RU2235941C1 - Cryogenic vessel - Google Patents

Abstract

FIELD: vessels for containing or storing liquefied gases.

SUBSTANCE: cryogenic vessel has internal heat insulated vessel, heater mounted inside the vessel and provided with ribs, drain and filling pipelines, and vacuum source. The vacuum source is connected with the drain pipeline which is in communication with the vapor space of the internal vessel. The heater provided with the heat equilibrating ribs is mounted at the center of the vessel. The ribs are arranged radially and have perforation. The rib can be made of plates of different thermal resistance connected in series. The plates with higher thermal resistance are arranged over periphery.

EFFECT: enhanced efficiency of cooling.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области криогенной техники, а точнее к области проектирования и эксплуатации криогенных емкостей.The invention relates to the field of cryogenic technology, and more specifically to the field of design and operation of cryogenic tanks.

Известны криогенные емкости для хранения криогенных жидкостей (например, Е.И. Микулин. Криогенная техника. Машиностроение, М.: 1969 г., стр. 227), содержащие теплоизолированный внутренний сосуд и дренажно-заправочные трубопроводы, сообщенные с внутренней полостью сосуда. Криогенная жидкость, испаряющаяся в емкости за счет теплопритоков, отводится через дренажное устройство к потребителю или сбрасывается в атмосферу.Known cryogenic containers for storing cryogenic liquids (for example, EI Mikulin. Cryogenic technology. Engineering, M .: 1969, p. 227) containing a thermally insulated inner vessel and drainage-filling pipelines in communication with the inner cavity of the vessel. Cryogenic liquid evaporating in the tank due to heat inflows is discharged through a drainage device to the consumer or discharged into the atmosphere.

Недостатками указанного аналога являются малоэффективный процесс переохлаждения и большие потери криогенной жидкости из-за длительности процесса отбора паров над поверхностью криогенной жидкости.The disadvantages of this analogue are the inefficient process of subcooling and large losses of cryogenic liquid due to the length of the process of selection of vapors above the surface of the cryogenic liquid.

Наиболее близким по технической сущности является криогенная емкость, взятая за прототип, содержащая теплоизолированный внутренний сосуд, размещенный внутри его нагреватель с тепловыравнивающими ребрами, дренажный и заправочный трубопроводы и источник вакуума (например, Е.И. Микулин. Криогенная техника. М.: Машиностроение, 1969 г., стр. 232, 235).The closest in technical essence is a cryogenic tank, taken as a prototype, containing a thermally insulated inner vessel, a heater located inside it with heat-equalizing fins, drainage and refueling pipelines and a vacuum source (for example, E.I. Mikulin. Cryogenic equipment. M .: Engineering, 1969, p. 232, 235).

Указанная емкость обеспечивает хранение криогенных жидкостей, например жидкого гелия, при этом испаряющийся за счет теплопритоков пар отбирают из сосуда. Находящиеся в сосуде электронагреватели позволяют регулировать температуру криогенной жидкости. Однако нагреватели односторонние, расположены на стенках сосуда и создают неравномерный прогрев жидкости, что создает инерционность и неравномерность нагрева криогенной жидкости при откачке пара из емкости (сосуда) в процессе переохлаждения жидкости.The specified capacity provides storage of cryogenic liquids, for example liquid helium, while the vapor evaporating due to heat influx is taken from the vessel. The electric heaters located in the vessel allow you to adjust the temperature of the cryogenic liquid. However, the heaters are one-sided, located on the walls of the vessel and create uneven heating of the liquid, which creates the inertia and uneven heating of the cryogenic liquid during the pumping of steam from the tank (vessel) in the process of supercooling the liquid.

Недостатками криогенной емкости, взятой за прототип, является то, что она имеет длительный процесс переохлаждения криогенной жидкости и отсутствие возможности равномерного распределения тепла по всему объему криогенной жидкости.The disadvantages of the cryogenic tank, taken as a prototype, is that it has a long process of hypothermia of the cryogenic liquid and the inability to evenly distribute heat throughout the volume of cryogenic liquid.

Задачей настоящие изобретения является создание такой криогенной емкости, которая обеспечивала бы ускоренный процесс переохлаждения криогенной жидкости и равномерное распределение тепла по всему объему криогенной жидкости.The present invention is the creation of such a cryogenic tank, which would provide an accelerated process of hypothermia of the cryogenic liquid and a uniform distribution of heat throughout the volume of cryogenic liquid.

Задача решается тем, что в криогенной емкости, содержащей теплоизолированный внутренний сосуд, размещенный внутри его нагреватель с тепловыравнивающими ребрами, дренажный и заправочный трубопроводы и источник вакуума, в отличие от известной источник вакуума подключен к дренажному трубопроводу, сообщенному с паровой полостью внутреннего сосуда, в центре которого установлен нагреватель с тепловыравнивающими ребрами, размещенными радиально и выполненными перфорированными с уменьшающейся массой к периферии.The problem is solved in that in a cryogenic container containing a thermally insulated inner vessel, a heater located inside it with heat-equalizing fins, a drainage and refueling piping and a vacuum source, in contrast to the known vacuum source, is connected to a drainage pipe in communication with the vapor cavity of the inner vessel, in the center which is equipped with a heater with heat-equalizing fins placed radially and made perforated with decreasing mass to the periphery.

При этом каждое тепловыравнивающее ребро предлагается выполнить в виде последовательно соединенных между собой пластин с различным термическим сопротивлением, причем пластины с большим термическим сопротивлением должны быть размещены по периферии. Выполнение тепловыравнивающих ребер с уменьшающейся массой возможно при выполнении их конусообразной формы в поперечном сечении, однако это сложно с технологической точки зрения, поэтому предлагается более технологичный вариант выполнения в виде пластин с различным термическим сопротивлением, например, за счет различной толщины пластин или использования различных материалов.Moreover, each heat-leveling rib is proposed to be made in the form of plates connected in series with each other with different thermal resistance, and plates with high thermal resistance should be placed on the periphery. The implementation of heat-equalizing ribs with decreasing mass is possible when they are conical in cross section, but this is difficult from a technological point of view, therefore a more technologically advanced embodiment is proposed in the form of plates with different thermal resistance, for example, due to different plate thicknesses or the use of different materials.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными техническими решениями предлагаемая криогенная емкость обеспечивает не только ускоренный процесс переохлаждения криогенной жидкости и равномерное распределение тепла по всему объему криогенной жидкости, но и дренажному трубопроводу, сообщенному с паровой полостью внутреннего сосуда, и центральное расположение в сосуде нагревателя с тепловыравнивающими ребрами, выполненными перфорированными в виде установленных радиально и последовательно соединенных между собой пластин с различным термическим сопротивлением, обеспечивающих равномерное распределение тепла по всему объему криогенной жидкости, которую при переохлаждении предварительно нагревают до максимально возможного повышения давления в емкости, а также взаимная конструктивная связь всех составных элементов криогенной емкости позволяет обеспечить ускоренное переохлаждение криогенной жидкости и равномерное распределение тепла но всему объему жидкости, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемых технических решений.The technical result consists in the fact that, compared with the known technical solutions, the proposed cryogenic capacity provides not only an accelerated process of hypothermia of the cryogenic liquid and even heat distribution throughout the entire volume of the cryogenic liquid, but also a drainage pipe in communication with the vapor cavity of the inner vessel and a central location in the vessel of the heater with heat-equalizing fins made perforated in the form of installed radially and in series connected between the breakdown of plates with different thermal resistance, providing a uniform distribution of heat throughout the volume of cryogenic liquid, which is preheated during supercooling to the maximum possible increase in pressure in the tank, as well as the mutual structural connection of all the constituent elements of the cryogenic tank allows for accelerated supercooling of cryogenic liquid and uniform heat distribution but the entire volume of liquid, which is confirmed by tests of prototypes made using proposed technical solutions.

Использование предлагаемых криогенных емкостей, например, при создании и эксплуатации криогенных емкостей, используемых для хранения и подачи криогенных продуктов - кислорода и водорода к потребителю, например к электрохимическому генератору, устанавливаемому на космическом корабле типа “Шаттл”, позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения ускоренного переохлаждения криогенных жидкостей в емкостях для длительного хранения криогенного водорода и кислорода, а также за счет равномерного нагрева криогенной жидкости как при осуществлении ускоренного процесса переохлаждения криогенной жидкости, так и при обеспечении подачи водорода и кислорода к потребителям.The use of the proposed cryogenic tanks, for example, in the creation and operation of cryogenic tanks used for storage and supply of cryogenic products - oxygen and hydrogen to the consumer, for example, to the electrochemical generator installed on the Shuttle-type spacecraft, will provide a significant economic effect by providing accelerated supercooling of cryogenic liquids in tanks for long-term storage of cryogenic hydrogen and oxygen, as well as due to uniform heating of cryogenic liquids bones both during the implementation of the accelerated process of hypothermia of cryogenic liquid, and while ensuring the supply of hydrogen and oxygen to consumers.

Суть изобретения поясняется чертежом.The essence of the invention is illustrated in the drawing.

Предлагаемая криогенная емкость состоит из следующих основных узлов и деталей: теплоизолированного внутреннего сосуда 1, нагревателя 2, размещенного внутри в криогенной жидкости 3, дренажного трубопровода 4, заправочного трубопровода 5 и источника вакуума 6, например вакуумного насоса, а в условиях космоса сам космос - космический вакуум.The proposed cryogenic capacity consists of the following main components and parts: a thermally insulated inner vessel 1, a heater 2, placed inside in a cryogenic liquid 3, a drain pipe 4, a refueling pipe 5 and a vacuum source 6, for example a vacuum pump, and in space itself the space vacuum.

Источник вакуума 6 подключен к дренажному трубопроводу 4, сообщенному с паровой полостью 7 внутреннего сосуда 1, в центре которого установлен нагреватель 2 с тепловыравнивающими ребрами 8, выполненными перфорированными. Каждое ребро 8 выполнено в виде установленных радиально и последовательно соединенных между собой пластин 9 и 10 с различным термическим сопротивлением. Пластины 10 с большим термическим сопротивлением размещены по периферии 11.The vacuum source 6 is connected to a drainage pipe 4 connected with the vapor cavity 7 of the inner vessel 1, in the center of which a heater 2 is installed with heat-equalizing fins 8 made perforated. Each rib 8 is made in the form of installed radially and sequentially interconnected plates 9 and 10 with different thermal resistance. Plate 10 with high thermal resistance is placed on the periphery 11.

Перфорация (отверстия) 12 тепловыравнивающих ребер 8 необходима для свободного перемещения жидкости в сосуде 1, при этом экспериментально установлено, что результат наиболее достижим при выполнении перфорации в соответствии с выражениемPerforation (holes) 12 of the heat-equalizing ribs 8 is necessary for the free movement of fluid in the vessel 1, while it was experimentally established that the result is most achievable when performing perforation in accordance with the expression

где Fп(y) - площадь отверстий, расположенных на расстоянии y от основания тепловыравнивающего ребра, м².where Fп (y) is the area of holes located at a distance y from the base of the heat-equalizing ribs, m ² .

F - площадь тепловыравнивающего ребра, м².F is the area of the heat-equalizing ribs, m ² .

δ₁ - толщина пластины с меньшим термическим сопротивлением, м.δ ₁ - plate thickness with lower thermal resistance, m

δ₂ - толщина пластины с большим термическим сопротивлением, м.δ ₂ - plate thickness with high thermal resistance, m

h - высота тепловыравнивающего ребра, м.h is the height of the heat equalizing ribs, m

y - расстояние от основания тепловыравнивающего ребра, м.y is the distance from the base of the heat-equalizing ribs, m

(0≤y≤h)(0≤y≤h)

Кроме того, указанное выражение определяет оптимальную площадь отверстий, не влияющую (не ухудшающую) на теплопередачу от нагревателя 2 к жидкости.In addition, this expression determines the optimal area of the holes, not affecting (not worsening) the heat transfer from the heater 2 to the liquid.

Заправочный и дренажный трубопроводы 5, 4 соответственно содержат заправочно-регулирующие клапаны 13, 14, а источник вакуума 6 подключен к дренажному трубопроводу 4 посредством трубопровода 15 с клапаном вакуумирования 16. Основанием тепловыравнивающего ребра 8 является место (стык) крепления и теплового контакта 17 тепловыравнивающего ребра 8 с нагревателем 2.The filling and drainage pipelines 5, 4 respectively comprise filling and regulating valves 13, 14, and the vacuum source 6 is connected to the drainage pipe 4 via a pipe 15 with a vacuum valve 16. The base of the heat-equalizing rib 8 is the place (joint) of the fastening and thermal contact 17 of the heat-equalizing rib 8 with heater 2.

В теплоизоляционной полости 18, расположенной между внутренним сосудом 1 и внешней оболочкой 19, размещена экранно-вакуумная теплоизоляция 20.In the heat-insulating cavity 18, located between the inner vessel 1 and the outer shell 19, is placed screen-vacuum thermal insulation 20.

Работает криогенная емкость и реализуется способ переохлаждения криогенной жидкости следующим образом.A cryogenic tank works and a method of subcooling a cryogenic liquid is implemented as follows.

Криогенную жидкость 3, например жидкий кислород или водород, посредством заправочного трубопровода 5 заправляют во внутренний сосуд 1, в результате чего первоначально происходит захолаживание сосуда 1 с последующим его заполнением до заданного уровня (количества).Cryogenic liquid 3, for example liquid oxygen or hydrogen, is charged into the inner vessel 1 by means of a filling pipe 5, as a result of which the vessel 1 is initially cooled down and then filled to a predetermined level (quantity).

Испаряющийся за счет теплопритоков жидкий кислород (водород) в виде паровой фазы (пара) располагается над поверхностью криогенной жидкости 3 (жидкого кислорода или водорода) в паровой полости 7, откуда пар через дренажный трубопровод 4 отбирают к потребителю, например к водородно-кислородному электрохимическому генератору.Liquid oxygen (hydrogen) evaporated due to heat influx in the form of a vapor phase (vapor) is located above the surface of a cryogenic liquid 3 (liquid oxygen or hydrogen) in a vapor cavity 7, from where steam is taken to a consumer through a drain pipe 4, for example, to a hydrogen-oxygen electrochemical generator .

Для увеличения времени хранения криогенной жидкости в криогенной емкости жидкость переохлаждают.To increase the storage time of the cryogenic liquid in the cryogenic tank, the liquid is supercooled.

В заправленной криогенной емкости криогенной жидкостью 3 перед началом откачки пара из паровой полости 7 внутреннего сосуда 1 предварительно нагревают криогенную жидкость 3 до максимально возможного повышения давления в емкости (во внутреннем сосуде 1), для чего включают нагреватель 2, снабженный перфорированными в виде установленных радиально и последовательно соединенных между собой пластин 9 и 10 с уменьшающейся к периферии массой, а следовательно, с различным термическим сопротивлением, например, за счет изготовления их из разной толщины пластин или из разных материалов, что обеспечивает равномерное распределение тепла по всему объему криогенной жидкости 3, что повышает эффективность нагрева и сокращает время прогрева криогенной жидкости 3.Before filling the cryogenic tank with cryogenic liquid 3, before starting the pumping of steam from the vapor cavity 7 of the inner vessel 1, the cryogenic liquid 3 is preheated to increase the pressure in the tank as much as possible (in the inner vessel 1), for which the heater 2 is equipped, which is equipped with of plates 9 and 10 connected in series with each other with a mass decreasing towards the periphery, and therefore with different thermal resistance, for example, by making them from different thicknesses us plates or from different materials, that provides uniform heat distribution throughout the volume of the cryogenic liquid 3, which increases the heating efficiency and reduce warm-up time of the cryogenic liquid 3.

После подъема давления над криогенной жидкостью 3 до максимально возможного (вплоть до критического) включают вакуумный насос (источник вакуума) 6 и производят откачку пара из емкости (паровой полости 7 внутреннего сосуда 1) до получения температуры, например, кислорода порядка 50 К, а водорода порядка 10 К.After raising the pressure above the cryogenic liquid 3 to the maximum possible (up to critical), turn on the vacuum pump (vacuum source) 6 and pump out the steam from the tank (vapor cavity 7 of the inner vessel 1) to obtain a temperature, for example, oxygen of about 50 K, and hydrogen about 10 K.

Таким образом, разрешается поставленная задача, обеспечивается ускоренный процесс переохлаждения криогенной жидкости 3 в криогенных емкостях для длительного хранения криогенной жидкости и равномерное распределение тепла по всему объему криогенной жидкости 3 как при осуществлении ускоренного процесса переохлаждения криогенной жидкости 3, так и при обеспечении подачи ее к потребителям, когда для этого производят подъем давления в емкости посредством включения нагревателя.Thus, the task is solved, an accelerated process of subcooling of cryogenic liquid 3 in cryogenic tanks is provided for long-term storage of cryogenic liquid and a uniform distribution of heat throughout the entire volume of cryogenic liquid 3 both during the accelerated process of subcooling of cryogenic liquid 3, and while ensuring its supply to consumers when, for this, a pressure rise in the tank is made by turning on the heater.

Claims (2)

1. Криогенная емкость, содержащая теплоизолированный внутренний сосуд, размещенный внутри его нагреватель с тепловыравнивающими ребрами, дренажный и заправочный трубопроводы и источник вакуума, отличающаяся тем, что источник вакуума подключен к дренажному трубопроводу, сообщенному с паровой полостью внутреннего сосуда, в центре которого установлен нагреватель с тепловыравнивающими ребрами, размещенными радиально и выполненными перфорированными с уменьшающейся массой к периферии.1. Cryogenic tank containing a thermally insulated inner vessel, placed inside its heater with heat-equalizing ribs, drainage and refueling pipelines and a vacuum source, characterized in that the vacuum source is connected to a drainage pipe in communication with the vapor cavity of the inner vessel, in the center of which a heater with heat-leveling ribs placed radially and made perforated with decreasing mass to the periphery. 2. Криогенная емкость по п.1, отличающаяся тем, что каждое тепловыравнивающее ребро выполнено в виде последовательно соединенных между собой пластин с различным термическим сопротивлением, причем пластины с большим термическим сопротивлением размещены по периферии.2. The cryogenic tank according to claim 1, characterized in that each heat-equalizing rib is made in the form of plates connected in series with each other with different thermal resistance, and plates with high thermal resistance are located on the periphery.