КРИОСТАТ С ФАЗОПЕРЕХОДНОЙ ИЗОХОРНОЙ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИЕЙ Российский патент 2022 года по МПК F17C3/08 

Изобретение относится к криогенной технике, а именно, к криостатам для длительного хранения сжиженных газов при нормальном давлении. В настоящее время бурное развитие водородной энергетики и прикладной сверхпроводимости сдерживает отсутствие криогенной инфраструктуры, включающей в себя простые в эксплуатации, безопасные и недорогие в обслуживании криостаты длительного хранения значительных объемов. Основной задачей, решаемой криостатами, является предотвращение теплопереноса между внешней теплой и холодной внутренней стенками рубашки за счет конвективного теплообмена.

Известны технические решения, основанные на применении пористой или волоконной теплоизоляции с замкнутой пористостью. Типичными представителями изоляции такого типа являются: пенополиуретановые пены (Изолан^®) (см., например, http://www.dow-izolan.com), кремниевые микросферы с внутренними полостями (Корунд^®) (см., например, http://www.korundmos.ru/) и аэрогели (Criogel Z^®) (см., например, http://www.aerogel-russia.ru/cat/Cryogel-z.html). Недостатками таких теплоизоляций является сравнительно большие коэффициенты теплопередачи, приводящие к быстрому испарению хранимой криогенной жидкости.

Задача снижения теплопереноса за счёт инфракрасного излучения успешно решается использованием зеркальных инфракрасных экранов [10] (плёнок, дополнительно снижающих конвективный теплообмен и исключающих непосредственный теплоперенос свободно пролетающими при низком давлении молекулами) и отражающих покрытий с низким коэффициентом черноты.

Наиболее близкими по технической сущности к заявленному изобретению являются криостаты с экранно-вакуумной теплоизоляцией (ЭВТИ) - сосуды Дьюара. (См., например, Справочник по физико-техническим основам криогеники/ М.П. Малков, И.Б. Данилов, А.Г. Зельдович, А.Б. Фрадков; Под ред. М.П. Малкова. - М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 352, Рис. 15.2, 15.3; Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. Б.А.Введенский, Б.М. Вул, т. 2. М., «Советская энциклопедия», 1962, с.522, рис. к статье криостат). Основным недостатком криостатов с ЭВТИ является необходимость постоянного поддержания вакуума внутри рубашки (в замкнутом герметичном пространстве между холодной и тёплой стенками). Для криостатов среднего объема достаточно и периодической регламентной откачки, но для криостатов большого объема необходима постоянная откачка и непрерывный контроль глубины вакуума. Таким образом, для развитой криогенной инфраструктуры необходимо наличие вспомогательной непрерывно работающей системы поддержания и контроля вакуума, что является основной причиной накладных расходов.

Техническими задачами, на решение которых направлено заявляемое изобретение, являются улучшение теплоизоляционных свойств криостата, исключение эксплуатационных расходов на поддержание вакуума, увеличение прочности внутреннего сосуда за счёт внешнего оребрения, повышение безопасности хранения взрывоопасных и токсичных криожидкостей благодаря возможности частичного сохранения теплоизоляционных свойств в случае аварийной разгерметизации рубашки с внешней стороны.

Указанные задачи решаются за счет того, что в криостате с фазопереходной теплоизоляцией, содержащем внешний и внутренний сосуды, вставленные с зазором один в другой так, что пространство между ними создает герметичную теплоизоляционную рубашку, содержащую экранно-вакуумную теплоизоляцию, теплоизоляционная рубашка заполнена рабочим телом, помещённым при нормальной температуре и давлении и имеющим температуру конденсации и кристаллизации выше температуры хранимой во внутреннем сосуде криогенной жидкости, в герметичной теплоизоляционной рубашке на внешних стенках внутреннего сосуда имеются конденсационные полузакрытые карманы, ограниченные полочками с бортиками, на которых при захолаживании внутреннего сосуда конденсируется, а затем кристаллизуется помещённое в рубашку рабочее тело.

