УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ КРИОГЕННЫХ ПРОДУКТОВ Российский патент 2002 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 в электрохимический генератор (ЭХГ) энергетической установки (ЭУ) на основе водородно-кислородных топливных элементов, предназначенной для установки на различных изделиях.

Известны устройства для хранения и подачи криогенных продуктов, состоящие из внутренней емкости, заключенной в вакуумно-плотном кожухе, вакуумно-многослойной теплоизоляции, расположенной между внутренней поверхностью кожуха и наружной поверхностью внутренней емкости с образованием зазоров с каждой из упомянутых поверхностей и трубопроводов заправки и дренажа (см., например, Справочник по физико-техническим основам криогеники под редакцией М. П.Малкова, М.: Энергия, 1973, стр.339, рис.15-18).

Известно также устройство для хранения и подачи криогенных продуктов, выбранное в качестве прототипа (см. М.Г.Каганер. Тепловая изоляция в технике низких температур. М.: Машиностроение, 1966, стр.264, рис.119), содержащее внутреннюю емкость с закрепленным на ней адсорбентом, заключенную в вакуумно-плотном кожухе, вакуумно-многослойную теплоизоляцию, расположенную между внутренней поверхностью кожуха и наружной поверхностью внутренней емкости с образованием зазоров с каждой из упомянутых поверхностей, трубопроводы заправки и дренажа.

Недостатком известных устройств является длительное время стабилизации остаточного давления в слоях теплоизоляции после заполнения емкости криогенным продуктом и, следовательно, время стабилизации теплового потока из окружающей среды через теплоизоляцию, который зависит от величины остаточного давления. Перед заправкой емкости криогенным продуктом остаточное давление в теплоизоляционной полости обычно находится на уровне 1•10^-2-1•10^-1 мм рт.ст. С момента начала заправки остаточное давление начинает понижаться за счет поглощения адсорбентом остаточных газов при понижении его температуры. В зазоре между поверхностью емкости, на которой расположен адсорбент, и теплоизоляцией остаточное давление достигает уровня, необходимого для эффективной работы вакуумно-многослойной теплоизоляции, - 1•10^-4-5•10^-4 мм рт.ст. за 1-2 часа, в то время как в слоях теплоизоляции такой уровень давления может достигаться за несколько суток. Чем больше толщина теплоизоляции, тем больше время стабилизации остаточного давления в ее слоях и, следовательно, больше потери на испарение криогенного продукта после его заправки в емкость. Теплоприток через вакуумно-многослойную теплоизоляцию очень сильно зависит от величины остаточного давления в слоях теплоизоляции. Так, например, для экранно-вакуумной теплоизоляции ЭВТИ-2В эффективный коэффициент теплопроводности при величине остаточного давления 1•10^-2 мм рт.ст. в ~10 раз больше, чем при остаточном давлении 1•10^-4 мм рт.ст. Поэтому потери криогенного продукта за время стабилизации остаточного давления и, следовательно, теплопритока через теплоизоляцию будут существенны. Если по условиям эксплуатации изделия нет возможности произвести стабилизацию остаточного давления в слоях теплоизоляции перед началом работы, например, путем предварительной заправки емкости криогенным продуктом, выдержкой ее с открытым дренажом в течение требуемого времени и последующей дозаправкой, то потери криогенного продукта за время стабилизации приведут к уменьшению времени работы потребителя, например ЭУ, что приведет к сокращению программы работы изделия, на котором она установлена.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение времени стабилизации остаточного давления в слоях вакуумно-многослойной теплоизоляции после заправки емкости криогенным продуктом.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащем внутреннюю емкость с расположенным на ее наружной поверхности адсорбентом, заключенную в вакуумно-плотном кожухе, вакуумно-многослойную теплоизоляцию, расположенную в полости между внутренней поверхностью кожуха и наружной поверхностью внутренней емкости с образованием зазоров с каждой из упомянутых поверхностей, и трубопроводы заправки и дренажа, в вакуумной многослойной теплоизоляции проложены канала, сообщающие между собой упомянутые зазоры и состоящие из участков, расположенных в разных плоскостях, при этом стенки каналов выполнены из низкотеплопроводного материала.

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 уменьшить время стабилизации остаточного давления в слоях вакуумно-многослойной теплоизоляции после заправки емкости криогенным продуктом и, следовательно, время стабилизации теплового потока, поступающего из окружающей среды через теплоизоляцию к криогенному продукту, что приводит к существенному уменьшению потерь криогенного продукта от испарения после заправки емкости.

Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве в вакуумно-многослойной теплоизоляции, расположенной в полости между внутренней поверхностью кожуха и наружной поверхностью внутренней емкости с образованием зазоров с каждой из упомянутых поверхностей, проложены каналы, сообщающие между собой упомянутые зазоры и состоящие из участков, расположенных в разных плоскостях, при этом стенки каналов выполнены из низкотеплопроводного материала.

Для уменьшения гидравлического сопротивления каналов они должны быть короткими и прямыми. Однако при таком их выполнении будут иметь место существенные дополнительные теплопритоки как теплопроводностью по стенкам каналов, так и излучением за счет прямого свечения теплой поверхности кожуха на холодную поверхность емкости. Поэтому для увеличения термического сопротивления стенок каналов они выполняются из материала с низким коэффициентом теплопроводности и имеют определенную длину, при этом набор длины необходимо достигать путем прокладки участков канала в разных плоскостях. При такой прокладке лучистый тепловой поток на своем пути многократно отражается от стенок канала, что приводит к его ослаблению. Целесообразно выполнять каналы из гофрированных трубопроводов, которые при одинаковом термическом сопротивлении стенок имеют меньшую длину по сравнению с гладкими трубами. Меньшая длина обеспечивает меньшее гидравлическое сопротивление.

