SU1588981A1 - Arrangement for storing and cooling cryogenic fluid - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к области криогенной техники и позвол ет повысить безопасность хранени  криогенной жидкости. Устройство дл  хранени  и охлаждени  криогенной жидкости содержит криогенный резервуар и размещенные в нем теплообменники, св занные с криогенным рефрижератором, в котором ступень подготовки рабочего тела соединена со ступенью предварительного охлаждени , в которой к линии предварительного охлаждени  рабочего тела параллельно ей присоединен через клапаны теплообменник-нагреватель, в этой же линии размещен клапан между точками присоединени  теплообменника-нагревател , со ступенью окончательного охлаждени  рефрижератора через клапаны параллельно друг другу соединены верхний и нижний теплообменники-охладители. Теплообменник-нагреватель и верхний теплообменник-охладитель размещены по внутренней стенке резервуара на уровне хран щейс  криогенной жидкости, нижний теплообменник-охладитель размещен по внутренней стенке резервуара с уровнем криогенной жидкости. В резервуаре размещены датчики температуры: один над другим от нижней точки резервуара до верхней, на теплообменниках. С паровой подушкой резервуара соединен датчик давлени . Датчики температуры, датчик давлени  и клапаны соединены с системой управлени  процессом охлаждени  на основе микропроцессора. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.The invention relates to the field of cryogenic engineering and makes it possible to increase the safety of storage of a cryogenic liquid. A device for storing and cooling a cryogenic liquid contains a cryogenic tank and heat exchangers placed in it associated with a cryogenic refrigerator, in which the working fluid preparation stage is connected to a pre-cooling stage, in which a heat exchanger-heater is connected to the working fluid pre-cooling line , a valve is placed in the same line between the points of attachment of the heat exchanger-heater, with a stage of final cooling of the refrigerator through the valve anes parallel connected upper and lower heat exchangers, coolers. The heat exchanger-heater and the upper heat exchanger-cooler are placed along the inner wall of the tank at the level of the stored cryogenic liquid, the lower heat exchanger-cooler is placed along the inner wall of the tank with the level of cryogenic fluid. Temperature sensors are located in the tank: one above the other from the lowest point of the tank to the top, on heat exchangers. A pressure sensor is connected to the steam cushion of the tank. Temperature sensors, a pressure sensor and valves are connected to a microprocessor-based cooling process control system. 1 hp f-ly, 1 ill.

Description

Изобретение относитс  к криогенной технике и может быть преимущественно использовано дл  длительного хранени  и охлаждени  криогенных жидкостей.The invention relates to a cryogenic technique and can be advantageously used for the long-term storage and cooling of cryogenic liquids.

Цель изобретени  - повыщение безопасности хранени  жидкости.The purpose of the invention is to increase the storage safety of the liquid.

На чертеже изображена схема предложенного устройства.The drawing shows a diagram of the proposed device.

Схема состоит из криогенного теплоизолированного р1гзервуара 1, размещенного по его внутренней стенке узла теплообмена, выполненного в виде теплообменника-нагревател  2, верхнего теплообменника-охладител  3, нижнего теплообменника-охладител  4, криогенного рефрижератора, включающего ступень подготовки рабочего тела, состо щую из компрессора 5, взаимодействующего с окружающей средой теплообменника 6,The scheme consists of a cryogenic heat-insulated p1-tank 1, located on its inner wall of the heat exchange unit, made in the form of a heat exchanger-heater 2, an upper heat exchanger-cooler 3, a lower heat exchanger-cooler 4, a cryogenic refrigerator, including a working fluid preparation stage consisting of a compressor 5 interacting with the environment of the heat exchanger 6,

теплообменника 7 ступени азотного охлаждени , первого 8 и второго 9 рекуперативных теплообменников, соединенных с первой ступенью по линии пр мого потока, ступень предварительного охлаждени  рабочего тела, состо щую из-детандеров 10 и И, и ступень окончательного охлаждени  рабочего тела, состо щую из детандера 12, клапанов 13-21. Резервуар оснащен дренажно- предохранительным 22 и дренажным 23 клапанами, с паровой подушкой резервуара соединен датчик 24 давлени , на вертикальной щтанге внутри резервуара один над другим от нижней точки резервуара до верхней размещены датчики 25 температуры, на теплообменниках размещены датчики 26, 27 температуры, через клапан 18 с магистралью слива резервуара соединен испари-.the heat exchanger 7 of the nitrogen cooling stage, the first 8 and second 9 recuperative heat exchangers connected to the first stage through the forward flow line, a pre-cooling stage of the working fluid consisting of expanders 10 and I, and a final cooling stage of the working fluid consisting of expander 12, valves 13-21. The tank is equipped with a drainage-safety valve 22 and a drain valve 23, a pressure sensor 24 is connected to the steam tank cushion, temperature sensors 25 are placed one above the other from the lower point of the tank to the top, temperature sensors 26, 27 are placed on the heat exchangers 18 to the main line of the tank is evaporating.

СЛSL

ОС ОСOS OS

ееher

ОСOS

тель 28 наддува, своим выходным трубопроводом соединенный с паровой подушкой резервуара. Выходной трубопровод компрессора 5 соединен с теплообменником б через теплообменник 7 ступени азотного охлаждени , соединенный с линией охлаждени  первого рекуперативного теплообменника 8, к которой присоединен детандер 11 и через клапан 16 - детандер 10. Оба детандера выходными трубопроводами соединены с линией обратного потока. К линии пр мого потока через клапаны 14 и 17 при- соединен теплообменник-нагреватель 2, в этой же линии (линии пр мого потока) между клапанами 14 и 17 размещен кла- пан 15. Лини  пр мого потока после клапана 14 соединена с линией охлаждени  второго рекуперативного теплообменника 9, к которой присоединен - детандер 12 ступени окончательного охлаждени . К линии пр мо- то потока после детандера 12 через клапан 13 присоединен нижний теплообменник-охладитель 4, а через клапан 21 - верхний теплообменник-охладитель 3, теплообменники 3 и 4 через клапаны 19 и 20 соединены с линией обратного потока рефрижератора . Лини  обратного потока теплообменника соединена через теплообменник 29 с всасывающим трубопроводом компрессора 5. Все трубопроводы теплоизолированы . Рабочим газом рефрижератора  вл етс  гелий, а в резервуаре хранитс  жидкий водород. Датчик 24 давлени , датчики 25- 27 температуры, клапаны 13-21 соединены с системой 30 управлени , например микропроцессором , лини ми 31 и 32 контрол  и управлени , известными в технике. Верхний теплообменник-охладитель 3 и теплообменник-нагреватель 2 размещены по внутренней стенке резервуара на уровне хран щейс  жидкости, нижний теплообменник-охладитель 4 размещен на внутренней стенке резервуара непосредственно под уровнем хран щейс  жидкости.Tel 28 boost, its output pipe connected to the steam cushion tank. The output pipeline of the compressor 5 is connected to the heat exchanger b through the nitrogen cooling stage 7 heat exchanger connected to the cooling line of the first recuperative heat exchanger 8 to which the expander 11 is connected and through the valve 16 - the expander 10. Both the expander are connected to the return flow line. A heat exchanger-heater 2 is connected to the direct flow line through valves 14 and 17, and a valve 15 is placed in the same line (direct flow line) between valves 14 and 17. The direct flow line after valve 14 is connected to the cooling line the second recuperative heat exchanger 9, to which is attached - the expander 12 stages of the final cooling. The downstream heat exchanger-cooler 4 is connected to the direct flow line after the expander 12, and the upper heat exchanger-cooler 3 is connected through the valve 21, and the heat exchangers 3 and 4 are connected to the refrigerator return line through the valves 19 and 20. The line of the return flow of the heat exchanger is connected through the heat exchanger 29 to the suction pipe of the compressor 5. All pipelines are insulated. The working gas of the refrigerator is helium, and liquid hydrogen is stored in the tank. Pressure sensor 24, temperature sensors 25-27, valves 13-21 are connected to control system 30, for example a microprocessor, control and control lines 31 and 32, as known in the art. The upper heat exchanger-cooler 3 and the heat exchanger-heater 2 are placed along the inner wall of the tank at the level of the stored liquid, the lower heat exchanger-cooler 4 is placed on the inner wall of the tank directly below the level of the stored liquid.

Устройство может работать в режиме хранени , при котором вс  жидкость хранитс  при температуре, при которой давление ее насыщенных паров не ниже атмосферного, и в режиме охлаждени , когда часть жидкости , расположенна  под верхним стратифицированным слоем, создаваемым и поддерживаемым теплообменником 2, находитс  при температуре, при которой равновесное давление паров ниже атмосферного (дл  водорода - ниже 20, 27 К)- В режиме охлаждени  может производитьс  наддув резервуара до давлени  наддува перед выдачей продукта. Соответствующий режим задаетс  оператором системе 30 управлени , котора  управл ет процессом по следующим алгоритмам.The device can operate in a storage mode, in which all liquid is stored at a temperature at which the saturated vapor pressure is not lower than atmospheric, and in cooling mode, when a part of the liquid located under the upper stratified layer created and maintained by the heat exchanger 2, is at a temperature in which the equilibrium vapor pressure is below atmospheric (for hydrogen, below 20.27 K) —In cooling mode, a tank can be pressurized to pressurization pressure before dispensing the product. The corresponding mode is set by the operator to the control system 30, which controls the process according to the following algorithms.

Если в режиме охлаждени  по сигналам датчика 24 давление в резервуаре выше нижнего допустимого (которое немного выше атмосферного) и не уменьшаетс .If in the cooling mode, according to the signals of the sensor 24, the pressure in the tank is higher than the lower allowable (which is slightly higher than atmospheric) and does not decrease.

т. е. имеетс  устойчивый верхний стратифицированный слой, что подтверждаетс  по данным температурных датчиков 25 - по наличию градиента температуры в верхнемi.e., there is a stable upper stratified layer, which is confirmed by the data of temperature sensors 25 - by the presence of a temperature gradient in the upper

слое, то охлаждение водорода ведетс  с помощью нижнего теплообменника 4. При таком охлаждении гелий после теплообменника 8 поступает через теплообменник 9 и детандер 12, через клапан 13 в теплообменник 4, после которого через клапан 19layer, the cooling of hydrogen is carried out using the lower heat exchanger 4. With this cooling, helium after the heat exchanger 8 enters through the heat exchanger 9 and the expander 12, through the valve 13 into the heat exchanger 4, after which through the valve 19

поступает в линию обратного потока теплообменника 9, далее - в линию обратного потока теплообменника 8, в теплообменник 29 и во всасывающий трубопровод компрессора 5. enters the return flow line of the heat exchanger 9, then the return flow line of the heat exchanger 8, into the heat exchanger 29 and into the suction pipe of the compressor 5.

Во всех режимах работы гелий, сжатый в компрессоре 5, охлаждаетс  в теплообменнике 6 и поступает дл  дальнейшего охлаждени  жидким азотом в теплообменник 7, после которого охлаждаетс  в теплообменнике 8.In all modes of operation, helium compressed in compressor 5 is cooled in heat exchanger 6 and supplied for further cooling with liquid nitrogen to heat exchanger 7, after which it is cooled in heat exchanger 8.

0 Если в режиме охлаждени  разрушен верхний стратифицированный слой, о чем свидетельствует падение давлени  ниже нижнего допустимого и может быть также определено по показани м датчиков 25 тем5 пературы, или же необходимо подн ть давление в резервуаре до давлени , необходимого дл  выдачи продукта, то закрытием клапана 15 и открытием клапанов 14 и 17 к линии предварительного охлаждени  подключаетс  верхний нагреватель 2., после не0 го через теплообменник 9 и детандер 12, клапан 13 охлажденный гелий поступает в теплообменник 4. При охлаждении без использовани  теплообменника 2 гелий, идущий после клапана 19 в линию обратного потока теплообменника 9, имеет темпе5 ратуру, близкую к температуре водорода (неохлажденного), далее проходит теплообменник 9, повышает свою температуру в нем и поступает в трубопровод, соедин ющий теплообменники 9 и 8, несмотр  на тепловой поток из внещней среды в этот трубопровод, благодар  специально подобранному расходу гели  через детандер 11 температура на входе в линию обратного потока теплообменника 8 равна или немного превышает температуру этого же потока на0 If, in cooling mode, the upper stratified layer is destroyed, as evidenced by a pressure drop below the allowable one and can also be determined by the readings of the temperature sensors 25, or the pressure in the tank must be raised to the pressure required to dispense the product, then the valve closes 15 and opening the valves 14 and 17, the upper heater 2 is connected to the pre-cooling line; after that, through the heat exchanger 9 and the expander 12, the valve 13 cools the cooled helium into the heat exchanger 4. When cooled Using heat exchanger 2, helium, going after valve 19 to the return line of heat exchanger 9, has a temperature close to the temperature of hydrogen (uncooled), then passes heat exchanger 9, increases its temperature in it and enters the pipeline connecting heat exchangers 9 and 8 , despite the heat flow from the external medium into this pipeline, due to the specially selected flow of gels through the expander 11, the temperature at the inlet to the return line of the heat exchanger 8 is equal to or slightly higher than the temperature of the same otok on

5 выходе теплообменника 9. Вследствие недо- рекуперации в теплообменнике 8 гелий пр мого потока, выход  из теплообменника 8, имеет температуру, превышающую температуру на входе линии обратного потока. Вследствие изложенных причин температура гели 5 output of the heat exchanger 9. Due to under-recovery in the heat exchanger 8, the helium of direct flow, the output from the heat exchanger 8, has a temperature higher than the temperature at the inlet of the return flow line. Due to the reasons stated, the temperature of the gels

0 пр мого потока на выходе из теплообменника 8 и соответственно на входе в теплообменник 9 при работе в режиме охлаждени  без использовани  теплообменника 2 превышает температуру охлаждаемого водорода на несколько градусов. Когда жеThe 0 direct flow at the outlet of the heat exchanger 8 and, accordingly, at the entrance to the heat exchanger 9, when operating in the cooling mode without using the heat exchanger 2, exceeds the temperature of the cooled hydrogen by several degrees. When

5 в работу включаетс  теплообменник 2, то гелий на входе в теплообменник 9 становитс  холоднее - температура его становитс  близкой температуре охлаждаемого водо05, the heat exchanger 2 is turned on, then the helium at the entrance to the heat exchanger 9 becomes colder — its temperature becomes close to the temperature of the cooled water.

рода, поэтому соответственно снижаютс  температуры перед детандером и после детандера 12, соответственно увеличиваетс  хо- лодопроизводительность теплообменника 4 (хот , если просуммировать тепловой поток, отданный теплообменником 2 и полученный теплообменником 4, эксергетическа  холодо- производительность цикла останетс  неизменной ). Поэтому при использовании теплообменника 2 теплоприток к стратифицированному слою компенсируетс  увеличением холодопроизводительности теплообменника 4.therefore, the temperatures before the expander and after the expander 12 decrease accordingly, respectively, the cold capacity of heat exchanger 4 increases (although if we sum up the heat flux from the heat exchanger 2 and obtained by the heat exchanger 4, the exergy cold-productivity of the cycle will remain unchanged). Therefore, when using the heat exchanger 2, the heat input to the stratified layer is compensated for by an increase in the cooling capacity of the heat exchanger 4.

Если в режиме хранени  давление в резервуаре повышаетс  выше верхнего допустимого , то охлаждение ведетс  с помощью верхнего теплообменника 3, при этом закрыты все клапаны, кроме клапанов 15, 20 н 21. При таком охлаждении разрушаетс  верхний стратифицированный слой.If during storage the pressure in the tank rises above the upper permissible, then cooling is carried out using the upper heat exchanger 3, all valves are closed except for valves 15, 20 and 21. With this cooling, the upper stratified layer is destroyed.

