ИНЖЕКТОР ДЛЯ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ
INJECTOR FOR CRYOGENIC LIQUID

Изобретение относится к области криогенной и вакуумной техники и касается устройств дозированной выдачи криогенной жидкости в технологические зоны с высоким и сверхвысоким давлением. Изобретение может быть применено там, где необходимо единичное резкое понижение температуры и создание давления в закрытом объеме жидкости, в частности в пищевой, химической промышленности, медицине.
Из области техники известны устройства для дозированной подачи криогенной жидкости в герметизируемые емкости для создания в них безопасной инертной среды и избыточного давления после герметизации [RU 2374555, 14.04.2005, F17C 9/00; US 5385025, 1994.03.04, В65В 31/00; F17C 13/02; FR 2688469, 1992.03.16, В65В 31/00; F17C 9/00 и др.], которые являются аналогами предлагаемого устройства.
Известно устройство [US 5385025, 1994.03.04, В65В 31/00; F17C 13/02] для дозированной выдачи криогенной жидкости, включающее сосуд для криогенной жидкости, блок с концентрическим отверстием, диаметр которого регулируется, установленный на дне сосуда, и трубопровод подачи газа для организации дискретного вытекания криогенной жидкости из сосуда. Указанное изобретение обеспечивает производительность порядка 200-500 герметизируемых емкостей в минуту.
Известно устройство для дозированной выдачи криогенной жидкости [RU 2374555, 14.04.2005, F17C 9/00], содержащее сосуд для криогенной жидкости с клапаном заправки и поддержания уровня и штуцером для отвода пара, и дозатор, включающий клапан с управляемым приводом и цилиндр с входными отверстиями, а также седло с выходным соплом, входные отверстия цилиндра сообщены с полостью сосуда для криогенной жидкости с помощью патрубка подвода криогенной жидкости и канала для подъема парожидкостной смеси.
Основной решаемой задачей в указанных изобретениях является обеспечение надежного дозирования равных объемов криогенной жидкости, в том числе для капельного дозирования криогенной жидкости. Особенно целесообразно применение их для капельной дозированной подачи жидкого азота в герметизируемые емкости, перемещаемые транспортером, например бутылки, банки, пакеты и т.п., для создания в них безопасной инертной среды и избыточного давления после герметизации (закупорки) этих емкостей.
В известных дозаторах не используют давление для подачи криогенной жидкости, криогенная жидкость стекает под действием силы тяжести. Дозировку осуществляют путем автоматической подачи струи газа, которая перерезает поток криогенной жидкости.
В указанных устройствах невозможно реализовать условия для получения газовых гидратов.
В основу предлагаемого изобретения положена задача создания устройства дозированной подачи под давлением криогенной жидкости в зону с высоким давлением для инициации теплового взрыва (взрывного вскипания), сопровождающегося значительными ударными волнами, с целью получения условий, необходимых для интенсификации процесса гидратообразования.
Предлагаемое устройство основано на использовании явления взрывного вскипания криогенной жидкости, сопровождающегося значительным гидравлическим ударом (ударными волнами) с давлением (со скачками давления) до 50 атмосфер.
Поставленную задачу решают тем, что в инжекторе для криогенной жидкости, включающем узел ввода криогенной жидкости, криорезервуар и узел вывода криогенной жидкости, согласно изобретению узел ввода включает штуцер с наружной резьбой, имеющий по оси канал, соединенный капилляром с баллоном сжатого газа, который подают под давлением от 10 до 100 атмосфер, патрубок переходный с резьбой на внутренней поверхности для ввинчивания штуцера и со сквозными осесимметричными отверстиями для подачи криогенной жидкости, расположенными напротив друг друга на одной оси, пересекающей ось патрубка под углом 90 градусов, при этом штуцер может иметь два положения: а) отверстие по оси канала перекрыто и криогенная жидкость не поступает в криорезервуар; б) отверстия 3 и отверстие по оси канала открыты и криогенная жидкость поступает в криорезервуар, и трубопровод, соединяющий узел ввода с криорезервуаром, имеющим форму цилиндра с конусообразными днищами. В инжекторе для криогенной жидкости согласно изобретению узел вывода включает сбросный трубопровод с муфтой оптимизации длины трубопровода и фланец с мембраной в виде диска из тонкой фольги, которая прижата к выходному отверстию криорезервуара шайбой, внутренний диаметр которой подбирают в зависимости от величины давления, необходимого для разрыва мембраны, и прижимной гайкой. Геометрические параметры трубопровода, сбросного трубопровода и криорезервуара выбирают из условия минимальных теплопотерь и условия прочности при изменении давления внутри трубопроводов и криорезервуара до 600 атмосфер. Все части инжектора теплоизолированы. В качестве сжатого газа используют гелий. В качестве криогенной жидкости используют жидкий азот или жидкий метан.
На фиг.1 показана схема инжектора, на фиг.2 показан фланец с мембраной и гайкой в разрезе, где: 1 - штуцер; 2 - переходный патрубок; 3 - отверстия для ввода криогенной жидкости; 4 - трубопровод; 5 - криорезервуар; 6 - сбросный трубопровод; 7 - муфта; 8 - фланец; 9 - мембрана, 10 - шайба; 11 - гайка.
