СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ КРИОГЕННЫХ ТРУБОПРОВОДОВ И КРИОГЕННЫЙ ТРУБОПРОВОД Российский патент 2001 года по МПК F16L9/18 F16L59/06 

Изобретение относится к области криогенной техники и может быть использовано при изготовлении средств транспортировки криогенной жидкости.

Широко известны способы поддержания высокого вакуума в теплоизоляционной полости, заключающиеся в эвакуации остаточных газов с помощью криоконденсационных и криоадсорбционных насосов (Розанов Л.Н. Вакуумная техника. М.: Высшая школа, 1990). Эти насосы наиболее распространены в криогенной технике для поддержания вакуума в теплоизоляционных полостях. Однако криоконденсационные и криосорбционные насосы, охлаждаемые криогенной жидкостью с температурой кипения, превышающей водородную, не позволяют удалить остаточный водород ввиду ограниченной поглотительной способности адсорбентов при этих температурах, а также невозможности конденсации водорода при этих температурах.

Известен способ откачки вакуумных систем при помощи сорбционных насосов, в котором с целью удаления остаточных газов систему периодически промывают газообразным азотом (а.с. N 164920, 27 C 3/02,1962).

Известно, что промывка вакуумной системы сухим азотом 5-6 раз снижает уровень газовыделений в 7 раз (Куприянов В.И., Чубаров Е.В., Тарасов Н.Н., Буланов В. И. Газовыделение материалов в непрогреваемых вакуумных системах. Методическое пособие. - М., Министерство химического и нефтяного машиностроения, 1985), что позволяет снизить минимальное остаточное давление на порядок до момента, пока новые порции водорода в результате диффузии не подойдут к поверхностным слоям. Однако этот способ дорогостоящий и трудоемкий.

Известен способ поддержания вакуума с применением ионных насосов, в которых используется сочетание ионизации и хемосорбции (патент ФРГ N 3332606, F 04 B 37/02, 1983). Ионные насосы относятся к безмасляным средствам откачки и вполне могли бы использоваться для откачки взрывоопасных криогенных трубопроводов. Однако, к их недостаткам можно отнести высокую энергоемкость, относительно высокую стоимость агрегата и дополнительного оборудования, необходимость контроля работы и регламента оборудования, пожароопасность при работе на криогенных трубопроводах, так как используется электроэнергия (особенно при работе в течение длительного времени).

Наиболее близким к предлагаемому является способ работы криогенного трубопровода, (а. с. N 637588, F 16 L 9/18, F 16 L 59/14, F 16 L 59/06, 1977), в котором в период регенерации криоадсорбционного насоса через спиральный трубопровод подается горячий теплоноситель, например горячий газ, что вызывает десорбцию адсорбированной мелкодисперсным адсорбентом среды. В результате увеличения эффективности процесса регенерации, осуществляемого нагревом адсорбента с помощью спирального трубопровода, достигается увеличение межрегламентного периода криогенного трубопровода. Это связано с тем, что существенно увеличивается поглотительная способность адсорбента.

Известный криогенный трубопровод (а.с. СССР N 637588, F 16 L 9/18, F 16 L 59/14, F 16 L 59/06, 1977), выбранный в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит собственно трубопровод, охваченный кожухом, пространство между которыми вакуумированно с помощью адсорбента, размещенного в трубчатых патронах, охватывающих трубопровод. Внутри трубчатых патронов установлен змеевик для подачи греющего газа.

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не обеспечивают заданный уровень давлений теплоизоляционной полости криогенного трубопровода в течение длительного времени без проведения регламентных работ и низкую испаряемость криогенной жидкости. Это объясняется тем, что материал кожуха трубопровода и изоляции обладает определенным газосодержанием. В процессе эксплуатации газ выделяется в теплоизоляционную полость. Основной компонентой газовыделений обычно является водород, который составляет преимущественно атмосферу остаточных газов. В результате в теплоизоляционной полости увеличивается парциальное давление остаточных газов и вместе с ним растет общее рабочее движение, достигая предельно допустимого уровня. При достижении предельно допустимого уровня давления в теплоизоляционной полости криогенного трубопровода, как правило, криоадсорбционный насос еще имеет высокую поглотительную способность по основным газам. Однако, эксплуатирующий персонал вынужден проводить работы по снижению в ТИП криогенного трубопровода. Эти работы заключаются в проведении регенерации. Но после проведения регенерации, ввиду наличия остаточной атмосферы, криоадсорбционный насос не в состоянии достигнуть предельно высокого вакуума. Как известно, основным газом, входящим в состав остаточной атмосферы, является водород. Водород, кроме того, что лимитирует достижение высокого вакуума криоадсорбционными устройствами, работающими при температуре выше 20К, еще вносит вклад в теплопередачу даже в небольших количествах. Так, теплопроводность водорода в высоком вакууме между поверхностями с температурами 293К и 77К в 3,2 раза выше теплопроводности CO₂, в 2,3 раза выше теплопроводности гелия, в 2,73 раза выше теплопроводности H₂O и в 3,76 раза выше теплопроводности воздуха.

Задачей является повышение эффективности, экономичности и надежности способа эксплуатации криогенного трубопровода.

Технический результат заключается в увеличении межрегламентного периода, в снижении эксплуатационных и энергетических затрат, в сокращении потерь криогенной жидкости при обеспечении повышенной пожарной безопасности криогенного трубопровода.

Технический результат для способа достигается тем, что в способе эксплуатации криогенные трубопроводов, включающем поучение вакуума в теплоизоляционной полости с помощью встроенных криоадсорбционных насосов и регенерацию путем нагрева адсорбента, новым является то, что после достижения рабочего давления в теплоизоляционной полости отогретого криогенного трубопровода разогревают наружный кожух трубопровода до температуры десорбции остаточных газов путем нанесения на кожух прозрачного покрытия из материала, задерживающего инфракрасное изучение, причем поддерживают в полости рабочее давление с помощью вспомогательных откачных средств, после понижения давления в теплоизоляционной полости и его стабилизации прекращают откачку, и с помощью геттерного вещества, реагирующего с остаточными газами в теплоизоляционной полости, их удаляют, после чего перед подачей криогенной жидкости прозрачное покрытие снимают, при этом геттерное вещество представляет собой низкотемпературный нераспыляемый химический поглотитель водорода на основе окислов металлов с интерметаллидным диспергированным катализатором.

Это позволяет активизировать процесс дегазации водорода из глубинных слоев материала кожуха трубопровода в вакуумный объем за счет использования "парникового" эффекта, создаваемого на наружной поверхности кожуха, и эвакуации основной составляющей остаточной атмосферы - водорода нераспыляемым химическим поглотителем на основе окислов металлов с интерметаллидным диспергированным катализатором, подготовленным по специальной технологии, применяемого при температуре, равной или незначительно превышающей рабочую температуру между стенками трубопровода.

Задача для устройства заключается в повышении эксплуатационных качеств криогенного трубопровода, а именно в повышении эффективности транспортировки криогенной жидкости, экономичности и надежности функционирования.

Технический результат для устройства заключается в интенсификации процесса газовыделения кожуха протяженного криогенного трубопровода и удалении остаточного водорода с помощью специального химического патрона на основе низкотемпературного химического поглотителя водорода.

Технический результат для устройства достигается тем, что в криогенном трубопроводе, содержащем собственно трубопровод, охваченный кожухом, полость между которыми вакуумирована с помощью адсорбента, размещенного в трубчатых патронах, охватывающих трубопровод, внутри трубчатых патронов с адсорбентом установлен змеевик для подачи греющего газа, новым является то, что он снабжен химическим патроном, содержащим корпус, выполненный из металла с наружным теплоизоляционным покрытием, размещенную внутри корпуса герметичную капсулу с соединительным патрубком, в герметичную капсулу химического патрона вмонтирована тепловая труба с перфорированным оребрением, внутри герметичной капсулы на поверхности тепловой трубы установлен фильтр, выполненный с образованием полости, в которой размещен нераспыляемый химический поглотитель, сообщенный посредством соединительного патрубка с вакуумной теплоизоляционной полостью криогенного трубопровода, при этом герметичная капсула охвачена кольцевой герметичной камерой, заполненной веществом с большим коэффициентом теплоемкости, с внешней части тепловой трубы прижаты тепловые контакты, представляющие собой дугообразные герметичные камеры, полости которых через сильфоны и патрубки сообщены с пустотелыми тепловыми панелями, выполненными из металла с высокой теплопроводностью, а их внутренние стенки покрыты капиллярной структурой с разрывом в верхней части панелей, полости отвакуумированы и заполнены частично рабочей жидкостью, при этом тепловые панели, патрубки с сильфонами и камеры установлены с обеспечением гидравлического стока от камер к тепловым панелям. Кроме того, в качестве вещества с высоким коэффициентом теплоемкости использован парафин, а в качестве рабочей жидкости применен этиловый эфир.