При этом в нижней части карманов, за исключением самого нижнего кармана, бортики имеют шероховатый слезник с точками конденсации для облегчения стекания конденсата с бортиков непосредственно в карманы. Оребрение, создаваемое карманами, имеет геликоидную форму вокруг вертикальной оси, а в нижней части криостата имеется коллектор для собирания основной массы конденсата. Карманы дополнительно содержат адсорбер или мембрану. В качестве рабочего тела рубашки используются хладоны или азеотропные смеси. Горловина криостата выполняется с возможностью механического присоединения вибратора. Герметичная теплоизоляционная рубашка в нижней и верхней части криостата содержит два закрываемых штуцера.

Техническим результатом использования данного изобретения являются:

- более высокие теплоизоляционные свойства, особенно увеличивающиеся при низких температурах хранимой криогенной жидкости;

- отсутствие необходимости в вакуумных насосах;

- исключение эксплуатационных расходов на поддержание вакуума;

- повышение безопасности хранения взрывоопасных или токсичных криогенных жидкостей;

- увеличение прочности внутреннего сосуда за счёт внешнего оребрения;

- частичное сохранение теплоизоляционных свойств в случае аварийной разгерметизации рубашки с внешней стороны.

Технический результат обеспечивается тем, что, герметичное пространство рубашки заполняется рабочим телом в виде тяжелого одноатомного газа с низкими теплоёмкостью и статической теплопроводностью (например, ксеноном, криптоном или азеотропной смесью газов, или хладонов), имеющим температуру конденсации и кристаллизации выше температуры хранимой во внутреннем сосуде криогенной жидкости (например, гелия, водорода, неона, азота, кислорода, аргона, метана, сжиженного природного газа). Внутренняя стенка имеет внешнее оребрение полочками с бортиками, образующими полузакрытые карманы, в которых может собираться конденсирующийся и кристаллизирующийся рабочий газ, создавая тем самым глубокое разряжение. Лучистый теплообмен снижается традиционным образом с помощью экранно-вакуумной теплоизоляции, включающей многослойные зеркальные инфракрасные экраны, расположенной в рубашке. Бортики дополнительно частично выполняют роль противоконвективных и инфракрасных экранов.

На фиг. 1 показаны фрагменты конструкции рубашки криостата с привариваемыми угловыми конденсационными рёбрами (1 - внутренняя стенка криостата; 2 - полочка; 3 - верхний бортик; 4 - нижний бортик (слезник); 5 - карман; 6 - наружная стенка криостата; 7 - экранно-вакуумная теплоизоляция; 8 - коллектор; 9 - нижний штуцер).

На фиг. 2 показаны фрагменты конструкции рубашки криостата с привариваемыми угловыми конденсационными ребрами, имеющими геликоидную форму (1 - внутренняя стенка криостата; 2 - полочка; 3 - верхний бортик; 4 - нижний бортик (слезник); 5 - карман; 6 - наружная стенка криостата; 7 - экранно-вакуумная теплоизоляция; 8 - коллектор; 9 - нижний штуцер)

На фиг. 3 показаны фрагменты конструкции рубашки криостата с конденсационными рёбрами, образованными складками самого сосуда методом пластической деформации (1 - внутренняя стенка криостата; 2 - полочка; 3 - верхний бортик; 4 - нижний бортик (слезник); 5 - карман; 6 - наружная стенка криостата; 7 - экранно-вакуумная теплоизоляция; 8 - коллектор; 9 - нижний штуцер).

На фиг. 4 показаны фрагменты конструкции рубашки криостата, собранной из кольцевых секций с отогнутыми вальцовкой полочками с бортиками (1 - внутренняя стенка криостата; 2 - полочка; 3 - верхний бортик; 4 - нижний бортик (слезник); 5 - карман; 6 - наружная стенка криостата; 7 - экранно-вакуумная теплоизоляция; 8 - коллектор; 9 - нижний штуцер)