Инжектор состоит из узла ввода криогенной жидкости или сжатого газа, криорезервуара 5 и узла вывода криогенной жидкости в резервуар с водой для создания в нем условий интенсификации процесса гидратообразования.
Узел ввода включает штуцер 1 с наружной резьбой, имеющий по оси канал, соединенный капилляром с баллоном сжатого газа (на фиг.1 не показано), переходный патрубок 2 с отверстиями 3 для ввода криогенной жидкости и трубопровод 4. Конструкция узла ввода инжектора позволяет быстро заполнять криорезервуар инжектора криогенной жидкостью и переключаться на подачу сжатого газа. На внутренней поверхности переходный патрубок 2 имеет резьбу для ввинчивания штуцера 1, а в нижней части патрубка расположены два сквозных осесимметричных отверстия 3 для подачи криогенной жидкости в криорезервуар. Отверстия расположены на одной оси напротив друг друга так, что их ось пересекает ось патрубка под углом 90 градусов. Штуцер 1 при закручивании в патрубок может иметь два положения: отверстия 3 открыты во внутреннее пространство патрубка - режим подачи криогенной жидкости; отверстия 3 перекрыты - режим подачи сжатого газа под давлением от 10 до 100 атмосфер. Геометрические параметры (длину и диаметр) и материал трубопровода 4 выбирают из условия минимизации теплопотерь при заправке инжектора и условия прочности при изменении давления до 600 атмосфер.
Криорезервуар 5 имеет форму цилиндра с конусообразными днищами. Форму и геометрические параметры криорезервуара выбирают из условия минимизации теплопотерь и условия прочности при изменении давления внутри криорезервуара до 600 атмосфер.
Узел вывода включает сбросный трубопровод 6 с муфтой 7 и фланец 8 с мембраной 9, шайбой 10 и гайкой 11. Геометрические параметры (длину и диаметр) и материал сбросного трубопровода 6 также выбирают из условия минимизации теплопотерь при заправке инжектора и условия прочности при изменении давления до 600 атмосфер. Муфта 7 сбросного трубопровода 6 служит для оптимизации его длины.
Основной частью узла вывода является фланец 8 с мембраной 9 и шайбой 10, который в разрезе показан на фиг.2. Мембрану, выполненную в виде диска из тонкой фольги, прижимают шайбой 10 и гайкой 11 к дну фланца.
Путем изменения диаметра отверстия шайбы 10 регулируют разрывное давление и, следовательно, скорость истечения криогенной жидкости в резервуар с водой.
Все части инжектора теплоизолированы для минимизации теплопотерь (на фигурах не показано).
Инжектор работает следующим образом.
Сначала инжектор заправляют криогенной жидкостью. Для заправки инжектора криогенной жидкостью штуцер 1 устанавливают в положение б) (отверстия 3 и отверстие по оси инжектора открыты, криогенная жидкость поступает в криорезервуар) так, чтобы отверстия 3 оказались открытыми во внутреннее пространство переходного патрубка 2. Инжектор опускают узлом ввода вертикально вниз в сосуд с криогенной жидкостью. Через отверстия 3 и трубопровод 4 криогенная жидкость заполняет криорезервуар 5. При таком способе заправки криорезервуара криогенная жидкость находится в равновесном состоянии. После заправки инжектор достают из резервуара с криогенной жидкостью, штуцер 1 устанавливают в положение а) - отверстие по оси инжектора перекрыто и криогенная жидкость не поступает в криорезервуар - путем закручивания штуцера 1 до упора. Затем ставят мембрану 9 во фланец 8, прижимают ее шайбой 10 с отверстием и закрепляют гайкой 11. Затем инжектор опускают фланцем 8 в сосуд с водой. Открывают вентиль баллона со сжатым газом. В качестве газа используют гелий. Газ подают под давлением от 10 до 100 атмосфер. При давлении в инжекторе 10-20 атмосфер происходит разрушение мембраны и выброс криогенной жидкости в воду. Разрушение мембраны приводит к открытию сбросного трубопровода и выбросу (инжекции) струи криогенной жидкости в воду и к быстрому перегреву криогенной жидкости. Весь объем перегретой жидкости взрывным образом превращается в пар. В результате этого взрывного вскипания криогенной жидкости в воде развивается ударная волна, давление в которой достигает 50 атмосфер.
Обоснование промышленной применимости.
Были проведены экспериментальные исследования. Рабочий участок представлял собой вертикально расположенную толстостенную стальную трубу и инжектор, закрепленный на верхней части трубы. Рабочий участок заполнялся дистиллированной водой. Профили волн давления в воде измерялись двумя пьезо-датчиками давления Т500-2, установленными в трубе. Сигналы датчиков подавались на аналого-цифровой преобразователь (АЦП Е20-10) и далее обрабатывались на компьютере. Исследования проводились при наличии свободной поверхности вблизи места ввода струи криогенной жидкости в дистиллированную воду. Погрешность измерения составляла менее 1%.
При входе криогеннной жидкости в воду возникало взрывное вскипание, сопровождавшееся скачком давления. Полученные результаты подтвердили возможность создания инжектором условий, необходимых для интенсификации процесса гидратообразования.