СПОСОБ ПОДГОТОВКИ КРИОГЕННОГО ПРОДУКТА К ИСПЫТАНИЯМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО УСТРОЙСТВА
METHOD OF PREPARING A CRYOGENIC PRODUCT FOR TESTING A POWER DEVICE

Способ подготовки криогенного продукта или продукта с температурой испарения ниже температуры атмосферы к испытаниям энергетического устройства относится к криогенной технике, энергомашиностроению и двигателестроению для наземного базирования и транспортных средств и предназначен для испытаний энергетических - устройств на подогретой до линии насыщения жидкой фазе криогенного продукта.
Известен способ (И.И. Гельперин, А.А. Ильинский, О.А. Алмазов, И.А. Адугин. Жидкий водород. М.: «Химия», 1980. - 228 с.) подготовки криогенного продукта к испытаниям энергетических устройств, заключающийся в термостатировании - охлаждении жидкой фазы криогенного продукта в расходной емкости путем вакуумирования парового пространства над зеркалом жидкой фазы до давления соответствующего требуемой температуре на линии насыщения.
Недостаток способа заключается в том, что он не обеспечивает подогрева жидкой фазы криогенного продукта от температуры хранения до требуемой температуры на линии насыщения за короткий промежуток времени, т.к. расходная емкость с экранно-вакуумной изоляцией имеет низкий теплоприток к жидкой фазе криогенного продукта, что не позволяет достаточно быстро увеличить температуру жидкой фазы криогенного продукта, при этом поступающая через теплоизоляцию тепловая энергия тратиться на испарение, а значит на охлаждение жидкой фазы криогенного продукта. Из-за этого жидкая фаза криогенного продукта в расходной емкости с течением времени по высоте расслаивается по температуре, а значит, возможна подача криогенного продукта в энергетическое устройство с различной температурой по мере выработки криогенного продукта, что увеличивает сроки доводки энергетического устройства.
Известна установка (авторское свидетельство SU №970070, F28D 7/00, 1982 г.) содержащая последовательно соединенные по трубному и межтрубному пространству с образованием зон подогрева, испарения и перегрева кожухотрубные теплообменники и подключенные к межтрубному пространству последних насос и компенсирующую емкость, установленную над теплообменниками, при этом теплообменники в зонах испарения и перегрева имеют поверхность, составляющую 1,45-1,65 и 0,9-0,96 поверхности теплообменников в зоне подогрева. В данной установке может быть осуществлен подогрев жидкой фазы криогенного продукта до температуры на линии насыщения путем его прокачки через теплообменники с постоянным подводом тепловой энергии.
Недостаток установки заключается в том, что необходимы дополнительные теплообменники и греющий теплоноситель, а также насос для прокачки обоих теплоносителей через теплообменник, что, в свою очередь, увеличивает затраты на подготовку жидкой фазы криогенного продукта к испытанию энергетического устройства, кроме этого невозможно получить однородную по температуре жидкую фазу криогенного продукта на выходе теплообменника, что не позволяет качественно провести специальные испытания по устойчивости работы энергетического устройства и по определению кавитационной характеристики насоса подачи.
Задачи изобретения: снижение энергетических затрат на подготовку жидкой фазы криогенного продукта для проведения испытания энергетического устройства при различных температурах жидкой фазы криогенного продукта, а также получение однородной температуры по всему объему жидкой фазы криогенного продукта в криогенной расходной емкости.
