RU2730129C1 - Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank - Google Patents
Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank Download PDFInfo
- Publication number
- RU2730129C1 RU2730129C1 RU2020106026A RU2020106026A RU2730129C1 RU 2730129 C1 RU2730129 C1 RU 2730129C1 RU 2020106026 A RU2020106026 A RU 2020106026A RU 2020106026 A RU2020106026 A RU 2020106026A RU 2730129 C1 RU2730129 C1 RU 2730129C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- tank
- hydrogen
- nitrogen
- cryostat
- volume
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
- G01M3/02—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum
- G01M3/04—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point
- G01M3/06—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point by observing bubbles in a liquid pool
- G01M3/10—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point by observing bubbles in a liquid pool for containers, e.g. radiators
Abstract
Description
Изобретение относится к криогенно-топливным бакам ракетно-космической техники и в первую очередь к водородным бакам.The invention relates to cryogenic fuel tanks for rocket and space technology, and primarily to hydrogen tanks.
Известен способ криогенно-прочностного испытания водородного бака, в котором захолаживание и прочностные испытания осуществляют с помощью жидкого азота (см. журнал «Полет» 2015 №7, стр. 18-24).The known method of cryogenic-strength testing of a hydrogen tank, in which chilling and strength tests are carried out using liquid nitrogen (see the magazine "Flight" 2015 No. 7, pp. 18-24).
Несмотря на простоту, относительную безопасность и дешевизну способ обладает следующими недостатками:Despite the simplicity, relative safety and low cost, the method has the following disadvantages:
- водородный бак недозахолаживается более чем на 55 К;- the hydrogen tank is undercooled by more than 55 K;
- необходимость создания специальной системы обезвешивания водородного бака при заполнении его объема жидким азотом;- the need to create a special system for weighting the hydrogen tank when filling its volume with liquid nitrogen;
- создание специального поддона для приема жидкого азота в случае разрушения бака.- creation of a special tray for receiving liquid nitrogen in the event of a tank rupture.
Известен способ криогенно-прочностного испытания водородного бака с помощью жидкого водорода (см. журнал «Космонавтика и ракетостроение» 2012 №2 (67) стр. 62-69).A known method of cryogenic-strength testing of a hydrogen tank using liquid hydrogen (see the journal "Cosmonautics and Rocket Engineering" 2012 No. 2 (67) pp. 62-69).
В данном способе прочностные испытания водородного бака проводят с помощью той же криогенной жидкости, на которую он спроектирован, что позволяет достоверно имитировать эксплуатационные температуры и влияние высоты столба жидкого водорода на конструкцию бака. Однако, несмотря на отмеченное достоинство способа, он имеет существенные недостатки:In this method, the strength tests of a hydrogen tank are carried out using the same cryogenic liquid for which it is designed, which allows one to reliably simulate the operating temperatures and the effect of the height of the liquid hydrogen column on the tank design. However, despite the noted advantage of the method, it has significant disadvantages:
- потеря больших объемов жидкого водорода при разрушении бака, что требует создания сложных и дорогостоящих систем пожаровзрывобезопасности при возникновении в процессе испытаний внештатных ситуаций.- the loss of large volumes of liquid hydrogen during the destruction of the tank, which requires the creation of complex and expensive fire and explosion safety systems in the event of emergency situations during testing.
Наиболее близким к предложенному является способ криогенно-прочностного испытания, включающий замену в баке воздуха на азот, захолаживание бака от 300 К до 80 К жидким азотом, заполнение и слив жидкого азота из бака, замену азотной среды на гелиевую, захолаживание бака от 80 К до 20К - 22 К с помощью гелиевого рефрижератора, повышение давления гелия в баке до расчетного при температуре криостатирования 20К - 22 К, отогрев бака до 300 К и компримирование гелия из бака в хранилище, замену гелия на воздух. (См. «Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. серия Машиностроение №3 2012).The closest to the proposed method is a cryogenic-strength test, including replacing air in the tank with nitrogen, cooling the tank from 300 K to 80 K with liquid nitrogen, filling and draining liquid nitrogen from the tank, replacing the nitrogen medium with helium, cooling the tank from 80 K to 20K - 22 K with the help of a helium refrigerator, increasing the helium pressure in the tank to the calculated one at a cryostatting temperature of 20K - 22 K, heating the tank to 300 K and compressing helium from the tank into the storage, replacing helium with air. (See "Bulletin of the Bauman Moscow State Technical University. Mechanical Engineering Series No. 3 2012).
