время находиться в зоне пара.

Поэтому при хранении криогенного продукта в емкости с открытым дренажом будет отбираться только пар, что обеспечит исключение незапланированных потерь криогенного продукта при работе в таком режиме.

Если требуется работа ЭУ, то необходимо поднять давление в емкости 1 до требуемого рабочего уровня, например, до 8 кгс/см² (нижний рабочий уровень). Для этого закрывается клапан 8, открываются клапаны 10, 12 и производится отбор жидкого криогенного продукта под действием силы тяжести в теплообменник-испаритель 11 (через него все время прокачивается теплоноситель), где жидкость сначала испаряется, а затем нагревается до плюсовых температур и нагретая по соединительному трубопроводу 9 подается в участок дренажного трубопровода, находящийся внутри емкости 1, размещенный в полости туннельной трубы 13 и выполненный в виде вертикальной петли 17, участок которой, находящийся ниже уровня жидкости 19, снабжен тепловыми ребрами 20, которые увеличивают поверхность теплообмена и на начальном участке входа газа наддува исключают пленочный режим кипения, при котором эффективность теплообмена меньше, чем при пузырьковом режиме. Проходя по этому участку газ наддува будет отдавать все тепло жидкости.

За счет подводимого тепла жидкость в полости туннельной трубы 13 будет испаряться и поступать в паровое пространство емкости. Охлажденный газ наддува с температурой, превышающей температуру жидкости, например, на 1^o тоже будет поступать в паровое пространство емкости. В процессе испарения в полость туннельной трубы 13 через перфорированные отверстия 15, площадь которых не меньше площади сечения туннельной трубы, чтобы не создавать дополнительных гидравлических сопротивлений, будет все время поступать жидкость из основной полости емкости 1. Постепенно за счет увеличения массы газа в паровом пространстве емкости как, в основном, за счет испаряющейся жидкости, так и за счет газа наддува давление в емкости возрастет до требуемого рабочего уровня.

Благодаря размещению участка дренажного трубопровода в полости туннельной трубы 13 время подъема давления будет существенно меньше, чем при отсутствии туннельной трубы, т. к. в этом случае отводимое от поверхности дренажного трубопровода тепло распространялось бы по всему объему жидкости. В результате основная доля тепла шла бы на прогрев основной массы жидкости и только незначительная часть - на испарение. Как было выше отмечено, основная доля газа, поступающая в паровое пространство - это испаряющаяся жидкость (так, например, для водорода масса испаряющихся паров за счет подвода тепла к жидкости при охлаждении 1 кг газа наддува от 300 K до 22 K составляет ~7 кг). Поэтому время подъема давления при отсутствии туннельной трубы составило бы существенную величину, которое на ряде изделий неприемлемо по условиям эксплуатации. Диаметр туннельной трубы должен быть минимально возможным и определяться диаметром дренажного трубопровода, радиусом его гиба и минимально возможным зазором между внутренней поверхностью туннельной трубы и оребренной наружной поверхностью дренажного трубопровода. Это позволит локализовать зону испарения и все подводимое газом наддува тепло использовать на испарение, не прогревая при этом основную массу жидкости.

После подъема давления в емкости до требуемого рабочего уровня открывается клапан 24 на отборном трубопроводе 23 и производится отбор криогенного продукта к потребителю, например, в ЭХГ ЭУ. При колебаниях жидкости в емкости в процессе выдачи криогенного продукта, связанных, например, с качкой изделий, на которых установлены емкости в составе ЭУ, давление в емкости не упадет, т.к. температура пара в паровой подушке емкости при перемешивании криогенного продукта и конденсации пара не изменится и, как следствие, падения давления не будет.

В процессе отбора давление в емкости будет поддерживаться в рабочем диапазоне за счет наддува газа в паровое пространство емкости и испарения туда паров жидкости как за счет тепла газа наддува, так и за счет теплопритоков из окружающей среды. С течением времени температура основной массы жидкости за счет теплопритоков из окружающей среды будет повышаться и достигнет уровня, которому соответствует уровень рабочего давления. После этого провалы давления ниже рабочего уровня при перемешивании криогенного продукта не будут иметь места.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяет достичь нового технического результата: исключить падение давления в емкости ниже рабочего уровня в процессе выдачи из нее криогенного продукта и минимизировать потери криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажом.

Устройство для хранения и подачи криогенных продуктов содержит теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, заправочный и дренажный трубопроводы с запорными клапанами, к которым на участках между кожухом и клапанами подключен соединительный трубопровод, содержащий теплообменник-испаритель и запорную арматуру, к которому после теплообменника-испарителя подключен отборный трубопровод. Внутри емкости соосно с вертикальной ее осью расположена туннельная труба, закрепленная на днище и куполе емкости и перфорированная в этих зонах. При этом суммарная площадь перфорационных отверстий в зоне купола не меньше площади сечения дренажного трубопровода, а в зоне днища - не меньше площади сечения туннельного трубопровода. Участок дренажного трубопровода, находящийся внутри емкости, размещен в полости туннельного трубопровода и выполнен в виде вертикальной петли, открытый конец которой расположен в зоне купола емкости, причем участок вертикальной петли, находящийся в жидкости при заданной начальной степени заполнения емкости, снабжен тепловыми ребрами. Использование изобретения позволит исключить падение давления в емкости ниже рабочего уровня в процессе выдачи из нее криогенного продукта и минимизировать потери криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажем. 1 ил.

Устройство для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащее теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, заправочный и дренажный трубопроводы с запорными клапанами, к которым на участках между кожухом и клапанами подключен соединительный трубопровод, содержащий теплообменник-испаритель и запорную арматуру, к которому после теплообменника-испарителя подключен отборный трубопровод, отличающееся тем, что в емкость введена туннельная труба, расположенная соосно с вертикальной осью емкости, закрепленная на днище и куполе емкости и перфорированная в этих зонах, при этом суммарная площадь перфорационных отверстий в зоне купола не меньше площади сечения дренажного трубопровода, а в зоне днища - не меньше площади сечения туннельного трубопровода, участок дренажного трубопровода, находящийся внутри емкости, размещен в полости туннельного трубопровода и выполнен в виде вертикальной петли, открытый конец которой расположен в зоне купола емкости, причем участок вертикальной петли, находящийся в жидкости при заданной начальной степени заполнения емкости, снабжен тепловыми ребрами, а его суммарная площадь оребренной наружной поверхности определяется из выражения
F_нар = G c 1n (t_вх-t_ж)/(t_вых - t_ж)/К,
где F_нар - суммарная площадь оребренной наружной поверхности участка вертикальной петли;
G - расход газа наддува в начальный период выдачи криогенного продукта;
с - теплоемкость газа наддува;
t_вх - температура газа наддува в месте входа дренажного трубопровода в жидкость;
t_ж - температура жидкой фазы криогенного продукта после окончания заправки емкости;
t_вых = t_ж + Δt - температура газа наддува на выходе из дренажного трубопровода;
Δt - принятое превышение температуры газа наддува над температурой жидкой фазы криогенного продукта на выходе из дренажного трубопровода;
К - коэффициент теплопередачи от газа наддува к жидкости через стенку дренажного трубопровода, оребренную с наружной стороны.