Устройство для хранения и охлаждения криогенной жидкости Советский патент 1990 года по МПК F17C3/10 

Изобретение относится к криогенной технике и может быть преимущественно использовано для длительного хранения и охлаждения криогенных жидкостей.

Цель изобретения - повыщение безопасности хранения жидкости.

На чертеже изображена схема предложенного устройства.

Схема состоит из криогенного теплоизолированного р1гзервуара 1, размещенного по его внутренней стенке узла теплообмена, выполненного в виде теплообменника-нагревателя 2, верхнего теплообменника-охладителя 3, нижнего теплообменника-охладителя 4, криогенного рефрижератора, включающего ступень подготовки рабочего тела, состоящую из компрессора 5, взаимодействующего с окружающей средой теплообменника 6,

теплообменника 7 ступени азотного охлаждения, первого 8 и второго 9 рекуперативных теплообменников, соединенных с первой ступенью по линии прямого потока, ступень предварительного охлаждения рабочего тела, состоящую из-детандеров 10 и И, и ступень окончательного охлаждения рабочего тела, состоящую из детандера 12, клапанов 13-21. Резервуар оснащен дренажно- предохранительным 22 и дренажным 23 клапанами, с паровой подушкой резервуара соединен датчик 24 давления, на вертикальной щтанге внутри резервуара один над другим от нижней точки резервуара до верхней размещены датчики 25 температуры, на теплообменниках размещены датчики 26, 27 температуры, через клапан 18 с магистралью слива резервуара соединен испари-.

СЛ

ОС ОС

ее

ОС

тель 28 наддува, своим выходным трубопроводом соединенный с паровой подушкой резервуара. Выходной трубопровод компрессора 5 соединен с теплообменником б через теплообменник 7 ступени азотного охлаждения, соединенный с линией охлаждения первого рекуперативного теплообменника 8, к которой присоединен детандер 11 и через клапан 16 - детандер 10. Оба детандера выходными трубопроводами соединены с линией обратного потока. К линии прямого потока через клапаны 14 и 17 при- соединен теплообменник-нагреватель 2, в этой же линии (линии прямого потока) между клапанами 14 и 17 размещен кла- пан 15. Линия прямого потока после клапана 14 соединена с линией охлаждения второго рекуперативного теплообменника 9, к которой присоединен - детандер 12 ступени окончательного охлаждения. К линии прямо- то потока после детандера 12 через клапан 13 присоединен нижний теплообменник-охладитель 4, а через клапан 21 - верхний теплообменник-охладитель 3, теплообменники 3 и 4 через клапаны 19 и 20 соединены с линией обратного потока рефрижератора. Линия обратного потока теплообменника соединена через теплообменник 29 с всасывающим трубопроводом компрессора 5. Все трубопроводы теплоизолированы. Рабочим газом рефрижератора является гелий, а в резервуаре хранится жидкий водород. Датчик 24 давления, датчики 25- 27 температуры, клапаны 13-21 соединены с системой 30 управления, например микропроцессором, линиями 31 и 32 контроля и управления, известными в технике. Верхний теплообменник-охладитель 3 и теплообменник-нагреватель 2 размещены по внутренней стенке резервуара на уровне хранящейся жидкости, нижний теплообменник-охладитель 4 размещен на внутренней стенке резервуара непосредственно под уровнем хранящейся жидкости.

Устройство может работать в режиме хранения, при котором вся жидкость хранится при температуре, при которой давление ее насыщенных паров не ниже атмосферного, и в режиме охлаждения, когда часть жидкости, расположенная под верхним стратифицированным слоем, создаваемым и поддерживаемым теплообменником 2, находится при температуре, при которой равновесное давление паров ниже атмосферного (для водорода - ниже 20, 27 К)- В режиме охлаждения может производиться наддув резервуара до давления наддува перед выдачей продукта. Соответствующий режим задается оператором системе 30 управления, которая управляет процессом по следующим алгоритмам.

Если в режиме охлаждения по сигналам датчика 24 давление в резервуаре выше нижнего допустимого (которое немного выше атмосферного) и не уменьшается.

