RU2137023C1 - Device for storage and delivery of cryogenic products - Google Patents
Device for storage and delivery of cryogenic products Download PDFInfo
- Publication number
- RU2137023C1 RU2137023C1 RU98116000A RU98116000A RU2137023C1 RU 2137023 C1 RU2137023 C1 RU 2137023C1 RU 98116000 A RU98116000 A RU 98116000A RU 98116000 A RU98116000 A RU 98116000A RU 2137023 C1 RU2137023 C1 RU 2137023C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cavity
- cryogenic
- pressure
- main
- cryogenic product
- Prior art date
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/32—Hydrogen storage
Landscapes
- Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)
- Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области криогенной техники и предназначено для хранения и подачи криогенных продуктов к потребителям, например, для подачи водорода и кислорода, хранящихся при криогенных температурах, в электрохимический генератор (ЭХГ) энергетической установки (ЭУ) на основе водородно-кислородных топливных элементов, предназначенной для установки на подводных лодках. Оно может быть также использовано в космической технике для подачи криогенных продуктов к потребителям, устанавливаемых на космических кораблях (КК), и в народном хозяйстве в составе автономных ЭУ на основе водородно-кислородных топливных элементов, предназначенных для использования в районах, куда прокладка линий электропередач затруднительна. The invention relates to the field of cryogenic technology and is intended for storage and supply of cryogenic products to consumers, for example, for supplying hydrogen and oxygen stored at cryogenic temperatures to an electrochemical generator (ECG) of a power plant (EC) based on hydrogen-oxygen fuel cells for installation on submarines. It can also be used in space technology for supplying cryogenic products to consumers installed on spacecraft (SC), and in the national economy as part of autonomous power plants based on hydrogen-oxygen fuel cells intended for use in areas where the laying of power lines is difficult .
Известно устройство для хранения и подачи кислорода и водорода в ЭХГ ЭУ (Энергоустановки и системы электропитания космических летательных аппаратов на основе водородно-кислородных топливных элементов. /Под ред. М.В. Мельникова, M. ; ГОН-ТИ-4, 1970, с. 43-89). Устройство включает криогенные емкости для хранения и подачи водорода и кислорода, каждая из которых содержит теплоизолированную внутреннюю оболочку, заключенную в вакуумно- плотную наружную оболочку, источник тепловыделения (внутрибаковый электронагреватель), трубопроводы заправки и дренажа, запорные клапаны и систему измерения и управления. A device for storing and supplying oxygen and hydrogen to the ECG EC (Power plants and power systems for spacecraft based on hydrogen-oxygen fuel cells. / Ed. By M.V. Melnikov, M.; GON-TI-4, 1970, p. . 43-89). The device includes cryogenic containers for storing and supplying hydrogen and oxygen, each of which contains a thermally insulated inner shell enclosed in a vacuum-tight outer shell, a heat source (internal tank heater), refueling and drainage pipelines, shut-off valves, and a measurement and control system.
Недостатком этого решения является то, что он не обеспечивает подготовку устройства к выдаче криогенных продуктов к потребителям в требуемый после окончания заправки срок. Например, требуемое время подачи водорода и кислорода в ЭХГ, устанавливаемых на подводных лодках, должно быть не более 30 мин после окончания заправки. За такое время поднять давление водорода и кислорода в упомянутых известных устройствах до нижнего рабочего уровня регулируемого диапазона давлений, например, до 7 кгс/см2 с обеспечением равномерного прогрева криогенного продукта невозможно. Это связано с большими количествами заправляемых кислорода и водорода в емкости таких ЭУ, например, кислорода 40 т и соответственно водорода 5 т и требуемыми для этого большими мощностями внутрибаковых электронагревателей, например, для равномерного прогрева 40 т кислорода до равновесной температуры 112K, соответствующей давлению 7 кгс/см2, необходимо подвести тепла за 30 мин: q= c•m• ΔT = 0,4 ккал/кг•Гр 40000 кг•(112-90) = 3,52•105 ккал, т.