УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАХОЛАЖИВАНИЯ ТОПЛИВА
FUEL COOLING DEVICE

Изобретение относится к области получения захоложенного топлива для испытательных стендов авиадвигателей и их узлов и может быть широко использовано в холодильной технике различных отраслей промышленности.
Известен "Криостат", см. Н.В.Филин и др. Жидкостные криогенные системы, Ленинград, Машиностроение, 1985 г., с.198, рис.6.17, содержащий гелиевый сосуд, размещенный внутри азотного сосуда, многослойную вакуумную изоляцию, камеры с адсорбентом, кожух, крышку, пробку с медным экраном, трубопроводы подачи и отвода гелия и азота и снабженный транспортным средством.
Криостат предназначен для поддержания низкой температуры какого-либо объекта и может выполнять лишь часть функций, необходимых для устройства захолаживания топлива для испытательных стендов авиадвигателей и их узлов. Данный криостат не может обеспечивать подачу захоложенного топлива с заданными параметрами на испытательные стенды авиадвигателей и их узлов.
Известен "Криостат", АС СССР №554454, F25D 3/10, содержащий наружную емкость, внутреннюю емкость для хладагента, сообщающуюся с атмосферой через регулятор давления, радиационный экран, размещенный в вакууммированной полости между емкостями, цилиндрическую камеру с охлаждаемым объектом, концентричную по отношению к внутренней емкости, сообщающуюся с ней через каналы на уровне нижнего торца и окруженную двумя концентрическими оболочками, из которых наружная снабжена теплоизоляцией и герметично соединена на уровне нижнего торца с цилиндрической камерой, а внутренняя оболочка на уровне нижнего торца сообщается с полостью наружной оболочки, причем полость наружной оболочки соединена с атмосферой.
Недостатком данного технического решения является то, что криостат предназначен для поддержания низкой температуры какого-либо объекта и может выполнять лишь часть функций, необходимых для устройства захолаживания топлива на испытательных стендах авиадвигателей и их узлов, и не обеспечивает подачу захоложенного топлива с заданными параметрами на испытательные стенды авиадвигателей и их узлов.
Известно "Устройство для хранения и подачи криогенных продуктов", содержащее теплоизолированную емкость с источником повышения давления и трубопровод подачи с установленным в нем теплообменником, патент РФ №2243461, F25D 3/10, F17C 3/10. Источник повышения давления выполнен в виде трубчатого электронагревателя с тепловыми ребрами, на поверхности которых закреплен змеевиковый трубопровод, перфорированный по всей длине, с заглушенным выходным концом. Входной конец змеевикового трубопровода соединен с трубопроводом подачи после его выхода из теплообменника через последовательно установленные обратный клапан и побудитель циркуляции.
Недостатком данного устройства является то, что оно может выполнять лишь часть функций, необходимых для работы устройства для захолаживания топлива на испытательных стендах авиадвигателей и их узлов, и не обеспечивает подачу захоложенного топлива с заданными параметрами на испытательные стенды авиадвигателей и их узлов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является емкость для криогенных жидкостей, АС СССР №425027, F25D 3/10, F17C 3/00.
Емкость содержит внутренний сосуд, экранно-вакуумную изоляцию, наружный сосуд и змеевик, расположенный на поверхности внутреннего сосуда, а входной конец змеевика размещен во внутреннем сосуде, заправочную трубу, проходящую через герметизирующую крышку.
Недостатком данного технического решения является перемешивание охлаждаемой среды и охладителя, что недопустимо в устройстве для захолаживания топлива для испытательных стендов авиадвигателей и их узлов, так как чистота топлива влияет на работоспособность двигателя и на его характеристики. Кроме того, устройство не обеспечивает подачу захоложенного топлива с заданными параметрами на испытательные стенды авиадвигателей и их узлов.
Другим недостатком устройства является то, что при выдавливании жидкости из криогенной емкости теплый газ, подводимый по змеевику, подогревает жидкость в емкости, то есть происходит изменение ее температуры, что недопустимо в устройстве для захолаживания топлива для испытательных стендов авиадвигателей и их узлов, так как температура топлива влияет на работоспособность двигателя и на его характеристики.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в повышении надежности и технологичности конструкции, в обеспечении высокой динамической емкости при оптимальном гидравлическом сопротивлении ее магистралей, в обеспечении возможности получения захоложенного топлива в количестве, необходимом для проведения испытаний авиадвигателей и их узлов, с заданными температурой, давлением и расходом и, главное, без изменения температуры в процессе всего периода работы.
Это достигается тем, что дополнительная емкость со змеевиком для захолаживания топлива размещена внутри основной емкости для захоложенного топлива, обе емкости вертикальные и взаимно соосные, змеевик имеет форму двух спиралей, размещенных одна в другой с зазорами между спиралями и стенкой дополнительной емкости, а внутри змеевика с зазором размещен перфорированный экран с приемным бункером и съемным люком загрузки компонентов хладагента.
Указанная техническая задача решается тем, что устройство для захолаживания топлива, фиг.1, содержащее основную емкость 4 топлива и расположенную внутри ее дополнительную емкость 1, крышку 2, змеевик 6, теплоизоляцию 19, трубопроводы подачи 22 и отвода 23 топлива, причем устройство имеет вертикальную конструкцию и дополнительно содержит защитный кожух 16, крышку 17 кожуха 16, технологический люк 20, перфорированный экран 7, датчик 30 температуры, датчик 29 давления, датчик 27 уровня топлива, трубопровод 21 подвода топлива в основную емкость 4, при этом основная емкость 4 и дополнительная емкость 1, их крышка 2, защитный кожух 16, крышка 17 кожуха 16 и перфорированный экран 7 взаимно соосны, а змеевик 6 расположен внутри дополнительной емкости 1 и выполнен в виде двух спиралей, размещенных одна в другой в кольцевом пространстве между перфорированным экраном 7 и стенками дополнительной емкости 1, при этом спирали имеют зазоры относительно стенок дополнительной емкости 1 и стенок перфорированного экрана 7, входной конец змеевика 6 соединен с трубопроводом 21 подвода топлива, а выходной конец змеевика 6 соединен с трубопроводом 22 подачи топлива в основную емкость 4.
Дополнительная емкость 1 выполнена съемной и имеет съемный трубопровод 24 для слива компонентов хладагента, а основная емкость 4 имеет трубопровод 25 для слива топлива и трубопровод 26 для подвода газа высокого давления, внутри перфорированного экрана 7 и соосно с ним размещен вал 8 с лопастями 9 и перфорированной опорой 11, а крышка основной и дополнительной емкостей соответственно 4 и 1 снабжена съемным люком 12 для загрузки компонентов хладагента, приемным бункером 13 компонентов хладагента и трубопроводом дренажа 28, выходной конец трубопровода 22 подачи топлива в основную емкость 4 топлива размещен в верхней ее части, а входной конец трубопровода 23 отвода топлива размещен в нижней части основной емкости 4.
Кроме того, устройство для захолаживания топлива снабжено мобильным транспортным средством 15.
Преимуществами вертикального расположения емкостей являются:
- меньшая площадь, занимаемая устройством для захолаживания топлива;
- транспортное средство получается небольших размеров и более маневренное;
- конструкция устройства - более прочная и более жесткая;
- конструкция устройства - более технологичная в производстве и при эксплуатации;
- обеспечивается удобство загрузки и слива хладагента в устройство;
- более удобный доступ для осмотра и очистки устройства.
Устройство для захолаживания топлива представлено на фиг.1 и 2.
На фиг.1 устройство изображено с неразъемной конструкцией.
На фиг.2 изображено устройство с разъемной конструкцией.
Устройство для захолаживания топлива состоит из основной емкости 4, дополнительной емкости 1, снабженных крышкой 2 и установленных соосно на опорных лапах 3, фиг.1, или на кольцевой опоре 3, фиг.2. Основная емкость 4 топлива и дополнительная емкость 1 герметично соединены между собой. Основная емкость 4 топлива снабжена смотровым люком 5. Внутри дополнительной емкости 1 находятся соосно размещенные с ней змеевик 6 и перфорированный экран 7. Также соосно с дополнительной емкостью 1 установлен вал 8, несущий на себе лопасти 9. Причем вал с одной стороны связан с приводом 10, а с другой стороны опирается на перфорированную опору 11, выполненную, например, в форме конуса. Съемный люк 12 для загрузки компонентов хладагента и приемный бункер 13 соединены с перфорированным экраном 7. Основная емкость 4 с помощью опор 14 закреплена на платформе мобильного транспортного средства 15 и заключена в защитный кожух 16 с крышкой 17, имеющей люк 18. Пространство между основной емкостью 4 и защитным кожухом 16, а также между крышками 2 и 17 заполнено теплоизоляцией 19. Защитный кожух 16 имеет технологический люк 20, в варианте с неразъемной конструкцией. Устройство также содержит трубопровод 21 подвода топлива, трубопровод 22 подачи топлива в основную емкость 4, трубопровод 23 отвода топлива к потребителю, трубопровод 24 слива компонентов хладагента, трубопровод 25 слива топлива, трубопровод 26 для подвода газа высокого давления, датчик 27 уровня топлива, трубопровод 28 дренажа, датчик давления 29, датчик температуры 30.
Устройство для захолаживания топлива работает следующим образом.
Топливо с начальной температурой около 20°С поступает от заправщика, на фиг.1 и 2 он не показан, в трубопровод 21 подвода топлива, а оттуда в змеевик 6, в данном случае он имеет форму двойной спирали, выполненной из трубы заданного сечения. Общая длина и диаметр трубы определены расчетом и зависят от массы захолаживаемого топлива и от времени его захолаживания.
Змеевик 6 погружен в компоненты хладагента, например в твердую двуокись углерода (сухой лед), растворенную в этаноле в дополнительной емкости 1. Компоненты хладагента загружают с помощью съемного люка 12 для загрузки хладагента, который через люк 18, расположенный в крышке кожуха 17, входит в уплотняемое отверстие в крышке 2 и обеспечивает поступление компонентов хладагента в приемный бункер 13, соединенный с перфорированным экраном 7, защищающим трубу змеевика 6 от прямого контакта с твердой двуокисью углерода во избежание переохлаждения топлива в змеевике. Получение однородной массы компонентов хладагента внутри дополнительной емкости 1 осуществляется перемешиванием его лопастями 9, закрепленными на валу 8, установленном в перфорированной опоре 11. Вал 8 приводится во вращение приводом 10. Перекачка захолаживаемого топлива, проходящего по змеевику 6, в основную емкость 4 по трубопроводу 22 подачи топлива осуществляется насосом расчетного расхода и напорности. На фиг.1 и 2 насос условно не показан. Захоложенное топливо под воздействием газа высокого давления, подводимого по трубопроводу 26, поступает в трубопровод 23 отвода топлива к потребителю. Основная емкость 4 топлива закреплена при помощи опор 14 на платформе мобильного транспортного средства 15 и заключена в защитный кожух 16. Кожух 16 снабжен технологическим люком 20, необходимым для обеспечения доступа к смотровому люку 5, во время профилактических осмотров основной емкости 4. В конструкции устройства для захолаживания топлива предусмотрены трубопровод 24 слива компонентов хладагента и трубопровод 25 слива топлива. Для того чтобы исключить влияние температуры хладагента в дополнительной емкости 1 на температуру топлива в основной емкости 4, наружная поверхность дополнительной емкости 1 покрывается специальным теплоизоляционным слоем, на фигурах не показан, из материала с низкой теплопроводностью. Между внешней поверхностью основной емкости 4 и защитным кожухом 16 проложена теплоизоляция 19, например, из полистирола, толщина слоя которого определяется расчетом и составляет - 200…300 мм.
Работа устройства для захолаживания топлива контролируется по показаниям датчика 29 давления и датчика 30 температуры. Контроль количества захоложенного топлива в основной емкости 4 осуществляет датчик 27 уровня, а дренаж паров углекислоты из дополнительной емкости 1 выполняется через клапан, на фигурах не показан, установленный на штуцере датчика, на фигурах не показан, трубопровода 28 дренажа.
Процесс захолаживания нужного количества топлива в устройстве для захолаживания топлива до необходимой минусовой температуры обычно происходит при многократной циркуляции топлива по змеевику 6. Для обеспечения постоянства температуры компонентов хладагента возникает необходимость добавления в хладагент твердой двуокиси углерода, что осуществляется при помощи съемного люка загрузки 12.
В отличие от аналогов и прототипа предлагаемое устройство для захолаживания топлива для испытательных стендов авиадвигателей и их узлов повышает надежность и технологичность конструкции, обеспечивает высокую динамическую емкость при оптимальном гидравлическом сопротивлении магистралей, обеспечивает возможность получения захоложенного топлива в количестве, необходимом для проведения испытания авиадвигателей и их узлов, с поддержанием заданных параметров: температуры, давления и расхода без изменения температуры в процессе испытаний.
2
Например, рассчитано, что в устройстве для захолаживания топлива керосин марки ТС-1 массой 500 кг при рабочем давлении 1 МПа (10 кг/см) и начальной температуре керосина +20°С захолаживается до температуры минус 55°С. Для процесса захолаживания в этом случае требуется затратить твердой двуокиси углерода примерно 105 кг, а этанола - 405 кг.
Расчетное время захолаживания керосина составляет - 10,5 часов.
Из расчета видно, что топливо для проведения испытаний авиадвигателей и их узлов должно захолаживаться заранее и ему обеспечиваются заданные параметры: температура, давление и расход без изменения температуры в процессе испытаний.
Применительно к испытаниям авиадвигателей и их узлов стендовые аппараты подготовки топлива, в частности устройства для захолаживания топлива, имеют важное значение и являются необходимыми и ответственными технологическими системами, обеспечивающими имитацию эксплуатационных натурных условий при испытаниях авиационных двигателей и их узлов.
Предложенная конструкция устройства для захолаживания топлива может найти применение во многих отраслях промышленности для охлаждения различных газообразных и жидких продуктов.