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

Изобретение относится 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. патент 2094697 Россия, МКИ F 17 C 17/00), содержащее теплоизолированную емкость, дренажный и заправочно-отборный трубопроводы с запорными клапанами, при этом заправочно-отборный трубопровод выведен из нижней части емкости и имеет подъемный участок.

Известно также устройство для хранения и подачи криогенных продуктов, выбранное в качестве прототипа (см. Филин Н.В., Буланов А.Б. Жидкостные криогенные системы. Л.: Машиностроение, 1985, стр. 174, рис. 6.3), содержащее теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, дренажный и заправочный трубопроводы с запорными клапанами, при этом заправочный трубопровод выведен из нижней части емкости и имеет подъемный участок.

Недостатком аналога и прототипа является то, что они исключают попадание жидкости в теплую зону трубопровода, выведенного из нижней части емкости и имеющего подъемный участок только при отсутствии перегрузок в процессе эксплуатации устройств для хранения и подачи криогенных продуктов. При эксплуатации этих устройств в условиях перегрузок, что, например, имеет место при эксплуатации устройств, установленных в составе ЭУ, жидкость будет проникать в теплую зону трубопровода и тем дальше, чем больше перегрузка. Там она будет нагреваться и частично испаряться в зависимости от величины теплоподвода, и затем парожидкостная смесь будет выбрасываться в емкость за счет повышения давления в полости трубопровода. Выброшенная в емкость парожидкостная смесь будет охлаждаться и конденсироваться, отдавая тепло хранимому в емкости криогенному продукту. После выброса из полости трубопровода парожидкостной смеси в емкость она опять будет заполняться жидкостью из емкости, т. е. возникнут термические колебания, при наличии которых теплоприток к хранимому криогенному продукту возрастет в десять и более раз. Режим работы устройств для хранения и подач криогенных продуктов, установленных в составе ЭУ, с дренированием испаряющихся криогенных продуктов за счет теплопритоков из окружающей среды может быть продолжительным. Поэтому потери криогенных продуктов за это время составят существенную величину, что приведет в дальнейшем к невозможности выполнения запланированной программы работы ЭУ.

Задачей настоящего изобретения является минимизация потерь криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажем за счет исключения попадания жидкости в теплую зону трубопровода, выведенного из нижней части емкости как при отсутствии, так и при наличии перегрузок.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащее теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, дренажный, заправочный и отборный трубопроводы с запорными клапанами, при этом отборный трубопровод выведен из нижней части емкости и имеет подъемный участок, верхний конец подъемного участка подсоединен к трубопроводу, навитому с тепловым контактом на наружную поверхность емкости, а длина этого трубопровода должна быть не менее величины, определяемой из выражения:

где L - длина участка трубопровода, навитого на наружную поверхность емкости;
V₀ - объем полости отборного трубопровода от верхнего конца подъемного участка до запорного клапана при давлении P₀,
P₀ = ρ • g • H + P_н - давление в полости отборного трубопровода при отсутствии перегрузок;
P₁ = (n_max + 1)• ρ • g • H + P_н - давление в полости отборного трубопровода при максимальной заданной перегрузке;
ρ - плотность хранимого криогенного продукта;
H - высота столба жидкой фазы криогенного продукта в емкости;
P_н - давление наддува в емкости;
g - ускорение свободного падения;
n_max - максимальная заданная перегрузка;
d - внутренний диаметр отборного трубопровода.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными на сегодняшний день техническими решениями вновь созданное устройство для хранения и подачи криогенных продуктов позволяет минимизировать потери криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажом за счет исключения попадания жидкости в теплую зону трубопровода, выведенного из нижней части емкости как при отсутствии, так и при наличии перегрузок.

Это достигается тем, что верхний конец подъемного участка трубопровода, выведенного из нижней части емкости, подсоединен к трубопроводу, навитому с хорошим тепловым контактом на наружную поверхность емкости. Температура стенок навитого на емкость трубопровода благодаря хорошему тепловому контакту будет такая же, как и температура оболочки емкости, т.е. практически равна температуре хранимого криогенного продукта. Поэтому попадающая в него при перегрузках жидкость не будет нагреваться, испаряться и затем выбрасываться в емкость, как в известных устройствах, т.е. условий для возникновения термических колебаний, приводящих к существенному повышению теплопритоков к хранимому криогенному продукту, не будет. Дальше этого холодного участка жидкость не проникнет, т.к. его длина выбирается такой, что даже при максимальных перегрузках жидкость не выходит за его пределы и, следовательно, не попадает в теплую зону трубопровода. Длина трубопровода, навитого с тепловым контактом на наружную поверхность емкости, выбирается из следующих соображений. Зная диаметр трубопровода d, его длину от верхнего конца подъемного участка до запорного устройства (в этой полости при отсутствии перегрузок всегда находится паровая фаза) определяется объем этого участка трубопровода V₀. Давление газа в этой полости будет равно полному статическому давлению P₀, складывающемуся из давления в емкости P_н и давления столба жидкости, равного ρ • g • Н. При возникновении перегрузок (при расчете длины принимается максимально-возможная перегрузка, которая может иметь место при транспортировке и эксплуатации устройства) давление в полости трубопровода будет
P₁=(n_max + 1) • ρ • g • H + P_н
Из условия P₀ • V₀ = P₁ • V₁ находится объем, занимаемый газом при давлении P₁, т.е. Разность объемов - это объем проникшей в полость трубопровода жидкости, начиная от верхнего конца подъемного участка. Исходя из этого объема находится длина проникновения жидкости при максимальной перегрузке. Например, при установке ЭУ с входящими в нее устройствами для хранения и подачи криогенных водорода и кислорода на изделиях, эксплуатируемых в воздухе или на воде, а также при перевозке криогенных продуктов в емкостях различными видами транспорта перегрузки могут достигать пяти единиц. При такой перегрузке расчет по вышеприведенному выражению длины холодного участка трубопровода диаметром 0,02 м для условий: хранимый криогенный продукт - водород, ρ = 58 кг/м³, P_н = 1,5 кгс/см², H = 5 м, V₀ = 6•10^-3 м³ приводит к результату - L = 1,8 м. Поэтому для исключения попадания жидкости в теплую зону трубопровода длина холодного участка, навитого на внутреннюю оболочку емкости, должна быть не менее 1,8 м.

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-термомостах 4. Устройство снабжено трубопроводом дренажа 5 с запорным клапаном 6, трубопроводом заправки 7 с запорным клапаном 8 и отборным трубопроводом 9 с запорным клапаном 10. Отборный трубопровод 9 выведен из нижней части емкости 1 и имеет подъемный участок 11, верхний конец 12 которого подсоединен к трубопроводу 13, навитому с хорошим тепловым контактом на наружную поверхность емкости 1. Внутри емкости 1 расположен измеритель уровня 14.

Работает устройство следующим образом. Открываются запорные клапаны 8, 6 и производится заправка емкости 1 криогенным продуктом, например жидким водородом. Контроль уровня водорода при заправке производится с помощью измерителя уровня 14. После окончания заправки закрываются клапаны 8, 6. Если по условиям эксплуатации работа ЭУ после окончания заправки сразу не требуется, т. е. выдачу криогенного продукта по отборному трубопроводу 9 к потребителю в ЭХГ производить не нужно, то клапан 6 на дренажном трубопроводе 5 остается открытым и осуществляется режим работы емкости с открытым дренажем. В этом режиме производится отбор паров испаряющегося криогенного продукта за счет теплопритоков к нему из окружающей среды. При работе в таком режиме, при отсутствии перегрузок, жидкость не выйдет из зоны подъемного участка 11, т.к. он является газовым затвором. При воздействии перегрузок в процессе эксплуатации ЭУ жидкость из емкости выйдет за пределы подъемного участка 11 и попадет в полость трубопровода 13, навитого на наружную поверхность емкости 1, но за пределы этого холодного трубопровода жидкость не выйдет, т.к. его длина выбрана такой, что даже при максимальных возможных перегрузках жидкость не попадет в теплую зону трубопровода 9.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяет достичь нового технического результата: исключить попадание жидкости в теплую зону трубопровода, выведенного из нижней части емкости, как при отсутствии, так и при наличии перегрузок и, следовательно, минимизировать потери криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажем.

Устройство для хранения криогенных продуктов содержит теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, дренажный, заправочный и отборный трубопроводы с запорными клапанами. При этом отборный трубопровод выведен из нижней части емкости и имеет подъемный участок, верхний конец которого подсоединен к трубопроводу, навитому с тепловым контактом на наружную поверхность емкости. Длина этого трубопровода выбирается из условия, при котором даже при максимальной перегрузке жидкость из емкости не выйдет за пределы этого холодного участка трубопровода и, следовательно, не попадет в теплую зону трубопровода при отсутствии расхода по этому трубопроводу. Использование изобретения позволит минимизировать потери криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажом. 1 ил.

Устройство для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащее теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, дренажный, заправочный и отборный трубопроводы с запорными клапанами, при этом отборный трубопровод выведен из нижней части емкости и имеет подъемный участок, отличающееся тем, что верхний конец подъемного участка подсоединен к трубопроводу, навитому с тепловым контактом на наружную поверхность емкости, а длина этого трубопровода должна быть не менее величины, определяемой из выражения:

где L - длина участка трубопровода, навитого на наружную поверхность емкости;
V₀ - объем полости отборного трубопровода от верхнего конца подъемного участка до запорного клапана при давлении Р₀;
Р₀ = ρ • g • H + Р_н - давление в полости отборного трубопровода при отсутствии перегрузок;
Р₁ = (n_max + 1) • ρ • g • H + Р_н - давление в полости отборного трубопровода при максимальной заданной перегрузке;
ρ - плотность хранимого криогенного продукта;
Н - высота столба жидкой фазы криогенного продукта в емкости;
Р_н - давление наддува в емкости;
g - ускорение свободного падения;
n_mах - максимальная заданная перегрузка;
d - внутренний диаметр отборного трубопровода.