Несмотря на то, что данный способ позволяет уменьшить время захолаживания, мощность гелиевого рефрижератора и не требует расхода жидкого водорода, способ имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются:Despite the fact that this method allows you to reduce the cooling time, the power of the helium refrigerator and does not require the consumption of liquid hydrogen, the method has a number of significant disadvantages, the main of which are:
- необходимость большого запаса газообразного гелия, так, например, в водородном баке V=100 м3 при температуре 20 К и расчетном давлении 5 кгс/см2 будет находиться порядка 7500 нм3 гелия и в случае разрушения бака приведет к потере довольно дорогого по стоимости гелия, а более того потребуется разработка и создание специальных систем безопасности из-за замены гидравлических испытаний на прочность на пневматические;- the need for a large supply of gaseous helium, so, for example, in a hydrogen tank V = 100 m 3 at a temperature of 20 K and a design pressure of 5 kgf / cm 2 there will be about 7500 nm 3 of helium and in the event of a tank breakdown will lead to the loss of a rather expensive helium, and moreover, it will be necessary to develop and create special safety systems due to the replacement of hydraulic tests for strength with pneumatic ones;
- охлаждение и криостатирование бака на уровне 20 К требует создания гелиевого рефрижератора на базе высокоэффективных винтовых компрессорных агрегатов и высокоэффективных турбодетандеров, систем очистки гелия от масла, низкотемпературных примесей, регенерации адсорберов и вакуумной откачки, создания многофункциональной системы контроля и управления, а также, как показал опыт эксплуатации подобных рефрижераторов в ИАЭ им Курчатова, ИВТАНЕ, подготовку и обучение высококвалифицированных кадров для эксплуатации.- cooling and cryostatting of the tank at a level of 20 K requires the creation of a helium refrigerator based on highly efficient screw compressor units and highly efficient turbo expanders, systems for purifying helium from oil, low-temperature impurities, regeneration of adsorbers and vacuum pumping, creation of a multifunctional monitoring and control system, as well as, as shown experience in operating such refrigerators at the Kurchatov IAE, IVTANE, training and education of highly qualified personnel for operation.
Решаемая задача - повышение технологической безопасности и надежности проведения испытаний при снижении их стоимости.The problem being solved is to increase the technological safety and reliability of testing while reducing their cost.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе криогенно-прочностного испытания водородного бака, включающем замену в баке воздуха на азот, захолаживание бака от 300 К до 80 К жидким азотом, заполнение и слив жидкого азота из бака, замену азотной среды на гелиевую, захолаживание бака от 80 К до 20 К ÷ 22 К с помощью гелиевого рефрижератора, повышение давления гелия в баке до расчетного при температуре криостатирования 20 К ÷ 22 К, отогрев бака до 300 К и компримирование гелия из бака в хранилище, замену гелия на воздух, испытание бака проводят в криостате, при этом до начала испытаний объем бака соединяют с внутренним объемом криостата, после чего заменяют воздух на азот, проводят захолаживание жидким азотом бака и внутреннего сосуда криостата от 300 К до 90 К ÷ 85 К, затем заменяют азот на водород и производят захолаживание жидким водородом бака и внутреннего сосуда криостата от 90 К ÷ 85 К до 20 К ÷ 22 К после чего заполняют бак жидким водородом и отсоединяют объем бака от внутреннего объема криостата, а затем повышают давление в баке до расчетного значения и в случае целостности бака удаляют жидкий водород из бака, после чего вновь соединяют объем бака с внутренним объемом криостата и проводят отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20 К ÷22 К до 70К ÷ 80 К газообразным водородом, а затем до 300 К - газообразным азотом, после чего меняют азот на воздух, а при разрушении конструкции бака в процессе повышения давления жидкого водорода объем бака соединяют с внутренним объемом криостата и удаляют жидкий водород из обоих объемов, но в первую очередь из объема с большей массой жидкого водорода, а далее бак и внутренний сосуд криостата отогревают от 20 К ÷ 22 К до 70 К ÷ 80 К газообразным водородом, а затем до 280 К ÷ 290 К - азотом, после чего производят замену азота на воздух.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of cryogenic-strength testing of a hydrogen tank, including replacing air in the tank with nitrogen, cooling the tank from 300 K to 80 K with liquid nitrogen, filling and draining liquid nitrogen from the tank, replacing the nitrogen medium with helium, cooling tank from 80 K to 20 K ÷ 22 K using a helium refrigerator, increasing the helium pressure in the tank to the calculated one at a cryostatting temperature of 20 K ÷ 22 K, heating the tank to 300 K and compressing helium from the tank into the storage, replacing helium with air, testing the tank is carried out in a cryostat, while before the start of the tests the volume of the tank is connected to the inner volume of the cryostat, after which the air is replaced with nitrogen, the tank and the inner vessel of the cryostat are cooled down with liquid nitrogen from 300 K to 90 K ÷ 85 K, then nitrogen is replaced with hydrogen and the tank and the inner vessel of the cryostat are cooled down with liquid hydrogen from 90 K ÷ 85 K to 20 K ÷ 22 K after which the tank is filled with liquid hydrogen and the volume of ba is disconnected from the internal volume of the cryostat, and then increase the pressure in the tank to the calculated value and, if the tank is intact, remove liquid hydrogen from the tank, then reconnect the tank volume with the internal volume of the cryostat and heat the tank and the internal vessel of the cryostat from 20 K ÷ 22 K up to 70 K ÷ 80 K with gaseous hydrogen, and then up to 300 K with gaseous nitrogen, after which the nitrogen is changed to air, and if the tank structure is destroyed during the pressure increase of liquid hydrogen, the volume of the tank is connected to the inner volume of the cryostat and liquid hydrogen is removed from both volumes, but first of all from the volume with a larger mass of liquid hydrogen, and then the tank and the inner vessel of the cryostat are heated from 20 K ÷ 22 K to 70 K ÷ 80 K with hydrogen gas, and then up to 280 K ÷ 290 K with nitrogen, after which they are replaced nitrogen to air.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию новизна.The analysis of the prior art made it possible to establish that the applicant has not found an analogue characterized by aggregate features identical to all essential features of the claimed invention, therefore, it meets the criterion of novelty.
