УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ Российский патент 2009 года по МПК B64G1/22 F17C3/00 

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а именно к вопросам обеспечения режима эксплуатации криогенных емкостей.

Одним из главных условий эффективной работы экрано-вакуумной теплоизоляции, применяемой для изоляции криогенных баков, предназначенных для длительного пребывания в космических условиях, является создание и поддержание давления остаточных газов между ее экранами не более 1·10^-4 мм рт.ст. При этом давлении основными составляющими теплового потока через экрано-вакуумную теплоизоляцию являются излучение и перенос тепла теплопроводностью по твердому телу. Повышение давления сверх названного приводит к увеличению эффективного коэффициента теплопроводности изоляции за счет теплопроводности остаточного газа, величина которой может значительно превышать теплопроводность по твердому телу и передачу тепла излучением.

Для известных способов получения вакуума в экрано-вакуумной теплоизоляции (поглощение остаточного газа при криогенной температуре с применением адсорбента, химическое поглощение остаточного газа, замещение остаточного газа газом, конденсирующимся при криогенной температуре) необходима жесткая металлическая оболочка поверх теплоизоляции с высокой степенью герметичности.

Известно устройство для обеспечения вакуума в экрано-вакуумной теплоизоляции в виде жесткой металлической оболочки поверх теплоизоляции, установленной на криогенный сосуд, которое используется при реализации способа создания в пространстве между оболочкой и сосудом вакуума посредством замещения воздуха газом, конденсирующимся при криогенной температуре (например, ксенон, СO₂ и др.). См. М.Г.Каганер, «Тепломассообмен в низкотемпературных теплоизоляционных конструкциях», М.: «Энергия», 1979, стр.238-240.

Известно устройство для хранения криогенной жидкости по патенту №2183301, содержащее криогенную емкость, экрано-вакуумную теплоизоляцию, установленную на криогенную емкость, гермооболочку поверх экрано-вакуумной теплоизоляции.

Это устройство выбрано за прототип.

Недостатками такого устройства являются:

- к гермооболочке предъявляются высокие требования по степени ее герметичности;

- необходим постоянный контроль состава газа, чтобы обеспечить достаточную концентрацию конденсирующегося газа в течение нестационарного процесса вакуумирования теплоизоляции, что не позволяет такие гермооболочки применять для больших площадей теплоизолируемой поверхности и больших толщин теплоизоляции;

- наличие необходимой жесткости гермооболочки большого объема приводит к увеличению общей массы конструкции;

- каналы в процессе вакуумирования не обеспечивают отвод остаточного газа непосредственно из межслойных пространств экрано-вакуумной теплоизоляции;

- установка экрано-вакуумной теплоизоляции с зазором относительно внешней поверхности криогенной емкости увеличивает общий габарит теплоизоляционного покрытия и криогенной емкости в целом;

- стенки каналов выполнены из теплопроводного материала, что приводит к поступлению дополнительного теплового потока к стенкам криогенной емкости и, как следствие, к потерям криогенного компонента за счет его испарения.

Задачей устройства для хранения и подачи криогенной жидкости является сокращение потерь криогенного компонента за счет уменьшения теплового потока, поступающего к криогенному компоненту.

Задача решается за счет того, что в устройстве для хранения и подачи криогенной жидкости, содержащем криогенную емкость, экрано-вакуумную теплоизоляцию, установленную на криогенную емкость, гермооболочку поверх экрано-вакуумной теплоизоляции, экрано-вакуумная теплоизоляция установлена непосредственно на криогенную емкость без зазора, каналы выполнены в виде ступенчатых вырезов в экрано-вакуумной теплоизоляции, сообщающих между собой все межслойные пространства теплоизоляции, поверхности криогенной емкости и гермооболочки напротив торцев упомянутых каналов для снижения теплового потока через каналы имеют покрытие со степенью черноты не более 0,1.

На чертеже схематично представлено устройство для хранения и подачи криогенной жидкости, где

1) криогенная емкость;

2) экрано-вакуумная теплоизоляция;

3) гермооболочка;

4) запорные клапаны;

5) магистраль подачи;

6) магистраль дренажа;

7) каналы;

8) вакуумирующие клапаны.

В устройстве для хранения и подачи криогенной жидкости, содержащем криогенную емкость 1, экрано-вакуумную теплоизоляцию 2, установленную на криогенную емкость 1, гермооболочку 3 поверх экрано-вакуумной теплоизоляции 2, каналы 7 в экрано-вакуумной теплоизоляции 2, экрано-вакуумная теплоизоляция 2 установлена непосредственно на криогенную емкость 1 без зазора, каналы 7 выполнены в виде ступенчатых вырезов в экрано-вакуумной теплоизоляции 2, сообщающих между собой все межслойные пространства теплоизоляции 2, поверхности криогенной емкости 1 и гермооболочки 3 напротив торцев упомянутых каналов 7 для снижения теплового потока через каналы 7 имеют покрытие со степенью черноты не более 0,1.

Процесс теплопередачи через экрано-вакуумную теплоизоляцию 2 в общем случае осуществляется тремя видами теплопереноса: теплопроводностью по твердому телу, теплопроводностью по газу и лучистой составляющей теплового потока.

Теплопроводность по твердому телу определяется количеством контактов между экранами экрано-вакуумной теплоизоляции 2. Для их уменьшения между экранами устанавливают прокладку, выполненную из низкотеплопроводного материала (например, из стекловуали или капронового сетчатого полотна). При невесомости от наличия остаточных деформаций в экрано-вакуумной теплоизоляции 2 количество контактов и их площадь уменьшается, при этом снижается составляющая теплопереноса по твердому телу.

Например, в процессе полета ракеты давление окружающей среды уменьшается и, в конечном итоге, достигает уровня от 10^-8 до 10^-9 мм рт.ст. За счет наличия перфорации экранов экрано-вакуумной теплоизоляции 2 газ из межслойных пространств удаляется в окружающее пространство, и при достижении давления в слоях 10^-4 мм рт.ст. и ниже процесс вакуумирования становится квазистационарным, и составляющая теплового потока по газу становится близкой к нулю.

Лучистая составляющая теплового потока определяется качеством металлизации экранов и характеризуется степенью черноты и зависит только от перепада температур между экранами экрано-вакуумной теплоизоляции 2.

Каналы 7, выполненные в экрано-вакуумной теплоизоляции 2, дают возможность значительно уменьшить время удаления остаточного газа из межслойных пространств при ее вакуумировании, что приводит к сокращению процесса вакуумирования, в результате чего нестационарная составляющая теплового потока через экрано-вакуумную теплоизоляцию 2 криогенной емкости 1 уменьшается в сравнении с нестационарной составляющей теплового потока экрано-вакуумной теплоизоляции 2 без каналов 7 не менее чем в 2 раза, уменьшая прогрев криогенного компонента и увеличивая время пребывания, например, ракетного разгонного блока в космических условиях.

Для снижения теплового потока через полость каналов 7 они выполняются с участками, расположенными параллельно слоям экрано-вакуумной теплоизоляции 2, а поверхности криогенной емкости 1 и гермооболочки 3 напротив торцев каналов 7 для снижения теплового потока через каналы 7 имеют покрытие со степенью черноты не более 0,1.

Каналы 7 в поперечном сечении могут иметь любой вид (например, круг, квадрат, прямоугольник и т.п.). Количество каналов 7 и площадь каждого канала 7 определяются расчетным путем в зависимости от количества слоев экрано-вакуумной теплоизоляции 2 и степени ее перфорации.

Устройство для хранения и подачи криогенной жидкости работает следующим образом.

Из экрано-вакуумной теплоизоляции 2 удаляется остаточный атмосферный газ продувками очищенными нейтральными газами (например, гелием, азотом) полости под гермооболочкой 3.

Открытием запорных клапанов 4 в магистрали дренажа 6 и магистрали подачи 5 производится заправка криогенной емкости 1 криогенным компонентом, например жидким кислородом.

Далее ведется вакуумирование экрано-вакуумной теплоизоляции 2, например, вскрытием гермооболочки, например, с помощью вакуумирующих клапанов 8 в процессе полета ракеты, в результате чего с понижением атмосферного давления остаточный газ выходит из межслойных пространств экрано-вакуумной теплоизоляции 2, а с помощью каналов 7 процесс вакуумирования экрано-вакуумной теплоизоляции 2 идет интенсивнее.

Время выхода на стационарный режим при вакуумировании экрано-вакуумной теплоизоляции 2 в процессе полета ракеты предварительно очищенной от остаточного атмосферного газа экрано-вакуумной теплоизоляции 2 и наличии дополнительного вакуумирования с помощью каналов 7 становится минимальным.

Предлагаемое устройство для хранения и подачи криогенной жидкости позволяет уменьшить прогрев криогенной жидкости в криогенной емкости 1 за счет более интенсивного вакуумирования экрано-вакуумной теплоизоляции 2 по ее толщине и поверхности с помощью каналов 7, сформированными вырезами в экрано-вакуумной теплоизоляции 2, а также за счет более интенсивного выхода экрано-вакуумной теплоизоляции 2 на стационарный режим, что приводит в итоге к сокращению потерь криогенного компонента.

Кроме того:

- к гермооболочке 3 не требуется предъявлять высокие требования по степени ее герметичности;

- не требуется контроль состава газа;

- гермооболочка 3 большого объема может быть выполнена нежесткой и легкой;

- установка экрано-вакуумной теплоизоляции без зазора относительно внешней поверхности криогенной емкости 1 уменьшает общий габарит теплоизоляционного покрытия и криогенной емкости 1 в целом.

Изобретение относится к области эксплуатации криогенных емкостей, преимущественно в ракетно-космической технике. Устройство содержит криогенную емкость (1), непосредственно установленную на нее экрано-вакуумную теплоизоляцию (ЭВТИ) (2) и гермооболочку (3) поверх ЭВТИ. В теплоизоляции (2) выполнены каналы (7) в виде ступенчатых вырезов, сообщающих между собой все межслойные пространства ЭВТИ. Поверхности криогенной емкости (1) и гермооболочки (3) напротив торцев каналов (7) имеют покрытие со степенью черноты не более 0,1. Этим снижается лучистый тепловой поток через каналы. Для вакуумирования гермооболочки (3) и ЭВТИ (2) предусмотрены клапаны (8). За счет более интенсивного вакуумирования ЭВТИ (2) с помощью каналов (7) уменьшается прогрев криогенной жидкости в криогенной емкости (1). Требования по степени герметичности оболочки (3) могут быть снижены, и она может быть выполнена нежесткой и легкой. Техническим результатом изобретения является сокращение потерь криогенного компонента за счет уменьшения поступающего к нему теплового потока. 1 ил.

Устройство для хранения и подачи криогенной жидкости, содержащее криогенную емкость, экрано-вакуумную теплоизоляцию, установленную на криогенную емкость, гермооболочку поверх экрано-вакуумной теплоизоляции, каналы в экрано-вакуумной теплоизоляции, отличающееся тем, что экрано-вакуумная теплоизоляция установлена непосредственно на криогенную емкость без зазора, каналы выполнены в виде ступенчатых вырезов в экрано-вакуумной теплоизоляции, сообщающих между собой все межслойные пространства теплоизоляции, поверхности криогенной емкости и гермооболочки напротив торцев упомянутых каналов для снижения теплового потока через каналы имеют покрытие со степенью черноты не более 0,1.