КРИОГЕННАЯ ЕМКОСТЬ Российский патент 2004 года по МПК F17C3/02 

Изобретение относится к области криогенной техники, а точнее к области проектирования и эксплуатации криогенных емкостей.

Известны криогенные емкости для хранения криогенных жидкостей (например, Е.И. Микулин. Криогенная техника. Машиностроение, М.: 1969 г., стр. 227), содержащие теплоизолированный внутренний сосуд и дренажно-заправочные трубопроводы, сообщенные с внутренней полостью сосуда. Криогенная жидкость, испаряющаяся в емкости за счет теплопритоков, отводится через дренажное устройство к потребителю или сбрасывается в атмосферу.

Недостатками указанного аналога являются малоэффективный процесс переохлаждения и большие потери криогенной жидкости из-за длительности процесса отбора паров над поверхностью криогенной жидкости.

Наиболее близким по технической сущности является криогенная емкость, взятая за прототип, содержащая теплоизолированный внутренний сосуд, размещенный внутри его нагреватель с тепловыравнивающими ребрами, дренажный и заправочный трубопроводы и источник вакуума (например, Е.И. Микулин. Криогенная техника. М.: Машиностроение, 1969 г., стр. 232, 235).

Указанная емкость обеспечивает хранение криогенных жидкостей, например жидкого гелия, при этом испаряющийся за счет теплопритоков пар отбирают из сосуда. Находящиеся в сосуде электронагреватели позволяют регулировать температуру криогенной жидкости. Однако нагреватели односторонние, расположены на стенках сосуда и создают неравномерный прогрев жидкости, что создает инерционность и неравномерность нагрева криогенной жидкости при откачке пара из емкости (сосуда) в процессе переохлаждения жидкости.

Недостатками криогенной емкости, взятой за прототип, является то, что она имеет длительный процесс переохлаждения криогенной жидкости и отсутствие возможности равномерного распределения тепла по всему объему криогенной жидкости.

Задачей настоящие изобретения является создание такой криогенной емкости, которая обеспечивала бы ускоренный процесс переохлаждения криогенной жидкости и равномерное распределение тепла по всему объему криогенной жидкости.

Задача решается тем, что в криогенной емкости, содержащей теплоизолированный внутренний сосуд, размещенный внутри его нагреватель с тепловыравнивающими ребрами, дренажный и заправочный трубопроводы и источник вакуума, в отличие от известной источник вакуума подключен к дренажному трубопроводу, сообщенному с паровой полостью внутреннего сосуда, в центре которого установлен нагреватель с тепловыравнивающими ребрами, размещенными радиально и выполненными перфорированными с уменьшающейся массой к периферии.

При этом каждое тепловыравнивающее ребро предлагается выполнить в виде последовательно соединенных между собой пластин с различным термическим сопротивлением, причем пластины с большим термическим сопротивлением должны быть размещены по периферии. Выполнение тепловыравнивающих ребер с уменьшающейся массой возможно при выполнении их конусообразной формы в поперечном сечении, однако это сложно с технологической точки зрения, поэтому предлагается более технологичный вариант выполнения в виде пластин с различным термическим сопротивлением, например, за счет различной толщины пластин или использования различных материалов.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями предлагаемая криогенная емкость обеспечивает не только ускоренный процесс переохлаждения криогенной жидкости и равномерное распределение тепла по всему объему криогенной жидкости, но и дренажному трубопроводу, сообщенному с паровой полостью внутреннего сосуда, и центральное расположение в сосуде нагревателя с тепловыравнивающими ребрами, выполненными перфорированными в виде установленных радиально и последовательно соединенных между собой пластин с различным термическим сопротивлением, обеспечивающих равномерное распределение тепла по всему объему криогенной жидкости, которую при переохлаждении предварительно нагревают до максимально возможного повышения давления в емкости, а также взаимная конструктивная связь всех составных элементов криогенной емкости позволяет обеспечить ускоренное переохлаждение криогенной жидкости и равномерное распределение тепла но всему объему жидкости, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемых технических решений.

Использование предлагаемых криогенных емкостей, например, при создании и эксплуатации криогенных емкостей, используемых для хранения и подачи криогенных продуктов - кислорода и водорода к потребителю, например к электрохимическому генератору, устанавливаемому на космическом корабле типа “Шаттл”, позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения ускоренного переохлаждения криогенных жидкостей в емкостях для длительного хранения криогенного водорода и кислорода, а также за счет равномерного нагрева криогенной жидкости как при осуществлении ускоренного процесса переохлаждения криогенной жидкости, так и при обеспечении подачи водорода и кислорода к потребителям.

Суть изобретения поясняется чертежом.

Предлагаемая криогенная емкость состоит из следующих основных узлов и деталей: теплоизолированного внутреннего сосуда 1, нагревателя 2, размещенного внутри в криогенной жидкости 3, дренажного трубопровода 4, заправочного трубопровода 5 и источника вакуума 6, например вакуумного насоса, а в условиях космоса сам космос - космический вакуум.

Источник вакуума 6 подключен к дренажному трубопроводу 4, сообщенному с паровой полостью 7 внутреннего сосуда 1, в центре которого установлен нагреватель 2 с тепловыравнивающими ребрами 8, выполненными перфорированными. Каждое ребро 8 выполнено в виде установленных радиально и последовательно соединенных между собой пластин 9 и 10 с различным термическим сопротивлением. Пластины 10 с большим термическим сопротивлением размещены по периферии 11.