На прилагаемом чертеже представлена принципиальная пневмогидравлическая схема стендовой криогенной системы, работающей по данному способу.The attached drawing shows a schematic pneumohydraulic diagram of a bench cryogenic system operating according to this method.
В состав стендовой криогенной системы входит криостат 1 с экрановакуумной изоляцией и съемной крышкой 2, азотная емкость 3 объемом (8÷10) м3 и рабочим давлением Рр=1,0 МПа с регулятором давления 4, испарителем наддува 5, клапаном 6 выдачи жидкого азота и клапаном 7 газосброса в атмосферу, водородная емкость 8 объемом (8÷10) м3 и рабочим давлением Рр=1,0 МПа, снабженная регулятором давления 9, испарителем наддува 10, клапаном 11 выдачи жидкого водорода и клапаном 12 газосброса в атмосферу, арматурный щит 13, укомплектованный запорно-регулирующими клапанами 14-36, предохранительными клапанами 37, 38, газификатором 39 жидкого водорода, газификатором 40 жидкого азота, подогревателем 41 газообразного водорода или азота, эжектором 42, вакуумным насосом 43 и внутрищитовой трубопроводной обвязкой.The bench cryogenic system includes a cryostat 1 with a screen-vacuum insulation and a
Внутри криостата 1 монтируется водородный бак 44 и система коллекторов, выполненных в виде беличьих колес, а именно:Inside the cryostat 1, a
- азотный коллектор 45 с форсунками 46 для распыления жидкого азота на поверхность водородного бака 43 в процессе его охлаждения от 300 К до 85 К ÷ 90 К;-
азотный коллектор 47 с форсунками 48, предназначенный для отогрева бака от 80 К до 300 К;
- водородный коллектор 49 с форсунками 50 для распыления жидкого водорода в процессе захолаживания водородного бака 44 от 85 К ÷ 90 К до 22 К ÷ 25 К;-
- водородный коллектор 51 с форсунками 52, предназначенный для отогрева водородного бака 44 от 20 К до 70 К ÷ 80 К.-
Каждый из названных коллекторов подсоединен к соответствующему клапану арматурного щита 13, например, азотный коллектор 45 - к клапану 25.Each of the named collectors is connected to the corresponding valve of the
Кроме того, в криостате 1 смонтирован трубопровод 53 слива жидкого водорода и трубопровод 54 отвода из криостата 1 газообразного азота или водорода.In addition, the cryostat 1 is equipped with a
В самом водородном баке 44 на время испытаний установлены:During the tests, the
- трубопровод 55 заполнения и слива жидкого водорода;-
- азотный эжектор 56 для захолаживания бака 44 от 300 К до 85 К ÷ 90 К;-
- азотный эжектор 57 для отогрева бака 44 от 70 К ÷ 80 К до 280 К ÷ 290 К.-
Все перечисленные устройства через съемные участки также подключены к соответствующим клапанам арматурного щита 13, а на съемном трубопроводе 58 отвода газообразного азота или водорода выполнен контрольный бачок 59 объемом (1,5÷2,0) м3.All of the above devices are also connected through removable sections to the corresponding valves of the
Заполнение азотной емкости 3 жидким азотом производится из хранилища жидкого азота по трубопроводу 60, а заполнение водородной емкости 8 и криогенного бака 44 производится из хранилища жидкого водорода по трубопроводу 61, параллельно которому посредством клапанов 62 и 63 подключен насос 64.The filling of the
(Хранилища жидкого водорода и жидкого азота на чертеже не показаны).(Storages of liquid hydrogen and liquid nitrogen are not shown in the drawing).
В состав стендовой криогенной системы входит также система контроля технологических параметров (на чертеже не показана), откуда оператору поступает информация от датчиков давления 65÷70, датчиков уровня 71÷75 и датчиков температуры 76 и 77.The bench cryogenic system also includes a system for monitoring technological parameters (not shown in the drawing), from where the operator receives information from
Функциональное назначение перечисленных выше позиций запорно-регулирующих клапанов и датчиков контроля параметров раскрывается в описании работы стендовой криогенной системы.The functional purpose of the above positions of the stop-control valves and parameter control sensors is disclosed in the description of the operation of the bench cryogenic system.
Способ криогенно-прочностного испытания водородного бака осуществляется следующим образом.The method of cryogenic-strength testing of a hydrogen tank is carried out as follows.
До начала испытаний стендовая криогенная система должна быть приведена в следующее исходное положение:Prior to testing, the bench cryogenic system should be brought into the following initial position:
- водородный бак 44 установлен в криостат 2 и подключен через съемные участки к арматурному щиту 13;- the
- в арматурном щите 13 открыты клапаны 30 и 36, остальные клапаны закрыты;-
- азотная емкость 3 заполнена жидким азотом и в ней поддерживается давление 1,0 МПа с помощью регулятора давления 4 за счет подачи газообразного азота от испарителя наддува 5, при этом контроль уровня в емкости 3 осуществляется датчиком 75, а давление - датчиком 70.-
Заполнение емкости 3 жидким азотом производится от хранилища через трубопровод 60, клапан 27, клапан 6 и открытый клапан 7 газосброса. После заполнения клапан 6 и клапан 27 закрываются;The
- водородная емкость 8 заполнена жидким водородом и в ней с помощью регулятора давления 9 за счет подачи газообразного водорода от испарителя наддува 10 поддерживается давление 1,0 МПа. При этом уровень в емкости 8 контролируется датчиком 74, давление - датчиком 69. Заполнение емкости 8 жидким водородом производится из хранилища по трубопроводу 61 через открытые клапаны 63, 14, 11 и открытый клапан 12 газосброса в свечу (на чертеже не показано). После заполнения емкости 8 клапаны 11, 12, 14 и 63 закрываются;- the
- приведена в готовность система контроля и управления.- the monitoring and control system was brought into readiness.
Перед началом операции замены воздушной среды на азот проверяют и фиксируют открытое положение клапана 36, соединяющего объем криогенного бака 44 и внутренний объем криостата 1 через трубопроводы 54 и 58. Замену воздушной среды на азот производят вакуумированием общего объема с последующим заполнением газообразным азотом. Операцию вакуумирования проводят в два этапа. На первом этапе вакуумирование общего объема осуществляется с помощью эжектора 42, а на втором - с помощью вакуумного насоса 43.Before starting the operation of replacing the air medium with nitrogen, the open position of the
Для выполнения первого этапа закрывают клапан 30, открывают клапаны 33, 32 и 6 и подают жидкий азот из азотной емкости 3 в газификатор 40, после которого газообразный азот с температурой 270 К ÷ 280 К и давлением 1,0 МПа поступает в сопло эжектора 42, после чего открытием клапана 31 подсоединяют общий объем к эжектору 42, где за счет эжекции производится откачка воздуха из общего объема с отводом воздушно-азотной смеси после эжектора 42 в свечу.To perform the first stage, the
При достижении значения вакуума, контролируемого датчиками 65 и 66, порядка 100-50 мм рт. ст. переходят ко второму этапу вакуумирования. Для этого закрывают клапаны 31, 32 и 33, включают вакуумный насос 43, а затем постепенным открытием клапана 29 подключают общий объем к откачке. При достижении значения вакуума порядка 1⋅10-1÷5⋅10-2 мм рт. ст., контролируемого датчиком 67, закрывают клапан 29, отключают вакуумный насос 43 и заполняют общий объем газообразным азотом до давления (0,1÷0,12) МПа. Заполнение производят подачей газообразного азота через азотный коллектор 47 с форсунками 48, для чего открывают клапан 32 и после газификатора 40 плавным открытием клапана 26 заполняют общий объем до давления (0,1÷0,12) МПа, контролируемого по датчикам 65 и 66. После заполнения азотом клапаны 26 и 32 закрывают, открывают клапан 30 и приступают к следующему этапу захолаживания водородного бака 44 от 300 К до 85 К ÷ 90 К с помощью жидкого азота. При этом для ускорения процесса захолаживания водородный бак 44 охлаждают как с внешней, так и с внутренней стороны. Для этого открывают клапаны 25 и 23 и подают жидкий азот из азотной емкости 3 под давлением 1,0 МПа в азотный коллектор 45, где азот через форсунки 46 распыляется по всей наружной поверхности, а для интенсификации процесса охлаждения внутри объема водородного бака 44 жидкий азот подают в эжектор 56 также под давлением 1,0 МПа, что позволяет за счет эжекции существенно увеличить кратность циркуляции газообразного азота внутри объема водородного бака 44 и как следствие повысить коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности. Образовавшийся газообразный азот из бака 44 отводят по трубопроводу 58 через клапан 36, после которого соединяют с потоком газообразного азота, возвращаемого из криостата по трубопроводу 54, после чего общий поток азота через клапан 30 и обратный клапан 34 сбрасывают в свечу.Upon reaching the value of the vacuum controlled by
В процессе захолаживания производят контроль температуры азота по датчикам 76 и 77. При достижении температуры отходящих потоков порядка 85 К ÷ 90 К процесс захолаживания азотом считается законченным, закрывают клапаны 23, 25 и 30 и переходят к следующему этапу - замене азотной среды на водородную, которую проводят аналогично замене воздуха на азот. Отличие заключается лишь в том, что при откачке общего объема вакуумным насосом 43 включают нагреватель 41 для повышения температуры откачиваемого азота перед вакуумным насосом 43. При достижении вакуума в общем объеме порядка 1⋅10-1÷1⋅10-2 мм рт. ст. клапан 29 закрывают и отключают вакуумный насос 43. Далее объем бака 44 и внутренний объем криостата 1 заполняют водородом, который подают из водородной емкости 8 по трубопроводу 55 на дно водородного бака 44. Для этого открывают клапан 11, а затем с помощью регулирующего клапана 18 подают в бак 44 жидкий водород, который, попадая на дно бака 44, испаряется и заполняет объем бака 44 и внутренний объем криостата 1 через трубопровод 58, клапан 36 и трубопровод 54. Рост давления постоянно контролируется датчиками 65 и 66. При достижении давления порядка (0,12÷0,15) МПа открывают клапан 30 и газообразный водород, образующийся в процессе захолаживания конструкции водородного бака 44, сбрасывается в свечу через обратный клапан 34.In the process of cooling down, the nitrogen temperature is monitored using
Для ускорения процесса захолаживания бака до водородных температур дополнительно организуют подачу жидкого водорода в водородный коллектор 49 с форсунками 50 с помощью клапана 17, который открывают, и жидкий водород под давлением 1,0 МПа из форсунок 50 распыляется по всей поверхности бака 44, а образующийся газообразный водород отводится из внутреннего объема криостата 1 через трубопровод 54, соединяется с потоком газообразного водорода, поступающего из бака 44, и далее общий поток сбрасывается через клапан 30 и обратный клапан 34 в свечу. В процессе захолаживания водородного бака 44 постоянно контролируются температуры потоков газообразного водорода датчиками 75 и 76. При достижении значения температуры порядка 22 К - 25 К процесс захолаживания водородного бака считается законченным, после чего переходят к заполнению водородного бака жидким водородом из хранилища (на чертеже не показано). Для этого открывают клапан 63, открывают клапан 19 и через открытый клапан 19 производят заполнение бака 44 жидким водородом, контролируя уровень в баке 44 датчиком 71 и контрольном бачке 59 датчиком 73. Для захолаживания насоса 64 и подготовке его к работе открывают клапан 62. Как только уровень в контрольном бачке по показаниям датчика 73 составит 85-90%, процесс заполнения водородного бака 44 прекращают, закрывая клапан 19. В процессе заполнения водородного бака 44 осуществляют периодическое орошение наружной поверхности бака жидким водородом, подаваемым из водородной емкости 8 клапаном 17 в водородный коллектор 49 через форсунки 50, что обеспечивает стабильный режим термостатирования бака 44 на уровне 20 К - 22 К как в процессе заполнения бака 44 жидким водородом, так и в процессе проведения главного этапа испытаний - это испытание бака 44 на прочность.To accelerate the process of cooling the tank down to hydrogen temperatures, liquid hydrogen is additionally supplied to the
Для проведения этого этапа бак 44 отсоединяют от внутреннего объема криостата 1 закрытием клапана 36, а далее открывают клапан 28 и подают жидкий водород в газификатор 39, а регулирующим клапаном 21, поднимают и поддерживают давление в контрольном бачке 59, а следовательно и в водородном баке 44 равным расчетному значению, контролируя при этом давление по датчикам 66 и 68, и выдерживают заданное время. Если испытание бака на прочность проходит без разрушения, то переходят к следующему этапу - перекачиванию жидкого водорода из бака 44 в хранилище с помощью насоса 64. Для этого закрывают клапан 21, открывают клапан 19, открывают клапан 63 и запускают насос 64 в работу. В результате жидкий водород из бака 44 через трубопровод 55, клапан 19 будет перекачиваться насосом 64 через клапан 62 по трубопроводу 61 в хранилище жидкого водорода. В процессе перекачивания клапаном 21 поддерживают в водородном баке 44 за счет наддува газообразного водорода, образующегося в газификаторе 39, давление, обеспечивающее стабильный безкавитационный режим работы насоса 64. Контроль давления производят по датчику 68.To carry out this stage, the
При достижении в водородном баке 44 минимального уровня жидкого водорода прекращают работу насоса 64, закрывают клапан 19, открывают клапан 36 и вновь соединяют объемы бака 44 и внутренний объем криостата 1, после чего начинают процесс отогрева бака 44 и криостата 1 от 20 К ÷ 22 К до 300 К. Операцию отогрева выполняют в два этапа. На первом этапе процесс отогрева от 20 К ÷ 22 К до 70 К - 80 К осуществляют газообразным водородом, который получают в газификаторе 39 и через клапан 16 под давлением 1,0 МПа направляют в коллектор 51, где теплый водород через форсунки 52 направляется на поверхность водородного бака 44 и внутренний корпус криостата 1. Одновременно теплый водород поступает и во внутренний объем бака 44 через регулирующий клапан 20, где он дросселируется, понижая давление с 1,0 МПа до (0,11-0,12) МПа. В результате теплообмена температура бака 44 и внутреннего корпуса криостата 1 начнет повышаться и при достижении температуры газообразного водорода порядка 70 К ÷ 80 К, отводимого из внутреннего объема криостата 1 и бака 44 по трубопроводам 58 и 54 и далее через клапан 30 и обратный клапан 34 в свечу. Контроль температуры осуществляют по датчикам 76, 77. На этом первый этап отогрева заканчивают, закрывают клапаны 11, 28, 16 и 20 и тем самым прекращают подачу водорода в бак 44 и криостат 1, а далее переходят ко второму этапу отогрева бака 44 и криостата 1 до 280 К ÷ 290 К помощью газообразного азота. Операцию отогрева осуществляют следующим образом. Открывают клапан 6 на азотной емкости 3, клапан 32 подачи жидкого азота на газификатор 40, и газообразный азот с температурой 290 К ÷ 300 К и давлением 1,0 МПа подают вначале через клапан 26 в коллектор 47, где азот из форсунок 48 попадает на поверхность бака 44 и поверхность внутреннего сосуда криостата 1, а затем открывают клапан 23 и подают также под давлением 1,0 МПа в эжектор 56, с помощью которого за счет увеличения кратности циркуляционного потока внутри бака 44 повышается интенсивность теплоотдачи от азота к внутренней поверхности бака 44. В процессе отогрева оба потока газообразного азота сбрасываются на свечу через клапан 30 и обратный клапан 34, при этом температура потоков контролируется датчиками 76 и 77. При достижении температур, выходящих из бака 44 и криостата 1 потоков порядка 280 К ÷ 290 К процесс отогрева считается завершенным.When the minimum level of liquid hydrogen is reached in the
После отогрева бака 44 и криостата 1 заменяют азот на воздух. Для проведения этой операции закрывают клапаны 23 и 26, прекращая подачу газообразного азота в бак 44 и криостат 1, закрывают клапан 30, открывают клапан 33 и подают газообразный азот давлением 1,0 МПа и температурой 290 К ÷ 300 К на эжектор 42 и затем открывают клапан 31. При достижении давления в общем объеме порядка 100-50 мм рт. ст. закрывают клапан 31 и через клапан 22 напускают воздух в бак 44 и криостат 1. После заполнения воздухом через клапан 35 отбирают пробу на содержание кислорода, если содержание кислорода в пробе более 19%, то закрывают клапан 6 на азотной емкости 3 и клапаны 32 и 33. На этом криогенно-прочностные испытания водородного бака 44 считаются завершенными, бак 44 демонтируют из криостата 1. Перед демонтажом бака 44 снимают крышку 2 криостата 1, отсоединяют от бака 44 съемные участки, вынимают из бака 44 эжекторы 56, 57 и трубопровод 55 заполнения и слива жидкого водорода, после чего бак 44 поднимают из криостата 1 и передают на следующую операцию согласно технологического маршрута.After warming up the