т. е. имеется устойчивый верхний стратифицированный слой, что подтверждается по данным температурных датчиков 25 - по наличию градиента температуры в верхнем

слое, то охлаждение водорода ведется с помощью нижнего теплообменника 4. При таком охлаждении гелий после теплообменника 8 поступает через теплообменник 9 и детандер 12, через клапан 13 в теплообменник 4, после которого через клапан 19

поступает в линию обратного потока теплообменника 9, далее - в линию обратного потока теплообменника 8, в теплообменник 29 и во всасывающий трубопровод компрессора 5.

Во всех режимах работы гелий, сжатый в компрессоре 5, охлаждается в теплообменнике 6 и поступает для дальнейшего охлаждения жидким азотом в теплообменник 7, после которого охлаждается в теплообменнике 8.

0 Если в режиме охлаждения разрушен верхний стратифицированный слой, о чем свидетельствует падение давления ниже нижнего допустимого и может быть также определено по показаниям датчиков 25 тем5 пературы, или же необходимо поднять давление в резервуаре до давления, необходимого для выдачи продукта, то закрытием клапана 15 и открытием клапанов 14 и 17 к линии предварительного охлаждения подключается верхний нагреватель 2., после не0 го через теплообменник 9 и детандер 12, клапан 13 охлажденный гелий поступает в теплообменник 4. При охлаждении без использования теплообменника 2 гелий, идущий после клапана 19 в линию обратного потока теплообменника 9, имеет темпе5 ратуру, близкую к температуре водорода (неохлажденного), далее проходит теплообменник 9, повышает свою температуру в нем и поступает в трубопровод, соединяющий теплообменники 9 и 8, несмотря на тепловой поток из внещней среды в этот трубопровод, благодаря специально подобранному расходу гелия через детандер 11 температура на входе в линию обратного потока теплообменника 8 равна или немного превышает температуру этого же потока на

5 выходе теплообменника 9. Вследствие недо- рекуперации в теплообменнике 8 гелий прямого потока, выходя из теплообменника 8, имеет температуру, превышающую температуру на входе линии обратного потока. Вследствие изложенных причин температура гелия

0 прямого потока на выходе из теплообменника 8 и соответственно на входе в теплообменник 9 при работе в режиме охлаждения без использования теплообменника 2 превышает температуру охлаждаемого водорода на несколько градусов. Когда же

5 в работу включается теплообменник 2, то гелий на входе в теплообменник 9 становится холоднее - температура его становится близкой температуре охлаждаемого водо0

рода, поэтому соответственно снижаются температуры перед детандером и после детандера 12, соответственно увеличивается хо- лодопроизводительность теплообменника 4 (хотя, если просуммировать тепловой поток, отданный теплообменником 2 и полученный теплообменником 4, эксергетическая холодо- производительность цикла останется неизменной). Поэтому при использовании теплообменника 2 теплоприток к стратифицированному слою компенсируется увеличением холодопроизводительности теплообменника 4.

Если в режиме хранения давление в резервуаре повышается выше верхнего допустимого, то охлаждение ведется с помощью верхнего теплообменника 3, при этом закрыты все клапаны, кроме клапанов 15, 20 н 21. При таком охлаждении разрушается верхний стратифицированный слой.

При работе в режиме охлаждения, если давление в резервуаре выше верхнего допустимого, одновременно могут использоваться теплообменники 3 и 4.

Для задания системой управления наиболее оптимального режима работы теплообменники в резервуаре контролируются по показаниям датчиков 26 и 27 температуры. В случае невозможности поднятия давления в резервуаре, которое может упасть из-за неполадок в холодильной установке, подъем давления осуществляется открытием клапана 18.

Пуск рефрижератора, когда еще недостаточно охлажден теплообменник 8, осуществляется путем закрытия всех клапанов, кроме клапана 16, при этом весь гелий де- тандируется через детандеры 10, 11, поступая в линию обратного потока и охлаждая теплообменник 8.

Предлагаемое устройство обеспечивает более глубокое охлаждение хранимого продукта, причем температура хранения основной массы продукта может быть ниже температуры кипения при атмосферном давлении, но при этом давление в резервуаре будет поддерживаться выше атмосферного за счет перераспределения потоков тепла между основной массой жидкости и стратифицированным верхним слоем жидкости. Благодаря поддержанию избыточного давления в устройстве можно безопасно хранить горючие низкокипящие газы: метан, водород, а также особочистые продукты, например аргон, азот, неон, при этом исключается попадание воздуха внутрь резервуара при температуре основной массы жидкости, соответствующей температуре тройной точки. Такое охлаждение невозможно в прототипе, в котором в качестве холодильной установки используется ожижитель этой жидг кости. Под криогенным рефрижератором в случае охлаждения жидкости до тройной точки в предложенном устройстве понимается холодильная установка, работающая по замкнутому циклу и рабочий продукт последней ступени охлаждения которой имеет темпера- туру затвердевания ниже температуры тройной точки хранимого продукта.