Естественный конвективный теплообмен между тёплой и холодной стенками определяется числами Прандля, Грасгофа, Рэлея, Нуссельта и Кнудсена [1, 7, 10]. С учетом значений физических параметров, характеризующих этот процесс [2-6], можно получить [12] сравнительные коэффициенты конвективного теплообмена между стенками рубашки (при отсутствии противоконвективных экранов). Как показывают предварительные оценки, для газообразных сред наилучшими теплоизолирующими свойствами (наименьшим коэффициентом конвекции Вт/м²⋅К) обладают одноатомные газы с большим газокинетическим диаметром молекул, как следствие - с наименьшими теплоёмкостью (Дж/кг⋅К) и коэффициентом статической теплопроводности (Вт/м⋅К) - криптон (Kr) и ксенон (Xe). Несмотря на уникальные теплоизоляционные свойства, радон (Rn) не имеет стабильных изотопов, является радиоактивным элементом и канцерогеном, поэтому в качестве рабочего тела криостата к применению не рекомендуется. Радон в качестве рабочего тела может найти ограниченное применение в необитаемых подводных и беспилотных летательных аппаратах. Высокие значения плотностей и динамических вязкостей (как следствие малые кинематические вязкости), согласно формуле Грасгофа [1], наоборот усиливают циркуляцию рабочего тела и увеличивают коэффициент конвекции. Это приводит к необходимости использования многослойных противоконвективных (они же выполняют функцию инфракрасных) экранов 7 с зазорами менее толщин пограничных слоёв.

Согласно закону Шарля, с уменьшением температуры газа (не ниже тройной точки) при изохорном процессе, пропорционально уменьшается и его давление. Заполнение рубашки криостата одноатомным газом с большим газокинетическим диаметром молекул в этом случае также имеет значительное преимущество по теплоизолирующим свойствам в сравнении с воздушной прослойкой и большинством теплоизоляционных материалов. В случае аварийной разгерметизации внешней стороны рубашки традиционной ЭВТИ её теплоизоляционные свойства мгновенно исчезают, что может привести к быстрому испарению всего объёма хранимой криожидкости. В случае быстрого испарения жидкого водорода, его смешивания с кислородом атмосферы с образованием взрывоопасного гремучего газа либо испарения токсичных газов, разгерметизация может привести к катастрофическим последствиям. В случае аварийной разгерметизации рубашки предлагаемого изобретения, сконденсированное и кристаллизованное рабочее тело, охлаждая содержимое внутреннего сосуда за счёт своей внутренней энергии плавления и испарения, переходит обратно в газообразное состояние, вытесняя из рубашки атмосферный воздух, охлаждая при этом стенку внутреннего сосуда. При этом сравнительно высокие теплоизоляционные свойства одноатомного газа рабочего тела позволяют уменьшить скорость испарения хранимой криожидкости, что даёт время на выполнение ремонтных работ по восстановлению герметичности, спасению значительной части хранимой криожидкости переливанием её в резервный криостат либо на эвакуацию персонала. В зависимости от высоты места разгерметизации, частичное сохранение теплоизоляционных свойств будет краткосрочным (внизу криостата) либо достаточно продолжительным (вверху криостата). В случае одновременной сквозной аварийной разгерметизации (пробития) и внешнего 6 и внутреннего 1 сосуда выше уровня хранимой криогенной взрывоопасной жидкости, в традиционных криостатах с ЭВТИ её пары смешиваются в рубашке с кислородом внешнего атмосферного воздуха с образованием легковоспламеняющейся и взрывоопасной горючей газовой смеси. В предлагаемом изобретении, инертное рабочее тело, переходя в газовое агрегатное состояние, частично вытеснит компоненты горючей смеси и частично разбавит стехиометрическое соотношение ниже порога воспламенения.

