СПОСОБ ЗАПРАВКИ КРИОГЕННОЙ ЕМКОСТИ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК F17C6/00 F17C13/00 

Изобретение относится к криогенной технике, а точнее к области проектирования и эксплуатации криогенных систем.

Известен способ заправки криогенной емкости, включающий подачу криогенного продукта, например жидкого водорода, в криогенную емкость, дренаж паров криогенного продукта, измерение давления паров в криогенной емкости. При этом подачу в криогенную емкость криогенного продукта производят при равновесной температуре, соответствующей давлению подачи, что приводит к повышению испаряемости продукта и его отбору в дренаж (см., например, В.Г. Фастовский и др. "Криогенная техника", изд. "Энергия", М., 1967 г., стр. 272).

Известна система заправки криогенной емкости (см., например, Е.И.Микулин, "Криогенная техника", изд. "Машиностроение", М., 1969 г.), содержащая заправочную магистраль, посредством которой подключают к резервуару заправляемую криогенным продуктом криогенную емкость и на которой установлена контрольно-измерительная и управляющая арматура. Криогенные системы используются при проведении заправки криогенных емкостей криогенным продуктом, например жидким водородом.

Недостатками указанных технических решений являются длительный процесс заправки криогенной емкости криогенным продуктом и большие потери последнего при заправке.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ заправки криогенной емкости, взятый за прототип, включающий подачу криогенного продукта, например жидкого водорода, в криогенную емкость, дренаж паров криогенного продукта, измерение давления паров в криогенной емкости и температуры внутренней стенки последней (см., например, Е. И. Микулин "Криогенная техника", изд. "Машиностроение", М., 1969 г., стр. 117-122).

В известном способе заправки криогенной емкости подачу криогенного продукта в криогенную емкость производят при равновесной температуре, соответствующей температуре криогенного продукта при давлении подачи, а дренаж паров из криогенной емкости производят постоянно в течение всего процесса заправки. Эффективность заправки криогенной емкости таким способом мала и приводит к большим потерям криогенной жидкости (продукта).

Наиболее близким по технической сущности является система заправки криогенной емкости, взятая за прототип и содержащая заправочную магистраль, подключенную к резервуару заправщика, дренажную магистраль, заправочный и дренажный клапаны и датчики давления и температуры (см., например, Е.И. Микулин. "Криогенная техника", изд. "Машиностроение", М., 1969 г., стр. 122).

Указанная система обеспечивает заправку криогенной емкости жидким водородом, при этом пары из криогенной емкости через подогреватель возвращаются в магистраль дренажа для повторного цикла сжижения. Автоматические клапаны регулируют давление обратного потока водорода. Такие системы имеют длительный процесс заправки криогенной емкости криогенным продуктом и большие потери криогенного продукта при заправке и заполнении до заданного уровня (количества).

Недостатками способа и системы заправки криогенной емкости, взятых за прототип, является длительный процесс заправки криогенной емкости и большие потери криогенного продукта.

Задачей настоящего изобретения является создание таких способа и системы заправки криогенной емкости, которые обеспечивали бы сокращение времени заправки и снижение потерь криогенного продукта при заправке и заполнении криогенной емкости до заданного уровня.

Поставленная задача решается тем, что в способе заправки криогенной емкости, включающем подачу криогенного продукта в криогенную емкость, дренаж паров криогенного продукта, измерение давления паров в криогенной емкости и температуры внутренней стенки криогенной емкости, в отличие от известного перед подачей в криогенную емкость криогенный продукт переохлаждают по сравнению с равновесной температурой, соответствующей температуре криогенного продукта при давлении подачи, а дренаж паров криогенного продукта прекращают в процессе заправки при достижении внутренней стенкой криогенной емкости температуры, равной температуре подаваемого криогенного продукта, и производят снижение давления в паровом пространстве криогенной емкости путем распыления дополнительно подаваемого криогенного продукта в зону парового пространства криогенной емкости до величины, не превышающей величину давления подачи криогенного продукта.