Кроме того, при распространенном способе выдачи продуктов путем их вытеснения избыточным давлением паров этих же продуктов охлаждение основной массы, продукта может продолжаться, причем экрергия холода (энергия холода) верхних разогре0 тых слоев жидкости или пара передается нижележащим, выдаваемым из резервуара. Это позволяет экономить энергию, идущую на охлаждение, по сравнению с известным способом поднятия давления в криогенном ре зервуаре - путем теплового взаимодействия с окружающей средой. Для уменьшения толщины стратифицированного слоя и, следовательно, количества разогретой жидкости, теплообменник-нагреватель в предложенном устройстве следует размещать

0 в паровой подушке резервуара. В прототипе возможен случай, когда холодопроиз- водительность холодильной установки будет выше тепловых потоков от окружающей среды через теплоизоляцию резервуара, в этом случае давление в резервуаре при неконтролируемой работе устройства может упасть ниже атмосферного, что небезопасно. Наличие системы управления в предложенном устройстве, контролирующей давление в резервуаре, позволяет устранить эту

Q опасность, а также осуществлять экономичное охлаждение путем оптимального регулирования процесса.

Формула изобретения

«

5 1. Устройство для хранения и охлаждения криогенной жидкости, содержащее криогенный теплоизолированный резервуар, криогенный рефрижератор, состоящий из ступени подготовки рабочего тела, соединенных с ней по линии прямого потока ступеней

0 предварительного и окончательного охлаждения рабочего тела и линии обратного пО- тока, и узел теплообмена, соединенный с рефрижератором посредством клапанов, отличающееся тем, что, с целью повышения безопасности хранения, узел теплообмена выполнен в виде теплообменника-нагревателя, присоединенного входом к линии прямого потока после ступени подготовки рабочего тела, а выходом - к линии прямого потока перед ступенью окончательного охлажQ дения, верхнего и нижнего теплообменников- охладителей, вход которых параллельно присоединен к линии прямого потока после ступени окончательного охлаждения, а выход - к линии обратного потока, при этом теплообменник-нагреватель и верхний тепло5 обменник-охладитель размещены по внутренней стенке резервуара на уровне хранения криогенной жидкости, а нижний теплообменник-охладитель - по внутренней стен5

ке резервуара под уровнем криогенной жидкости.

2. Устройство по п. .1, отличающееся тем, что оно снабжено датчиками температуры, размещенными внутри резервуара диаметрально в вертикальной плоскости, датчиком давления, размещенным в верхней части резервуара, и системой управления, например микро-процессором, связанной с датчиками и клапанами.

Изобретение относится к области криогенной техники и позволяет повысить безопасность хранения криогенной жидкости. Устройство для хранения и охлаждения криогенной жидкости содержит криогенный резервуар и размещенные в нем теплообменники, связанные с криогенным рефрижератором, в котором ступень подготовки рабочего тела соединена со ступенью предварительного охлаждения, в которой к линии предварительного охлаждения рабочего тела параллельно ей присоединен через клапаны теплообменник-нагреватель, в этой же линии размещен клапан между точками присоединения теплообменника-нагревателя, со ступенью окончательного охлаждения рефрижератора через клапаны параллельно друг другу соединены верхний и нижний теплообменники-охладители. Теплообменник-нагреватель и верхний теплообменник-охладитель размещены по внутренней стенке резервуара на уровне хранящейся криогенной жидкости, нижний теплообменник-охладитель размещен по внутренней стенке резервуара с уровнем криогенной жидкости. В резервуаре размещены датчики температуры: один над другим от нижней точки резервуара до верхней, на теплообменниках. С паровой подушкой резервуара соединен датчик давления. Датчики температуры, датчик давления и клапаны соединены с системой управления процессом охлаждения на основе микропроцессора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

22

32