е. мощность электронагревателя должна быть ~820 кВт. При таких больших мощностях невозможно обеспечить равномерный прогрев кислорода в процессе подъема давления в емкости ввиду большой плотности теплового потока. Равномерный прогрев необходим, т. к. в процессе штатной эксплуатации лодки имеет место качка до 45o. Это приведет к перемешиванию стратифицированного криогенного продукта и провалу давления в емкости до уровня, соответствующего температуре перемешанной жидкости, который ниже нижнего рабочего уровня давления. Подача криогенных продуктов в ЭХГ ЭУ при давлении ниже нижнего рабочего уровня будет невозможна. Такая ситуация в процессе штатной эксплуатации не допускается.The disadvantage of this solution is that it does not provide preparation of the device for the release of cryogenic products to consumers in the required time after refueling. For example, the required time for the supply of hydrogen and oxygen to the ECG installed on submarines should be no more than 30 minutes after the end of refueling. During such a time, it is impossible to raise the pressure of hydrogen and oxygen in the aforementioned known devices to the lower working level of an adjustable pressure range, for example, up to 7 kgf / cm 2 , ensuring uniform heating of the cryogenic product. This is due to the large quantities of refueling oxygen and hydrogen in the capacitance of such power plants, for example, oxygen of 40 tons and, accordingly, hydrogen of 5 tons and the required high power of internal tank heaters, for example, for uniform heating of 40 tons of oxygen to an equilibrium temperature of 112 K, corresponding to a pressure of 7 kgf / cm 2 , heat must be supplied in 30 min: q = c • m • ΔT = 0.4 kcal / kg • Gy 40,000 kg • (112-90) = 3.52 • 10 5 kcal, i.e. electric heater power should be ~ 820 kW. With such large capacities, it is impossible to ensure uniform heating of oxygen during the pressure rise in the tank due to the high heat flux density. Uniform warming up is necessary, because during the normal operation of the boat there is a pitching up to 45 o . This will lead to mixing of the stratified cryogenic product and the pressure drop in the tank to a level corresponding to the temperature of the mixed liquid, which is lower than the lower working pressure level. The supply of cryogenic products to EC ECG at a pressure below the lower working level will be impossible. Such a situation during normal operation is not allowed.
Известно также устройство для хранения и подачи жидкого кислорода, принятое за прототип (см. патент 2094697 М. кл. F 17 C 13/00. Устройство содержит теплоизолированную внутреннюю оболочку, заключенную в вакуумно-плотную наружную оболочку, внутрибаковый электронагреватель, трубопроводы заправки и подачи, теплообменник-газификатор, регулятор давления, запорные клапаны, систему измерения и управления и два ресивера, установленные ниже днища емкости, каждый из которых снабжен указателем уровня и датчиком давления, при этом газовая полость каждого ресивера через запорный клапан соединена с газовой полостью емкости и через другой запорный клапан с трубопроводом подачи перед теплообменником-газификатором, а выход каждого ресивера со стороны жидкости соединен с трубопроводом подачи после запорного клапана, кроме того, газовая полость емкости через запорный клапан подстыкована к трубопроводу подачи перед теплообменником-газификатором. Благодаря наличию двух ресиверов, установленных ниже днища емкости и взаимно конструктивной связи агрегатов, это устройство обеспечивает выдачу кислорода в ЭХГ ЭУ в требуемое по условиям эксплуатации лодки время. There is also known a device for storing and supplying liquid oxygen, adopted as a prototype (see patent 2094697 M. CL F 17 C 13/00. The device contains a thermally insulated inner shell enclosed in a vacuum-tight outer shell, an inside tank electric heater, filling and supply pipelines , heat exchanger-gasifier, pressure regulator, shut-off valves, a measurement and control system and two receivers installed below the bottom of the tank, each of which is equipped with a level indicator and a pressure sensor, while the gas cavity of each the siver through the shut-off valve is connected to the gas cavity of the tank and through another shut-off valve with the supply pipe before the heat exchanger-gasifier, and the outlet of each receiver from the liquid side is connected to the supply pipe after the shut-off valve, in addition, the gas cavity of the tank through the shut-off valve is connected to the supply pipe in front of the heat exchanger-gasifier.Thanks to the presence of two receivers installed below the bottom of the tank and the mutually constructive connection of the units, this device provides loroda in ECH EC on the desired operating conditions of the boat while.
Недостатком прототипа является то, что из-за наличия в его составе двух ресиверов с подведенными к ним трубопроводами с арматурой оно некомпактно и при его установке в энергетическом отсеке лодки требуется дополнительный объем. Дополнительный объем в устройстве для выдачи жидкого водорода будет еще больше, чем в устройстве для выдачи кислорода. Это связано с необходимостью теплоизоляции ресиверов, чтобы исключить сжижение воздуха на их поверхности. Ожижение недопустимо, т.к. в случае попадания жидкого воздуха на корпус лодки может быть нарушение его герметичности из-за того, что металл корпуса лодки не предназначен для эксплуатации при таких низких температурах. Дополнительный объем устройства при постоянном диаметре корпуса требует увеличения длины энергетического отсека и, следовательно, всей лодки в целом, а это приводит к существенному повышению ее стоимости, поэтому требование по компактности агрегатов, устанавливаемых в отсеках лодки, является одним из основных. The disadvantage of the prototype is that due to the presence in its composition of two receivers with pipelines connected to them with fittings, it is not compact and when it is installed in the power compartment of the boat, additional volume is required. The additional volume in the device for issuing liquid hydrogen will be even greater than in the device for issuing oxygen. This is due to the need for thermal insulation of the receivers in order to exclude liquefaction of air on their surface. Liquefaction is unacceptable, because if liquid air enters the hull of the boat, there may be a violation of its tightness due to the fact that the metal of the hull is not designed to operate at such low temperatures. The additional volume of the device with a constant diameter of the hull requires an increase in the length of the energy compartment and, therefore, the entire boat as a whole, and this leads to a significant increase in its cost, so the requirement for compactness of units installed in the boat compartments is one of the main ones.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение компактности и минимизации времени подготовки устройства для хранения и подачи криогенных продуктов к выдаче их в ЭХГ ЭУ в заданном допусковом диапазоне давлений. The objective of the present invention is to ensure compactness and minimize the preparation time of the device for storing and supplying cryogenic products for delivery to the ECG EC in a given tolerance range of pressures.
Сущность изобретения заключается в том, что в полость внутренней оболочки устройства для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащего теплоизолированную внутреннюю оболочку, заключенную в вакуумно-плотную наружную оболочку, источник тепловыделения, трубопроводы заправки и дренажа, запорную арматуру и контрольно-измерительную аппаратуру, введена герметичная несущая перегородка, разделяющая эту полость на основную и пусковую, при этом в каждой полости установлены источник тепловыделения, трубопроводы заправки и дренажа с запорными клапанами и контрольно-измерительная аппаратура, а одноименные трубопроводы после запорных клапанов объединены между собой, причем на поверхность упомянутой перегородки со стороны основной полости нанесена теплоизоляция из пористого материала с открытыми порами, а объем пусковой полости определяется из выражения
V = Gmax•τ/ρ,
где V - объем пусковой полости, м3
Gmax - максимальный расход криогенного продукта, кг/ч;
ρ - плотность криогенного продукта при равновесной температуре, соответствующей нижнему рабочему уровню давления, кг/м3;
τ = (m•c•ΔT)/(q+Gmax•c•ΔT)
τ - время подъема давления в основной полости от давления заправки до нижнего рабочего уровня, ч;
m - суммарная заправляемая масса криогенного продукта в основной и пусковой полости, кг;
с - теплоемкость криогенного продукта, Дж/кг•град;
ΔT = Tкон-Tнач;
Тнач - температура криогенного продукта в основной полости после окончания заправки, К;
Ткон - равновесная температура криогенного продукта в основной полости, соответствующая нижнему рабочему уровню давления. К;
q = qт + qос,
q - суммарный теплоподвод к криогенному продукту в основной полости в процессе подъема давления, Вт;
qт - теплоподвод к криогенному продукту в основной полости от источника тепловыделения, Вт;
qос - теплоподвод из окружающей среды к криогенному продукту в основной полости, Вт.The essence of the invention lies in the fact that in the cavity of the inner shell of the device for storing and supplying cryogenic products containing a thermally insulated inner shell enclosed in a vacuum-tight outer shell, a heat source, filling and drainage pipelines, stop valves and instrumentation, sealed a supporting partition dividing this cavity into the main and starting, while in each cavity a heat source, refueling and drainage pipelines are installed GOVERNMENTAL valves and instrumentation and piping same name after shut-off valves are combined with each other, wherein the surface of said side walls of the main cavity of the insulation coated porous material with open pores and the volume of the cavity defined by starting from the expression
V = G max • τ / ρ,
where V is the volume of the starting cavity, m 3
G max - maximum consumption of cryogenic product, kg / h;
ρ is the density of the cryogenic product at equilibrium temperature corresponding to the lower working pressure level, kg / m 3 ;
τ = (m • c • ΔT) / (q + G max • c • ΔT)
τ is the time of pressure rise in the main cavity from the filling pressure to the lower working level, h;
m is the total refuelable mass of the cryogenic product in the main and starting cavities, kg;
C is the specific heat of the cryogenic product, J / kg • deg;
ΔT = T con -T beg ;
T beg - the temperature of the cryogenic product in the main cavity after refueling, K;
T con - the equilibrium temperature of the cryogenic product in the main cavity, corresponding to the lower working level of pressure. TO;
r q = q + q axes,
q is the total heat supply to the cryogenic product in the main cavity during the pressure rise, W;
q t - heat supply to the cryogenic product in the main cavity from the heat source, W;
q os - heat supply from the environment to the cryogenic product in the main cavity, W.
Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными на сегодняшний день техническими решениями вновь созданное устройство для хранения и подачи криогенных продуктов компактно и позволяет минимизировать время его подготовки к выдаче криогенных продуктов в заданном допусковом диапазоне давлений в ЭХГ ЭУ. The technical result consists in the fact that, in comparison with the technical solutions known today, the newly created device for storing and feeding cryogenic products is compact and allows one to minimize the time of its preparation for issuing cryogenic products in a given tolerance range of pressures in the EC ECG.
Это достигается тем, что в устройстве для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащем теплоизолированную внутреннюю оболочку, заключенную в вакуумно-плотную наружную оболочку, источник тепловыделения, трубопроводы заправки и дренажа, запорную арматуру и контрольно-измерительную аппаратуру, введена в полость внутренней оболочки герметичная несущая перегородка, разделяющая эту полость на основную и пусковую, в каждой полости установлены источник тепловыделения, трубопроводы заправки и дренажа с запорными клапанами, одноименные трубопроводы соединены после запорных клапанов между собой. При этом объем пусковой полости определяется из условия обеспечения подачи из нее криогенного продукта в ЭХГ ДУ с максимальным расходом в течение времени, пока давление в основной полости не будет поднято до минимального рабочего уровня. Время, необходимое для подъема давления в основной полости, определяется из выражения:
τ = (mосн•c•ΔT)/q,
где mосн = m-Gmax•τ - масса криогенного продукта, заправляемая в основную полость
Gmax•τ - масса криогенного продукта, заправляемая в пусковую полость.This is achieved by the fact that in the device for storage and supply of cryogenic products containing a thermally insulated inner shell enclosed in a vacuum-tight outer shell, a heat source, filling and drainage pipelines, stop valves and instrumentation, a sealed carrier is introduced into the cavity of the inner shell the partition dividing this cavity into the main and starting, in each cavity there is a heat source, filling and drainage pipelines with shut-off valves, of the same name pipelines are connected after the shut-off valves to one another. In this case, the volume of the starting cavity is determined from the condition of ensuring the supply of a cryogenic product from it to the ECG of the remote control with a maximum flow rate over time, until the pressure in the main cavity is raised to the minimum operating level. The time required to increase the pressure in the main cavity is determined from the expression:
τ = (m main • s • ΔT) / q,
where m osn = mG max • τ is the mass of the cryogenic product, tucked into the main cavity
G max • τ is the mass of the cryogenic product, filled into the launch cavity.
Зная время подъема давления, максимальный расход, который задается исходя из условий эксплуатации и обычно равен ~ 100 кг/ч для кислорода и соответственно в 8 раз меньше для водорода, мощность источника тепловыделения qт = r•Gmax (r - теплота парообразования) и теплоприток к криогенному продукту из окружающей среды можно определить требуемый объем пусковой полости.Knowing the time of pressure rise, the maximum flow rate, which is set on the basis of operating conditions and is usually ~ 100 kg / h for oxygen and, accordingly, 8 times less for hydrogen, the power of the heat source q t = r • G max (r is the heat of vaporization) and heat inflow to the cryogenic product from the environment, the required volume of the starting cavity can be determined.
При заданном максимальном расходе кислорода Gmax = 100 кг/ч мощность источника тепловыделения для обеспечения такого расхода при условии отбора паровой фазы будет: qт=r•Gmax = 44 ккал/кг•100 кг/ч = 4400 кг/ч или 5000 Вт. Теплоприток из окружающей среды через теплоизоляцию и тепловые мосты для кислородной емкости с заправляемой массой 40000 кг находится на уровне ~ 100 Вт. В результате расчета при таких данных время подъема давления получается τ ~ 30 часов, объем пусковой полости V = (100 кг/ч•30 ч)/1070 кг/м3 = 2,8 м3. Заправляемая масса кислорода в пусковую полость mп = ρ•V = 1087•2,8 = 3000 кг. Требуемое количество тепла для подъема давления кислорода в пусковой полости до нижнего рабочего уровня: q = c•m• ΔT = 0,4 ккал/кг•Гр•3000 кг•(112-102) = 12000 ккал. Такое количество тепла надо подвести за 30 мин, следовательно, мощность источника тепловыделения должна быть: 12000•2 = 24000 ккал/ч (28 кВт) В пусковую емкость с целью уменьшения времени подъема кислород заправляется перегретым до ~ Т = 102К, что соответствует давлению P = 3 кгс/см2. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает компактность устройства за счет существенного сокращения его объема и более, чем на 2 порядка уменьшает требуемую для подъема давления до рабочего уровня мощность источника тепловыделения, что позволяет обеспечить подъем давления до нижнего рабочего уровня в требуемое время с равномерным прогревом криогенного продукта.For a given maximum oxygen flow rate G max = 100 kg / h, the power of the heat source to ensure such a flow rate, subject to the selection of the vapor phase, will be: q t = r • G max = 44 kcal / kg • 100 kg / h = 4400 kg / h or 5000 Tue The heat gain from the environment through thermal insulation and thermal bridges for an oxygen tank with a refueling mass of 40,000 kg is at a level of ~ 100 W. As a result of the calculation with such data, the pressure rise time is τ ~ 30 hours, the volume of the starting cavity V = (100 kg / h • 30 h) / 1070 kg / m 3 = 2.8 m 3 . The filled mass of oxygen into the starting cavity m p = ρ • V = 1087 • 2.8 = 3000 kg. The required amount of heat for raising the oxygen pressure in the starting cavity to the lower working level: q = c • m • ΔT = 0.4 kcal / kg • Gy • 3000 kg • (112-102) = 12000 kcal. Such an amount of heat must be brought in 30 minutes, therefore, the power of the heat source must be: 12000 • 2 = 24000 kcal / h (28 kW) In order to reduce the rise time, the oxygen is charged overheated to ~ T = 102 K, which corresponds to pressure P = 3 kgf / cm 2 . Thus, the proposed technical solution ensures the compactness of the device due to a significant reduction in its volume and by more than 2 orders of magnitude reduces the heat source power required to raise the pressure to the operating level, which allows the pressure to rise to the lower working level at the required time with uniform heating of the cryogenic product.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема устройства. The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of the device.
Устройство содержит внутреннюю оболочку 1, закрепленную на опорах 2 в вакуумно-плотной наружной оболочке 3. На опорах 2 также закреплен охлаждаемый экран 4, на который нанесена вакуумно- многослойная теплоизоляция 5. В полости внутренней оболочки 1 установлена герметичная несущая перегородка 6, разделяющая полость внутренней оболочки на основную 7 и пусковую 8. Со стороны основной полости 7 на поверхность перегородки 6 нанесена теплоизоляция из пористого материала с открытыми порами 9, например стеклянная вата. Теплоизоляция необходима для уменьшения перетечек тепла из одной полости в другую, что имеет место при разности давлений, а следовательно, и температур. Так как давление в полости 8 в основном всегда больше, то отвод из нее тепла будет приводить к понижению давления в ней, что нежелательно, особенно при безрасходном хранении. Теплоизоляция выполнена пористой, чтобы уменьшить объем, занимаемый этим теплоизоляционным слоем и минимизировать из-за этого увеличение объема емкости, что является существенным фактором. В каждой из полостей 7 и 8 установлены внутрибаковые электронагреватели, соответственно 10 и 11, трубопроводы заправки, соответственно 12, 13 и дренажа, соответственно 14, 15. На заправочно-дренажных трубопроводах основной и пусковой полостей установлены запорные электроклапаны 16, 17, 18, 19. Заправочные трубопроводы 12, 13 основной и пусковой полостей после клапанов 16, 17 соединены трубопроводом 20, а дренажные трубопроводы 14, 15 после запорных клапанов 18, 19 соединены трубопроводом 21. К соединительному трубопроводу 20 пристыкован трубопровод 22, а к соединительному трубопроводу 21 пристыкован трубопровод 23, которые соединены между собой трубопроводом 24 с электроклапаном 25. К трубопроводу 22 пристыковывается заправочная магистраль системы заправки, а к трубопроводу 23 - магистраль дренажа. Для выдачи криогенного продукта