з
з
Поставленные задачи в способе подготовки криогенного продукта к испытаниям энергетического устройства при различных температурах жидкой фазы криогенного продукта заключающийся в заправке криогенного продукта в криогенную расходную емкость из криогенной емкости хранилища и изменении температуры жидкой фазы криогенного продукта, решаются тем, что, заправку криогенной расходной емкости, внутренний сосуд которой перед заправкой имеет температуру выше линии насыщения криогенного продукта, производят последовательными порциями жидкой фазы криогенного продукта 0,1…0,25 от массы, которую вмещает криогенная расходная емкость, с промежуточными выдержками 5…15 минут между последовательными порциями жидкой фазы криогенного продукта, при этом давление в криогенной расходной емкости поддерживают в соответствии с требуемой для испытания энергетического устройства температурой жидкой фазы криогенного продукта на линии насыщения, а также тем, что уменьшают каждую последующую порцию жидкой фазы криогенного продукта, поступающую в криогенную расходную емкость, при этом последняя порция составляет 0,1 от массы жидкой фазы криогенного продукта, которую вмещает криогенная расходная емкость и тем, что увеличивают каждую последующую выдержку между последовательными порциями жидкой фазы криогенного продукта, при этом последняя выдержка между последовательными порциями жидкой фазы криогенного продукта составляет 10…15 минут и тем, что перед заправкой криогенной расходной емкости увеличивают давление в вакуумной полости заправочного трубопровода до обеспечения величины теплопритока, определяемого по формуле: Q=ΔiG, где Δi - величина требуемого изменения энтальпии жидкой фазы криогенного продукта, G - массовый расход жидкой фазы криогенного продукта на входе в криогенную расходную емкость и тем, что с целью получения однородной температуры жидкой фазы криогенного продукта по всему объему криогенной расходной емкости после ее заправки, производят ее выдержку 4…24 часов при давлении соответствующем требуемой для испытания энергетического устройства температуре жидкой фазы криогенного продукта на линии насыщения и тем, что с целью проведения испытания энергетического устройства на подогретой жидкой фазе криогенного продукта и снижения потерь на испарение криогенного продукта, испытание энергетического устройства проводят на одной или нескольких порциях жидкой фазы криогенного продукта, которые заправляют в криогенную расходную емкость.
В известных технических решениях признаков сходных с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не обнаружено, следовательно, это решение обладает существенными отличиями. Приведенная совокупность признаков в сравнении с известным уровнем техники позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения условию «новизна». В то же время, заявляемое техническое решение применимо в промышленности, в частности в энергетическом машиностроении и криогенных системах и может быть использовано при доводочных работах энергетических устройств и систем подачи криогенного топлива в наземную или транспортную энергетическую установку, поэтому оно соответствует условию «промышленная применимость».
Изобретение поясняется следующими схемами.
На фиг. 1 представлена схема системы заправки криогенной расходной емкости и подготовки жидкой фазы криогенного продукта для испытания энергетического устройства.
Система для осуществления способа (фиг. 1) содержит криогенную емкость 1 хранилища, соединенную последовательно через первый запорный элемент 2, заправочный трубопровод 4 с экранно-вакуумной изоляцией и второй запорный элемент 3 с криогенной расходной емкостью 5. В криогенной емкости 1 хранилища и криогенной расходной емкости 5 установлены соответственно датчики 6 и 7 температуры жидкой фазы криогенного продукта, датчики 8 и 9 давления и датчики 10 и 11 уровня жидкой фазы криогенного продукта, соединенные с блоком управления 12. Вакуумная полость заправочного трубопровода 4 с экранно-вакуумной изоляцией соединена с датчиком 13 замера вакуума и с входом в вакуумный насос 14, которые, в свою очередь, соединены с блоком управления 12, имеющим контроллер времени 17. Криогенная емкость 1 хранилища соединена с запорным заправочным элементом 15, а криогенная расходная емкость 5 с запорным расходным элементом 16.