Сущность изобретения заключается в обеспечении возможности совершения фазовых переходов рабочего тела из газообразного состояния в жидкое, а затем и в твёрдое в герметичной рубашке криостата. Внешняя поверхность стенки внутреннего сосуда, как правило, выполненная из металла сравнительно небольшой толщины, всегда имеет температуру близкую к температуре внутри сосуда. Если эта поверхность имеет температуру ниже тройной точки рабочего тела в рубашке, происходит конденсация и последующая кристаллизация рабочего тела на поверхности. Согласно изохорным графикам (p-T) зависимости давления от температуры [6], уменьшение температуры рабочего тела ниже его тройной точки приводит к резкому уменьшению давления до среднего вакуума - рубашка «вымораживается». А при дальнейшем уменьшении температуры рабочего тела, что может наблюдаться для криостатов хранения криогенных жидкостей - жидких азота, неона, водорода и гелия, давление асимптотически падает до высокого вакуума. Таким образом, практически всё рабочее тело оказывается связанным в твёрдом агрегатном состоянии в карманах, образованных полочками оребрения и бортиками, исключаясь из конвективного теплообмена. Небольшие возможные притоки воздуха вследствие несовершенной герметичности внешнего сосуда могут быть также сконденсированы на полочках оребрения. Таким образом, предложенное решение позволяет отказаться от вспомогательных систем вакуумирования.

При наличии гладких внешних стенок внутреннего сосуда традиционных криостатов имеется возможность стекания конденсата и падения инея рабочего тела на тёплое днище внешнего сосуда с последующим испарением - эффект тепловой трубы с интенсификацией теплообмена. Во избежание этого эффекта, в предлагаемом изобретении используется оребрение внешней стенки внутреннего сосуда конденсационными полочками с бортиками, образующими полузакрытые карманы, удерживающие в них конденсат и иней рабочего тела.

Конденсационные полочки для цилиндрических и шарообразных криостатов с вертикальной осью симметрии могут иметь кольцевую форму, а также геликоидную. Бортики могут иметь уголковую форму (ребром вверх) для предотвращения стекания конденсата с полочки вниз на теплую внешнюю стенку или тавровую форму. Нижнее ребро тавра может быть загнуто внутрь и выполнять функцию слезника 4. Для создания множества точек конденсации слезник может иметь шероховатую накатку. Между верхним и нижним бортиками соседних карманов должен быть небольшой зазор, чтобы образовывать практически закрытые карманы для ограничения возможного движения частиц рабочего тела только в их пространстве. С целью минимизации площади поверхности зеркала конденсата вертикальный бортик может быть длиннее горизонтальной полочки. При этом увеличивается площадь теплового контакта сконденсированного рабочего тела с холодной стенкой внутреннего сосуда. При малом количестве карманов высота бортика должна быть много больше длины полочки. Предельное минимальное число карманов - один (коллектор с высотой бортика равной высоте внутреннего сосуда). Недостатком наличия всего одного кармана является более долгое время первоначального захолаживания и повышенный расход захолаживающего криоагента, потому что конденсат образуется, в том числе, и на внешней стороне бортика и стекает на тёплое днище внешнего сосуда. Карманы могут иметь прямоугольную, полукруглую или трапецеидальную форму. Трапецеидальная форма с длинным основанием вверху предотвращает отгибание бортика наружу в случае применения рабочего тела, которое увеличивается в объёме при кристаллизации. В карманах может дополнительно размещаться пористый адсорбент или мембрана, ещё больше ограничивающие возможность выхода рабочего тела из карманов. Полочки с бортиками могут привариваться (см. фиг. 1, фиг. 2) к внешней стороне внутреннего сосуда или быть образованы складками самого сосуда методом пластической деформации (см. фиг. 3). При этом воздушные полости в складках с внутренней стороны должны быть дегазированы и загерметизированы. Одой из перспективных технологий создания внутреннего сосуда является его сборка из кольцевых секций с отогнутыми вальцовкой полочками с бортиками (см. фиг. 4) и последующим соединением секций круговой сваркой. Унификация секций позволит создавать сосуды необходимого объёма набором секций в высоту.

Объём карманов, ограниченный полочками с бортиками, должен вместить в себя весь газовый конденсат и иней рабочего тела, при нормальных условиях занимающий весь объём рубашки. Таким образом, отношение этого объёма к полному объёму рубашки должно быть не менее отношений плотностей газовой и жидкой (твёрдой) фаз рабочего тела. Например, для ксенона необходимый минимальный объём на полочках, ограниченный бортиками, должен быть примерно в 500 раз меньше полного объёма герметичной рубашки. Для более легких одноатомных газов необходимый объём полочек ещё меньше. С технологической точки зрения, минимально необходимая по этому критерию длина полочек порядка менее миллиметра труднореализуема. Для сосудов длительного хранения больших объёмов рациональным значением длины полочки является величина порядка сантиметра. Для увеличения хранимого запаса кристаллизованного на полочках рабочего тела, используемого в качестве аварийного теплоаккумулятора, можно осуществлять первоначальную избыточную заправку рубашки под давлением или продолжать её в процессе захолаживания. Полузакрытость карманов и обеспечивает запирание рабочего тела в случае отклонения вертикальной оси при наклоне криостата или возникновения внешней вибрации, а дополнительное наличие адсорбента или мембраны - даже в случае опрокидывания.

