способ заполнения азотом сосуда, помещенного в охранную герметизированную емкость

Формула изобретения

СПОСОБ ЗАПОЛНЕНИЯ АЗОТОМ СОСУДА, ПОМЕЩЕННОГО В ОХРАННУЮ ГЕРМЕТИЗИРОВАННУЮ ЕМКОСТЬ, включающий захолаживание путем равномерной по периметру сосуда подачи азота в нижнюю часть сосуда и в нижнюю часть охранной герметизированной емкости с одновременным отводом образующихся при захолаживании паров и ввод жидкого азота в сосуд, также с отводом образующихся при этом паров, отличающийся тем, что, с целью повышения срока безремонтной эксплуатации сосуда для захолаживания, используют азот с температурой, равной критической, а ввод жидкого азота в сосуд начинают после того, как температура паров на выходе из сосуда станет равной критической, а на выходе из охранной герметизированной емкости - не более чем на 10^oС ниже, чем на выходе из сосуда.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к криогенной технике, конкретно - к сосудам для хранения сжиженных газов периодического заполнения.

Известен способ дозированного заполнения хладагентом компрессорных холодильных агрегатов путем вакуумирования и введения хладагента в газообразном состоянии во всасывающую магистраль.

Этот способ не учитывает изменение напряженного состояния стенок заполняемой емкости хладагентом и совершенно не гарантирует возникновение локальных концентраторов напряжений в структуре сварных швов емкости, что может привести к нарушению вакуумной плотности и к дополнительным материальным затратам, связанным с ремонтом.

Известен способ регулирования паросодержания холодильного агента на выходе из объекта охлаждения. Этот способ обеспечивает контроль количества подаваемого в объект жидкого хладагента путем пропускания через выходящий из объекта парообразный хладагент светового потока, регистрирует его интенсивность, а изменение количества подаваемого в объект жидкого хладагента ведут в зависимости от величины интенсивного светового потока.

Недостатком этого способа является невозможность соизмерения изменения интенсивности светового потока, проходящего через хладагент, с изменением и с ростом температурных напряжений, возникающих в структуре материала и в структурах сварных швов криогенной емкости.

Известен сосуд для криогенной емкости. Сосуд содержит внешнюю и внутреннюю емкости. Для снижения термических деформаций в период заполнения сосуда хладагентом он снабжен специальными вкладышами, которые имеют выступы, расположенные в горизонтальной плоскости параллельно геометрической оси сосуда. При заполнении сосуда термические деформации стенок емкости несколько снижаются, но не снижается температурный градиент, возникающий между сварными швами сосуда, что может привести к возникновению распирающих напряжений, превышающих критические.

Недостатком известных способов является невозможность учета изменения напряжений в зонах сварных швов, имеющих очаги с локальными концентраторами напряжений, которые возникли в процессе сварки обечаек цилиндрической криогенной крупногабаритной емкости. Кроме того, в процессе заполнения емкости хладагентом, внутри которой к стенкам приварены шпангоуты переменного сечения, сварной шов и материал обечаек испытывают сложное напряженное состояние, вызванное радиальными и линейными деформациями структур сварных швов и материала обечаек, что может стать причиной нарушения герметичности сварного соединения.

При изготовлении криогенной емкости, например из алюминиевого сплава 1201, в момент наполнения ее хладагентом, например жидким азотом, между кольцевыми швами возникают громадные распирающие напряжения, которые из-за разной абсолютной величины ударной вязкости структур основного материала и сварного шва приводят к развитию микротрещин в зонах с локальными концентраторами напряжений, так как вводят в емкость жидкий азот, температура которого минус 196оС. При многоразовом наполнении и сливе жидкого азота из емкости известный способ наполнения сосуда не гарантирует длительное сохранение надежных эксплуатационных характеристик емкости.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков.

Цель достигают тем, что для захолаживания используют азот с температурой, равной критической, а ввод жидкого азота в сосуд начинают после того, как температура паров на выходе из сосуда станет равной критической, а на выходе из охранной герметизированной емкости не более чем на 10^оС ниже, чем на выходе из сосуда.

При проведении патентных исследований не было обнаружено способов, в которых были бы использованы технические решения, предлагаемые нами.

На чертеже показан пример заполнения азотом сосуда, помещенного в герметизированную емкость.

Криогенная цилиндрическая емкость 1, имеющая шпангоуты 2, установлена в охранную герметизированную емкость 3. По всей высоте емкости установлены кольцевые вводы 4 хладагента. Трубопроводы 5 и 6 служат для ввода хладагента 7 во внутренние объемы емкостей, а трубопроводы 8 и 9 - для вывода. Емкость 1 перед заполнением закрепляют в емкости 3 с помощью анкерных болтов 10 и герметизируют крышкой 11 с нагружающими устройствами 12.

В начальный период заполнения емкости по трубопроводам 4, 5 и 6 вводят азот, температура которого равна критической. Интервал температур - от минус 137оС до минус 147^оС. При этой температуре азот находится в парогазовом и жидкостном состоянии, поэтому сразу обволакивает всю поверхность емкости. Тепловые потери с внутренней и внешней сторон по своей абсолютной величине разные, поэтому до тех пор, пока температура хладагента в трубопроводе 8 на выходе из емкости 1 не станет равной критической , а в трубопроводе 9, охранной емкости 3 станет не более чем на 10^оС ниже, чем на выходе из трубопровода 8, жидкий азот не подают. Только после получения требуемых температур хладагента на выходах из емкостей осуществляют ввод жидкого азота.

При этом обеспечивают рабочий температурный градиент между кольцевыми швами емкости, который не превышает критический. Структурные изменения, которые происходят с металлом сварного шва, соизмеримы с изменениями основного металла обечаек, заключенного между кольцевыми швами, поэтому вакуумная плотность сварного шва не нарушается. Ударная вязкость основного металла обечайку и сварных швов изменяется медленно, без возникновения дополнительных структурных термических очагов.

Предлагаемый способ заполнения сосуда азотом исключает хрупкий излом по структуре сварного шва и учитывает тепломассообмен по периметру и высоте емкости, а также соизмеряет внутренний и наружный темпы охлаждения стенок емкости, так как капля хладагента при своем движении по поверхности сосуда совершает максимальную работу по теплосъему. При этом происходит снижение температурного градиента на 33% от максимальной величины, что позволяет производить дополнительную растяжку емкости 1 с помощью нагружающих устройств 12 после заполнения емкости. Этой операцией гарантируют эксплуатационную надежность предлагаемого способа заполнения азотом сосуда, помещенного в охранную герметизированную емкость.

Пример конкретного выполнения предлагаемого способа заполнения азотом сосуда, помещенного в охранную герметизированную емкость.

Результаты сравнительных испытаний приведены в таблице.

При испытаниях были использованы два прибора ЭПП-209Н З (N 110570 и N 65574), датчики различной модификации, в том числе ИС-5458, манометры и мановакуумметр N 593072, течеискатель ПТИ-7.

Результаты испытаний показали, что способ заправки емкости в начальной стадии газообразным азотом, а затем жидким (таблица, пример 1) создает значительный температурный градиент между элементами сосуда, что может привести к его поломке и, как следствие, к ремонту.

Предлагаемый способ отличает (таблица, пример 2) приемлемый температурный градиент между элементами сосуда и, как следствие, высокая работоспособность и эксплуатационная надежность.

Таким образом, положительный эффект от предлагаемого изобретения заключается в повышении срока безремонтной эксплуатации сосуда для захолаживания за счет снижения температурного градиента по высоте емкости до 33% от максимальной величины, что в свою очередь даст экономию материальных средств. (56) Авторское свидетельство СССР N 885689, кл. F 17 C 3/00, 1981.