В результате сообщения зазоров каналами с небольшим гидравлическим сопротивлением остаточное давление, необходимое для эффективной работы вакуумно-многослойной теплоизоляции, устанавливается сразу в обоих зазорах через 1-2 часа после заправки емкости.

Затем за счет перепада давлений в слоях теплоизоляции и зазорах происходит удаление газов из слоев теплоизоляции с двух сторон, а не с одной (только со стороны теплоизоляции, обращенной к поверхности внутренней емкости), как в известных устройствах. Удаляемые из слоев теплоизоляции газы поглощаются адсорбентом. За счет удаления остаточных газов из слоев теплоизоляции с двух сторон время стабилизации остаточного давления уменьшается в два раза и, как следствие, время стабилизации теплового потока через теплоизоляцию тоже уменьшается в два раза, что приводит к существенному уменьшению потерь криогенного продукта от испарения после заправки емкости.

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

Устройство содержит внутреннюю емкость 1 с расположенным на ее наружной поверхности адсорбентом 2. Емкость 1 закреплена в вакуумно-плотном кожухе 3 на опорах 4. Вакуумно-многослойная теплоизоляция 5, расположенная в полости 6, образованной внутренней поверхностью кожуха 3 и наружной поверхностью внутренней емкости 1, закреплена на каркасе 7. Между наружной поверхностью теплоизоляции 5 и внутренней поверхностью кожуха 3 образован зазор 8, а между внутренней поверхностью теплоизоляции 5 и наружной поверхностью емкости 1 образован зазор 9. В вакуумно-многослойной теплоизоляции 5 проложены каналы 10, сообщающие между собой зазоры 8, 9 и состоящие из участков 11, расположенных в вертикальных плоскостях, и участков 12, расположенных в горизонтальных плоскостях. Устройство снабжено трубопроводом заправки 13 с запорным клапаном 14 и трубопроводом дренажа 15 с запорным клапаном 16.

Работает устройство следующим образом. Открываются запорные клапаны 16, 14 и производится заправка емкости 1 криогенным продуктом, например кислородом. В процессе заправки температура стенки внутренней емкости 1 понижается и соответственно понижается температура адсорбента 2, например цеолита СаЕН, который расположен на наружной поверхности емкости 1 тонким слоем с хорошим тепловым контактом с поверхностью емкости. При понижении температуры адсорбента он начинает поглощать остаточные газы в зазоре 9, в котором к моменту начала заправки остаточное давление соответствует давлению во всей полости 6 и находится обычно на уровне 1•10^-2-1•10^-1 мм рт.ст. В результате сообщения зазора 9 с зазором 8 каналами 10, имеющими хорошую пропускную способность, которое определяется сечением и длиной каналов, остаточное давление в зазоре 9 практически находится на таком же уровне, что и в зазоре 8. В результате поглощения адсорбентом 2 остаточных газов давление в зазорах 9, 8 быстро понижается и через 1-2 часа после окончания заправки достигает уровня, необходимого для эффективной работы вакуумно-многослойной теплоизоляции - 1•10^-4-5•10^-4 мм рт.ст. В это время давление в слоях теплоизоляции более высокое. За счет перепада давлений остаточные газы из слоев теплоизоляции будут откачиваться в зазоры 9, 8 и затем поглощаться адсорбентом 2. С течением времени давление в слоях теплоизоляции 5 установится на таком же уровне, как и в зазорах 9, 8. За счет того, что откачка газов из слоев теплоизоляции производится сразу с двух сторон, а не с одной, как в известных устройствах (только со стороны, расположенной в зазоре 9), время стабилизации остаточного давления в слоях теплоизоляции уменьшается в два раза по сравнению с известными устройствами при одинаковой толщине теплоизоляции.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяет достичь нового технического результата: уменьшить время стабилизации остаточного давления в слоях вакуумно-многослойной теплоизоляции после заправки емкости криогенным продуктом и, следовательно, время стабилизации теплового потока из окружающей среды через теплоизоляцию, что приводит к уменьшению потерь криогенного продукта от испарения за время стабилизации.

Устройство для хранения и подачи криогенных продуктов содержит внутреннюю емкость, заключенную в вакуумно-плотном кожухе. На ее наружной поверхности расположен адсорбент. Вакуумно-многослойная теплоизоляция расположена в полости между внутренней поверхностью кожуха и наружной поверхностью внутренней емкости с образованием зазоров с каждой поверхностью. В вакуумно-многослойной изоляции проложены каналы, сообщающие между собой зазоры. Каналы состоят из участков, расположенных в разных полостях. Стенки каналов выполнены из теплопроводного материала. Использование изобретения позволит уменьшить время стабилизации остаточного давления в слоях изоляции после заправки емкости. 1 ил.

Устройство для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащее внутреннюю емкость с расположенным на ее наружной поверхности адсорбентом, заключенную в вакуумно-плотном кожухе, вакуумно-многослойную теплоизоляцию, расположенную в полости между внутренней поверхностью кожуха и наружной поверхностью внутренней емкости с образованием зазоров с каждой из упомянутых поверхностей, трубопроводы заправки и дренажа, отличающееся тем, что в вакуумно-многослойной теплоизоляции проложены каналы, сообщающие между собой упомянутые зазоры и состоящие из участков, расположенных в разных плоскостях, при этом стенки каналов выполнены из теплопроводного материала.