Поставленная задача решается тем, что в систему заправки криогенной емкости, содержащую заправочную магистраль, подключенную к резервуару заправщика, дренажную магистраль, заправочный и дренажный клапаны и датчики давления и температуры, в отличие от известной введен закольцовочный трубопровод с перепускным клапаном, подключенный одним концом к заправочной магистрали между резервуаром и заправочным клапаном, а другим концом - к дренажной магистрали на выходе из криогенной емкости перед дренажным клапаном, при этом датчики давления установлены на закольцовочном трубопроводе между перепускным клапаном и концами подключения его к дренажной и заправочной магистралям соответственно, а дренажная магистраль на входе содержит сетчатый распылитель, расположенный в зоне парового пространства криогенной емкости.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями вновь созданные способ и система заправки криогенной емкости обеспечивают не только сокращение времени заправки и снижение потерь криогенного продукта, но и повышение надежности системы за счет повышения эффективности способа заправки криогенной емкости, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемых технических решений.

Использование предлагаемых способа и системы заправки криогенной емкости, например, для заправки жидкими водородом и кислородом, используемыми в системе энергопитания, выполненной на базе электрохимических водородно-кислородных генераторов, устанавливаемых на космических кораблях типа "Шаттл", позволит дать значительный экономический эффект за счет сокращения времени заправки и снижения потерь криогенного продукта при заправке емкостей.

Суть изобретения поясняется чертежом.

На чертеже приведены: криогенная емкость 1 (теплоизолированная двухстенная), подключенная посредством заправочной магистрали 2 к резервуару 3 заправщика 4, дренажная магистраль 5, заправочный клапан 6, дренажный клапан 7, датчики давления 8, 9 и датчик температуры 10.

Криогенная система снабжена закольцовочным трубопроводом 11, содержащим перепускной клапан 12 и датчики давления 8, 9, соответственно установленные до и после перепускного клапана 12, и включенным одним концом 13 в заправочную магистраль 2 между резервуаром 3 и заправочным клапаном 6, а другим концом 14 - в дренажную магистраль 5 на выходе 15 из емкости 1 перед дренажным клапаном 7.

Дренажная магистраль 5 на выходе 16 содержит сетчатый распылитель 17, расположенный в зоне парового пространства 18 емкости 1. Датчик температуры 10 установлен на внутренней стенке 19 емкости 1. В качестве теплоизоляции 20, размещенной в межстенной полости 21, используют, например, экранно-вакуумную теплоизоляцию ЭВТИ-2В. Клапаны 6, 7, 12, датчики давления 8, 9 и датчик температуры 10 электрически связаны с блоком измерения и управления клапанами 22.

Работает криогенная система и реализуется способ заправки криогенным продуктом теплоизолированной двухстенной емкости следующим образом.

Криогенный продукт 23, например жидкий водород или жидкий кислород, до подачи в емкость 1 переохлаждают в резервуаре 3 заправщика 4, например, способом вакуумирования и откачкой паров водорода (кислорода) из парового пространства резервуара 3, например, до давления 54 мм рт. ст., что соответствует температуре жидкого водорода 14 К (как наиболее оптимальных, что подтверждено испытаниями), при этом равновесная температура жидкого водорода 23 К соответствует давлению его подачи 2 кг/см². Переохлаждение криогенного продукта перед подачей по сравнению с равновесной температурой, соответствующей температуре при давлении подачи, производят для перекрытия теплопритоков при прохождении криогенного продукта по заправочным трубопроводам (в результате трения) и т.д., тем самым увеличивая время поддержания требуемого состояния криогенного продукта и, следовательно, уменьшая потери. При этом выбор параметров переохлаждения обусловлен.

Заправку емкости 1 производят при открытых клапанах 6, 7 и закрытом клапане 12. Переохлажденный водород подают из резервуара 3 по заправочной магистрали 2 в емкость 1, при этом первоначально происходит захолаживание криогенной емкости 1 с последующим заполнением ее до заданного уровня (количества). Испаряющийся водород отводят через дренажную магистраль 5. При достижении внутренней стенкой 19 криогенной емкости 1 температуры подаваемого криогенного продукта 23 (жидкого водорода) по сигналу от датчика температуры 10, установленному на внутренней стенке 19, блок измерения и управления клапанами 22 формирует и подает сигнал на закрытие заправочного и дренажного клапанов 6, 7 и открытие перепускного клапана 12, после чего из резервуара 3 производят дополнительную подачу криогенного продукта 23 через закольцовочный трубопровод 11, дренажную магистраль 5 и посредством сетчатого распылителя 17 душированием подают (впрыскивают) в зону парового пространства 18 криогенной емкости 1. Процесс распыления ведут до снижения давления в паровом пространстве 18 до величины, не превышающей давления подачи криогенного продукта (2кг/см²). При необходимости процесс заправки и дозаправки распылением (душированием) повторяют многократно.

В процессе заправки криогенной емкости 1 криогенным продуктом 23 измерение давления в паровом пространстве производят по датчику давления 9, а измерение давления подачи криогенного продукта производят по датчику давления 8.

Таким образом, разрешается поставленная задача, обеспечивается сокращение времени заправки и снижение потерь криогенного продукта 23 при заправке криогенной емкости 1, когда для этого криогенный продукт 23 переохлаждают до подачи его в криогенную емкость 1 и при достижении внутренней стенкой 19 криогенной емкости 1 температуры подаваемого криогенного продукта производят дополнительную подачу последнего распылением в зону парового пространства 18 криогенной емкости 1.

Способ заправки криогенной емкости включает подачу криогенного продукта, дренаж паров и измерение давления паров в емкости и температуры ее внутренней стенки. Перед подачей криопродукт переохлаждают по сравнению с равновесной температурой, соответствующей температуре криогенного продукта при давлении подачи. Дренаж паров криогенного продукта прекращают в процессе заправки по достижении внутренней стенкой криогенной емкости температуры, равной температуре подаваемого криогенного продукта. Производят снижение давления в паровом пространстве криогенной емкости путем распыления дополнительно подаваемого криогенного продукта в зону парового пространства криогенной емкости до величины, не превышающей величины давления подачи криогенного продукта. Использование изобретения позволит сократить время заправки и снизить потери криогенного продукта при заправке емкости. 2 с.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ заправки криогенной емкости, включающий подачу криогенного продукта в криогенную емкость, дренаж паров криогенного продукта, измерение давления паров в криогенной емкости и температуры внутренней стенки криогенной емкости, отличающийся тем, что перед подачей в криогенную емкость криогенный продукт переохлаждают по сравнению с равновесной температурой, соответствующей температуре криогенного продукта при давлении подачи, а дренаж паров криогенного продукта прекращают в процессе заправки при достижении внутренней стенкой криогенной емкости температуры, равной температуре подаваемого криогенного продукта, и производят снижение давления в паровом пространстве криогенной емкости путем распыления дополнительно подаваемого криогенного продукта в зону парового пространства криогенной емкости до величины, не превышающей величины давления подачи криогенного продукта.2. Система заправки криогенной емкости, содержащая заправочную магистраль, подключенную к резервуару заправщика, дренажную магистраль, заправочный и дренажный клапаны и датчики давления и температуры, отличающаяся тем, что в нее введен закольцовочный трубопровод с перепускным клапаном, подключенный одним концом к заправочной магистрали между резервуаром и заправочным клапаном, а другим концом - к дренажной магистрали на выходе из криогенной емкости перед дренажным клапаном, при этом датчики давления установлены на закольцовочном трубопроводе между перепускным клапаном и концами подключения его к дренажной и заправочной магистралям соответственно, а дренажная магистраль на входе содержит сетчатый распылитель, расположенный в зоне парового пространства криогенной емкости.