Перфорация (отверстия) 12 тепловыравнивающих ребер 8 необходима для свободного перемещения жидкости в сосуде 1, при этом экспериментально установлено, что результат наиболее достижим при выполнении перфорации в соответствии с выражением

где Fп(y) - площадь отверстий, расположенных на расстоянии y от основания тепловыравнивающего ребра, м².

F - площадь тепловыравнивающего ребра, м².

δ₁ - толщина пластины с меньшим термическим сопротивлением, м.

δ₂ - толщина пластины с большим термическим сопротивлением, м.

h - высота тепловыравнивающего ребра, м.

y - расстояние от основания тепловыравнивающего ребра, м.

(0≤y≤h)

Кроме того, указанное выражение определяет оптимальную площадь отверстий, не влияющую (не ухудшающую) на теплопередачу от нагревателя 2 к жидкости.

Заправочный и дренажный трубопроводы 5, 4 соответственно содержат заправочно-регулирующие клапаны 13, 14, а источник вакуума 6 подключен к дренажному трубопроводу 4 посредством трубопровода 15 с клапаном вакуумирования 16. Основанием тепловыравнивающего ребра 8 является место (стык) крепления и теплового контакта 17 тепловыравнивающего ребра 8 с нагревателем 2.

В теплоизоляционной полости 18, расположенной между внутренним сосудом 1 и внешней оболочкой 19, размещена экранно-вакуумная теплоизоляция 20.

Работает криогенная емкость и реализуется способ переохлаждения криогенной жидкости следующим образом.

Криогенную жидкость 3, например жидкий кислород или водород, посредством заправочного трубопровода 5 заправляют во внутренний сосуд 1, в результате чего первоначально происходит захолаживание сосуда 1 с последующим его заполнением до заданного уровня (количества).

Испаряющийся за счет теплопритоков жидкий кислород (водород) в виде паровой фазы (пара) располагается над поверхностью криогенной жидкости 3 (жидкого кислорода или водорода) в паровой полости 7, откуда пар через дренажный трубопровод 4 отбирают к потребителю, например к водородно-кислородному электрохимическому генератору.

Для увеличения времени хранения криогенной жидкости в криогенной емкости жидкость переохлаждают.

В заправленной криогенной емкости криогенной жидкостью 3 перед началом откачки пара из паровой полости 7 внутреннего сосуда 1 предварительно нагревают криогенную жидкость 3 до максимально возможного повышения давления в емкости (во внутреннем сосуде 1), для чего включают нагреватель 2, снабженный перфорированными в виде установленных радиально и последовательно соединенных между собой пластин 9 и 10 с уменьшающейся к периферии массой, а следовательно, с различным термическим сопротивлением, например, за счет изготовления их из разной толщины пластин или из разных материалов, что обеспечивает равномерное распределение тепла по всему объему криогенной жидкости 3, что повышает эффективность нагрева и сокращает время прогрева криогенной жидкости 3.

После подъема давления над криогенной жидкостью 3 до максимально возможного (вплоть до критического) включают вакуумный насос (источник вакуума) 6 и производят откачку пара из емкости (паровой полости 7 внутреннего сосуда 1) до получения температуры, например, кислорода порядка 50 К, а водорода порядка 10 К.

Таким образом, разрешается поставленная задача, обеспечивается ускоренный процесс переохлаждения криогенной жидкости 3 в криогенных емкостях для длительного хранения криогенной жидкости и равномерное распределение тепла по всему объему криогенной жидкости 3 как при осуществлении ускоренного процесса переохлаждения криогенной жидкости 3, так и при обеспечении подачи ее к потребителям, когда для этого производят подъем давления в емкости посредством включения нагревателя.

Криогенная емкость состоит из теплоизолированного внутреннего сосуда, размещенного внутри него обогревателя с тепловыравнивающими ребрами, дренажного и заправочного трубопровода и источника вакуума. Источник вакуума подключен к дренажному трубопроводу, сообщенному с паровой полостью внутреннего сосуда. В центре сосуда установлен нагреватель с тепловыравнивающими ребрами. Ребра размещены радиально и выполнены перфорированными с уменьшающейся массой к периферии. Ребро может быть выполнено в виде последовательно соединенных между собой пластин с различным термическим сопротивлением. Пластины с большим термическим сопротивлением размещены по периферии. Использование изобретения позволит ускорить процесс переохлаждения криогенной жидкости и обеспечить равномерное распределение тепла по всему объему криогенной жидкости. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Криогенная емкость, содержащая теплоизолированный внутренний сосуд, размещенный внутри его нагреватель с тепловыравнивающими ребрами, дренажный и заправочный трубопроводы и источник вакуума, отличающаяся тем, что источник вакуума подключен к дренажному трубопроводу, сообщенному с паровой полостью внутреннего сосуда, в центре которого установлен нагреватель с тепловыравнивающими ребрами, размещенными радиально и выполненными перфорированными с уменьшающейся массой к периферии.2. Криогенная емкость по п.1, отличающаяся тем, что каждое тепловыравнивающее ребро выполнено в виде последовательно соединенных между собой пластин с различным термическим сопротивлением, причем пластины с большим термическим сопротивлением размещены по периферии.