СПОСОБ ЗАПРАВКИ БАКА КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТЬЮ, ЕЁ ХРАНЕНИЯ И СЛИВА ИЗ БАКА
METHOD FOR FILLING TANK WITH CRYOGENIC LIQUID, STORING IT AND DRAINING FROM THE TANK

Изобретение относится к криогенной технике и может быть широко использовано при эксплуатации крупнотоннажных криогенных баков, резервуаров и цистерн типа ЖВЦ-100М, 8Г513М, используемых для хранения и транспортировки криогенных жидкостей высокой чистоты. Известен способ заправки емкости жидким водородом, включающий предварительное охлаждение конструкции заправляемой емкости до 63К путем подачи жидкого водорода через фильтр, после чего подачу жидкого водорода осуществляют через байпас на входе в фильтр до достижения температуры равновесной давлению водорода перед фильтром, а затем вновь производят подачу жидкого водорода через фильтр (см. патент РФ 2040728).
Недостатками данного способа являются:
2
2
- вероятность забивки кристаллами отвердевших О и N байпасного клапана;
- при байпасировании холод водорода не используется для охлаждения конструкции емкости;
2
2
- повышение концентрации примесей О и N в процессе хранения из-за испарения жидкого водорода от теплопритоков к емкости и температурного расслоения жидкого водорода.
Известен способ транспортировки жидкого водорода, включающий хранение жидкости с накоплением паров и слив жидкости, при этом накопление паров ведут до максимального фазового разделения, равновесного температуре жидкости при данном коэффициенте заполнения цистерны, после чего осуществляют слив водорода в хранилище на падающем давлении. (см патент 2064626).
Основной недостаток данного способа заключается в том, что конденсацию паров водорода, образующихся в процессе транспортировки от теплопритоков к емкости и в результате температурного расслоения жидкого водорода, осуществляют только за счет маневрирования транспортного средства.
Наиболее близким к предложенному является способ заправки бака криогенной жидкостью, ее хранения и слива из бака, включающий, предварительное охлаждение верхней части обечайки криогенного бака за счет обдува ее холодными парами криоагента, подаваемыми на внутреннюю поверхность обечайки бака равномерно по длине бака, при этом обдув верхней части обечайки бака ведут, пока не будет достигнуто фиксированного значения конечной температуры ее охлаждения, обеспечивающее снижение нагрузок на конструкцию бака от температурных напряжений до величин, возникающих при подаче в бак криогенной жидкости, после чего по трубопроводу подачи производят заполнение бака криогенной жидкостью через нижнюю часть бака с вытеснением паров криоагента через дренажный трубопровод и ее бездренажное хранение в баке. (см патент 2216491).
Несмотря на то, что данный способ обеспечивает безопасное захолаживание конструкции кислородного бака, однако осуществляется оно за счет холода паров газообразного азота, что приведет к загрязнению жидкого кислорода при его заправке и хранении в баке.
Задачей изобретения является обеспечение безопасного для конструкции криогенного бака режима захолаживания и уменьшение потерь и загрязнения криогенной жидкости в процессе ее заправки, хранения и слива. Поставленная цель достигается тем, что в способе заправки бака криогенной жидкостью, ее хранения и слива из бака, включающем, предварительное охлаждение верхней части обечайки криогенного бака за счет обдува ее холодными парами криоагента, подаваемыми на внутреннюю поверхность обечайки бака равномерно по длине бака, при этом обдув верхней части обечайки бака ведут, пока не будет достигнуто фиксированного значения конечной температуры ее охлаждения, обеспечивающее снижение нагрузок на конструкцию бака от температурных напряжений до величин, возникающих при подаче в бак криогенной жидкости, после чего по трубопроводу подачи производят заполнение бака криогенной жидкостью через нижнюю часть бака с вытеснением паров криоагента через дренажный трубопровод и ее бедренажное хранение в баке, предварительное охлаждение бака осуществляют за счет теплообмена внутренней поверхности бака с газообразным потоком того же криоагента, что заливают в бак, и который получают в эжекторе за счет смешения высоконапорного и низкотемпературного газообразного потока и низконапорного газообразного потока, находящегося в объеме бака, при этом поток газа после эжектора направляют на нижнюю часть обечайки бака равномерно и по всей длине бака безопасным для конструкции бака температурным перепадом до достижения фиксированного значения конечной температуры, контролируемой по температуре газообразного потока, отводимого через дренажный трубопровод, при этом часть потока отводят через трубопровод подачи криогенной жидкости, после чего осуществляют заполнение бака криогенной жидкостью через первый фильтр-адсорбер, установленный на дне бака, а слив жидкости из бака выполняют через второй фильтр-адсорбер идентичный первому, а кроме того в период бездренажного хранения жидкости в баке осуществляют снижение давления в паровой подушке бака путем периодического душирования паров криогенной жидкостью, подаваемой насосом, при этом забор жидкости в насос выполняют со дна бака через второй фильтр-адсорбер.
