Система криогенного хранения и подачи реагентов для энергетической установки с электрохимическими генераторами Российский патент 2020 года по МПК H01M8/06 F17C3/00 

Изобретение относится к системам криогенного хранения газов, а конкретно к системам криогенного хранения и подачи реагентов (СКХР): жидкого водорода и жидкого кислорода на подводных лодках (ПЛ) и подводных аппаратах (ПА) с энергетическими установками (ЭУ) на базе электрохимических генераторов (ЭХГ).

Одной из основных задач при создании новых неатомных ПЛ и ПА является задача увеличения автономности и дальности подводного плавания.

Большинством разработчиков эта задача решается за счет применения на ПЛ и ПА ЭУ с ЭХГ. Доля систем хранения топлива для ЭУ с ЭХГ в водоизмещении этих подводных средств может достигать 50% для ПЛ и ПА со сверхбольшой дальностью подводного плавания.

Первой в мире ПЛ с ЭУ с ЭХГ явилась подводная лодка проекта 613Э («Катран»).

На этой лодке СКХР состоит из 2 прочных емкостей кислорода (запас О₂ - 32т) и 2-х прочных емкостей водорода (запас Н₂ - 4т), которые установлены снаружи корпуса. (Журнал «Судостроение» №2, 1998 г, стр. 25-28, А.А. Постнов «Опытная подводная лодка проекта 613Э с электрохимическими генераторами»).

Размещение СКХР снаружи прочного корпуса (ПК) приводит к резкому увеличению сопротивления воды и к высокой уязвимости от возможных внешних воздействий.

Указанные недостатки устранены в проекте ЭУ с ЭХГ «РЭУ-99». «РЭУ-99» представляет собой автономную энергоустановку с криогенным хранением реагентов, встраиваемую в отсек ПЛ. (История развития подводных лодок с воздухонезависимыми энергоустановками в России и СССР / Труды Нижегородского государственного университета им. Р.Е. Алексеева №4 (97), стр. 192.: http://old.nntu.ru/trudy/2012/04/192-201.pdf/).

Наиболее близким аналогом является СКХР предложенная в патенте №2184408.

Недостатками СКХР по указанному патенту являются:

- большое количество криогенных емкостей (2 шт. для водорода - в вертикальных шахтах, 2 шт. для кислорода - в горизонтальных емкостях), что увеличивает габариты отсека;

- большое количество отдельных герметичных выгородок, что приводит к увеличению веса конструкции и сложностям при монтаже оборудования;

- техническое решение требует применения прочного корпуса с большим диаметром, что не позволяет использовать эту СКХР на ПА с малыми диаметрами прочных корпусов.

Емкости для хранения сжиженных газов для уменьшения теплопритоков выполняют с экранно-вакуумной изоляцией. Внутренняя емкость с жидким газом крепится к наружному кожуху через крепления, обеспечивающие минимальные теплопритоки.

Однако, их крепление к обшивке, имеющей контакт с окружающей средой и собственная испаряемость жидкого водорода в криогенных сосудах с высокоэффективной экранно-вакуумной изоляцией превышает минимальный расход этого реагента на ЭХГ на экономических скоростях, что приводит к росту давления в криогенных емкостях. Невозможность сброса избытка давления водорода за борт требует либо увеличения мощности ЭХГ и использования ПЛ на больших скоростях хода, либо установки дополнительных систем охлаждения водорода.

В обоих случаях эффективность применения ЭУ с ЭХГ резко падает.

Целью изобретения является предложить конструкцию СКХР, обеспечивающую хранение водорода в криогенном состоянии без дополнительных расходов энергии на его охлаждение и обеспечивающую уменьшение массогабаритных характеристик СКХР.

Поставленная цель достигается тем, что емкость для водорода и емкость для кислорода устанавливаются внутри одного наружного вакуумного корпуса СКХР, сделанного в форме цилиндрической оболочки с торцевыми стенками, при этом емкость для кислорода выполняется в виде сосуда кольцевой формы, располагаемого вокруг цилиндрической емкости для водорода.

При этом в поперечном сечении система криогенного хранения реагентов имеет концентрическое расположение емкостей. Емкость для водорода к емкости для кислорода и емкость для кислорода к наружному вакуумному корпусу крепятся тепловыми мостиками из материала с низкой теплопроводностью 9 (фиг. 1).

Иллюстрация на фигуре 1 поясняет сущность заявляемого технического решения СКХР:

1. наружный вакуумный корпус;

2. емкость для кислорода;

3. наружная цилиндрическая оболочка емкости для кислорода;

4. внутренняя цилиндрическая оболочка емкости для кислорода;

5. концевые донышки емкости для кислорода;

6. емкость для водорода;

7. внутренняя полость наружного вакуумного корпуса;

8. негерметичные теплопроводные перегородки;

9. тепловые мостики из материала с низкой теплопроводностью.

