Способ заправки сжатым газом изделий
METHOD OF FILLING PRODUCTS WITH COMPRESSED GAS

Данное изобретение относится к способам заполнения емкостей сжатыми газами и может быть использовано для заправки баллонов высокого давления пневмогидросистем (ПГС) космических аппаратов (КА) при испытаниях ПГС на герметичность.
Известен способ заправки сжатым газом изделий, заключающийся в том, что в необходимое число этапов заправляют изделие газом до требуемого давления, на каждом этапе устанавливают значение расхода газа, поступающего в изделие, при этом расход газа на каждом этапе устанавливают меньшим, чем на предыдущем этапе, а значения расходов газа на всех этапах заправки выбирают таким образом, что в ходе заправки температура заправляемого изделия не превышает своей максимальной допускаемой температуры (US 8517062 (В2), МПК: В65В 31/00 (2006.01), F17C 5/06 (2006.01), опубл. 27.08.2013).
Недостатком известного способа является то, что для экспериментального определения значений расходов на всех этапах заправки необходимо провести экспериментальную отработку процесса заправки, включающую в себя измерения температуры заправляемого изделия. В большинстве случаев испытания на герметичность КА проводятся без включения бортовых систем контроля температуры, а также без установки на заправляемые изделия (в том числе, баллоны высокого давления) дополнительных температурных датчиков из состава наземного оборудования. В результате при проведении экспериментальной отработки процесса заправки отсутствует возможность измерений температуры заправляемого изделия, что не позволяет выбрать значения расходов газа на всех этапах заправки согласно известному способу.
Известен также способ заправки изделий сжатым газом, заключающийся в том, что задают постоянную скорость заправки изделия газом, оценивают допустимые значения повышения температуры изделия и количества газа, которое необходимо подать в изделие с заданной постоянной скоростью заправки изделия газом, не превышая при этом допустимого значения температуры изделия, оценивают длительность выдержки на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, которая должна быть сделана после подачи в изделие допустимого количества газа, в необходимое число этапов заправляют изделие газом до требуемого давления, подавая на каждом этапе в изделие допустимое количество газа, после каждого из этапов заправки изделия отсоединяют изделие от источника газа и делают выдержку на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой (Павловский В.А., Чистов А.Л. «Моделирование динамики заполнения резервуара реальным газом». «Вестник СПбГУ», сер. 10, 2014, вып.3, стр. 46-57).
Данный способ заправки изделий сжатым газом принят авторами за прототип.
Недостатком способа-прототипа является необходимость контроля температуры заправляемого изделия в ходе заправки. Как уже отмечалось выше, отсутствие возможности использования бортовых систем контроля температуры КА и дополнительных температурных датчиков из состава испытательного оборудования не позволяет в ходе заправки непосредственно проконтролировать температуру заправляемого изделия и провести заправку согласно известному способу.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение производительности и надежности заправки изделий сжатым газом в условиях отсутствия возможности непосредственного измерения температуры газа в изделии.
Техническим результатом изобретения является повышение производительности и надежности заправки изделий сжатым газом, увеличение надежности изделий и их долговечности при эксплуатации, а также повышение экономической эффективности изготовления, подготовки и эксплуатации изделий.
Технический результат достигается тем, что в предложенном способе заправки сжатым газом изделий, заключающемся в том, что задают постоянную скорость заправки изделия газом, оценивают допустимые значения повышения температуры изделия и количества газа, которое необходимо подать в изделие с заданной постоянной скоростью заправки изделия газом, не превышая при этом допустимого значения температуры изделия, оценивают длительность выдержки на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, которая должна быть сделана после подачи в изделие допустимого количества газа, в необходимое число этапов заправляют изделие газом до требуемого давления, подавая на каждом этапе в изделие допустимое количество газа, после каждого из этапов заправки изделия отсоединяют изделие от источника газа и делают выдержку на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, при этом измеряют давление газа в изделии в начале, конце, а также в течение каждой из выдержек в зависимости от времени, по завершении каждой из выдержек измеряют разность между значениями давления в изделии в начале и конце выдержки, причем об установлении теплового равновесия изделия с окружающей средой в течение каждой из выдержек судят по установлению равновесного давления в изделии, длительность каждой последующей из выдержек задают на основании длительности установления равновесного давления в изделии в течение соответствующей предшествовавшей выдержки, а значение конечного давления на каждом из этапов заправки задают на основании измеренного значения разности между значениями давления в изделии в начале и конце предшествовавшей выдержки.
При заправке изделия газом происходит остановка газового потока в изделии, при этом кинетическая энергия газового потока преобразуется во внутреннюю энергию газа. В результате этого температура газа в изделии повышается, а за счет теплопередачи от заправленного газа к конструкции изделия повышается температура самого изделия. Чтобы температура изделия не превысила допустимого значения, заправку изделия газом останавливают по достижении некоторого заранее рассчитанного промежуточного давления газа в изделии, после чего делают выдержку на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, в течение которой температура изделия снижается до температуры окружающей среды. Затем заправку изделия газом возобновляют и повторяют вышеуказанные действия до достижения требуемого конечного давления газа в изделии.
Как было указано выше, большинство испытаний на герметичность ПГС КА проводят без включения бортовых систем контроля температуры КА, а также не устанавливая на испытываемые емкости ПГС КА дополнительные температурные датчики, входящие в состав наземного испытательного оборудования. В таких условиях, когда отсутствует возможность непосредственно измерять температуру изделия, предлагается оценивать данную температуру косвенным образом, а именно, по значению давления газа в изделии. Такое косвенное измерение температуры изделия позволит в ходе заправки изделия газом внести необходимые поправки как в значения длительностей выдержек на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, так и в значения конечных давлений газа в изделии на каждом из этапов заправки.
Предлагаемый способ заправки сжатым газом изделий, например, баллона высокого давления пневмогидросистемы КА, осуществляют следующим образом:
2
2
а) перед проведением первого этапа заправки изделия оценивают информацию о характеристиках требуемой заправки изделия газом, включающих значение требуемого конечного давления газа в изделии, например, 350 кгс/см в шар-баллоне высокого давления из композитного материала; состав заправляемого газа, например, гелиево-воздушной смеси с объемной концентрацией гелия 5%; материал конструкции изделия, например, учитывают коэффициент теплопроводности композитного материала; принимают во внимание геометрию изделия и его внутренний объем; особенности конструкции изделия, например, принимают во внимание значение части площади поверхности шарообразного баллона, на которой осуществляется теплопередача к элементам конструкции двигательной установки и значение оставшейся части площади поверхности шарообразного баллона, которая обращена в окружающую среду - в атмосферу производственного помещения при проведении испытаний вне вакуумной камеры, или в вакуум при проведении испытаний в вакуумной камере; особенности конструкции используемого пневмооборудования, например, значение расхода газа, обеспечиваемого используемой системой непрерывной подачи газа СНПГ-99 производства ООО «НТА-ПРОМ», а также допустимое значение повышения температуры изделия, например, 50°С для баллона из композитного материала. По результатам оценки задают постоянную скорость заправки изделия газом, которую будут поддерживать на протяжении всех этапов заправки, например, задают значение допускаемой скорости повышения давления в изделии, равное 5,0 кгс/(см⋅мин);
2
2
б) на основании информации о характеристиках требуемой заправки изделия, в частности, допустимого значения повышения температуры изделия (например, допускается повышение температуры баллона не более чем на 50°С), оценивают допустимое количество газа, которое допускается необходимо подать в изделие на первом и последующих этапах заправки с заданной ранее постоянной скоростью заправки изделия газом, то есть, задают конечные значения давления газа в изделии на этапах заправки: например, 50 кгс/см на первом этапе заправки, 100 кгс/см на втором этапе заправки, и так далее;
в) на основании допускаемого повышения температуры изделия и оценки интенсивности теплообмена между газом в изделии, конструкцией КА и окружающей средой оценивают длительность выдержки на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, которая должна быть сделана после каждой подачи в изделие допустимого количества газа, т.е. после каждого этапа заправки, например, для баллона из композитных материалов, к повышению температуры которого предъявляют строгие требования, задают длительность выдержки на установление теплового равновесия, равную 5 ч 00 мин;
г) проводят первый этап заправки изделия с заданной постоянной скоростью заправки, например, используя для этого систему непрерывной подачи газа СНПГ-99 производства ООО «НТА-ПРОМ»;
д) по достижении заданного конечного значения давления газа в изделии в конце первого этапа заправки отсекают изделие от источника газа и останавливают заправку. Для измерения давления в изделии используют, например, манометры для точных измерений МТИ ГОСТ 12997-84;
е) делают выдержку на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, при этом измеряют давление газа в изделии в начале и конце выдержки, а также в течение выдержки в зависимости от времени. Поскольку в течение выдержки изделие отсечено от источника газа, то в нем происходит изохорический газовый процесс. Газ в изделии можно считать идеальным, и давление газа в изделии будет пропорционально абсолютной температуре газа;
ж) по завершении выдержки измеряют разность между значениями давления в изделии в начале и конце выдержки. Данная разность позволяет вычислить с помощью уравнения идеального газа значение разности температуры окружающей среды и температуры газа в изделии в начале выдержки, или, что то же самое, в конце первого этапа заправки. Для измерения температуры окружающей среды при испытаниях в вакуумной камере используют, например, одноканальные или многоканальные микропроцессорные регуляторы с температурными преобразователями, соответствующие ГОСТ Р 52931-2008;
з) в течение выдержки на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой делают вывод об установлении теплового равновесия изделия с окружающей средой по установлению равновесного давления в изделии, измеряемого в зависимости от времени в соответствии с п. е);
2
и) в том случае, если при расчетах по пп. а) и б) была использована завышенная оценка интенсивности теплообмена между газом в изделии, конструкцией КА и окружающей средой, следует ожидать, что измеренное согласно п. ж) значение разности температуры газа в изделии в конце первого этапа заправки и температуры окружающей среды превысит допустимое повышение температуры изделия. Тогда для устранения этого превышения температуры изделия над допустимым значением будет необходимо на втором этапе заправки уменьшить количество газа, заправляемого в изделие, например, задать конечное значение давления газа в изделии на втором этапе заправки равным 90, а не 100 кгс/см;
2
к) в противоположном случае, если при расчетах по пп. а) и б) была использована соответствующая действительности или заниженная оценка интенсивности теплообмена между газом в изделии, конструкцией КА и окружающей средой, то можно будет ожидать, что измеренное согласно п. ж) значение разности температуры газа в изделии в конце первого этапа заправки и температуры окружающей среды не превысит допустимого повышения температуры изделия. В этом случае следует на втором этапе заправки оставить прежним или увеличить количество газа, заправляемого в изделие, например, задать конечное значение давления газа в изделии на втором этапе заправки равным 105, а не 100 кгс/см;
л) если равновесное давление в изделии в пределах погрешности средств измерений установилось до завершения заданной согласно п. в) выдержки на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, это означает, что при расчете длительности выдержки была использована заниженная оценка интенсивности теплообмена между газом в изделии, конструкцией КА и окружающей средой. В этом случае можно сократить длительность выдержки на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой после следующего (второго) этапа заправки;
м) в противоположном случае, если равновесное давление в изделии в пределах погрешности средств измерений не успело установиться до завершения заданной согласно п. в) выдержки на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой, это будет означать, что при расчете длительности выдержки была использована завышенная оценка интенсивности теплообмена между газом в изделии, конструкцией КА и окружающей средой. В этом случае длительность выдержки на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой после следующего (второго) этапа заправки следует увеличить, например, экстраполируя по времени процесс установления равновесного давления в изделии;
2
2
2
н) после того, как по данным об изменении давления газа в изделии в течение первой выдержки на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой будут сделаны вышеуказанные выводы, будет необходимо соответствующим образом изменить параметры заправки изделия на втором этапе и последующей выдержки на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой. Например, при сохранении прежней допускаемой скорости повышения давления в изделии 5,0 кгс/(см⋅мин), может потребоваться задать конечное значение давления газа в изделии на втором этапе заправки 105 кгс/см, а длительность последующей выдержки сократить с 5 ч 00 мин до 4 ч 30 мин, или, наоборот, задать конечное значение давления газа в изделии на втором этапе заправки 90 кгс/см, а длительность последующей выдержки увеличить с 5 ч 00 мин до 5 ч 30 мин;
о) далее проводят второй этап заправки изделия с заданной постоянной скоростью заправки и конечным значением давления газа в изделии согласно п. н);
п) после этого проводят вторую выдержку на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой с длительностью согласно п. н), в течение которой проводят действия, аналогичные изложенным в пп. е) - ж);
р) по результатам проведенных измерений делают выводы, аналогичные описанным в пп. и) - м);
с) в соответствии со сделанными выводами изменяют параметры заправки изделия на третьем этапе и последующей выдержки на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой образом, аналогичным описанному в п. н);
т) проводят следующие этапы заправки изделия в соответствии с последовательностью, изложенной в пп. о) - с), до тех пор, пока в изделии не будет достигнуто требуемое конечное давление газа.
Предлагаемый способ обеспечивает повышение производительности и надежности заправки изделий сжатым газом в условиях отсутствия возможности непосредственного измерения температуры газа в изделии, а именно:
- на каждом этапе заправки изделия для определения количества газа, подаваемого на данном этапе в изделие, используют результаты измерения давления газа в изделии в течение предыдущей выдержки на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой. Это позволяет избежать как подачи в изделие излишнего количества газа, приводящего к перегреву изделия, так и подачи в изделие недостаточного количества газа, приводящей к замедлению заправки изделия;
- при каждой выдержке на установление теплового равновесия изделия с окружающей средой производится измерение давления газа в изделии в зависимости от времени. Это позволяет избежать как слишком коротких выдержек, при которых возникает опасность перегрева изделия и неверных действий на последующих этапах заправки, так и чрезмерно продолжительных выдержек, при которых непроизводительно расходуется рабочее время.
Использование предлагаемого способа позволяет за счет повышения производительности и надежности заправки изделий сжатым газом увеличить надежность изделий и их долговечность при эксплуатации.
Способ достаточно прост в реализации и не требует дополнительных средств на доработку существующего испытательного оборудования.