При поддержании температуры в районе тройной точки рабочего тела во время захолаживания до завершения конденсации всего рабочего газа геликоидность полочек позволяет стечь конденсату по наклонной плоскости в расположенный внизу коллектор 8 (см. фиг. 1- фиг. 4). Коллектор с малой открытой площадью поверхности зеркала конденсата, а следовательно, и инея, снижает величину испарения и сублимации рабочего тела в установившемся режиме. Расположение коллектора на днище внутреннего сосуда (с внешней стороны) гарантирует температуру стёкшего в него конденсата рабочего тела, равную температуре хранимого внутри сосуда криогенной жидкости вне зависимости от уровня его наполненности. Коллектор также может содержать пористый адсорбент или мембрану. Коллектор представляет собой края вогнутой тарелки, приваренной к днищу внутреннего сосуда с внешней стороны, или складку кармана, образованную пластической деформацией внутреннего сосуда. Для упрощения конструкции и удешевления изготовления криостат может содержать только коллектор, в который конденсат стекает по гладкой (без рёбер с бортиками) вертикальной внешней стенке внутреннего сосуда.

Использование в качестве рабочего тела десублимирующихся газов (например, углекислого) возможно, но имеет недостаток, заключающийся в сложности собирания непосредственно льда в карманы - кристаллы в основной своей массе будут расти на внешних сторонах бортиков. Большая развитая открытая поверхность кристаллов допускает возможность эмиссии частиц рабочего тела для участия в теплопереносе между стенками рубашки.

Дополнительным достоинством наличия полочек является значительное усиление прочности внутреннего сосуда. В традиционных криостатах усиление прочности оребрением стараются не применять во избежание увеличения площади поверхности теплообмена. Оребрение в предлагаемом изобретении позволяет создавать криостаты значительного объёма хранения хладагента.

Герметичная рубашка должна иметь два закрываемых штуцера. Один входной наполнительный 9 (располагаемый в нижней части для возможности слива или отсоса со дна внешнего сосуда газообразного рабочего тела тяжелее воздуха и отстоя) - для присоединения баллона под давлением с рабочим телом. Второй выходной (располагаемый в верхней части, в случае если рабочее тело тяжелее воздуха) - для стравливания вытесняемого воздуха в процессе заполнения рабочим телом. Выходной штуцер может быть снабжён свистком, изменение тональности звучания которого будет сигнализировать о заполненности рубашки рабочим телом. Рабочее тело должно быть тяжелее воздуха (или иной начальной среды в рубашке) с целью полного вытеснения его из карманов. Полочки 2 могут иметь небольшие отверстия с вертикальной осью, не нарушающие герметичность внутреннего сосуда, для стравливания воздуха из верхних частей карманов. Эти же отверстия могут служить для стекания части конденсата в нижние карманы и в коллектор.

С целью повышения глубины вакуума, перспективен вариант заполнения рубашки предварительно сильно подогретым рабочим телом и/или принудительного создания разряжения после заправки. Одним из наиболее простых и доступных вариантов подогрева рабочего тела является заправка его при комнатной температуре и атмосферном давлении в рубашку пустого криостата, в который затем заливается горячая жидкость, например, кипяток. Таким образом, рабочее тело непосредственно в рубашке разогреется через горячую внутреннюю стенку, его излишки при расширении стравятся через штуцер, после этого штуцер рубашки можно загерметизировать, а кипяток из внутреннего сосуда слить. В процессе естественного охлаждения до комнатной температуры в рубашке криостата уже создастся сравнительно большое разряжение. При дальнейшем захолаживании внутреннего сосуда криоагентом глубина вакуума будет сравнительно выше.

При использовании в качестве рабочего тела рубашки хладонов или азеотропных смесей, возможно использование предлагаемого изобретения для длительного хранения не низкотемпературных криогенных жидкостей, а пищевых продуктов или биологических материалов.

Для большего повышения теплоизоляционных свойств, например при хранении жидкого гелия, предлагаемое изобретение может использоваться в качестве одной их рубашек в многослойных сосудах Дьюара совместно с традиционными ЭВТИ и жидкоазотной рубашками.

Для уменьшения времени захолаживания криостат может дополнительно снабжаться механическим вибратором либо иметь возможность его механического присоединения к горловине внутреннего сосуда. Вибрация ускорит процесс стекания конденсата и ссыпание инея в карманы и в коллектор, обеспечит их более равномерное заполнение.

По мнению авторов, предлагаемое изобретение может найти широкое применение при разработке широкого класса криогенных устройств, предполагающих необходимость наличия и долговременного хранения криохладагентов, в частности для хранения жидководородного топлива на борту летательных аппаратов [8, 9], а совокупность его существенных признаков необходима и достаточна для достижения заявляемого технического результата.

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к криостатам для длительного хранения сжиженных газов при нормальном давлении, в частности для хранения жидководородного топлива на борту летательных аппаратов. Криостат с фазопереходной теплоизоляцией содержит внешний и внутренний сосуды, вставленные с зазором один в другой так, что пространство между ними создает герметичную теплоизоляционную рубашку, содержащую экранно-вакуумную теплоизоляцию. Теплоизоляционная рубашка заполнена рабочим телом, помещённым при нормальной температуре и давлении и имеющим температуру конденсации и кристаллизации выше температуры хранимой во внутреннем сосуде криогенной жидкости. В герметичной теплоизоляционной рубашке на внешних стенках внутреннего сосуда имеются конденсационные полузакрытые карманы, ограниченные полочками с бортиками, на которых при захолаживании внутреннего сосуда конденсируется, а затем кристаллизуется помещённое в рубашку рабочее тело. Техническим результатом изобретения является: улучшение теплоизоляционных свойств, повышение безопасности хранения взрывоопасных или токсичных криогенных жидкостей, увеличение прочности внутреннего сосуда. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Криостат с фазопереходной теплоизоляцией, содержащий внешний и внутренний сосуды, вставленные с зазором один в другой так, что пространство между ними создает герметичную теплоизоляционную рубашку, содержащую экранно-вакуумную теплоизоляцию, отличающийся тем, что герметичная теплоизоляционная рубашка заполнена рабочим телом, помещённым при нормальной температуре и давлении и имеющим температуру конденсации и кристаллизации выше температуры хранимой во внутреннем сосуде криогенной жидкости, в герметичной теплоизоляционной рубашке на внешних стенках внутреннего сосуда имеются конденсационные полузакрытые карманы, ограниченные полочками с бортиками, на которых при захолаживании внутреннего сосуда конденсируется, а затем кристаллизуется помещённое в рубашку рабочее тело.

2. Криостат по п. 1, отличающийся тем, что в нижней части карманов, за исключением самого нижнего кармана, бортики имеют шероховатый слезник с точками конденсации для облегчения стекания конденсата с бортиков непосредственно в карманы.

3. Криостат по п. 1, отличающийся тем, что оребрение, создаваемое карманами, имеет геликоидную форму вокруг вертикальной оси, а в нижней части криостата имеется коллектор для собирания основной массы конденсата.

4. Криостат по п. 1, отличающийся тем, что карманы дополнительно содержат адсорбер или мембрану.

5. Криостат по п. 1, отличающийся тем, что в качестве рабочего тела рубашки используются хладоны или азеотропные смеси.

6. Криостат по п. 1, отличающийся тем, что горловина криостата выполняется с возможностью механического присоединения вибратора.

7. Криостат по п. 1, отличающийся тем, что герметичная теплоизоляционная рубашка в нижней и верхней части криостата содержит два закрываемых штуцера.