Способ по п. 1 формулы (фиг. 1) осуществляют следующим образом. Для определения кавитационной характеристики и запасов устойчивой работы насоса подачи и для определения устойчивости работы теплообменника-газификатора, а также для определения устойчивости работы всей системы подачи криогенного продукта, например топливоподачи криогенного топлива в энергетическое устройство, двигателя внутреннего сгорания газотурбинного или поршневого, необходимо провести серию испытаний при различных температурах и давлениях жидкой фазы криогенного продукта или жидкой фазы продукта с температурой кипения ниже температуры атмосферы. Давление в расходной емкости, для большинства криогенных продуктов и продуктов с температурой кипения ниже температуры атмосферы, не превышает критического значения, а значит и температура жидкой фазы этих продуктов находится или на линии насыщения или меньше, чем на линии насыщения. Заправку криогенной емкости 1 хранилища осуществляют от криогенной транспортной емкости через заправочный элемент 15, где криогенный продукт храниться до проведения испытания энергетического устройства. Перед началом заправки криогенной расходной емкости 5 измеряют температуру стенок ее внутреннего сосуда с помощью датчика температуры 7 и температуру жидкой фазы криогенного продукта в криогенной емкости 1 хранилища с помощью датчика температуры 6. По этим значениям температур, при известных размерах и массе внутреннего сосуда криогенной расходной емкости 5, в блоке управления 12 определяют количество теплоты, которое можно использовать для нагрева жидкой фазы криогенного продукта при заправке криогенной расходной емкости 5 до требуемой температуры для испытания энергетического устройства, с последующим определением массы жидкой фазы криогенного продукта с учетом потерь на испарение и выброса через штатный дренаж криогенной расходной емкости 5, которую необходимо заправить в криогенную расходную емкость 5. Для получения необходимой температуры жидкой фазы криогенного продукта или жидкой фазы продуктов с температурой кипения ниже температуры атмосферы заправку криогенной расходной емкости 5, внутренний сосуд которой перед заправкой имеет температуру выше линии насыщения криогенного продукта, производят из криогенной емкости 1 хранилища путем передавливания, при этом повышают давление в криогенной емкости 1 хранилища с помощью штатной системы наддува с контролем давления в ней с помощью датчика давления 8 и контролем исходной температуры жидкой фазы криогенного продукта с помощью датчика температуры 6, соединенных с блоком управления 12. Заправку криогенной расходной емкости 5 выполняют через последовательно соединенные первый запорный элемент 2, заправочный трубопровод 4 с экранно-вакуумной изоляцией и второй запорный элемент 3 последовательными порциями жидкой фазы криогенного продукта 0,1…0,25 от массы, которую вмещает криогенная расходная емкость 5, при этом количество массы жидкой фазы криогенного продукта заправляемого в криогенную расходную емкость 5 контролируют с помощью датчиков уровней 10 и 11 соответственно в криогенной емкости 1 хранилища и криогенной расходной емкости 5 и соответственно датчиков температуры жидкой фазы криогенного продукта 6 и 7, причем вычисление массы каждой порции криогенного продукта выполняют в блоке управления 12, с которым соединены вышеназванные датчики уровней 10 и 11 и датчики температуры 6 и 7. После заправки каждой порции жидкой фазы криогенного продукта в криогенную расходную емкость 5 закрывают первый запорный элемент 2 и делают промежуточные выдержки жидкой фазы криогенного рабочего продукта в криогенной расходной емкости 5 (фиг. 1) 5…15 минут между последовательными порциями жидкой фазы криогенного продукта, при этом длительность периода промежуточной выдержки устанавливают с помощью контроллера времени 17, соединенного с блоком управления 12, по окончании промежуточной выдержки открывают первый запорный элемент 2 (фиг. 1) и выполняют заправку очередной порции жидкой фазы криогенного продукта в криогенную расходную емкость 5. В период всего процесса заправки криогенной расходной емкости 5, включая периоды промежуточных выдержек, измеряют давление в криогенной расходной емкости 5 с помощью датчика 11 и температуру жидкой фазы криогенного продукта датчиком 7, сигналы которых поступают в блок управления 12, и поддерживают его в соответствии с требуемой для испытания энергетического устройства температурой жидкой фазы криогенного продукта на линии насыщения, как в период заправки порции жидкой фазы криогенного продукта в криогенную расходную емкость 5, так и в периоды промежуточных выдержек между заправками порций. Для поддержания требуемого давления используют штатную систему дренажа криогенной расходной емкости 5, не показанную на фиг. 1. По окончании заправки криогенной расходной емкости 5 закрывают первый запорный элемент 2 и выдавливают остаток жидкой фазы криогенного продукта из криогенного трубопровода 4 с экранно-вакуумной изоляцией в криогенную расходную емкость 5, с помощью штатной системы продувки, а затем закрывают второй запорный элемент 3. Проводят испытание энергетического устройства при полученной во время заправки температуре жидкой фазы криогенного продукта в криогенной расходной емкости 5, при этом жидкую фазу криогенного продукта подают к энергетическому устройству через запорный расходный элемент 16. Нагрев жидкой фазы криогенного продукта осуществляется за счет теплоты накопленной за счет внешнего теплопритока в стенках внутреннего сосуда криогенной расходной емкости 5 при простоях без жидкой фазы криогенного продукта между испытаниями энергетического устройства. Для испытания энергетического устройства при другой температуре жидкой фазы криогенного продукта повторяют заправку криогенной расходной емкости 5, внутренний сосуд, которой находится при температуре выше линии насыщения, по выше приведенной технологии, но при давлении в криогенной расходной емкости 5, отличающимся от предыдущей заправки, при этом температура на линии насыщения жидкой фазы криогенного продукта будет соответствовать установленному новому давлению в криогенной расходной емкости 5. Таким образом, последовательно при разных температурах жидкой фазы криогенного продукта снимают кавитационную характеристику насоса подачи жидкой фазы криогенного продукта, а также характеристики по запасам устойчивости работы, как насоса подачи, так и теплообменника-газификатора криогенного продукта и системы его подачи в энергетическое устройство.
Способ по п. 2 формулы осуществляют следующим образом. При заправке криогенной расходной емкости 5 из криогенной емкости 1 хранилища уменьшают каждую последующую порцию жидкой фазы криогенного продукта, поступающая в криогенную расходную емкость 5, при этом последняя порция составляет 0,1 от массы жидкой фазы криогенного продукта, которую вмещает криогенная расходная емкость 5. Уменьшение в период заправки криогенной расходной емкости 5 последующей порции жидкой фазы криогенного продукта позволяет эффективно использовать теплоту, накопленную в стенках внутреннего сосуда криогенной расходной емкости 5, при этом снижаются потери криогенного продукта на испарение и их выброс через штатную систему дренажа криогенной расходной емкости 5.
Способ по п. 3 формулы осуществляют следующим образом. При заправке криогенной расходной емкости 5 из криогенной емкости 1 хранилища увеличивают каждую последующую выдержку между последовательными порциями жидкой фазы криогенного продукта, при этом последняя выдержка между последовательными порциями жидкой фазы криогенного продукта составляет 10…15 минут. Увеличение времени каждой последующей выдержки между порциями жидкой фазы криогенного продукта позволяет эффективно использовать теплоту, накопленную в стенках внутреннего сосуда криогенной расходной емкости 5 для нагрева порции жидкой фазы криогенного продукта, т.к. в процессе заправки от порции к очередной порции уменьшается разность температур между жидкой фазой криогенного продукта и стенкой внутреннего сосуда криогенной расходной емкости 5, что снижает, в свою очередь, теплопередачу между ними.
3
3
Способ по п. 4 формулы осуществляют следующим образом. Если требуется более высокий подогрев жидкой фазы криогенного продукта в криогенной расходной емкости 5, то перед заправкой криогенной расходной емкости 5 в вакуумной полости криогенного трубопровода 4 с экранно-вакуумной изоляцией увеличивают давление, которое контролируют датчиком 13, в блоке управления 12 до обеспечения величины заданного теплопритока: q=Δi G, где Δi - величина требуемого изменения энтальпии жидкой фазы криогенного продукта, G - массовый расход жидкой фазы криогенного продукта на входе в криогенную расходную емкость 5. После заправки криогенной расходной емкости 5 восстанавливают вакуум в теплоизоляции криогенного трубопровода 4 с экранно-вакуумной изоляцией с помощью вакуумного насоса 14. Весь процесс заправки контролируют и управляют с помощью блока управления 12 с контроллером времени 17. Нагрев жидкой фазы криогенного продукта дополнительно осуществляется за счет подвода внешней теплоты из атмосферы через теплоизоляцию криогенного трубопровода 4 с экранно-вакуумной изоляцией, у которого повышено давление в вакуумной полости.
Способ по п. 5 формулы осуществляют следующим образом. Для получения однородной температуры жидкой фазы криогенного продукта в объеме криогенной расходной емкости 5 после ее заправки, производят выдержку в ней жидкой фазы криогенного продукта при давлении соответствующем требуемой температуре на линии насыщения 4…24 часов.
Способ по п. 6 осуществляют следующим образом. Чем больше масса и количество порций жидкой фазы криогенного продукта, которые заправляют в криогенную расходную емкость 5, тем ниже температура жидкой фазы в криогенной расходной емкости 5. Т.е. изменять температуру жидкой фазы криогенного продукта на входе в испытуемое энергетическое устройство можно изменением количества массы или порций жидкой фазы криогенного продукта, которые заправляют в криогенную расходную емкость 5. С целью проведения испытания энергетического устройства на подогретой жидкой фазе криогенного продукта и снижения потерь на испарение криогенного продукта, испытание энергетического устройства проводят на одной, при температурах близких к критической точке криогенного продукта, или нескольких порциях, при температурах значительно ниже критической точки криогенного продукта, жидкой фазы криогенного продукта, которые заправляют в криогенную расходную емкость 5.
За счет заправки криогенной расходной емкости 5 порциями выполнен подогрев жидкой фазы криогенного продукта до требуемой условиями испытания энергетического устройства температуры. За счет изменения давления в вакуумной полости криогенного заправочного трубопровода 4 с экранно-вакуумной изоляцией получают дополнительную внешнюю теплоту для нагрева жидкой фазы криогенного продукта до необходимой температуры на линии насыщения в криогенной расходной емкости 5. За счет выдержки жидкой фазы криогенного продукта в криогенной расходной емкости 5 в течение заданного времени в ней получена однородная температура по всем объему жидкой фазы криогенного продукта. За счет использования теплоты криогенной расходной емкости 5 и теплоты окружающей атмосферы снижены затраты энергии на подогрев жидкой фазы криогенного продукта. За счет предлагаемой технологии заправки криогенной расходной емкости 5 уменьшено время подготовки к испытаниям энергетического устройства. За счет заправки одной или нескольких порций жидкой фазы криогенного продукта в криогенную расходную емкость 5 получают различные на линии насыщения температуры жидкой фазы криогенного продукта для проведения испытания энергетического устройства и снижают выбросы на испарение криогенного продукта.
Таким образом, изобретением усовершенствована технология подготовки жидкой фазы криогенного продукта для определения кавитационной характеристики и запасов устойчивой работы насоса подачи и для определения устойчивости работы теплообменника-газификатора, а также для определения устойчивости работы всей системы подачи криогенного продукта, например топливоподачи криогенного топлива в энергетическое устройство, двигателя внутреннего сгорания газотурбинного или поршневого, в которой изменен порядок заправки криогенной расходной емкости 5 от криогенной емкости 1 хранилища криогенного продукта, и которая позволяет снизить энергетические затраты на подогрев жидкой фазы криогенного продукта перед проведением специального испытания энергетического устройства, уменьшить время на его подготовку и снизить выбросы паров криогенного продукта через штатный дренаж.