В том случае, если в процессе повышения давления до расчетного значения в баке 44, заполненном жидким водородом, произойдет его разрушение, то в зависимости от места разгерметизации бака 44 часть жидкого водорода заполнит часть внутреннего объема криостата 1, в котором за счет периодической подачи жидкого водорода из емкости 8 с помощью клапана 17 в коллектор 49 под давлением 1,0 МПа и разбрызгивания жидкого водорода через форсунки 50 на поверхность бака 44 и криостата 1 поддерживается температура внутри криостата 1 20 К ÷ 22 К. Поэтому при разрушении конструкции бака 44 в процессе его гидравлических испытаний жидкий водород, поданный из хранилища для заполнения объема бака, сохраняется и возвращается в хранилище с помощью насоса 64 с потерей от 0,5% до 1,5%. Перекачивание жидкого водорода производят следующим образом. Закрывают клапаны 21, 30, открывают клапан 36, закрывают клапан 63, открывают клапан 62 и готовят к работе насос 61. Регулирующим клапаном 21 создают и поддерживают давление в баке 44 и внутреннем объеме криостата 1, которое контролируют датчиками 65, 66, 68, за счет подачи газообразного водорода, обеспечивающее безкавитационный режим работы насоса 61. Откачку жидкого водорода начинают выполнять из того объема, в котором находится большее количество жидкого водорода, которое определяют по датчикам уровня 71 и 72. Если в баке 44 осталось большее количество жидкого водорода, чем в криостате 1, то тогда открывают клапан 19, включают насос 66 и начинают откачивать из бака 44 жидкий водород в хранилище. При достижении минимального уровня жидкого водорода в баке начинают производить откачку жидкого водорода из криостата 1, для чего открывают клапан 15, а клапан 19 закрывают. При достижении, минимального уровня жидкого водорода во внутреннем объеме криостата 1 отключают насос 64, закрывают клапаны 62, 15 и 21, после чего операции по отогреву бака 44 и криостата 1 от 20 К до 300 К и демонтаж бака 44 из криостата 1 проводят идентично операциям для бака 44, прошедшего криогенно-прочностное испытание без разрушения. На случай ошибочных действий оператора или возникновения внештатных ситуаций для защиты бака и криостата установлены предохранительные клапаны 37 и 38.In the event that, in the process of increasing the pressure to the calculated value in the
Предложенный способ криогенно-прочностного испытания водородного бака, как видно из описания, существенно упрощает технологию испытаний, повышает их безопасность и надежность, а кроме того, как показали оценочные расчеты, в 10-15 раз сокращает капитальные и эксплуатационные расходы, особенно в том случае, если стендовую криогенную систему создавать на стартовых криогенных заправочных комплексах ракетно-космической техники или на заводах по производству многотоннажного жидкого водорода.The proposed method of cryogenic-strength testing of a hydrogen tank, as can be seen from the description, significantly simplifies the test technology, increases their safety and reliability, and in addition, as shown by the estimated calculations, reduces capital and operating costs by 10-15 times, especially in the case if a bench cryogenic system is created at launch cryogenic filling complexes of rocket and space technology or at factories for the production of large-tonnage liquid hydrogen.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020106026A RU2730129C1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020106026A RU2730129C1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2730129C1 true RU2730129C1 (en) | 2020-08-17 |
Family
ID=72086363
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020106026A RU2730129C1 (en) | 2020-02-07 | 2020-02-07 | Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2730129C1 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2756169C1 (en) * | 2020-11-24 | 2021-09-28 | Юрий Иванович Духанин | Method for cryogenic strength testing of hydrogen tank in cryostat |
| CN113820098A (en) * | 2021-08-31 | 2021-12-21 | 北京宇航***工程研究所 | Liquid nitrogen cavitation test verification system and bubble generation process observation method |
| CN113984292A (en) * | 2021-09-30 | 2022-01-28 | 北京航天试验技术研究所 | Liquid hydrogen valve leakage detection device and method |
| US11280695B2 (en) * | 2018-11-27 | 2022-03-22 | West Pharmaceutical Services, Inc. | System and method for testing closure integrity of a sealed container at cryogenic temperatures |
| CN116256259A (en) * | 2023-05-15 | 2023-06-13 | 江阴常春藤科技有限公司 | Method and system for testing hydraulic fatigue of gas cylinder in ultralow temperature environment |
| WO2023185939A1 (en) * | 2022-04-02 | 2023-10-05 | 华东理工大学 | Low-temperature liquid hydrogen environment material fatigue performance test system |
| RU2808942C1 (en) * | 2023-01-30 | 2023-12-05 | Юрий Иванович Духанин | Method for cryogenic strength testing of tank in cryostat |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100055163A (en) * | 2008-11-17 | 2010-05-26 | 삼성중공업 주식회사 | Method for airtight test of cargo tank |
| RU2488790C1 (en) * | 2012-01-19 | 2013-07-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс") | Cryogenic tank check test method |
-
2020
- 2020-02-07 RU RU2020106026A patent/RU2730129C1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100055163A (en) * | 2008-11-17 | 2010-05-26 | 삼성중공업 주식회사 | Method for airtight test of cargo tank |
| RU2488790C1 (en) * | 2012-01-19 | 2013-07-27 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс") | Cryogenic tank check test method |
Non-Patent Citations (5)
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11280695B2 (en) * | 2018-11-27 | 2022-03-22 | West Pharmaceutical Services, Inc. | System and method for testing closure integrity of a sealed container at cryogenic temperatures |
| RU2756169C1 (en) * | 2020-11-24 | 2021-09-28 | Юрий Иванович Духанин | Method for cryogenic strength testing of hydrogen tank in cryostat |
| CN113820098A (en) * | 2021-08-31 | 2021-12-21 | 北京宇航***工程研究所 | Liquid nitrogen cavitation test verification system and bubble generation process observation method |
| CN113820098B (en) * | 2021-08-31 | 2024-03-15 | 北京宇航***工程研究所 | Liquid nitrogen cavitation test verification system and bubble generation process observation method |
| CN113984292A (en) * | 2021-09-30 | 2022-01-28 | 北京航天试验技术研究所 | Liquid hydrogen valve leakage detection device and method |
| CN113984292B (en) * | 2021-09-30 | 2024-02-09 | 北京航天试验技术研究所 | Liquid hydrogen valve leakage detection device and method |
| WO2023185939A1 (en) * | 2022-04-02 | 2023-10-05 | 华东理工大学 | Low-temperature liquid hydrogen environment material fatigue performance test system |
| RU2808942C1 (en) * | 2023-01-30 | 2023-12-05 | Юрий Иванович Духанин | Method for cryogenic strength testing of tank in cryostat |
| CN116256259A (en) * | 2023-05-15 | 2023-06-13 | 江阴常春藤科技有限公司 | Method and system for testing hydraulic fatigue of gas cylinder in ultralow temperature environment |
| CN116256259B (en) * | 2023-05-15 | 2023-08-04 | 江阴常春藤科技有限公司 | Method and system for testing hydraulic fatigue of gas cylinder in ultralow temperature environment |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2730129C1 (en) | Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank | |
| WO2017057688A1 (en) | Gas supply device and gas supply method | |
| US4032337A (en) | Method and apparatus for pressurizing hot-isostatic pressure vessels | |
| US8607830B2 (en) | Apparatus and method for flowing compressed fluids into and out of containment | |
| CA2067673C (en) | Apparatus for supplying cryogenic fluid to extinguish fires | |
| CN112228769B (en) | Liquid methane deep supercooling and filling system and method based on anti-freezing control | |
| WO2009072900A1 (en) | Method and system for regulation of cooling capacity of a cooling system based on a gas expansion process. | |
| CN105909493A (en) | Cryopump system, cryopump controller, and cryopump regeneration method | |
| KR102334465B1 (en) | Cryogenic storage vessel comprising a receptacle for receiving a pump assembly | |
| US9464759B2 (en) | Method and filling installation for filling a hydrogen gas into a vessel | |
| CN105864639A (en) | Pipeline pressure-stabilizing system and method used after liquefied petroleum gas out-conveying pipeline stops conveying | |
| CN114739055B (en) | Liquid oxygen/liquid methane comprehensive supercooling system and method based on liquid oxygen refrigeration capacity | |
| US20140157823A1 (en) | Systems and methods for distributed production of liquified natural gas | |
| NO323121B1 (en) | Method and apparatus for securing a vessel's cargo area against overpressure | |
| CN111148931A (en) | Apparatus and method for filling a mobile refrigerant tank with cryogenic refrigerant | |
| RU2386890C2 (en) | Spacecraft cryogenic refueling system | |
| JP4326715B2 (en) | Gas filling apparatus and method | |
| RU2756169C1 (en) | Method for cryogenic strength testing of hydrogen tank in cryostat | |
| US4883099A (en) | Method and system for filling liquid cylinders | |
| RU2300062C2 (en) | Method and device for drying gas pipelines | |
| KR20210122390A (en) | Hydrogen liquefaction system | |
| CN114352502B (en) | Gas supercharging device and supercharging system | |
| EP3769003B1 (en) | Pressurized container for liquefied gas and consumer connection | |
| CN106769524A (en) | Low temperature explosion bulge test device | |
| JP2000074557A (en) | Sulfur hexafluoride |