СПОСОБ ХРАНЕНИЯ ЖИДКОГО ВОДОРОДА В ЕМКОСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2002 года по МПК F17C3/00 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано как для стационарного хранения жидкого водорода, так и для хранения его на транспортных средствах.

Аналогом предлагаемого способа является известный способ, при котором криогенный компонент содержится под постоянным избыточным давлением, а испаряющаяся его часть отводится из емкости (1).

Известно устройство для осуществления данного способа, включающее емкость с кожухом и трубопроводы подачи жидкости и отвода газа с вентилями и обратным клапаном [1].

Недостатком таких способа и устройства для его осуществления является то, что в случае с жидким водородом такой режим хранения не является оптимальным с точки зрения скорости нагрева криогенного компонента (т.е. срока хранения) и его потерь.

Тоже относится и к другим аналогичным устройствам, где уровень постоянного избыточного давления, при котором хранится водород, может находиться в пределах от 0,1 до 100 ати и более [1-4].

Более близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ, реализованный в [5] (прототип), где для увеличения срока его хранения часть жидкого водорода сливают, предотвращая схлопывание паровой подушки по мере нагрева жидкости.

Наиболее близким аналогом для устройства является устройство для хранения жидкого водорода в емкости по патенту РФ [6].

Это устройство содержит емкость жидкого водорода, датчики измерения давления в емкости и блок поддержания заданного давления.

Недостатком таких технических решений (как способа, так и устройства) является неоптимальный режим хранения водорода в емкости и неполное использование ее объема. Кроме того, устройство, реализующее такой способ, имеет достаточно сложную конструкцию за счет введения герметичной несущей перегородки. Суммарные потери компонента в связи с этим довольно значительны.

Таким образом, задачей нового технического решения является разработка такого способа хранения и устройства, его реализующего, который позволил бы, используя физические особенности жидкого водорода, максимально увеличить срок его хранения (т.е. уменьшить скорость нагрева жидкого водорода) и снизить потери водорода. Кроме того, жидкость полностью заполняет емкость и общее количество запасенного жидкого водорода увеличивается.

Устройство для реализации такого способа, кроме того, должно быть достаточно компактным, легким (за исключением самой емкости), а также надежным и безопасным в работе.

Задача решается тем, что при хранении жидкого водорода в емкости без газовой подушки, под избыточным давлением и отбором жидкого водорода с заданными интервалами по среднемассовой температуре жидкого водорода фиксируют давление в емкости, в начале каждого интервала сравнивают замеренное давление (Рнач) с давлением насыщенного пара (Ps), соответствующим среднемассовой температуре в конце данного интервала (Ткон), после чего при условии неравенства этих величин Рнач ≠ Ps = f (Ткон) поддерживают давление в емкости в течение времени данного интервала, равным давлению насыщенного пара Ps, соответствующему среднемассовой температуре жидкого водорода в конце интервала, при этом указанный процесс осуществляют до тех пор, пока давление в емкости не достигнет своего допустимого уровня.

При условии Рнач > Ps = f (Ткон) производят отбор жидкого водорода, а при Рнач < Ps = f(Tкон) жидкий водород в емкости сжимают.

Устройство для осуществления способа содержит емкость жидкого водорода, блок поддержания заданного давления, в него введены датчики измерения среднемассовой температуры и давления в емкости, процессор, два электронных задатчика числа импульсов, два комутатора, емкость газа высокого давления и редуктор, блок поддержания заданного давления выполнен в виде сильфона, заполненного жидким водородом, герметично установленного в газовой полости баллона, при этом внутренняя полость сильфона соединена трубопроводом с емкостью жидкого водорода и клапаном-регулятором отбора жидкого водорода, а газовая полость баллона соединена трубопроводом с клапаном-регулятором газа, вход которого через редуктор сообщен с емкостью хранения газа высокого давления, причем входы процессора соединены с датчиками измерения среднемассовой температуры жидкого водорода и давления в емкости, первый выход процессора соединен через последовательно установленные первый электронный задатчик числа импульсов, и первый коммутатор с управляемыми обмотками электрического двигателя клапана-регулятора жидкого водорода, снабженного патрубком отбора жидкого водорода, а второй выход процессора соединен через последовательно установленные второй электронный задатчик числа импульсов и второй коммутатор с управляемыми обмотками электрического двигателя клапана-регулятора газа.