При работе в режиме охлаждени , если давление в резервуаре выше верхнего допустимого , одновременно могут использоватьс  теплообменники 3 и 4.When operating in cooling mode, if the pressure in the tank is higher than the upper allowable, heat exchangers 3 and 4 can be used at the same time.

Дл  задани  системой управлени  наиболее оптимального режима работы теплообменники в резервуаре контролируютс  по показани м датчиков 26 и 27 температуры. В случае невозможности подн ти  давлени  в резервуаре, которое может упасть из-за неполадок в холодильной установке, подъем давлени  осуществл етс  открытием клапана 18.To set the control system to the most optimal mode of operation, heat exchangers in the tank are monitored by readings from temperature sensors 26 and 27. If it is impossible to raise the pressure in the tank, which may fall due to problems in the refrigeration unit, the pressure is increased by opening the valve 18.

Пуск рефрижератора, когда еще недостаточно охлажден теплообменник 8, осуществл етс  путем закрыти  всех клапанов, кроме клапана 16, при этом весь гелий де- тандируетс  через детандеры 10, 11, поступа  в линию обратного потока и охлажда  теплообменник 8.The start-up of the refrigerator, when the heat exchanger 8 is still not sufficiently cooled, is carried out by closing all valves, except for valve 16, while all helium is decanted through the expanders 10, 11, entering the return flow line and cooling the heat exchanger 8.

Предлагаемое устройство обеспечивает более глубокое охлаждение хранимого продукта , причем температура хранени  основной массы продукта может быть ниже температуры кипени  при атмосферном давлении , но при этом давление в резервуаре будет поддерживатьс  выше атмосферного за счет перераспределени  потоков тепла между основной массой жидкости и стратифицированным верхним слоем жидкости. Благодар  поддержанию избыточного давлени  в устройстве можно безопасно хранить горючие низкокип щие газы: метан, водород , а также особочистые продукты, например аргон, азот, неон, при этом исключаетс  попадание воздуха внутрь резервуара при температуре основной массы жидкости , соответствующей температуре тройной точки. Такое охлаждение невозможно в прототипе , в котором в качестве холодильной установки используетс  ожижитель этой жидг кости. Под криогенным рефрижератором в случае охлаждени  жидкости до тройной точки в предложенном устройстве понимаетс  холодильна  установка, работающа  по замкнутому циклу и рабочий продукт последней ступени охлаждени  которой имеет темпера- туру затвердевани  ниже температуры тройной точки хранимого продукта.The proposed device provides a deeper cooling of the stored product, and the storage temperature of the bulk of the product may be lower than the boiling point at atmospheric pressure, but the pressure in the tank will be maintained above atmospheric due to the redistribution of heat flux between the bulk of the liquid and the stratified upper liquid layer. By maintaining overpressure, combustible low-boiling gases, such as methane, hydrogen, as well as high purity products, such as argon, nitrogen, neon, can be safely stored in the device, while preventing air from entering the tank at the temperature of the main mass of the liquid corresponding to the triple point temperature. Such cooling is not possible in the prototype, in which the liquefier of this fluid is used as a refrigeration unit. In the case of cooling a liquid to a triple point, a cryogenic refrigerator means a refrigeration unit operating in a closed cycle and the working product of the last cooling stage of which has a solidification temperature lower than the triple point temperature of the stored product.

Кроме того, при распространенном способе выдачи продуктов путем их вытеснени  избыточным давлением паров этих же продуктов охлаждение основной массы, продукта может продолжатьс , причем экрерги  холода (энерги  холода) верхних разогре0 тых слоев жидкости или пара передаетс  нижележащим, выдаваемым из резервуара. Это позвол ет экономить энергию, идущую на охлаждение, по сравнению с известным способом подн ти  давлени  в криогенном ре зервуаре - путем теплового взаимодействи  с окружающей средой. Дл  уменьшени  толщины стратифицированного сло  и, следовательно, количества разогретой жидкости, теплообменник-нагреватель в предложенном устройстве следует размещатьIn addition, with a common method of dispensing products by displacing them with an excessive vapor pressure of the same products, the cooling of the main mass of the product can continue, and the cold surface (cold energy) of the upper heated liquid layers or vapor is transferred to the underlying one discharged from the tank. This saves energy required for cooling compared with the known method of raising pressure in a cryogenic reservoir — by thermal interaction with the environment. To reduce the thickness of the stratified layer and, therefore, the amount of heated fluid, the heat exchanger-heater should be placed in the proposed device.

0 в паровой подушке резервуара. В прототипе возможен случай, когда холодопроиз- водительность холодильной установки будет выше тепловых потоков от окружающей среды через теплоизол цию резервуара, в этом случае давление в резервуаре при неконтролируемой работе устройства может упасть ниже атмосферного, что небезопасно . Наличие системы управлени  в предложенном устройстве, контролирующей давление в резервуаре, позвол ет устранить эту0 in the steam tank cushion. In the prototype, it is possible that the refrigerating capacity of the refrigeration unit will be higher than the heat fluxes from the environment through the thermal insulation of the tank, in which case the pressure in the tank during uncontrolled operation of the device may fall below atmospheric, which is unsafe. The presence of a control system in the proposed tank pressure monitoring device makes it possible to eliminate this

Q опасность, а также осуществл ть экономичное охлаждение путем оптимального регулировани  процесса.Q hazard as well as economical cooling through optimal process control.

Claims (2)

Формула изобретени Invention Formula «" 5 1. Устройство дл  хранени  и охлаждени  криогенной жидкости, содержащее криогенный теплоизолированный резервуар, криогенный рефрижератор, состо щий из ступени подготовки рабочего тела, соединенных с ней по линии пр мого потока ступеней5 1. A device for storing and cooling a cryogenic liquid, containing a cryogenic thermally insulated tank, a cryogenic refrigerator consisting of a working fluid preparation stage connected to it along a direct flow line of steps 0 предварительного и окончательного охлаждени  рабочего тела и линии обратного пО- тока, и узел теплообмена, соединенный с рефрижератором посредством клапанов, отличающеес  тем, что, с целью повышени  безопасности хранени , узел теплообмена выполнен в виде теплообменника-нагревател , присоединенного входом к линии пр мого потока после ступени подготовки рабочего тела , а выходом - к линии пр мого потока перед ступенью окончательного охлажQ дени , верхнего и нижнего теплообменников- охладителей, вход которых параллельно присоединен к линии пр мого потока после ступени окончательного охлаждени , а выход - к линии обратного потока, при этом теплообменник-нагреватель и верхний тепло5 обменник-охладитель размещены по внутренней стенке резервуара на уровне хранени  криогенной жидкости, а нижний теплообменник-охладитель - по внутренней стен50 pre-and final cooling of the working fluid and the reverse-flow line, and the heat exchange unit connected to the refrigerator through valves, characterized in that, in order to increase the storage safety, the heat exchange unit is made in the form of a heat exchanger-heater connected to the direct line the flow after the stage of preparation of the working fluid, and the output to the direct flow line before the final cooling stage, the upper and lower heat exchangers-coolers, the inlet of which is connected in parallel line direct flow after the final cooling stage, and the output - to the return flow line, wherein the heat exchanger-heater and the upper teplo5 exchanger-cooler placed on the inner wall of the tank for storing the cryogenic liquid level and the lower heat exchanger-cooler - of the internal sten5 ке резервуара под уровнем криогенной жидкости.ke tank below the level of cryogenic liquid. 2. Устройство по п. .1, отличающеес  тем, что оно снабжено датчиками температуры, размещенными внутри резервуара диаметрально в вертикальной плоскости, датчиком давлени , размещенным в верхней части резервуара , и системой управлени , например микро-процессором, св занной с датчиками и клапанами.2. The device according to claim .1, characterized in that it is equipped with temperature sensors placed diametrically in the vertical plane inside the tank, a pressure sensor placed in the upper part of the tank, and a control system, such as a micro processor, connected to the sensors and valves . 2222 3232