При этом тепловые панели размещены с образованием двугранного угла между ними величиной больше 180^o, а поверхности панелей покрыты черной матовой светопоглощающей краской. Кроме того, тепловые панели размещены в теплоизолированном корпусе с прозрачной верхней крышкой. При этом соединительный патрубок снабжен отводом, размещенным между вакуумным клапаном и фланцем, причем отвод снабжен вакуумным клапаном и присоединительным фланцем.

Это позволяет в предлагаемом устройстве обеспечить работу геттерного вещества в оптимальном режиме и обеспечить его термостатирование в необходимом диапазоне температур с помощью энергии окружающей среды.

На приведенных чертежах (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) изображена конструкция устройства, реализующего заявляемый способ.

На фиг. 1 изображен общий вид конструкции криогенного трубопровода с химическим патроном, где:
1 - трубопровод, 2 - кожух, 3 - полость, 4 - адсорбент, 5 - трубчатые патроны, 6 - змеевик, 7 - соединительный патрубок, 8 - химический патрон, 29 - отвод, 30 - фланец, 31 - вакуумный клапан, 32 - присоединительный фланец.

На фиг. 2 изображен химический патрон и химический патрон в разрезе, где:
9 - герметичная капсула, 10 - фильтр, 11 - вакуумный трубопровод, 12 - вакуумный клапан, 13 - тепловая труба, 14 - химический поглотитель, 15 - кольцевая герметичная камера, 16 - парафин, 17 - торцевая стенка, 18, 19 - дугообразные герметичные камеры, 20, 21 - сильфоны, 22, 23 - патрубки, 24, 25 - пустотелые тепловые панели.

На фиг. 3 изображена конструкция тепловой панели, где:
26 - капиллярная структура, 27 - теплоизолированный корпус, 28 - прозрачная верхняя крышка.

Криогенный трубопровод содержит собственно трубопровод 1, охваченный кожухом 2, полость 3, между которыми вакуумирована с помощью адсорбента 4, размещенного в трубчатых патронах 5, охватывающих трубопровод 1, внутри трубчатых патронов 5 с адсорбентом установлен змеевик 6 для подачи греющего газа. С теплоизоляционной полостью 3 связан посредством соединительного патрубка 7 химический патрон 8, установленный вне теплоизоляционной полости 3. Химический патрон 8 содержит герметичную капсулу 9, фильтр 10, выполненный с образованием полости, которая посредством вакуумного трубопровода 11, соединительного патрубка 7, вакуумного клапана 12 связана с вакуумной теплоизоляционной полостью 3 криогенного трубопровода. В герметичную капсулу 9 химического патрона 8 вмонтирована тепловая труба 13 с перфорационным оребрением, предназначенным для увеличения теплового контакта тепловой трубы 13 с химическим поглотителем 14, размещенным между фильтром 10 и наружной поверхностью тепловой трубы 13. Герметичная капсула 9 охвачена кольцевой герметичной камерой 15, заполненной парафином 16. Торцевая стенка 17, являющаяся общей для герметичной капсулы 9 и кольцевой герметичной камеры 15, выполнена из материала с высокой теплопроводностью.

К внешней части тепловой трубы 13 прилегают (в рабочем состоянии) тепловые контакты, представляющие собой дугообразные герметичные камеры 18 и 19, полости которых через сильфоны 20 и 21 и патрубки 22 и 23 сообщены с пустотелыми тепловыми панелями 24 и 25. Тепловые панели 24 и 25 выполнены из металла с высокой теплопроводностью (медь, алюминий), внутренние стенки покрыты внутренней капиллярной структурой 26 с разрывом в верхней части панелей, полости отвакуумированы и заполнены частично рабочей жидкостью - этиловым эфиром. Тепловые панели 24 и 25, патрубки 22 и 23 с сильфонами 20 и 21 и камерами 18 и 19 установлены таким образом, чтобы соблюдая уклон (сток) от камер 18 и 19 к панелям 24 и 25, панели наиболее эффективно освещались солнечными лучами в течение дневного времени. Для улучшения поглощения световой энергии солнца рабочие (освещаемые) поверхности панелей 24 и 25 окрашены черной матовой светопоглощающей краской 26. Панели размещены в теплоизолированном корпусе 27 с прозрачной верхней крышкой 28.

С целью повышения эффективности использования инсоляции тепловые панели размещены с образованием двугранного угла между ними величиной больше 180^o.

Для обеспечения возможности контроля герметичности фланцевого соединения соединительный патрубок 7 снабжен отводом 29, размещенным между вакуумным клапаном 12 и фланцем 30, при этом отвод снабжен вакуумным клапаном 31 и присоединительным фланцем 32.

Способ реализуется следующим образом. Как известно, газовый поток, обусловленный газовыделением, - монотонно убывающая функция времени. Основной составляющей остаточной атмосферы является водород в связи с тем, что он является основной компонентой газовыделения. Для интенсификации газовыделения водорода и эвакуации его из вакуумной полости, особенно в первые годы после монтажа трубопровода, целесообразно использовать предлагаемый способ работы крупных магистральных криогенных трубопроводов. Для этого в солнечные дни на поверхность криогенного трубопровода накладывают прозрачный чехол, выполненный, например, из полиэтиленовой пленки. При этом солнечные лучи, проходя через пленку, разогревают поверхностный слой криогенного трубопровода, окрашенного белой матовой краской, до 180^oC, а алюминиевой пудрой - до 100-120^oC. Причем, между пленкой и поверхностью трубопровода создается микроклимат, инфракрасные лучи, идущие от разогреваемой поверхности трубопровода, задерживаются полиэтиленовым покрытием. Разогретый материал кожуха трубопровода начинает эффективно выделять газ. При этом посредством вспомогательных откачных средств удаляют продукты газовыделения из вакуумной теплоизоляционной полости. После понижения давления в теплоизоляционной полости и его стабилизации прекращают откачку вспомогательными средствами откачки. Сообщают теплоизоляционную полость с объемом, в котором размещено геттерное вещество, реагирующее с остаточными газами в теплоизоляционном пространстве, представляющее низкотемпературный нераспыляемый химический поглотитель водорода на основе окислов металлов с интерметаллидным диспергированным катализатором, подготовленным по специальной технологии. Перед подачей криогенного продукта прозрачное покрытие снимают.

Работа устройства. После уменьшения давления в полости и последующей стабилизации давления в полости прекращают откачку вспомогательными вакуумными средствами. Открывают вакуумный вентиль, сообщают вакуумную теплоизоляционную полость с герметичной капсулой, в которой нераспыляемый химический поглотитель взаимодействует с выделенным в теплоизоляционную полость водородом. Рабочая температура химического поглотителя поддерживается в заданном диапазоне температур следующим образом. Световой поток, проходя через прозрачную верхнюю крышку тепловых панелей, поглощается черной матовой светопоглощающей краской. Тепло, образующееся при этом, разогревает панели. Причем инфракрасное излучение задерживается прозрачной верхней крышкой. Нижние и боковые поверхности панелей изолированы теплоизоляцией. При подводе теплового потока к рабочей жидкости она испаряется и преобразуется в пар, в патрубках увеличивается давление, в результате сильфоны расширяются, дугообразные герметичные камеры приходят в движение и поджимаются к внешней части тепловой трубы. Таким образом, тепловой поток передается через тепловую трубу к химическому поглотителю и к кольцевой герметической камере, заполненной парафином через торцевую стенку. Парафин является аккумулятором тепловой энергии. При понижении температуры окружающей среды ниже заданной рабочей температуры дугообразные герметичные клапаны отходят от поверхности тепловой трубы, препятствуя тем самым отводу запасенной тепловой энергии в окружающую среду через тепловые панели. Аккумулятор тепловой энергии обеспечивает термостатирование химического поглотителя во время прекращения поступления тепловой энергии от тепловых панелей.

При эксплуатации криогенного трубопровода с химическим патроном для создания вакуума в теплоизоляционной полости нет надобности в криогенном продукте, электроэнергии, нет зависимости от аварий в системе электропитания и от отключения электроэнергии. Положительной стороной устройства является также то, что оно относится к откачным средствам массового действия. То есть расход химического поглотителя, характеризующий затраты на откачку, пропорционален количеству откачиваемого газа, и в случае если масса газа, поступающего в теплоизоляционную полость, уменьшится, энергетические затраты также сократятся. Заявляемая конструкция позволяет обеспечить увеличение межрегламентного периода, снижение эксплутационных затрат, сокращение потерь криогенной жидкости при обеспечении повышенной пожарной безопасности криогенного трубопровода.

Использование предлагаемого способа работы криогенного трубопровода позволяет по сравнению с известным повысить межрегламентный период теплоизоляции и насосной группы на 50% за счет эффективного инициирования газовыделения со стенок кожуха и эффективного удаления основной составляющей остаточной атмосферы - водорода в течение длительного времени, снизить трудозатраты на регенерацию адсорбента при эксплуатации на 50%, сократить энергозатраты на регенерацию на 60%, достичь существенной экономии криогенной жидкости на 50% за счет постоянной эвакуации остаточного водорода из теплоизоляционной полости, избежать необходимости проведения операции "полоскание" теплоизоляционной полости сухим азотом при увеличении давления в ней в результате накопления остаточного водорода.

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при изготовлении средств транспортировки криогенной жидкости. После изготовления криогенного трубопровода после получения рабочего давления в теплоизоляционной полости отогретого криогенного трубопровода разогревают наружный кожух трубопровода с помощью использования "парникового" эффекта, поддерживают в полости рабочее давление с помощью вспомогательных откачных средств, после понижения давления в полости и его стабилизации прекращают откачку вспомогательными средствами откачки, сообщают теплоизоляционную полость с химическим патроном новой конструкции. Химический патрон содержит корпус, выполненный из металла с наружным теплоизоляционным покрытием, размещенную внутри корпуса герметичную капсулу с соединительным патрубком, в герметичную капсулу химического патрона вмонтирована тепловая труба, внутри герметичной капсулы на поверхности тепловой трубы установлен фильтр, выполненный с образованием полости, в которой размещен нераспыляемый химический поглотитель, сообщенный посредством соединительного патрубка с вакуумной теплоизоляционной полостью, при этом герметичная капсула связана с устройством трансформации солнечной световой энергии в тепловую и односторонней передачи тепла. Изобретение позволяет увеличить межрегламентный период теплоизоляции криогенных трубопроводов, снизить эксплуатационные и энергетические затраты, сократить потери криогенной жидкости во время ее транспортировки при обеспечении повышенной пожарной безопасности криогенного трубопровода. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ эксплуатации криогенных трубопроводов, включающий получение вакуума в теплоизоляционной полости с помощью встроенных криоадсорбционных насосов и регенерацию путем нагрева адсорбента, отличающийся тем, что после достижения рабочего давления в теплоизоляционной полости отогретого криогенного трубопровода разогревают наружный кожух трубопровода до температуры десорбции остаточных газов путем нанесения на кожух прозрачного покрытия из материала, задерживающего инфракрасное излучение, причем поддерживают в полости рабочее давление с помощью вспомогательных откачных средств, после понижения давления в теплоизоляционной полости и его стабилизации прекращают откачку и с помощью геттерного вещества, представляющего собой низкотемпературный нерасплавляемый химический поглотитель водорода на основе окислов металлов с интерметаллидным диспергированным катализатором и реагирующего с остаточными газами в теплоизоляционной полости, их удаляют. 2. Криогенный трубопровод, содержащий собственно трубопровод, охваченный кожухом, полость между которыми вакуумирована с помощью адсорбента, размещенного в трубчатых патронах, охватывающих трубопровод, внутри трубчатых патронов с адсорбентом установлен змеевик для подачи греющего газа, отличающийся тем, что он снабжен химическим патроном, содержащим корпус, выполненный из металла с наружным теплоизоляционным покрытием, размещенную внутри корпуса герметичную капсулу с соединительным патрубком, в герметичную капсулу химического патрона вмонтирована тепловая труба с перфорированным оребрением, внутри герметичной капсулы на поверхности тепловой трубы установлен фильтр, выполненный с образованием полости, в которой размещен нераспыляемый химический поглотитель, сообщенный посредством соединительного патрубка с вакуумной теплоизоляционной полостью криогенного трубопровода, при этом герметичная капсула охвачена кольцевой герметичной камерой, заполненной веществом с большим коэффициентом теплоемкости, к внешней части тепловой трубы прижаты тепловые контакты, представляющие собой дугообразные герметичные камеры, полости которых через сильфоны и патрубки сообщены с пустотелыми тепловыми панелями, выполненными из металла с высокой теплопроводностью, а их внутренние стенки покрыты капиллярной структурой с разрывом в верхней части панелей, полости отвакуумированы и заполнены частично рабочей жидкостью, при этом тепловые панели, патрубок с сильфонами и камеры установлены с обеспечением гидравлического стока от камер к тепловым панелям. 3. Криогенный трубопровод по п.2, отличающийся тем, что в качестве вещества с высоким коэффициентом теплоемкости использован парафин, а в качестве рабочей жидкости применен этиловый эфир. 4. Криогенный трубопровод по п.2, отличающийся тем, что тепловые панели размещены с образованием двугранного угла между ними величиной больше 180^o, а поверхности панелей покрыты черной матовой светопоглощающей краской. 5. Криогенный трубопровод по п.2, отличающийся тем, что тепловые панели размещены в теплоизоляционном корпусе с прозрачной верхней крышкой. 6. Криогенный трубопровод по п.2, отличающийся тем, что соединительный патрубок снабжен отводом, размещенным между вакуумным клапаном и фланцем, при этом отвод снабжен вакуумным клапаном и присоединительным фланцем.