RU2040728C1

RU2040728C1 - Method of filling reservoir with liquid hydrogen

Info

Publication number: RU2040728C1
Application number: SU915017134A
Authority: RU
Inventors: А.Д. Бублик; В.И. Гореликов; Б.Б. Попов; В.К. Федотов
Original assignee: Головное конструкторское бюро научно-производственного объединения "Энергия" им.акад.С.П.Королева
Priority date: 1991-12-11
Filing date: 1991-12-11
Publication date: 1995-07-25

Abstract

FIELD: filling the reservoirs with liquid hydrogen. SUBSTANCE: method consists in feeding liquid hydrogen under pressure to reservoir to be filled through filter till hydrogen temperature at filter inlet drops to 63 K, after which hydrogen is fed through bypass at filter inlet till temperature drops to level of equilibrium to pressure of hydrogen before filter, after which hydrogen is again fed to reservoir being filled till it has been filled to preset level. EFFECT: enhanced efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при заправке криогенных емкостей жидким водородом высокой чистоты. The invention relates to cryogenic technology and can be used when refueling cryogenic containers with high-purity liquid hydrogen.

Известны способы заправки емкостей жидким водородом, включающие подачу жидкости под давлением из заправщика в заправляемую емкость [1]
Наиболее близким к изобретению является способ заправки емкости жидким водородом [2] включающий подачу жидкого водорода под давлением через фильтр в заправляемую емкость.Known methods for filling containers with liquid hydrogen, including the supply of liquid under pressure from a refueling tank to a refueling tank [1]
Closest to the invention is a method of filling a tank with liquid hydrogen [2] comprising supplying liquid hydrogen under pressure through a filter to a refueling tank.

Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает надежной заправки заданной массы водорода в емкость, так как не исключает возможность забивания мелкопористого фильтра кристаллами отвердевших газов, растворенных в жидком водороде, что приводит к прекращению заправки емкости. Прекращение заправки может привести, например, к срыву предстартовой подготовки изделия, на котором установлены водородные емкости, предназначенные, например, для подачи водорода в электрохимический генератор, обеспечивающий электроэнергией все системы изделия. The disadvantage of this method is that it does not provide reliable filling of a given mass of hydrogen into the tank, since it does not exclude the possibility of clogging of the fine-porous filter with crystals of solidified gases dissolved in liquid hydrogen, which leads to the termination of the filling of the tank. The termination of refueling can lead, for example, to failure of the prelaunch preparation of the product, on which hydrogen tanks are installed, designed, for example, to supply hydrogen to an electrochemical generator that provides electric power to all systems of the product.

Криогенные жидкости, в том числе и жидкий водород, содержит в себе растворенные газовые примеси. В жидком водороде в основном содержатся азот и кислород, при этом существует предел растворимости, выше которого происходит выпадение этих примесей в виде кристаллов. Предел растворимости в паровой фазе на несколько порядков меньше, чем в жидкой фазе. Экспериментальные данные по растворимости азота и кислорода, в жидком водороде приведены, например, в "Трудах ГИПХ N 89, Ленинград, 1983. Cryogenic liquids, including liquid hydrogen, contain dissolved gas impurities. Liquid hydrogen contains mainly nitrogen and oxygen, and there is a solubility limit above which these impurities in the form of crystals precipitate. The solubility limit in the vapor phase is several orders of magnitude less than in the liquid phase. Experimental data on the solubility of nitrogen and oxygen in liquid hydrogen are given, for example, in Proceedings of GIPH N 89, Leningrad, 1983.

В начальный период заправки происходит интенсивное кипение подаваемого в заправочную магистраль жидкого водорода за счет отбора тепла от стенок трубопровода. После понижения температуры водорода в процессе захолаживания ниже 63 К температуры тройной точки азота (для кислорода температура тройной точки ниже -54 К Справочник по физико-техническим основам криогеники/Под редакцией М. П. Малкова, М. Энергия, 1973, таб. 4-81) и достижения предела растворимости примеси в виде кристаллов будут выпадать из паровой фазы в жидкость, так как предел растворимости в паровой фазе при одной и той же температуре на несколько порядков меньше, чем в жидкости. В результате оставшаяся жидкая фаза водорода будет обогащаться кристаллическими примесями, размеры которых сравнимы с порами мелкопористого фильтра от 5 до 20 мкм. In the initial period of refueling, intense boiling of liquid hydrogen supplied to the refueling line occurs due to heat removal from the pipeline walls. After lowering the hydrogen temperature in the cooling process below 63 K, the temperature of the triple point of nitrogen (for oxygen, the temperature of the triple point is below -54 K Handbook of physicotechnical fundamentals of cryogenics / Edited by M.P. Malkov, M. Energia, 1973, tab. 4- 81) and reaching the solubility limit of the impurity in the form of crystals will drop out of the vapor phase into the liquid, since the solubility limit in the vapor phase at the same temperature is several orders of magnitude lower than in the liquid. As a result, the remaining liquid hydrogen phase will be enriched with crystalline impurities, the sizes of which are comparable with the pores of the fine-porous filter from 5 to 20 μm.

Поэтому в начальный период заправки фронт жидкости, подходящий к фильтру, содержит большое количество кристаллов отвердевших газовых примесей, которые и забивают поры мелкопористого фильтра, что приводит к прекращению заправки емкости. Причем, как показали испытания клапана водородной емкости, снабженного мелкопористым фильтром с размерами пор 20 мкм (Протокол испытаний инв. N 13/4581 В НИИХИММАШ, 1986) процесс забивки носит лавинообразный характер и протекает за 1-2 сек. Therefore, in the initial period of refueling, the liquid front, suitable for the filter, contains a large number of crystals of solidified gas impurities, which clog the pores of the finely porous filter, which leads to the termination of the refueling capacity. Moreover, as shown by testing a valve of a hydrogen tank equipped with a finely porous filter with a pore size of 20 μm (Test report inv. N 13/4581 V NIIKHIMMASH, 1986), the driving process is avalanche-like and lasts for 1-2 seconds.

Целью изобретения является повышение надежности и экономичности заправки за счет исключения забивки мелкопористого фильтра кристаллами отвердевших газов растворенных в жидком водороде при заправке емкости жидким водородом с одновременной его фильтрацией. The aim of the invention is to increase the reliability and efficiency of refueling by eliminating the clogging of a finely porous filter with crystals of solidified gases dissolved in liquid hydrogen when refueling a container with liquid hydrogen while filtering it.

Цель достигается тем, что в способе заправки емкости жидким водородом высокой чистоты, включающем подачу жидкого водорода под давлением через фильтр в заправляемую емкость, предварительное охлаждение конструкции заправляемой емкости производят путем подачи водорода через фильтр в заправляемую емкость до понижения температуры водорода на входе в фильтр до 63 К, после чего подачу водорода осуществляют через байпас на входе в фильтр до достижения температуры равновесной давлению водорода перед фильтром и затем производят подачу водорода через фильтр в заправляемую емкость. Способ осуществляется следующим образом. The goal is achieved in that in a method for filling a tank with high-purity liquid hydrogen, including supplying liquid hydrogen under pressure through a filter to a refueling tank, pre-cooling the design of a refueling tank is performed by supplying hydrogen through a filter to a refueling tank until the hydrogen inlet temperature decreases to 63 K, after which the hydrogen supply is carried out through the bypass at the inlet of the filter until the temperature reaches the equilibrium pressure of hydrogen in front of the filter and then hydrogen is supplied refuelable through the filter into the container. The method is as follows.

Жидкий водород высокой чистоты (водород высокой чистоты необходим для нормального функционирования ряда потребителей, например, для нормального функционирования электрохимического генератора (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов требуется водород со степенью очистки 0,9999% объемных) из заправщика под давлением подается через мелкопористый фильтр в заправляемую емкость. Так как конструкции заправочной магистрали и емкости до заправки имеют температуру значительно выше температуры жидкого водорода, то в начальный период заправки происходит испарение подаваемого жидкого водорода за счет отвода тепла от тепловых конструкций и понижение при этом их температуры. Выпадения кристаллов отвердевших газов (в основном азота и кислорода), растворенных в жидком водороде в начальный период заправки еще не происходит, так как температура испарившегося водорода в этот период еще выше 63 К температуры, ниже которой происходит затвердевание азота, поэтому пары водорода проходят через фильтр в заправляемую емкость, не забивая его примесями отвердевших газов. По мере захолаживания конструкции температура ее и испаряющегося водорода понижаются и как только температура водорода на входе в фильтр понизится до 63 К подача водорода через фильтр в заправляемую емкость прекращается во избежании забивки фильтра. Дальнейшая подача водорода из заправщика осуществляется через байпас на входе в фильтр, минуя при этом фильтрующий элемент фильтра и заправляемую емкость. Подача водорода через байпас производится до понижения температуры водорода перед фильтром до равновесной, соответствующей давлению перед фильтром, после этого подача через байпас прекращается и опять производится подача через фильтр в заправляемую емкость до момента ее заполнения до заданного количества. High-purity liquid hydrogen (high-purity hydrogen is necessary for the normal operation of a number of consumers, for example, for the normal functioning of an electrochemical generator (ECG) based on hydrogen-oxygen fuel cells, hydrogen with a purity of 0.9999% by volume is required) filter in a refillable container. Since the design of the fueling line and the tank before the gas station have a temperature much higher than the temperature of liquid hydrogen, in the initial period of the gas station, the supplied liquid hydrogen evaporates due to heat removal from the thermal structures and their temperature decreases. Crystals of solidified gases (mainly nitrogen and oxygen), dissolved in liquid hydrogen, do not yet precipitate in the initial period of refueling, since the temperature of evaporated hydrogen in this period is still higher than 63 K, below which solidification of nitrogen occurs, so hydrogen vapors pass through the filter into a refueling container without clogging it with impurities of hardened gases. As the structure cools down, the temperature of its and evaporating hydrogen decreases and as soon as the temperature of hydrogen at the inlet to the filter drops to 63 K, the supply of hydrogen through the filter to the refueling tank is stopped to prevent clogging of the filter. Further hydrogen supply from the tanker is carried out through the bypass at the inlet of the filter, bypassing the filtering element of the filter and the refueling tank. Hydrogen supply through the bypass is carried out until the temperature of hydrogen in front of the filter drops to the equilibrium value corresponding to the pressure in front of the filter, after that the supply through the bypass is stopped and again the filter is fed into the refueling tank until it is filled to the specified amount.

Понижение температуры перед фильтром до равновесной, соответствующей давлению водорода перед ним указывает на то, что процесс захолаживания заправочной магистрали и конструкции фильтра закончен, двухфазный фронт, наиболее обогащенный примесями отвердевших газов переместился за пределы фильтра и по тракту проходит сплошная жидкость, концентрация примесей в которой не превышает предел растворимости, соответствующей данной температуре. В результате исключается забивка мелкопористого фильтра кристаллами отвердевших газов и фильтр будет отфильтровывать только механические примеси больших размеров, чем его поры. Lowering the temperature in front of the filter to the equilibrium temperature corresponding to the pressure of hydrogen in front of it indicates that the cooling process of the filling line and filter structure is completed, the two-phase front, most enriched by impurities of solidified gases, has moved outside the filter and a continuous liquid passes through the path, the concentration of impurities in which exceeds the solubility limit corresponding to a given temperature. As a result, clogging of the finely porous filter by crystals of solidified gases is excluded and the filter will filter out only mechanical impurities of larger sizes than its pores.

На чертеже показано свойство, реализующее предлагаемый способ. The drawing shows a property that implements the proposed method.

Устройство содержит емкость 1 с трубопроводами заправки 2 и дренажа 3, которую заправляют жидким водородом. Трубопроводы заправки и дренажа снабжены запорными клапанами 4 и 5 соответственно. На трубопроводе перед входом его в емкость установлен мелкопористый фильтр 6, заключенный в кожух 7, который снабжен патрубками 8 и 9. На трубопроводе заправки 2 перед фильтром 6 установлены датчик 10 температуры и датчик 11 давления. К запорному клапану 4 подстыкована заправочная магистраль 12, соединяющая заправляемую емкость 1 с заправщиком. К заправочной магистрали перед запорным клапаном 4 подстыкован байпасный трубопровод 13 с запорным клапаном 14. The device contains a tank 1 with piping for refueling 2 and drainage 3, which is charged with liquid hydrogen. The filling and drainage pipelines are equipped with shut-off valves 4 and 5, respectively. A fine-porous filter 6, enclosed in a casing 7, which is equipped with nozzles 8 and 9, is installed on the pipeline in front of its entrance to the tank. A temperature sensor 10 and a pressure sensor 11 are installed in front of the fueling pipe 2 before the filter 6. A filling line 12 is connected to the shutoff valve 4, connecting the refueling tank 1 with the refueling tank. Bypass line 13 is connected to the filling line bypass pipe 13 with a shut-off valve 14.

Вход байпасного трубопровода 13 подсоединен к патрубку 8 кожуха 7, а выход к патрубку 9 и затем к дренажному трубопроводу 3 после запорного клапана 5. На байпасном трубопроводе 13, перед входом его в полость кожуха 7 установлены датчик 15 температуры и датчик 16 давления. The inlet of the bypass pipe 13 is connected to the pipe 8 of the casing 7, and the output to the pipe 9 and then to the drain pipe 3 after the shutoff valve 5. On the bypass pipe 13, before entering it into the cavity of the casing 7, a temperature sensor 15 and a pressure sensor 16 are installed.

При заправке емкости 1 жидким водородом высокой чистоты из заправщика под давлением по заправочной магистрали 12 подается водород. When refueling the tank 1 with high-purity liquid hydrogen, hydrogen is supplied from the refueling tanker under pressure through the fueling line 12.

Запорные клапаны 4 и 5 открываются. Водород проходит через фильтр 6 и внутреннюю полость емкости 1, захолаживая при этом конструкцию магистрали 12, заправочный трубопровод 2 с фильтром 6 и оболочку емкости 1. В начальный момент заправки подаваемый жидкий водород полностью испаряется, так как температура захолаживаемых конструкций значительно выше температуры жидкого водорода. Пары испарившегося жидкого водорода нагреваются от захолаживаемых конструкций и пока температура их превышает 63К, которая фиксируется по датчику температуры 10, выпадания кристаллических примесей азота и кислорода, растворенных в водороде не происходит и забивки им фильтра также не происходит. После захолаживания конструкций и понижения температуры водорода на входе в фильтр до 63 К клапаны 4 и 5 закрываются, открывается клапан 14 на байпасном трубопроводе 13 и водород движется по байпасу, через полость кожуха 7, омывая и захолаживая при этом фильтр 6. После понижения температуры водорода, фиксируемой датчиком 15 до равновесной, соответствующей давлению, фиксируемому по датчику 16 давления клапан 14 закрывается, клапаны 4 и 5 открываются и жидкий водород через мелкопористый фильтр 6 подается в заправляемую емкость 1. Shut-off valves 4 and 5 open. Hydrogen passes through the filter 6 and the internal cavity of the tank 1, cooling the design of the line 12, the filling pipe 2 with the filter 6 and the shell of the tank 1. At the initial moment of filling, the supplied liquid hydrogen completely evaporates, since the temperature of the cooled structures is much higher than the temperature of liquid hydrogen. Vapors of evaporated liquid hydrogen are heated by cooling structures and as long as their temperature exceeds 63K, which is detected by a temperature sensor 10, no crystalline impurities of nitrogen and oxygen dissolved in hydrogen occur and filter clogging also does not occur. After cooling the structures and lowering the temperature of hydrogen at the inlet to the filter to 63 K, valves 4 and 5 are closed, valve 14 is opened on the bypass pipe 13 and hydrogen moves along the bypass through the cavity of the casing 7, washing and cooling the filter 6. After lowering the temperature of hydrogen , fixed by the sensor 15 to the equilibrium value corresponding to the pressure recorded by the pressure sensor 16, the valve 14 closes, valves 4 and 5 open and liquid hydrogen is supplied through the fine-porous filter 6 to the refueling tank 1.

Эффективность предлагаемого технического решения в отличие от известных состоит в том, что предлагаемое позволяет исключить забивку мелкопористого фильтра выпадающими кристаллами растворенных в водороде газовых примесей при прохождении его через фильтр, что обеспечивает надежную заправку в заданное время и повышает экономичность. The effectiveness of the proposed technical solution, in contrast to the known ones, consists in the fact that the proposed one allows to exclude clogging of a fine-porous filter by precipitating crystals of gas impurities dissolved in hydrogen when it passes through the filter, which ensures reliable filling at a given time and increases efficiency.

В известных способах не исключается возможность частичной или полной забивки фильтра, что приводит к увеличению времени заправки или полному ее прекращению. При заправке бортовых емкостей в стартовых условиях, например, водородных емкостей космической энергетической установки на основе водородно-кислородных топливных элементов, превышение лимитного времени заправки приведет к срыву предстартовой подготовки изделия и, следовательно, к большим экономическим потерям. Кроме того, в предлагаемом способе для повышения экономичности заправки используются почти полностью холод жидкого водорода при захолаживании конструкций заправляемой емкости (она охлаждается водородом от плюсовых температур до 63 К и только после этого водород направляется в байпас, т.е. холод его при этом не используется на захолаживание конструкции заправляемой емкости). In known methods, the possibility of partial or complete plugging of the filter is not excluded, which leads to an increase in refueling time or its complete termination. When refueling on-board tanks in starting conditions, for example, hydrogen tanks of a space power plant based on hydrogen-oxygen fuel cells, exceeding the limit time for refueling will lead to a breakdown in prelaunch preparation of the product and, consequently, to large economic losses. In addition, in the proposed method to increase the cost of refueling, almost completely the cold of liquid hydrogen is used when cooling the structures of the refueling tank (it is cooled by hydrogen from plus temperatures to 63 K and only after that hydrogen is sent to the bypass, i.e. its cold is not used cooling the design of the refueling tank).

Опробывание предложенного способа при заправке водородных емкостей системы электропитания (СЭП) на основе водородно-кислородных топливных элементов, на трубопроводах заправки которых установлены запорные клапаны с 20 мкм фильтрами, показало, что забивания фильтров не происходило. Емкости всегда надежно заправлялись до требуемого количества. Заправки проводились в НИИХИММАШе как при автономной отработке емкостей, так и всей СЭП в целом. Testing of the proposed method when refueling hydrogen tanks of the power supply system (BEP) based on hydrogen-oxygen fuel cells, the filling pipelines of which are equipped with shut-off valves with 20 μm filters, showed that clogging of the filters did not occur. Tanks have always been reliably refueled to the required amount. Refueling was carried out at the NIIKHIMMASH both during the autonomous development of the tanks and the entire SEP as a whole.

Claims

METHOD FOR FILLING A TANK WITH LIQUID HYDROGEN OF HIGH PURITY, including the supply of liquid hydrogen under pressure through a filter to a refueling tank, characterized in that the preliminary cooling of the design of the refueling tank is performed by supplying hydrogen through the filter to the tank until the hydrogen temperature at the inlet to the filter decreases to 63 K, after whereby the supply of hydrogen is carried out through a bypass at the inlet of the filter until a temperature equilibrium with the pressure of hydrogen in front of the filter is reached, and then hydrogen is supplied through the filter.