СКХР водорода и кислорода размещается внутри наружного вакуумного корпуса 1, выполняющего роль вакуумной оболочки. Емкость для кислорода 2 выполняется в виде сосуда кольцевой формы, полого цилиндра, состоящего из наружной цилиндрической оболочки емкости для кислорода 3 и внутренней цилиндрической оболочки емкости для кислорода 4, замкнутых концевыми донышками емкости для кислорода 5. Емкость для водорода 6 выполняется в виде цилиндра с концевыми донышками емкости для водорода. Внутренняя полость наружного вакуумного корпуса 7 герметичная и выполняется с экранно-вакуумной изоляцией.

Емкость для кислорода 2 с боковыми негерметичными теплопроводными перегородками 8, закрывающими емкость для водорода и выполняющими роль дополнительного теплоизолирующего экрана для размещенной внутри емкости для водорода 6, что обеспечивает минимальное испарение водорода и длительное его хранение без потребления дополнительной энергии на его охлаждение.

Такое конструктивное выполнение СКХР в энергетическом модуле ПА позволяет получить СКХР с минимальными габаритами и массой конструкции, а выполнение кислородной емкости в виде полого сосуда кольцевой формы, внутрь которого устанавливается водородная емкость, обеспечивает минимальные теплопритоки извне, что значительно увеличивает время хранения криогенного водорода без энергозатрат на его охлаждение или незначительное испарение без повышения давления внутри емкости за счет минимального его потребления в режимах движения ПА.

Источники информации:

1. История развития подводных лодок с воздухонезависимыми энергоустановками в России и СССР / Труды Нижегородского государственного университета им. Р.Е. Алексеева №4 (97), стр. 192.

2. Опытная подводная лодка проекта 613Э с электрохимическими генераторами. Журнал «Судостроение» №2, 1998 г, стр. 25-28, А.А. Постнов.

Изобретение относится к системам криогенного хранения и подачи реагентов (СКХР), а именно к системам криогенного хранения и подачи жидкого водорода и жидкого кислорода на подводных лодках и подводных аппаратах (ПА) с энергетическими установками на базе электрохимических генераторов. Предложенное техническое решение для СКХР в энергетическом модуле ПА позволяет получить СКХР с минимальными габаритами и массой конструкции, а выполнение кислородной емкости в виде полого сосуда кольцевой формы, внутрь которого устанавливается водородная емкость, обеспечивает минимальные теплопритоки извне, что значительно увеличивает время хранения криогенного водорода без энергозатрат на его охлаждение или незначительное испарение без повышения давления внутри емкости за счет минимального его потребления в режимах движения ПА. Внутренняя герметичная полость наружного вакуумного корпуса, в котором размещены емкости для водорода и кислорода, выполнена с экранно-вакуумной изоляцией, при этом емкость для кислорода снабжена боковыми негерметичными теплопроводными перегородками, закрывающими емкость для водорода, образующими дополнительный теплоизолирующий экран. Повышение срока хранения охлажденного водорода является техническим результатом изобретения. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система криогенного хранения и подачи реагентов для энергетической установки с электрохимическими генераторами, включающая емкости для жидкого водорода и кислорода, отличающаяся тем, что емкость для водорода и емкость для кислорода расположены внутри одного наружного вакуумного корпуса в форме цилиндрической оболочки с торцевыми стенками, при этом емкость для кислорода выполнена в виде сосуда кольцевой формы, располагаемого вокруг цилиндрической емкости для водорода.

2. Система криогенного хранения и подачи реагентов по п. 1, отличающаяся тем, что в поперечном сечении система криогенного хранения реагентов имеет концентрическое расположение емкостей.

3. Система криогенного хранения и подачи реагентов по п. 1, отличающаяся тем, что емкость для кислорода имеет боковые негерметичные теплопроводные перегородки, закрывающие емкость водорода и выполняющие роль дополнительного теплоизолирующего экрана для размещенной внутри нее емкости водорода.

4. Система криогенного хранения и подачи реагентов по п. 1, отличающаяся тем, что емкость для водорода к емкости для кислорода и емкость для кислорода к наружному вакуумному корпусу крепятся тепловыми мостиками из материала с низкой теплопроводностью.

5. Система криогенного хранения и подачи реагентов по п. 1, отличающаяся тем, что внутри наружного вакуумного корпуса находится герметичная полость, выполненная с экранно-вакуумной изоляцией.