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.
Реализация предлагаемого способа поясняется с помощью принципиальной схемы, изображенной на рисунке. Криогенный бак содержит внутреннюю обечайку 1, (наружный вакуумный кожух бака на чертеже не показан) в верней части которой установлен эжектор 2, с помощью которого производится предварительное захолаживание бака, и продольный трубчатый коллектор 3, установленный по всей длине бака, с равномерно расположенными по всей длине коллектора сопловыми отверстиями 4, а в нижней части обечайки монтируются продольный трубчатый коллектор 5, установленный по всей длине бака, с равномерно расположенными по всей длине коллектора сопловыми отверстиями 6, соединенный трубопроводом 7 с эжектором 2, фильтр-адсорбер 8, через который производится заполнение бака криогенной жидкостью, идентичный фильтру-адсорберу 8 - фильтр-адсорбер 9, через который производится слив из бака криогенной жидкости, и насос 10, трубопроводом 11 подключенный к трубчатому коллектору 3. В состав бака входят также трубопроводы, обеспечивающие выполнение технологических операций и взаимосвязь с оборудованием заправочного комплекса, а именно
- трубопровод 12 подачи криогенной жидкости в бак через фильтр-адсорбер 8 с клапаном 13;
- трубопровод 14 слива криогенной жидкости из бака через фильтр-адсорбер 9 с клапаном 15;
- трубопровод 16 с клапаном 17 подачи на эжектор 2 высоконапорного и низкотемпературного газообразного потока того же криоагента, что заливают в бак по трубопроводу 12 подачи криогенной жидкости;
- дренажный трубопровод 18 с клапаном 19;
- трубопровод 20 с клапаном 21, подключенный к трубопроводу 14 слива криогенной жидкости и к насосу 10;
- трубопровод 22 с клапаном 23 для подключения газа наддува при выполнении операции слива криогенной жидкости из бака.
Контроль технологических параметров в баке осуществляется с помощью следующих датчиков:
- датчика 24 уровня криогенной жидкости;
- датчика 25 температуры и датчика 26 давления, установленных на дренажном трубопровод 18.
Рассмотрим осуществление способа на конкретном примере заправки бака жидким водородом, хранения и слива жидкого водорода высокой чистоты (99,99995% об.) из бака диаметром 2 м и длинной 20 м.
Перед началом выполнения технологических операций производят состыку трубопроводов бака с соответствующими магистралями заправочного комплекса (на чертеже не показан) и проводят общеизвестные вспомогательные операций - замены воздуха на азот и азота на водород в баке, после чего приступают к наиболее ответственному этапу захолаживания бака от 300К до 80К газообразным водородом высокой чистоты. Для этого на дренажном трубопроводе 18 открывают клапан 19, а затем на трубопроводе 16 открывают клапан 17 и с необходимым расходом подают на эжектор 2 высоконапорный (Р=1,5-2,0 МПа) и низкотемпературный (Т=80К) поток водорода. В эжекторе 2 происходит смешение этого потока с низконапорным потоком водорода (Р=0,02-0,03 МПа) и температурой (Т=300К),поступающего из объема бака. Из эжектора 2 общий поток газообразного водорода по трубопроводу 7 поступает в продольный трубчатый коллектор 3, выполненный на всю длину бака, и далее через сопловые отверстия 4, равномерно расположенные по длине коллектора, происходит интенсивный обдув внутренней обечайки 1 бака, приводящий к охлажению как самого бака, так и массы газообразного водорода в объеме бака за счет эффективного теплообмена. Характеристика эжектора 2 обеспечивает начальную температуру смешанною потока водорода не ниже 230К, что соответствует первоначальному температурному перепаду в 70К безопасному для конструкции бака. В дальнейшем процессе охлаждения температура водорода после эжектора 2 плавно понижается в соответствии с понижением температуры бака, при этом обеспечивается плавное охлаждение бака с максимальной холодопроизводительностью и безопасным температурным перепадом, который автоматически выдерживается во всем температурном интервале охлаждения. Контроль за процессом охлаждения выполняют с помощью датчика 25 температуры, замеряющего температуру газообразного водорода, отводимого из бака через дренажный трубопровод 19, при этом из бака производится не большой отбор для захолаживания трубопровода 12 с помощью клапана 13. При достижении фиксированного значения конечной температуры водорода 80К-85К, отводимого из бака через дренажный трубопровод 18, процесс предварительного охлаждения бака считается законченным. Описанный процесс охлаждения бака от 300К до 80К обеспечивает не только » мягкий» и безопасный для конструкции бака режим захолаживания, но и позволяет не расходовать жидкий водород высокой чистоты.
2
2
2
2
2
2
Следующий этап охлаждение от 85К-80К до 25К-30К и заполнение объема бака производится жидким водородом высокой чистоты (99,99995% об.) Для выполнения этой операции закрывают клапан 17, открывают клапан 13 и подают жидкий водород по предварительному захоложенному трубопроводу 12 через фильтр-адсорбер 8, выполненного, на пример, в виде металлических пористых лент (типа ФНС) с размером ячейки от 5 мкм до 20 мкм, между которыми размещают адсорбент, в качестве которого используют силикагель марки КСМГ, при этом размеры фильтра-адсорбера 8 выполняются исходя из требования условий эксплуатации бака. Так как трубопровод подачи жидкого водорода 12 и фильтр-адсорбер 8 были предварительно захоложены до 80К, то фильтр-адсорбер 8 сразу же начинает улавливать газообразные примеси N и О, присутствующие в паровой фазе водорода, а так же те же примеси, выпадающих в виде кристаллов из жидкого водорода, если их содержание в нем превысит порог растворимости. Процесс захолаживания бака до 25К-30К контролируется с помощью датчика 25 по температуре газообразного водорода, отводимого через дренажный трубопровод 18. При достижении указанного интервала температуры в баке начинается накопление жидкого водорода. Процесс накопления жидкого водорода контролируется с помощью датчика 24 уровня жидкого водорода. При достижении уровня, соответствующему 85%-95% объема бака, процесс заполнения бака прекращают, закрывают клапаны 13 и 19 и переходят к бездренажому хранению жидкого водорода, либо в стационарном режиме хранения, либо в режиме транспортировки. В процессе бездренажного хранения жидкого водорода из-за теплопритоков происходит постоянное испарение жидкого водорода, что приводит не только к уменьшению уровня жидкого водорода, но и к повышению концентрации примесей в жидком водороде, при этом как известно скорость нарастания давления при стационарном хранении жидкого водорода в баке в три раза выше, чем тогда, когда бак находится в движении, что обусловлено температурным расслоением жидкого водорода. В то же время автоматический сброс паров будет происходить независимо от условий роста давления, что ведет к повышению концентрации примесей в жидком водороде, которая растет пропорционально потерям сбрасываемого количества водорода, что очень нежелательно при хранении особо чистого жидкого водорода. Уменьшение потерь жидкого водорода и уменьшение его загрязнения примесями О и N осуществляют за счет снижения давления в паровой подушке бака путем душирования жидким водородом. Процесс душирования жидким водородом осуществляют периодически и автоматически при достижении заранее программируемых величин давлений в паровой подушке бака, которые рассчитываются с учетом величины теплопритока, коэффициента заполнения бака жидким водородом и длительности хранения жидкого водорода. При достижении в паровой подушке бека базового запрограммированного давления, контролируемого с помощью датчика 26 давления, происходит автоматическое открытие клапана 21 и пуск насоса 10. В результате «холодный» жидкий водород со дна бака через фильтр-адсорбер 9 по трубопроводу 20 поступает в насос 10, а после насоса 10 жидкий водород под давлением по трубопроводу 11 подается в продольный трубчатый коллектор 3, размещенный по всей длине бака, где жидкий водород распыляется через сопловые отверстия 4, равномерно расположенные по длине коллектора, в паровую подушку бака, где происходит частичная конденсация паров водорода, сопровождающаяся снижением давления в паровой подушке бака. При достижении запрограммированного значения давления происходит автоматическое отключение насоса 10 и закрытие клапана 21. Для проведения операции слива жидкого водорода из бака производят подключение трубопровода 22 с клапаном 23 и трубопровода 14 с клапаном 15 к оборудованию заправочного комплекса, после чего с помощью клапана 23 от заправочного комплекса подают газообразный водород высокой чистоты в газовую подушку бака до необходимого давления, контролируемого с помощью датчика 26 давления, открывают клапан 15 и выполняют слив жидкого водорода через фильтр-адсорбер 9, который задерживает кристаллические примеси О и N, образовавшиеся в процессе хранения жидкого водорода в баке. Слив жидкого водорода из бака прекращают, когда уровень в баке достигнет отметки, при которой в баке остается от 3% до 8% жидкого водорода в баке.
Предлагаемый способ позволяет уменьшить потери и загрязнение не только жидкого водорода, приведенного в описании, но и других криогенных жидкостей в процессе их заправки, хранения и слива.
Сравнение существенных признаков предлагаемого и уже известных решении дает основание считать, что предлагаемое техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и «ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНЯЕМОСТЬ».