УСТРОЙСТВО СТАБИЛИЗАЦИИ ДАВЛЕНИЯ В ЁМКОСТИ КРИОГЕННОГО ГАЗОВОГО ТОПЛИВА (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR STABILISING PRESSURE IN RESERVOIR OF CRYOGENIC GAS FUEL (VERSIONS)

Изобретение относится к устройствам регулирования и стабилизации давления жидкостей и газов в емкостях, например, локомотивов, использующих в качестве топлива сжиженный газ.
Известно устройство, позволяющее осуществлять стабилизацию давления газа, подаваемого из емкости в двигатели космических аппаратов с помощью блока стабилизации давления, состоящего из трех емкостей. Емкость, содержащая газ, использующийся в качестве топлива, выполнена в виде сильфона, давление газа в котором поддерживается за счет деформации сильфона - изменения его внутреннего объема под действием регулируемого давления инертного газа во второй, смежной емкости. Инертный газ подают во вторую емкость через управляемые перепускные клапаны из третьей емкости, имеющей постоянный объем и содержащей инертный газ под давлением. Перепускные клапаны управляются блоком автоматического управления по значениям давлений и температур в емкостях с учетом массового остатка газа в третьей емкости (патент RU №2477245 C2, МПК B64G 1/24, 2011 г.).
Недостатками устройства являются увеличенный относительно объема топливного газа объем трех газовых емкостей устройства, тонкостенная сильфонная емкость топливного газа, использование инертного газа.
Известна система подачи криогенного топлива для локомотива, включающая криогенный насос. Для стабилизации давления в емкости криогенного жидкого топлива система снабжена трубопроводом, соединяющим выход топливного фильтра с емкостью криогенного жидкого топлива, и управляемым клапаном (патент RU №2427724 C1, МПК F02M 21/02, 2010 г.).
Недостатком системы является применение криогенного насоса, усложняющее и удорожающее систему.
Известна система повышения давления в емкости - цистерне криогенного топливного газа, состоящая из трубопроводов, расположенных вне емкости и соединяющих ее с испарителями, в которых осуществляется нагрев и испарение жидкости, принятая в качестве прототипа. Образовавшийся в испарителях пар направляется по трубопроводам в верхнюю часть емкости - цистерны - через промежуточную емкость, оснащенную предохранительной мембраной и манометром (Криогенные системы. - М.: Машиностроение, 1999 г., стр. 643, 644).
Недостатком системы является сложность конструкции, связанная с применением испарителей, системы подвода тепла, протяженных трубопроводов, а также значительные размеры и вес оборудования.
Техническим результатом изобретения является стабилизация давления во внутреннем сосуде емкости криогенного газового топлива в диапазоне, обеспечивающем устойчивую подачу топлива к двигателю, без использования криогенных насосов в условиях весовых и габаритных ограничений.
Технический результат изобретения в первом варианте достигается тем, что устройство стабилизации давления в емкости криогенного газового топлива, содержащее датчик давления и редукционный стравливающий клапан, сообщенные с полостью внутреннего сосуда емкости, снабжено электронагревателем, который прикреплен к наружной стороне стенки внутреннего сосуда емкости в его нижней части в полости изоляции и включен в электрическую цепь источника тока, в которую также включен нормально разомкнутый контактор, управляемый по сигналу датчика давления газа во внутреннем сосуде емкости криогенного газового топлива.
Технический результат изобретения во втором варианте достигается тем, что устройство стабилизации давления в емкости криогенного газового топлива локомотива, включающее датчик давления и редукционный стравливающий клапан, сообщенные с полостью внутреннего сосуда емкости, снабжено введенным в полость внутреннего сосуда емкости трубопроводом, соединенным с емкостью компримированного газового топлива через блок газовых редукторов и нормально закрытый клапан, управляемый по сигналу датчика давления во внутреннем сосуде емкости криогенного газового топлива.
На фиг. 1 представлена схема устройства стабилизации давления в емкости криогенного газового топлива по первому варианту изобретения.
На фиг. 2 представлена схема устройства стабилизации давления в емкости криогенного газового топлива по второму варианту изобретения.
Устройство стабилизации давления в емкости криогенного газового топлива по первому варианту (фиг. 1) содержит редукционный стравливающий клапан 1, датчик 2 давления, сообщенные с полостью внутреннего сосуда 3 емкости, электронагреватель 4, прикрепленный к наружной стороне стенки внутреннего сосуда 3 емкости в его нижней части в полости 5 вакуумной изоляции емкости. Электронагреватель 4 включен в электрическую цепь 6 источника тока 7, размещенного, например, на локомотиве (на чертеже не показан), в которую также включен нормально разомкнутый контактор 8, управляемый через блок 9 управления контактором по сигналам датчика 2 давления в полости внутреннего сосуда 3 емкости.
Трубопровод 10 соединяет полость внутреннего сосуда 3 емкости с устройством заправки (на чертеже не показано). Трубопровод 11 соединяет внутренний сосуд 3 емкости с топливной системой двигателя (на чертеже не показана). Датчик давления 2 может быть разобщен с полостью внутреннего сосуда 3 вентилем 12.
Устройство стабилизации давления в емкости криогенного газового топлива локомотива по второму варианту изобретения (фиг. 2) содержит редукционный стравливающий клапан 1 и датчик 2 давления, сообщенные с полостью внутреннего сосуда 3 емкости, трубопровод 13, введенный в полость внутреннего сосуда 3 емкости. Трубопровод 13 соединен с емкостью 14 компримированного газового топлива через нормально закрытый клапан 15, управляемый по сигналам датчика 2 давления через блок 16 управления клапаном, блок 17 газовых редукторов и вентиль 18.
Трубопровод 10 соединяет полость внутреннего сосуда 3 емкости с устройством заправки (на чертеже не показано). Трубопровод 11 соединяет полость внутреннего сосуда 3 емкости с топливной системой двигателя (на чертеже не показана). Датчик давления 2 может быть разобщен с полостью внутреннего сосуда 3 вентилем 18. Емкость 14 компримированного газового топлива может быть разобщена с блоком 16 газовых редукторов вентилем 19.
Устройство стабилизации давления в емкости криогенного газового топлива по первому варианту изобретения (фиг. 1) работает следующим образом. Производят заполнение внутреннего сосуда 3 емкости криогенным газовым топливом через трубопровод 10. Поступление газового топлива в топливную систему двигателя через трубопровод 11 под действием давления в газовой полости внутреннего сосуда 3 обеспечивает работу двигателя.
Установленное верхнее значение давления в газовой полости внутреннего сосуда 3 емкости криогенного жидкого топлива, например 10 атм, стабилизируется стравливанием части газовой фракции топлива из верхней части внутреннего сосуда 3 в атмосферу через редукционный стравливающий клапан 1. При понижении давления во внутреннем сосуде 3 емкости до установленного нижнего предела, например до 8,5 атм, соответствующий сигнал датчика давления 2 поступает в блок 9 управления контактором 8, где формируется и передается на нормально разомкнутый контактор 8 сигнал, по которому контактор 8 замыкает электрическую цепь 6 электронагревателя 4. Электронагреватель 4 нагревается и передает теплоту участку стенки внутреннего сосуда 3, к которому он прикреплен, и далее газовому топливу, находящемуся во внутреннем сосуде 3 емкости в фазе жидкости. Приток тепла интенсифицирует переход в газовую фазу - испарение слоев криогенного жидкого топлива, омывающих нагреваемый участок стенки внутреннего сосуда 3, вследствие чего давление во внутреннем сосуде 3 емкости криогенного жидкого топлива возрастает до установленного значения, например до 10 атм, после чего по сигналу датчика 2 давления блок 9 управления контактором подает соответствующий сигнал на дистанционно управляемый контактор 8, который разрывает электрическую цепь питания электронагревателя 4, чем прекращает нагрев и интенсификацию испарения криогенного жидкого топлива и дальнейшее повышение давления во внутреннем сосуде 3 емкости криогенного жидкого топлива. Таким образом, давление в полости внутреннего сосуда 3 стабилизируется в заданном диапазоне значений, чем обеспечивается устойчивая подача топлива по газопроводу 11 к газовому двигателю, например, локомотива. Передача тепла от электронагревателя 4 жидкому топливу обеспечивается его контактом со стенкой внутреннего сосуда 3 емкости и высокой теплопроводностью металла, из которого выполняют внутренний сосуд 3 емкости. Рассеяние тепловой энергии электронагревателя 4 исключено в связи с вакуумом в полости 5 емкости, окружающей электронагреватель 4.
Устройство стабилизации давления в емкости криогенного газового топлива по второму варианту изобретения (фиг. 2) работает следующим образом.
Производят заполнение внутреннего сосуда 3 емкости криогенным газовым топливом через трубопровод 10. Поступление газового топлива в топливную систему двигателя через трубопровод 11 под действием давления в полости внутреннего сосуда 3 обеспечивает работу двигателя.
Установленное верхнее значение давления в полости внутреннего сосуда 3 емкости криогенного жидкого топлива, например 10 атм, стабилизируется стравливанием части газовой фракции топлива из верхней части полости внутреннего сосуда 3 емкости в атмосферу через редукционный стравливающий клапан 1. При понижении давления во внутреннем сосуде 3 емкости до установленного нижнего предела, например до 8,5 атм, соответствующий сигнал датчика давления 2 поступает в блок 16 управления клапаном 15, где формируется и передается на нормально закрытый клапан 15 сигнал, по которому клапан открывается. При заранее открытом вентиле 18 компримированный газ из емкости 14 проходит через блок 17 газовых редукторов, в котором давление компримированного газа понижают. Через открытый клапан 15 по трубопроводу 13 компримированный газ вводят в полость внутреннего сосуда 3 емкости криогенного газового топлива, вследствие чего давление во внутреннем сосуде 3 емкости возрастает до установленного значения, например до 10 атм, после чего по сигналу датчика 2 давления блок 16 управления клапаном 15 подает сигнал закрытия на клапан 15, который закрывается и прекращает подачу компримированного газа во внутренний сосуд 3 емкости, вследствие чего давление во внутреннем сосуде емкости криогенного газового топлива стабилизируется на заданном уровне.
При подаче компримированного топливного газа давление в полости внутреннего сосуда 3 емкости возрастает как за счет поступления под давлением дополнительного количества топлива в газовой фазе из емкости 14 компримированного газа, так и за счет ускорения испарения жидкой фазы газа, содержащегося во внутреннем сосуде 3 емкости, поскольку температура подаваемого компримированного газа превышает температуру испарения топлива, содержащегося во внутреннем сосуде 1 емкости в фазе жидкости. Интенсификации теплообмена между компримированным газом и сжиженным газом способствует размещение нижнего торца трубопровода 13 в нижней части полости внутреннего сосуда 3. Таким образом, давление в полости внутреннего сосуда 3 емкости стабилизируется в заданном диапазоне значений, чем обеспечивается устойчивая подача топлива по газопроводу 11 к газовому двигателю, например, локомотива. Применение в устройстве стабилизации давления в криогенной емкости локомотива дополнительной емкости 14 с компримированным топливным газом увеличивает возимый запас газового топлива.