Устройство для хранения и подачи криогенного продукта и способ хранения и подачи криогенного продукта

Устройство для хранения и подачи криогенного продукта и способ хранения и подачи криогенного продукта

Реферат

Изобретение относится к холодильной и криогенной технике, а точнее к области проектирования и эксплуатации емкостей для хранения криогенных продуктов.

Известны емкости для хранения криогенного продукта (см., например, Микулин Е.Н. Криогенная техника. - М.: Машиностроение, 1969, с.227), содержащие теплоизолированный внутренний сосуд и трубопровод для отвода газообразного продукта.

При хранении криогенных продуктов в данных емкостях отвод пара (газа), образующегося за счет внешних теплопритоков, производят через трубопровод, сообщенный с газовой полостью внутреннего сосуда, при этом трубопровод в виде змеевика закреплен на экране для охлаждения последнего и снятия теплопритоков отходящими парами криогенного продукта.

Известен способ подачи газа, в котором поддерживают давление и температуру газа в емкости выше температуры конденсации путем подвода тепла к газу при уменьшении его плотности в процессе хранения и уменьшения массы газа в емкости (см., например, Фастовский В.Г. и др. Криогенная техника. М.: Энергия, 1967, с.274).

Недостатками указанных технических решений-аналогов являются малоэффективный процесс нагрева криогенного продукта и подъема давления для подачи газа к потребителю.

Наиболее близкой по технической сущности является устройство для хранения и подачи криогенного продукта, взятая за прототип и содержащая теплоизолированный внутренний сосуд с размещенным в центре трубчатым нагревателем с тепловыравнивающими ребрами, дренажный и заправочный трубопроводы, источник вакуума (см., например, патент России №2235941, МПК: F17С 3/02, с приоритетом от 17.12.2002). Источник вакуума подключен к дренажному трубопроводу, сообщенному с паровой полостью внутреннего сосуда. Для регулирования и измерения температуры внутри объема сосуда размещены электронагреватель с тепловыравнивающими ребрами и датчики температуры, при этом ребра установлены радиально и выполнены перфорированными с уменьшающейся массой к периферии, что позволяет ускорить процесс переохлаждения криогенной жидкости и обеспечить равномерное распределение тепла по всему объему криогенной жидкости. Ребро может быть выполнено в виде последовательно соединенных между собой пластин с различным термическим сопротивлением. Пластины с большим термическим сопротивлением размещены по периферии.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ хранения и подачи криогенного продукта, взятый за прототип, основанный на поддержании давления и температуры криогенного продукта в теплоизолированном внутреннем сосуде выше температуры конденсации путем подвода тепла к криогенному продукту при уменьшении его плотности в процессе хранения, и который включает изохорический нагрев до температуры, соответствующей однофазному состоянию при докритическом давлении, превышающем давление потребителя не менее чем на 1 кг/см², а выдачу производят с возрастанием давления до заданного сверхкритического с подводом тепла с корректировкой температуры, что позволяет сократить время подготовки к выдаче продукта (см., например, патент России №1700988, МПК: F17С 13/00, с приоритетом от 24.02.1977).

Недостатками емкости для хранения криогенного продукта и способа подачи газа, взятых за прототип, является то, что подачу криогенного продукта потребителю производят с возрастанием давления до заданного сверхкритического с подводом тепла, приводящим к повышению энергозатрат, в результате - малоэффективен нагрев криогенного продукта и не обеспечивается быстрый подъем давления и подача газа к потребителю.

Задачей настоящего изобретения является создание таких устройства и способа для хранения и подачи криогенного продукта, которые обеспечивали бы повышение эффективности нагрева криогенного продукта и уменьшение энергетических затрат на подвод тепла к криогенному продукту при его подаче к потребителю.

Технический результат достигается тем, что в устройство для хранения и подачи криогенного продукта, содержащее теплоизолированный внутренний сосуд, с размещенным в центре нагревателем с тепловыравнивающими ребрами, установленными и закрепленными с тепловым контактом на корпусе нагревателя, трубопроводы заправки и подачи, датчики температуры и давления, связанные с блоком управления, который соединен с нагревателем и с электроклапанами, установленными на трубопроводе заправки и трубопроводе подачи, в отличие от известного, введены дополнительные нагревательные элементы, размещенные на тепловыравнивающих ребрах и удаленные на различные расстояния от центра к периферии, равномерно чередуясь, а входное отверстие трубопровода подачи расположено у внутренней поверхности внутреннего сосуда между двумя соседними ребрами, при этом блок управления соединен с дополнительными нагревательными элементами.

Технический результат достигается тем, что в способе хранения и подачи криогенного продукта, основанном на поддержании давления и температуры криогенного продукта в теплоизолированном внутреннем сосуде выше температуры конденсации путем подвода тепла к криогенному продукту при уменьшении его плотности в процессе хранения криогенного продукта, в отличие от известного, в процессе подачи криогенного продукта давление в теплоизолированном внутреннем сосуде понижают до значений, близких к давлению заправки, путем отключения нагревателя и дополнительных нагревательных элементов, а при достижении давления в теплоизолированном внутреннем сосуде значения давления заправки производят включение нагревателя и (или) дополнительных нагревательных элементов для поддержания давления на уровне ниже критического.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями, вновь созданные устройство и способ для хранения и подачи криогенного продукта обеспечивают не только повышение эффективности нагрева криогенного продукта, но и уменьшают энергетические затраты на подвод тепла к криогенному продукту при его подаче к потребителю, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемых технических решений.

Использование предлагаемых устройства и способа для хранения и подачи криогенного продукта к потребителю, например к водородно-кислородному электрохимическому генератору, устанавливаемому на космическом корабле типа «Шаттл», позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения повышения эффективности нагрева криогенного продукта и уменьшения энергетических затрат на подвод тепла к криогенному продукту при его подаче к водородно-кислородному электрохимическому генератору, вырабатывающему постоянный электрический ток. Кроме того, газообразный кислород подают к системе жизнеобеспечения на космическом корабле.

Суть изобретения поясняется чертежом. Предлагаемое устройство для хранения и подачи криогенного продукта (далее - емкость) состоит из следующих основных узлов и деталей: теплоизолированного внутреннего сосуда 1 с размещенным в центре 2 нагревателем 3, например трубчатым электронагревателем, трубопровода заправки 4 и трубопровода подачи 5. Емкость снабжена дополнительными нагревательными элементами 6, например электронагревательными элементами, размещенными на тепловыравнивающих ребрах 7, радиально установленных и закрепленных с тепловым контактом на корпусе 8 нагревателя 3. Нагревательные элементы 6 удалены на различные расстояния от центра к периферии, равномерно чередуясь, например, поочередно на вершинах 9 или посередине 10 соседних ребер 7. Входное отверстие 11 трубопровода подачи 5 расположено у внутренней поверхности 12 внутреннего сосуда 1 между двумя соседними ребрами 7 на расстояниях l₁, l₂ от одного и другого ребер.

Устройство для хранения и подачи криогенного продукта снабжена датчиками температуры 13 и давления 14 электрически связанными с блоком управления 15, который в свою очередь связан с электроклапанами 16, 17, установленными, соответственно, на трубопроводе заправки 4 и трубопроводе подачи 5. Трубопровод подачи 5 содержит предохранительный клапан 18, срабатывающий при аварийном повышении давления во внутреннем сосуде 1.

Криогенный продукт, например жидкий водород, посредством трубопровода заправки 4 заправляют при открытых электроклапанах 16, 17 во внутренний сосуд 1, в результате чего первоначально происходит захолаживание емкости с последующим заполнением внутреннего сосуда 1 до заданного уровня. По окончании заправки электроклапаны 16, 17, работой которых управляет блок 15, закрывают, и газ длительное время, например 30 суток, хранится в емкости без потерь, при этом длительность хранения определяется графиком работы потребителя, например водородно-кислородного электрохимического генератора, а обеспечивается минимальными теплопритоками, которые имеет емкость. Температуру и давление контролируют по датчикам температуры 13 и давления 14. При обеспечении подачи газообразного криогенного продукта (газа) к потребителю открывают электроклапан 17 и давление в теплоизолированном внутреннем сосуде понижают до значений, близких к давлению заправки, путем отключения на определенные промежутки времени нагревателя 3 и дополнительных нагревательных элементов 6, а при достижении давления в теплоизолированном внутреннем сосуде значения давления заправки производят включение нагревателя 3 и (или) дополнительных нагревательных элементов 6 для поддержания давления на уровне ниже критического путем повышения температуры газа выше температуры конденсации при уменьшении его плотности в процессе хранения в емкости и уменьшения массы газа.

Для уменьшения энергетических затрат на подвод тепла к криогенному продукту при его подаче к потребителю давление газа в процессе хранения понижают ниже критического (критическое давление водорода 12,79 атмосферы) в соответствии с изменением плотности (плотность водорода при критическом давлении 30 кг/м³) и температуры конденсации газа в емкости (критическая температура водорода 33,24 К), при этом для обеспечения отбора и подачи газа (газовой фазы) входное отверстие 11 трубопровода подачи 5 расположено у внутренней поверхности 12 внутреннего сосуда 1 между двумя соседними ребрами 7 в зоне образования газовой фазы криогенного продукта (водорода).

Снабжение емкости дополнительными нагревательными элементами 6 и размещение их поочередно на вершинах 9 или посередине 10 соседних радиально установленных ребер 7 позволяет повысить эффективность нагрева и регулировать температуру криогенного продукта в емкости на заданных уровнях, используя минимальное потребление электроэнергии на прогрев слоев криогенного продукта, расположенных у внутренней поверхности 12 внутреннего сосуда 1, при этом нет необходимости прогревать всю массу криогенного продукта, что сокращает энергозатраты на подвод тепла к криогенному продукту.

В отличие от известных в предлагаемых устройстве и способе хранения и подачи криогенного продукта давление при подаче понижают до уровня ниже критического в соответствии с изменением плотности и температуры конденсации криогенного продукта в емкости, т.е. при подаче криогенного продукта тепло не подается (следовательно, уменьшаются энергетические затраты) вплоть до падения давления в емкости до значения, близкого минимальному давлению, при котором производилась заправка емкости криогенным продуктом, например, значения порядка 3 кг/см².

Таким образом, за счет сокращения времени на подвод тепла к криогенному продукту при его подаче потребителю достигается повышение эффективности и уменьшение энергетических затрат.

1. Устройство для хранения и подачи криогенного продукта, содержащая теплоизолированный внутренний сосуд, с размещенным в центре нагревателем с тепловыравнивающими ребрами, установленными и закрепленными с тепловым контактом на корпусе нагревателя, трубопроводы заправки и подачи, датчики температуры и давления, связанные с блоком управления, который соединен с нагревателем и с электроклапанами, установленными на трубопроводе заправки и трубопроводе подачи, отличающаяся тем, что в него введены дополнительные нагревательные элементы, размещенные на тепловыравнивающих ребрах и удаленные на различные расстояния от центра к периферии, равномерно чередуясь, а входное отверстие трубопровода подачи расположено у внутренней поверхности внутреннего сосуда между двумя соседними ребрами, при этом блок управления соединен с дополнительными нагревательными элементами.

2. Способ хранения и подачи криогенного продукта, основанный на поддержании давления и температуры криогенного продукта в теплоизолированном внутреннем сосуде выше температуры конденсации путем подвода тепла к криогенному продукту при уменьшении его плотности в процессе хранения, отличающийся тем, что в процессе подачи криогенного продукта давление в теплоизолированном внутреннем сосуде понижают до значений, близких к давлению заправки, путем отключения нагревателя и дополнительных нагревательных элементов, а при достижении давления в теплоизолированном внутреннем сосуде значения давления заправки производят включение нагревателя и (или) дополнительных нагревательных элементов для поддержания давления на уровне ниже критического.