устройство для хранения и подачи криогенных продуктов

Формула изобретения

Устройство для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащее теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, дренажный и заправочный трубопроводы с запорными клапанами, к которым на участках между кожухом и запорными клапанами подстыкован соединительный трубопровод, содержащий теплообменник-испаритель и арматуру, к которому после теплообменника-испарителя подстыкован отборный трубопровод с запорным клапаном, на конце дренажного трубопровода внутри емкости закреплен коллектор, выполненный в виде кольцевой перфорированной трубы, полость которой соединена радиальными трубопроводами с полостью дренажного трубопровода, отличающееся тем, что в полость емкости введен поплавок, выполненный из теплопроводного материала, установленный с образованием равномерного кольцевого зазора между внутренней поверхностью емкости и торцевой поверхностью поплавка с площадью проходного сечения не менее или равной площади проходного сечения дренажного трубопровода, при этом перфорационные отверстия коллектора расположены со стороны, обращенной к поплавку, и поверхность коллектора с этой стороны снабжена равномерно расположенными на ней ограничительными выступами.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области криогенной техники и предназначено для хранения и подачи криогенных продуктов к потребителям, например для подачи кислорода, хранящегося в двухфазном состоянии в электрохимический генератор (ЭХГ) энергетической установки (ЭУ) на основе водородно-кислородных топливных элементов, предназначенной для работы в условиях гравитации.

Известно устройство для хранения и подачи криогенных продуктов к потребителям (см. "Вопросы глубокого охлаждения", сборник статей под редакцией М. П. Малкова, М. , Издательство иностранной литературы, 1961 г., стр. 308, фиг. 22), содержащее теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, дренажный и заправочный трубопроводы с запорными клапанами, к которым на участках между кожухом и запорными клапанами подстыкован соединительный трубопровод, содержащий теплообменник-испаритель и арматуру, к которому после теплообменника-испарителя подстыкован отборный трубопровод с запорным клапаном.

Указанное решение имеет следующие недостатки:

- не позволяет минимизировать время подъема давления от давления заправки до рабочего уровня. Это связано с тем, что при подъеме давления в этом устройстве путем наддува теплого газа из теплообменника-конденсатора в газовую подушку имеет место непосредственное воздействие газовой струи на поверхность жидкости, что приводит к образованию воронки и турбулизации жидкости. В результате для повышения температуры поверхностного слоя жидкости, которая и определяет давление в емкости, требуется прогревать большую массу жидкости, а не тонкий слой, на что требуется большой расход газа и значительное время. Это время и определяет готовность устройства к выдаче криогенного продукта потребителю в заданном допусковом диапазоне давлений, например, в ЭХГ энергетической установки, установленной на объектах, где время готовности является существенным фактором;

- не предотвращает попадания жидкой фазы криогенного продукта при наклонах емкости в полость дренажного трубопровода при хранении его в емкости с открытым дренажом. Такой режим работы устройства в составе ЭУ, т.е. с дренированием испаряющегося за счет теплопритоков из окружающей среды хранимого криогенного продукта может быть продолжительным. При транспортировке в заборное отверстие дренажного трубопровода может попадать жидкость, а при отборе жидкости потери криогенного продукта будут значительно больше, чем при отборе пара, поэтому за время хранения криогенного продукта с открытым дренажом потери могут составить существенную величину, что приведет к невозможности выполнения запланированной программы работы.

Известно также устройство для хранения и подачи криогенных продуктов, принятое за прототип (см. книгу Н.В. Филин, А.Б.Буланов, "Жидкостные криогенные системы", Л.: Машиностроение, 1985, стр.43, рис. 2.14). Устройство содержит теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, дренажный и заправочный трубопроводы с запорными клапанами, к которым на участках между кожухом и запорными клапанами подстыкован соединительный трубопровод, содержащий теплообменник-испаритель и арматуру, к которому после теплообменника-испарителя подстыкован отборный трубопровод с заборным клапаном, а на конце дренажного трубопровода внутри емкости закреплен коллектор, выполненный в виде кольцевой перфорированной трубы, в которой отверстия перфорации расположены на верхней образующей.

В прототипе, по сравнению с аналогом, благодаря установки на конце дренажного трубопровода кольцевой перфорированной трубы с расположением перфорированных отверстий на верхней образующей исключается непосредственное воздействие газовых струй на поверхность жидкости и обеспечивается равномерная подача газа в паровое пространство емкости. Истечение газа происходит в виде отдельных струй вертикально вверх и их торможение вблизи стенки купола. Подводимое газом наддува тепло передается на стенку купола, откуда теплопроводностью частично передается к поверхностному слою жидкости и частично передается по стенке емкости и от нее отводится к основной массе жидкости. Хотя в этом устройстве и не происходит турбулизации жидкости у поверхности, время прогрева поверхностного слоя до требуемой температуры, которая определяет требуемое рабочее давление в емкости, значительное, т.к. не все тепло, подводимое с газом наддува идет на прогрев поверхностного слоя и, кроме того, подвод тепла теплопроводностью от стенки купола менее интенсивен, чем непосредственное воздействие газа на поверхность жидкости.

При транспортировке так же, как и в прототипе, возможно заплескивание жидкости в перфорационные отверстия коллектора, что может привести к существенным потерям криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажом. Таким образом, прототип имеет те же недостатки, что и аналог, только влияние их уменьшено.

Задачей настоящего изобретения является минимизация времени подъема давления хранимого криогенного продукта до рабочего уровня и минимизация потерь криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажом.

Сущность изобретения заключается в том, что в полость емкости устройства для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащего теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, дренажный и заправочный трубопроводы с запорными клапанами, к которым на участках между кожухами и запорными клапанами подстыкован соединительный трубопровод, содержащий теплообменник-испаритель и арматуру, к которому после теплообменника-испарителя подстыкован отборный трубопровод с запорным клапаном, на конце дренажного трубопровода внутри емкости закреплен коллектор, выполненный в виде кольцевой перфорированной трубы, полость которой соединена радиальными трубопроводами с полостью дренажного трубопровода, введен поплавок, выполненный из теплопроводного материала, установленный с образованием равномерного кольцевого зазора между внутренней поверхностью емкости и торцевой поверхностью поплавка с площадью проходного сечения не менее или равной площади проходного сечения дренажного трубопровода, при этом перфорационные отверстия коллектора расположены со стороны, обращенной к поплавку, и поверхность коллектора с этой стороны снабжена равномерно расположенными на ней ограничительными выступами.

Технический результат заключается в том, что, по сравнению с известными на сегодняшний день техническими решениями, вновь созданное устройство для хранения и подачи криогенных продуктов позволяет минимизировать время подъема давления хранимого криогенного продукта до рабочего уровня и минимизировать потери криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажом.

Это достигается благодаря введению в полость емкости поплавка, выполненного из теплопроводного материала, например из алюминия. Для удержания металлического поплавка на плаву в криогенной жидкости, например в жидком кислороде, плотность которого меньше плотности алюминия, поплавок выполнен в виде тонкостенной пластины, приваренной к пустотелому коробу. Поплавок в емкости установлен с образованием равномерного кольцевого зазора между внутренней поверхностью емкости и торцевой поверхностью поплавка. Из условия предотвращения заплескивания жидкости в перфорационные отверстия коллектора зазор должен быть минимален, но при этом площадь сечения зазора должна быть не менее площади проходного сечения дренажного трубопровода. Если исходя из равенства площадей проходных сечений размер зазора будет недопустимо малым, т. е. иметь конструктивно недопустимую величину, то он принимается исходя из конструктивно допустимого размера. Кроме того, в предлагаемом устройстве перфорационные отверстия коллектора расположены со стороны, обращенной к поверхности жидкости, и размер перфорационных отверстий на радиальных трубопроводах убывает от центра к периферии с учетом обеспечения равномерного наддува газа из всех отверстий, расположенных как на радиальных трубопроводах, так и на кольце. Для предотвращения перекрытия перфорационных отверстий поплавком и, следовательно, блокирования отвода криогенного продукта через дренажный трубопровод на поверхности коллектора со стороны, обращенной к поплавку, равномерно расположены ограничительные выступы.

Такое конструктивное выполнение устройства для хранения и подачи криогенных продуктов позволяет минимизироватъ время подъема хранимого криогенного продукта до рабочего уровня и, следовательно, минимизировать время подготовки к выдаче криогенного продукта в заданном допусковом диапазоне потребителю, например в ЭХГ ЭУ. Это обеспечивается тем, что наддуваемый в паровое пространство емкости теплый газ истекает в виде отдельных струй и равномерно омывает всю поверхность поплавка. Все подводимое с газом тепло передается на поверхность тонкостенной высокотеплопроводной пластины поплавка и от нее к поверхности жидкости. Температура поверхностного слоя быстро повышается и давление поднимается до равновесного, соответствующего температуре поверхностного сдоя жидкости. При наклонах емкости, например при транспортировке, жидкость не будет попадать в отверстия коллектора, т.к., проходя через узкий зазор, она теряет свою кинетическую энергию и не будет достигать отверстий. Поэтому при хранении криогенного продукта с открытым дренажом отбираться будет только пар, расход которого известен и определяется теплопритоком из окружающей среды.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема устройства.

Устройство содержит емкость 1, на поверхность которой нанесена вакуумно- многослойная теплоизоляция 2. Емкость 1 закреплена в вакуумно-плотном кожухе 3 на опорах 4. Устройство снабжено трубопроводом заправки 5 с запорным клапаном 6 и трубопроводом дренажа 7 с запорным клапаном 8. К трубопроводу заправки 5 на участке между кожухом 3 и запорным клапаном 6 подстыкован соединительный трубопровод 9, который через последовательно установленные запорный клапан 10, теплообменник-испаритель 11 и запорный клапан 12 подстыкован другим концом к дренажному трубопроводу 7 на участке между кожухом 3 и запорным клапаном 8. К соединительному трубопроводу 9 на участке между теплообменником-испарителем 11 и запорным клапаном 12 подстыкован отборный трубопровод 13 с запорным клапаном 14. Внутри емкости 1 размещен поплавок 15, выполненный из тонкостенной пластины 16 из теплопроводного материала, например из алюминия, приваренной к пустотелому коробу 17. Между торцевой поверхностью поплавка 15 и внутренней поверхностью емкости 1 образован равномерный кольцевой зазор 18. На конце дренажного трубопровода 7, расположенного внутри емкости 1, закреплен коллектор 19, выполненный в виде кольцевой трубы 20, полость которой соединена с полостью дренажного трубопровода 7 радиальными трубопроводами 21. Кольцевая труба 20 и радиальные трубопроводы 21 снабжены перфорационными отверстиями 22, которые расположены со стороны, обращенной к поплавку 15. С этой же стороны поверхность коллектора 19 снабжена равномерно расположенными на ней ограничительными выступами 23. На коллекторе 19 со стороны, обращенной к поплавку 15, установлен датчик температуры 24.

Работает устройство следующим образом.

Открываются запорные клапаны 6, 8 и производится заправка емкости 1 криогенным продуктом, например, кислородом до перелива, т.е. когда в дренажный трубопровод 7 попадает жидкость, попадание которой фиксируется по резкому падению температуры в дренажном трубопроводе. После этого закрывается клапан 6 на заправочном трубопроводе 5 и производится выдержка емкости с открытым дренажом до тех пор, пока температура, фиксируемая датчиком 24, установленным на коллекторе 19 со стороны, обращенной к поплавку 15, не повысится на ~3^o.

Это значит, что коллектор 19 с ограничительными выступами 23 находится в зоне пара и между поплавком 15 и коллектором 19 образовалась паровая прослойка. Далее, если по условиям эксплуатации работа вспомогательной ЭУ не требуется, то запорный клапан 8 остается открытым и через дренажный трубопровод 7 производится отбор паров испаряющегося за счет теплопритоков из окружающей среды криогенного продукта. При наклонах емкости при транспортировке жидкость не будет попадать в отверстия 22 коллектора 19, т.к. при проходе через узкий кольцевой зазор 18 она теряет свою кинетическую энергию и будет просто омывать поверхность поплавка 15, обращенную к коллектору 19. В результате при работе емкости 1 в таком режиме жидкость из дренажного трубопровода отводиться не будет, что обеспечит минимальные потери криогенного продукта, т.к. при отводе жидкости в процессе работы емкости с открытым дренажом отводимая масса криогенного продукта будет больше во столько раз, во сколько плотность жидкой фазы больше плотности паровой фазы.

Если требуется работа ЭУ, то необходимо поднять давление в емкости 1 до требуемого уровня, например 8 кГс/см² (нижний рабочий уровень). Для этого закрывается клапан 8, открываются клапаны 10, 12 и производится отбор жидкого криогенного продукта под действием силы тяжести в теплообменник-испаритель 11 (через него все время прокачивается теплоноситель), где жидкость сначала испаряется, а затем нагревается до плюсовых температур и нагретая по соединительному трубопроводу 9 и дренажному 7 поступает в коллектор 19, откуда через перфорационные отверстия 22 подается на поверхность поплавка 15.

Струи теплого газа омывают пластину 16 равномерно по всей поверхности. Газ при соприкосновении с поверхностью пластины 16 конденсируется, при конденсации выделяется тепло, которое вместе с теплом, получаемым при остывании газа до температуры жидкости идет на повышение температуры пластины 16 и, следовательно, температуры на поверхности жидкости, т.к. термическое сопротивление тонкой высокотеплопроводной пластины 16 поплавка 15 практически равно нулю.

В результате, за счет интенсивного теплообмена температура поверхностного слоя жидкости быстро повышается, что приводит к повышению давления в емкости, и после его повышения до нижнего рабочего уровня производится открытие запорного клапана 14 на отборном трубопроводе 13 и отбор криогенного продукта в ЭХГ ЭУ. С течением времени основная масса жидкости в емкости прогревается за счет теплопритоков из окружающей среды и после повышения температуры основной массы жидкости до уровня, которому соответствует равновесное давление, равное нижнему рабочему давлению в емкости, клапан 12 закрывается, и наддув газа в паровое пространство прекращается. Клапан 10 в процессе отбора в ЭХГ ЭУ остается открытым. В процессе отбора в зависимости от величины расхода давление может находиться на постоянном уровне, повышаться или понижаться. В случае понижения давления до нижнего рабочего уровня открывается клапан 12 и производится наддув теплого газа в паровое пространство емкости 1 до повышения в ней давления до верхнего рабочего уровня, например 12 кГс/см², после чего клапан 12 закрывается.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяет достичь нового технического результата: минимизировать время подъема давления хранимого криогенного продукта до рабочего уровня и минимизировать потери криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажом.