RU2047813C1

RU2047813C1 - Cryogenic reservoir

Info

Publication number: RU2047813C1
Application number: SU915015702A
Authority: RU
Inventors: Александр Леонидович Гусев; Иван Иванович Кудрявцев; Владимир Иванович Куприянов; Вячеслав Петрович Кряковкин; Александр Сергеевич Терехов; Анатолий Панфилович Гаркуша
Original assignee: Александр Леонидович Гусев
Priority date: 1991-12-10
Filing date: 1991-12-10
Publication date: 1995-11-10

Abstract

FIELD: cryogenic engineering. SUBSTANCE: cryogenic reservoir has housing, inner vessel placed in housing to form heat- insulating space and cartridge with porous filter permeable to gas and containing chemical hydrogen absorber. Novelty in design of reservoir is that chemical cartridge installed in filter has through porous tubes made of material with high heat factor and space between tubes and walls of filter is filled with chemical absorbent; filter is embraced by heat conducting hermetic sheathing forming vacuum space communicating through vacuum valve with heat-insulating space of cryogenic reservoir. Secured on inner surface of sheathing are thermomechanical members installed for thermal engagement with filter walls, and sheathing is connected through heat-conducting member, for instance heat tube, with heat-absorbing screen. EFFECT: enlarged operating capabilities. 2 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к конструкциям резервуаров для хранения криогенных жидкостей, преимущественно кислорода и азота, и способам удаления водорода из вакуумной полости резервуара. The invention relates to cryogenic technology, in particular to the design of tanks for storing cryogenic liquids, mainly oxygen and nitrogen, and methods for removing hydrogen from the vacuum cavity of the tank.

Анализ теплопереноса в экранно-вакуумной теплоизоляции показал, что в панельных конструкциях, используемых в диапазоне 300-77 К, доля теплопереноса по остаточному газу составляет 30-60% и возрастает с увеличением толщины и плотности слоя [1] Здесь основным направлением совершенствования теплоизоляционной конструкции является поиск снижения давления остаточных газов. Analysis of heat transfer in the screen-vacuum thermal insulation showed that in panel designs used in the range of 300-77 K, the fraction of heat transfer in the residual gas is 30-60% and increases with increasing thickness and density of the layer [1] Here, the main direction of improving the thermal insulation design is search for pressure reduction of residual gases.

Широко известны способы поддержания высокого вакуума в теплоизоляционной полости, заключающиеся в эвакуации остаточных газов с помощью криоконденсационных и криоадсорбционных насосов [2] Эти насосы наиболее распространены в криогенной технике для поддержания вакуума в теплоизоляционных полостях. Однако, криоконденсационные и криоадсорбционные насосы, охлаждаемые криогенной жидкостью с температурой кипения превышающей водородную, не позволяют удалить остаточный водород ввиду ограниченной поглотительной способности адсорбентов при этих температурах, а также невозможности конденсации водорода при этих температурах. Widely known are methods of maintaining high vacuum in a heat-insulating cavity, consisting in evacuating residual gases using cryocondensation and cryo-adsorption pumps [2]. These pumps are most common in cryogenic technology for maintaining a vacuum in heat-insulating cavities. However, cryocondensation and cryoadsorption pumps, cooled by a cryogenic liquid with a boiling point higher than hydrogen, do not allow the removal of residual hydrogen due to the limited absorption capacity of adsorbents at these temperatures, as well as the impossibility of hydrogen condensation at these temperatures.

Известен криогенный резервуp, содержащий кожух, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости теплоизолированный внутренний сосуд, закрепленный на кожухе патрубок с фильтром, обращенным в теплоизоляционную полость, расположенный в патрубке химический поглотитель водорода и съемный внешний нагреватель, и способ удаления водорода из вакуумной полости криогенного резервуара путем химической реакции водорода, выделяемого внутренним стенками резервуара, с поглотителем на основе окислов с интерметаллическим диспергированным катализатором, при этом поглотитель перед эксплуатацией резервуара активируют путем нагрева его до температуры 200^оС [3]
Недостатками являются:
необходимость использования электроэнергии и, как следствие, полная зависимость от нее, необходимость в дополнительном электрооборудовании;
относительно низкая надежность устройства при длительной эксплуатации;
пожароопасность.Known cryogenic tank containing a casing, placed in it with the formation of a heat-insulating cavity, a thermally insulated inner vessel, mounted on the casing of a pipe with a filter facing the heat-insulating cavity, a chemical hydrogen absorber located in the pipe and a removable external heater, and a method for removing hydrogen from a vacuum cavity of a cryogenic tank by the chemical reaction of hydrogen released by the inner walls of the tank, with an absorber based on oxides with intermetallic dispersed catalyst, while the absorber before the operation of the tank is activated by heating it to a temperature of 200 ^about [3]
The disadvantages are:
the need to use electricity and, as a result, the complete dependence on it, the need for additional electrical equipment;
relatively low reliability of the device during long-term operation;
fire hazard.

Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является криогенный резервуаp, содержащий кожух, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости теплоизолированный внутренний сосуд, закрепленный на кожухе патрубок с фильтром, обращенным в теплоизоляционную полость, расположенный в патрубке химический поглотитель водорода и съемный внешний нагреватель, причем патрубок закреплен снаружи кожуха, фильтр выполнен в виде стакана из пористого высокотеплопроводного газопроницаемого материала, который размещен коаксиально в патрубке с образованием кольцевого зазора для размещения химического поглотителя, а между патрубком и внутренним сосудом перпендикулярно оси патрубка установлен экран, размещенный в теплоизоляционной полости и закрепленный на кожухе [4]
Недостатком данного устройства является низкая скорость удаления водорода, обусловленная тем, что при суточных изменениях температуры очень сильно изменяется поглотительная способность геттера.The closest in technical essence to the achieved result is a cryogenic tank containing a casing, a thermally insulated inner vessel placed in it with the formation of a heat-insulating cavity, a pipe with a filter facing the heat-insulating cavity located in the pipe, a chemical hydrogen absorber and a removable external heater, and the pipe is fixed on the outside of the casing, the filter is made in the form of a glass made of porous highly heat-conducting gas-permeable material, which is placed is coaxial in the pipe with the formation of an annular gap to accommodate the chemical absorber, and between the pipe and the inner vessel perpendicular to the pipe axis is a screen placed in the heat-insulating cavity and mounted on the casing [4]
The disadvantage of this device is the low rate of hydrogen removal, due to the fact that with daily changes in temperature the absorption ability of the getter changes very much.

Целью изобретения является повышение эффективности работы химического поглотителя в условиях суточных колебаний температур. The aim of the invention is to increase the efficiency of the chemical absorber in the conditions of daily temperature fluctuations.

Поставленная цель достигается тем, что в криогенном резервуаре, содержащем кожух, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости теплоизолированный внутренний сосуд и патрон, снабженный пористым газопроницаемым фильтром и химическим поглотителем водорода, согласно изобретению, химический патрон снабжен установленными в фильтре сквозными пористыми трубками, выполненными из материала с большим коэффициентом теплоемкости, пространство между которыми и стенками фильтра заполнено химическим поглотителем, фильтр охвачен теплопроводной герметичной оболочкой с образованием вакуумной полости, сообщенной через вакуумный клапан с теплоизоляционной полостью криогенного резервуара, при этом на внутренней поверхности оболочки закреплены термомеханические элементы с возможностью теплового взаимодействия со стенками фильтра, а оболочка посредством теплопередающего элемента, например, тепловой трубы, связана с поглощающим экраном. This goal is achieved by the fact that in a cryogenic reservoir containing a casing, a thermally insulated inner vessel and a cartridge provided with a porous gas-permeable filter and a chemical hydrogen absorber, according to the invention, the chemical cartridge is equipped with through porous tubes installed in the filter made of material with a large heat capacity coefficient, the space between which and the filter walls is filled with a chemical absorber, the filter is covered by sealed by a sheath with the formation of a vacuum cavity communicated through a vacuum valve with a heat-insulating cavity of the cryogenic reservoir, while thermomechanical elements are fixed on the inner surface of the shell with the possibility of thermal interaction with the filter walls, and the shell is connected to an absorbing screen by means of a heat transfer element, for example, a heat pipe .

Сущность изобретения заключается в обеспечении постоянной поглотительной способности химического поглотителя, соответствующей максимальной суточной температуре, за счет передачи теплового потока от теплопоглощающей панели в периоды максимальной суточной температуры окружающей среды, т.е. окружающей среды к стенкам фильтра, являющегося аккумулятором тепловой энергии, и к геттерному веществу путем автоматического перемещения термомеханических элементов и превращения теплового потока термомеханическими элементами при снижении температуры окружающей среды до заданного минимального значения путем автоматического возвращения термомеханических элементов в исходное положение, в котором между термомеханическими элементами и стенками фильтра обеспечивается зазор. The essence of the invention is to provide a constant absorption capacity of the chemical absorber corresponding to the maximum daily temperature, due to the transfer of heat flux from the heat-absorbing panel during periods of maximum daily ambient temperature, i.e. environment to the walls of the filter, which is the accumulator of thermal energy, and to the getter substance by automatically moving the thermomechanical elements and turning the heat flux by thermomechanical elements while lowering the ambient temperature to a predetermined minimum value by automatically returning the thermomechanical elements to their original position, in which between the thermomechanical elements and filter walls provide clearance.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемое устройство обеспечивает постоянную максимальную скорость удаления водорода из теплоизоляционный полости, соответствующей максимальной суточной температуре окружающей среды. Этот фактор обеспечивает снижение давления в вакуумной полости и уменьшение количества остаточного водорода, что ведет к снижению испаряемости криогенной жидкости. Таким образом, введение термомеханических теплопередающих элементов и использование теплопоглощающего экрана обеспечивает максимальный подвод энергии к геттерному веществу и сохранение ее при снижении температуры окружающей среды. А введение теплового аккумулятора, выполняющего еще и роль фильтра, позволяет обеспечить накопление и сохранение тепловой энергии, необходимой для поддержания рабочей температуры геттерного вещества. Comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the proposed device provides a constant maximum rate of removal of hydrogen from the insulating cavity, corresponding to the maximum daily ambient temperature. This factor provides a decrease in pressure in the vacuum cavity and a decrease in the amount of residual hydrogen, which leads to a decrease in the volatility of the cryogenic liquid. Thus, the introduction of thermomechanical heat transfer elements and the use of a heat-absorbing screen provides maximum energy supply to the getter substance and its conservation while lowering the ambient temperature. And the introduction of a heat accumulator, which also serves as a filter, allows the accumulation and conservation of thermal energy necessary to maintain the working temperature of the getter substance.

На фиг.1 изображен криогенный резервуаp; на фиг.2 химический патрон. Figure 1 shows a cryogenic reservoir; figure 2 chemical cartridge.

Кpиогенный резервуар (фиг. 1) состоит из внутреннего сосуда 1, заполненного криогенной жидкостью, кожуха 2, теплоизоляционной полости 3 между ними, вакуумных затворов 4, криоадсорбционных насосов 5, вакуумного вентиля 6, корпуса химического патрона 7, химического поглотителя 8, фильтра 9. The cryogenic reservoir (Fig. 1) consists of an internal vessel 1 filled with cryogenic liquid, a casing 2, a heat-insulating cavity 3 between them, vacuum shutters 4, cryo-adsorption pumps 5, a vacuum valve 6, a housing of a chemical cartridge 7, a chemical absorber 8, and a filter 9.

Химический патрон (фиг.2) содержит фильтр 9 из газопроницаемого материала с установленными в нем сквозными пористыми трубами 10, пространство между которыми и стенками фильтра заполнено химическим поглотителем 11. The chemical cartridge (figure 2) contains a filter 9 of a gas-permeable material with through-hole porous pipes 10 installed in it, the space between which and the filter walls is filled with a chemical absorber 11.

Фильтр 9 охвачен теплопроводной герметичной оболочкой 12 с образованием вакуумной полости 13, сообщенной через вакуумный клапан 14 с теплоизоляционной полостью криогенного резервуара, при этом на внутренней поверхности оболочки 12, закреплены термомеханические элементы 15 с возможностью теплового взаимодействия со стенками фильтра 9, а оболочка 12 посредством теплопередающего элемента 16, например, тепловой трубы, связана с теплопоглощающим экраном 17. Фильтр 9 закреплен в корпусе химического патрона посредством теплоизолирующих проставок 18 с отверстиями. Устройство работает следующим образом. Пpи нагреве теплопоглощающего экрана 17 инсоляцией тепло от него передается на оболочку 12, на внутренней стенке которой установлены теплопередающие элементы 15, выполнены, например, из материала с памятью формы. При температуре нагрева теплопоглощающего экрана 17 больше рабочей температуры химического поглотителя, теплопередающие элементы 15 распрямляются и вступают в контакт с наружной стенкой пористого фильтра 9, который выполнен из материала с высоким коэффициентом тепловой емкости. Материал фильтра 9 и пористых трубок 10 запасает тепловую энергию для термостатирования химического поглотителя 11. Пpи снижении температуры теплопоглощающего экрана 17 до минимальной рабочей температуры химпоглотителя теплопередающие элементы 15 принимают первоначальную форму. Тем самым, исключается отток тепла от теплового аккумулятора пористого фильтра 8 с пористыми трубками 10. Теплоизолирующие проставки 18 фиксируют фильтр 9 в корпусе химического патрона. Химический поглотитель 11 выполнен порошковым, так как порошковые нераспыляемые геттеры имеют ряд ценных преимуществ перед компактными геттерами: высокую начальную скорость поглощения газов, значительную емкость, меньшие габаритные размеры при сравнимых величинах емкости. Эти преимущества объемных геттеров обусловлены большой развитой поверхностью контакта газа с геттерным материалом. Устройство позволяет повысить эффективность работы геттера при суточных колебаниях температур, повысить межрегламентный период теплоизоляции и насосной группы, снизить количество адсорбента в криосорбционных устройствах резервуара, улучшить эксплуатационные характеристики, создать более глубокий вакуум в теплоизоляционной полости резервуара, что уменьшает потери криопродукта, а следовательно снижает энергетические затраты на его производство. The filter 9 is covered by a heat-conducting sealed shell 12 with the formation of a vacuum cavity 13, communicated through a vacuum valve 14 with a heat-insulating cavity of the cryogenic reservoir, while on the inner surface of the shell 12, thermomechanical elements 15 are fixed with the possibility of thermal interaction with the walls of the filter 9, and the shell 12 by means of heat transfer element 16, for example, a heat pipe, is connected to a heat-absorbing screen 17. The filter 9 is fixed in the casing of the chemical cartridge by means of heat-insulating spacers 18 with holes. The device operates as follows. When the heat-absorbing screen 17 is heated by insolation, heat is transferred from it to the shell 12, on the inner wall of which heat transfer elements 15 are installed, made, for example, of a material with a shape memory. When the heating temperature of the heat-absorbing screen 17 is greater than the operating temperature of the chemical absorber, the heat transfer elements 15 are straightened and come into contact with the outer wall of the porous filter 9, which is made of a material with a high coefficient of thermal capacity. The material of the filter 9 and the porous tubes 10 stores thermal energy for thermostating of the chemical absorber 11. As the temperature of the heat-absorbing screen 17 decreases to the minimum operating temperature of the chemical absorber, the heat transfer elements 15 take their original shape. This eliminates the outflow of heat from the heat accumulator of the porous filter 8 with porous tubes 10. The heat-insulating spacers 18 fix the filter 9 in the housing of the chemical cartridge. The chemical absorber 11 is made of powder, since powder non-sprayed getters have a number of valuable advantages over compact getters: a high initial gas absorption rate, a significant capacity, smaller overall dimensions with comparable capacitance values. These advantages of bulk getters are due to the large developed contact surface of the gas with the getter material. The device allows to increase the efficiency of the getter with daily temperature fluctuations, increase the inter-regulation period of the thermal insulation and the pump group, reduce the amount of adsorbent in the cryosorption devices of the tank, improve operational characteristics, create a deeper vacuum in the heat-insulating cavity of the tank, which reduces cryoproduct losses, and therefore reduces energy costs on its production.

Claims

CRYOGENIC RESERVOIR containing a casing, a thermally insulated inner vessel and a cartridge provided with a porous gas-permeable filter and a chemical hydrogen absorber, characterized in that it is equipped with a heat-absorbing screen, the chemical cartridge is equipped with through-hole porous tubes made of material with a large coefficient of heat capacity, the space between which and the walls of the filter is filled with a chemical absorber, the filter is equipped and covered heat-conducting sealed shell with the formation of a vacuum cavity communicated through a vacuum valve with a heat-insulating cavity of the cryogenic reservoir, while the inner surface of the shell has thermomechanical elements mounted on it with the possibility of thermal interaction with the walls of the filter, and the shell is connected via a heat transfer element, such as a heat pipe with heat absorbing screen.