Техническим результатом способа и устройства, его реализующего, является возможность за счет использования физических особенностей жидкого водорода максимально увеличить срок хранения жидкого водорода (т.е. уменьшить скорость его нагрева) и снизить потери жидкого водорода в процессе хранения.

Снижение скорости нагрева жидкого водорода достигается за счет использования его специфических теплофизических свойств. Именно известно, что изобарная теплоемкость водорода Ср существенно увеличивается в определенном интервале температур и давлений [3]. В наибольшей степени это характерно для температур Т~25+40 К и давлений Р~5÷25 атм. При этом теплоемкости соответствуют линии насыщения. Последнее иллюстрируется на фиг.1, 2. На фиг. 1 дается зависимость изобарной теплоемкости водорода от его температуры и давления. Максимум на каждой кривой соответствует состоянию насыщенного пара. Зависимость же давления насыщенного пара от температуры представлена на фиг. 2, где обозначено: 1 - линия насыщенного пара, 2 - область жидкой фазы, 3 - область газовой фазы, 4 - ломаная, аппроксимирующая линию насыщенного пара.

Суть предлагаемого способа состоит в том, чтобы по мере прогрева жидкого водорода в емкости создавать там такое давление, которое обеспечивало бы максимальную теплоемкость жидкого водорода при данной температуре, не допуская, однако, перехода жидкости в пар, т.е. давление в емкости должно быть несколько выше давления насыщенного пара. При этом повышать давление в емкости, "отслеживая" рост температуры жидкого водорода, следует "ступенчатым" образом, сохраняя давление на каждой ступеньке постоянным и большим давления насыщенного пара. На фиг. 2 это соответствует движению вверх не по линии насыщенного пара (1), а по ступенчатой ломаной (4), приближенной к линии насыщенного пара (1) сверху, со стороны жидкости (2).

Ширина таких ступенек, т.е. температурных интервалов с постоянным давлением вообще говоря произвольна, однако чем меньше эти интервалы, тем большую теплоемкость имеет жидкий водород. Соответственно тем медленнее повышается его температура.

Постоянный уровень давления в емкости можно поддерживать, например, отбирая жидкий водород из емкости. В случае, если давление в емкости падает ниже допустимого уровня и образуется паровая подушка, жидкий водород дополнительно сжимают и происходит конденсация пара. Сжатие жидкого водорода можно произвести, например, подавая в емкость дополнительное количество жидкого водорода.

Оценить количество жидкого водорода, отбираемого из емкости при таком способе хранения, можно, используя диаграмму состояния жидкого водорода, представленную на фиг. 3, где обозначено: 1 - изотермы состояния водорода, 2 - линия насыщения, 3 - область жидкости, 4 - область газа.

Эффективность хранения жидкого водорода в таком режиме иллюстрируется на примере криогенной емкости.

На фиг. 4 даны расчетные кривые измерения массы отбираемого жидкого водорода, давления в емкости, а также температуры этого компонента в емкости:
1 а, б - соответственно масса отбираемого жидкого водорода и давление в емкости при хранении водорода с газовой подушкой при постоянном давлении Р=5 атм. И отбором газовой фазы;
2 а, б - масса отобранного жидкого водорода и давление в емкости при изобарном хранении водорода без газовой подушки с повышенным давлением в емкости (Р= 20 атм);
3 а, б - масса отобранного жидкого водорода и давление в емкости при хранении водорода без паровой подушки, с отбором жидкости и при давлении, близком к давлению насыщенного пара.

Из фигуры видно, что в последнем случае жидкий водород нагревается медленнее всего: температура водорода в этом случае на 100÷200 ч "запаздывает" по сравнению с другими режимами хранения этого компонента. При этом масса отбираемого жидкого водорода также существенно меньше.

Таким образом хранение жидкого водорода по предлагаемому способу позволяет существенно снизить темп нагрева этого компонента (т.е. увеличить срок хранения) и уменьшить его потери. Новым в данном способе является обеспечение возможности хранения жидкого водорода "на пике" его теплофизических возможностей (т. е. при давлении, близком к давлению насыщенного пара и при максимальной теплоемкости компонента).

Для реализации данного способа разработано устройство, конструкция которого дана на фиг. 5, где обозначено:
1- емкость жидкого водорода; 2 - датчики среднемассовой температуры водорода; 3 - датчик давления в емкости; 4 - процессор; 5 - клапан-регулятор отбора жидкого водорода; 6 - патрубок отбора жидкого водорода; 7 - блок поддержания заданного давления; 8 - сильфон; 9 - газовая полость; 10 - клапан-регулятор газа; 11 - редуктор; 12 - емкость хранения газа высокого давления; 13, 17 - соответственно первый и второй выходы процессора; 14, 18 - электронные задатчики числа импульсов; 15, 19 - коммутаторы; 16, 20 - электродвигатели с управляемыми обмотками.

В начальный момент собирают схему и готовят ее к работе.

В емкости с жидким водородом 1 размещают датчик температуры 2 и датчик давления 3, соединенные с процессором 4. Емкость соединяют с клапаном-регулятором отбора жидкого водорода 5 с патрубком 6, а также емкость соединяют с потребителем и блоком поддержания заданного давления, выполненным в виде сильфона 8, внутренняя полость которого соединена с емкостью 1, а газовая полость 9 соединена через клапан-регулятор газа 10 и редуктор 11 с емкостью хранения газа высокого давления 12.

Выходы процессора 13 соединяют через задатчик числа импульсов 14 и коммутатор 15 с управляемыми обмотками двигателя 16. Второй вход процессора 17 соединяют через второй задатчик числа импульсов 18 и второй коммутатор 19 с управляемыми обмотками электродвигателя 20 клапана-регулятора газа 10.

В начальный момент клапаны-регуляторы закрыты, зависимость давления насыщенных паров от температуры жидкого водорода введена в процессор. Одновременно в процессор введен полный диапазон изменения температуры ΔT_о, ограниченный предельно допустимым давлением в емкости.

Предлагаемый способ хранения жидкого водорода осуществляется в следующей последовательности действий:
- После заполнения емкости жидким водородом (без газовой подушки) измеряют его начальную среднемассовую температуру Тнач. и по заданной величине первого интервала ΔT определяют конечную его температуру T_кон.= T_нач.+ ΔT.
- Контролируя давление в емкости, сжимают жидкий водород до давления, соответствующего давлению насыщенного пара Ps при конечной температуре Ткон данного температурного интервала Ps (Ткон). Сжатие проводят, например, путем закачки в емкость дополнительного количества жидкого водорода.

- После достижения в емкости давления Ps (Ткон.) начинают отбор жидкого водорода из емкости, сохраняя таким образом давление там неизменным. Этот процесс ведут до тех пор, пока среднемассовая температура жидкого водорода не достигнет конечной на данном интервале температуры Ткон.

- После этого отбор прекращают и повторяют все перечисления для следующего температурного интервала.

Все перечисленные операции проводят до тех пор, пока давление в емкости не достигнет своего предельно допустимого значения, т.е. не закончится заданный полный интервал возможного изменения температуры ΔT_o (заранее введенный в процессор).

Устройство реализует способ следующим образом.

Емкость 1 заполняют жидким водородом без паровой подушки, измеряют температуру То водорода после заправки по датчику температуры 2 и давление компонента после заправки Ро по датчику давления 3, и измерение значения вводятся в процессор 4. Клапан-регулятор отбора жидкого водорода 5 с патрубком 6 находится в закрытом положении. Процессор 4 вычисляет значение температуры на конце первого температурного интервала T₁= T_o+ ΔT, где ΔT - заданный шаг по температуре.

Для температуры T₁ процессор 4 вычисляет давление насыщенных паров жидкого водорода Ps₁, соответствующее этой температуре.

Для температуры T₁ процессор 4 вычисляет давление насыщенных паров жидкого водорода Ps₁, соответствующее этой температуре. Прогрев жидкого водорода на величину ΔT обуславливается теплопритоками к емкости в процессе хранения, что соответствует и увеличенному давлению. Поэтому давление, обеспечивающее использование эффекта повышенной теплоемкости жидкого водорода, обеспечивается работой блока поддержания заданного давления 7. Для этого в блок поддержания заданного давления 7, в котором сильфон 8 разделяет жидкостную полость от газовой 9. Через клапан-регулятор газа 10, редуктор 11 подают газ из емкости 12. При этом через первый выход 13 процессора 4 через электронный задатчик числа импульсов 14, коммутатор 15, электродвигатель с управляемыми обмотками 16 проверяется закрытое положение клапана 5; через второй выход 17 процессора 4 и через электронный задатчик числа импульсов 18, коммутатор 19, электродвигатель с управляемыми обмотками 20 обеспечивают работу клапана-регулятора газа 10, путем подачи заданного числа импульсов включений электродвигателя с управляемыми обмотками 20. Число импульсов определяется процессором 4, задается электронным задатчиком импульсов 18, подключается через коммутатор 19.

Такой привод регулирующего органа клапанов-регуляторов находит все большее применение в технике, совмещая современные достижения в области разработки арматуры и робототехники, обеспечивающей точное позиционирование регулирующего органа.

После прогрева жидкого водорода на величину ΔT процесс повторяют.

Процесс прекращают осуществлять в указанной последовательности после прогрева жидкого водорода до температуры Tsкoн, измеряемой датчиком температуры 2, и соответствующей максимальному рабочему давлению в емкости, допустимому для емкости 1 по условиям прочности.

После этого продолжается процесс хранения жидкого водорода в емкости, при этом для обеспечения давления в емкости, равным Tsкoн, при больших температурах жидкого водорода производят регулируемый отбор этого компонента в виде жидкой фракции через клапан-регулятор отбора жидкого водорода 5. Последовательность работы аналогична описанному ранее.

При этом поддержание давления в емкости осуществляется совместной работой клапана-регулятора отбора жидкого водорода 5 и клапана-регулятора газа 10. Это связано с тем, что в силу малой сжимаемости жидкого водорода при отборе возможна просадка давления в емкости. Этот случай обеспечивает повышение давления в емкости, как это описано ранее.

В этом режиме происходит работа до тех пор, пока потребителю не потребуется расход из емкости больший, чем расход, компенсирующий теплопритоки к ней. В этом случае по сигналам от процессора 4 происходит полное открытие клапана-регулятора отбора жидкого водорода 5 и ведется отбор жидкого водорода с заданным расходом.

Таким образом, предложенным способом и реализующим его устройством решается поставленная задача максимального увеличения срока хранения жидкого водорода и снижения потерь за счет использования его специфических свойств.

Список литературы
1. Способ хранения криогенной жидкости в емкости и устройство для его осуществления. F 17 C 3/00; а.с. 145685,1989 г.

2. И. В. Рожков и др. Получение жидкого водорода. - М.: Химия, 1967 г., стр. 162.

3. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование. Справочник под ред. Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубовкина. - М.: Химия, 1989, стр. 465.

4. Система хранения жидкого водорода. "Crtognics" -0.096-36 10, стр. 815-822.

5. Патент РФ 2064626, МПК F 17 C, 3/00, 1996 г. (стр.3).

6. Патент РФ 2137023, МПК F 17 C, 13,00, 1999 г. (стр. 7).

7. Патент 5003948 США кл. F 02 D 11/10 Kohter Co.- 538289; 3аявл. 14.06.90. Опубл. 02.04.91 Контролер шагового двигателя привода дроссельной заслонки.

8. Электрический привод мембранного клапана. Патент США 5518015, М. кл. F 16 K 31/04, опубл. 21.05.96.

9. Левитан Е.Ю. Цуканов В.И. Устройство для регулирования потока текучей среды. Патент 2099770 Россия. М. кл. G 05 D 7/06 опубл. 20.12.97 г. Бюл. 35.

Способ хранения жидкого водорода в емкости включает его хранение без газовой подушки под избыточным давлением и отбор жидкости. С заданным интервалом по среднемассовой температуре жидкости фиксируют давление в емкости в начале каждого интервала, сравнивают замеренное давление Р_нач с давлением насыщенного пара P_s, соответствующим среднемассовой температуре в конце данного интервала. После этого при условии неравенства этих величин поддерживают давление в емкости в течение времени данного интервала, равным P_s. Указанный процесс осуществляют до тех пор, пока давление в емкости не достигнет своего допустимого уровня. При Р_нач≥Р_s производят отбор жидкости, а при Р_нач≤Р_s водород в емкости сжимают. Устройство содержит емкость жидкого водорода, датчики измерения среднемассовой температуры и давления в емкости, блок поддержания заданного давления. В устройство включены процессор, два электронных задатчика числа импульсов, два коммутатора, емкость газа высокого давления, редуктор и блок поддержания заданного давления. Блок выполнен в виде сильфона, заполненного жидким водородом, и герметично установлен в газовой полости баллона. Использование изобретения позволит увеличить срок хранения жидкого водорода и снизить потери. 2 c. и 1 з.п.ф-лы, 5 ил.

1. Способ хранения жидкого водорода в емкости, включающий его хранение без газовой подушки под избыточным давлением и отбор жидкого водорода, отличающийся тем, что с заданным интервалом по среднемассовой температуре жидкого водорода фиксируют давление в емкости в начале каждого интервала, сравнивают замеренное давление Р_нач с давлением насыщенного пара P_s, соответствующим среднемассовой температуре в конце данного интервала Т_кон, после чего при условии неравенства этих величин Р_нач≠P_s= f(Т_кон) поддерживают давление в емкости в течение времени данного интервала, равным давлению насыщенного пара P_s, соответствующему среднемассовой температуре жидкого водорода в конце интервала, при этом указанный процесс осуществляют до тех пор, пока давление в емкости не достигнет своего допустимого уровня. 2. Способ хранения жидкого водорода в емкости по п. 1, отличающийся тем, что при условии Р_нач>P_s= f(Т_кон) производят отбор жидкости, а при Р_нач<P_s= f(Т_кон) жидкий водород в емкости сжимают. 3. Устройство для осуществления способа по пп. 1 и 2, содержащее емкость жидкого водорода, блок поддержания заданного давления, отличающееся тем, что в него введены датчики измерения среднемассовой температуры и давления в емкости, процессор, два электронных задатчика числа импульсов, два коммутатора, емкость газа высокого давления и редуктор, блок поддержания заданного давления, выполнен в виде сильфона, заполненного жидким водородом, герметично установленного в газовой полости баллона, при этом внутренняя полость сильфона соединена трубопроводом с емкостью жидкого водорода и клапаном-регулятором отбора жидкого водорода, а газовая полость баллона соединена трубопроводом с клапаном-регулятором газа, вход которого через редуктор сообщен с емкостью хранения газа высокого давления, причем входы процессора соединены с датчиками измерения среднемассовой температуры жидкого водорода и давления в емкости, первый выход процессора соединен через последовательно установленные первый электронный задатчик числа импульсов и первый коммутатор с управляемыми обмотками электрического двигателя клапана-регулятора отбора жидкого водорода, а второй выход процессора соединен через последовательно установленные второй электронный задатчик числа импульсов и второй коммутатор с управляемыми обмотками электрического двигателя клапана-регулятора газа.