из емкости к потребителю, например, в ЭХГ к трубопроводу 23 подстыкован трубопровод 26, а к трубопроводу 22 подстыкован трубопровод 27 с электроклапанами 28 и 29 соответственно. Трубопроводы 26, 27 соединены объединительным трубопроводом 30, к которому подстыкован трубопровод 31, другой конец которого подстыкован к теплообменнику-газификатору 32, после которого нагретый до плюсовых температур криогенный продукт через соответствующую арматуру подается в ЭХГ. В основной и пусковой полостях 7, 8 установлены датчики измерения количества криогенного продукта, соответственно 33, 34, а на дренажных трубопроводах основной и пусковой полостей 7, 8 установлены датчики давления, соответственно 35, 36. The device comprises an inner shell 1, mounted on supports 2 in a vacuum-tight outer shell 3. A cooled screen 4 is also fixed on the supports 2, on which a vacuum multi-layer thermal insulation is applied 5. A sealed support partition 6 is installed in the cavity of the inner shell 1, separating the cavity of the inner shells on the main 7 and starting 8. From the side of the main cavity 7, the surface of the partition 6 is coated with a porous material with open pores 9, for example glass wool. Thermal insulation is necessary to reduce heat leakage from one cavity to another, which takes place with a difference in pressure, and hence temperature. Since the pressure in the cavity 8 is generally always greater, the removal of heat from it will lead to a decrease in pressure in it, which is undesirable, especially during waste-free storage. The thermal insulation is made porous in order to reduce the volume occupied by this heat-insulating layer and to minimize the increase in capacity due to this, which is a significant factor. In each of the cavities 7 and 8, internal tank heaters, respectively 10 and 11, refueling pipelines, 12, 13, and drainage, respectively, 14, 15, are installed. Shut-off electrovalves 16, 17, 18, 19 are installed on the filling and drainage pipelines of the main and starting cavities The filling pipelines 12, 13 of the main and starting cavities after the valves 16, 17 are connected by a pipe 20, and the drainage pipes 14, 15 after the shut-off valves 18, 19 are connected by a pipe 21. A pipe 22 is connected to the connecting pipe 20, and pipe 23 is connected to the pipeline 21, which are interconnected by a pipe 24 with an electrovalve 25. A filling line of the filling system is connected to the pipe 22, and a drain pipe is connected to the pipe 23. To transfer the cryogenic product from the tank to the consumer, for example, in the ECG, the pipe 26 is connected to the pipe 23, and the pipe 27 is connected to the pipe 22 with electrovalves 28 and 29, respectively. Pipelines 26, 27 are connected by a joint pipe 30, to which a pipe 31 is docked, the other end of which is docked to a heat exchanger-gasifier 32, after which a cryogenic product heated to positive temperatures is fed through an appropriate valve to the ECG. In the main and starting cavities 7, 8, sensors for measuring the amount of cryogenic product are installed, respectively 33, 34, and pressure sensors, respectively, 35, 36 are installed in the drainage pipelines of the main and starting cavities 7, 8.
Работает устройство следующим образом. The device operates as follows.
Открывается перепускной клапан 24 и производится захолаживание дренажно-заправочных магистралей системы заправки и участков заправочно-дренажных трубопроводов устройства до запорных клапанов 16, 17, 18, 19. После окончания захолаживания открываются вышеупомянутые запорные клапаны и производится заправка основной и пусковой полостей криогенным продуктом до достижения требуемого количества, которое фиксируется датчиками количества 33, 34. После окончания заправки пусковой полости (она заправится первой, т. к. в нее заправляется в ~ 12 раз меньше криогенного продукта, чем в основную полость) закрывается клапан 16 и затем 19. Продолжается заправка основной полости и после достижения в ней требуемого количества криогенного продукта закрываются клапаны 17 и затем 18. Включается технологическая секция внутрибакового электронагревателя пусковой полости (N = 28 кВт), которая запитывается от наземной системы электроснабжения. Технологическая секция обеспечивает подъем давления в пусковой полости за требуемое время - не более 30 мин. Открываются клапаны 16, 29 и производится подача криогенного продукта в ЭХГ из пусковой полости. Отбирается жидкая фаза криогенного продукта, т. к. в этом случае для обеспечения одного и того же расхода требуется теплоподвод для поддержания давления на уровне P = Const приблизительно во столько раз меньше, чем при отборе паровой фазы, во сколько плотность жидкости больше плотности пара. С началом работы ЭХГ включаются внутрибаковые электронагреватели 10, 11 основной и пусковой полостей (мощность каждого из них рассчитана на обеспечение Gmax при отборе паровой фазы и равна, как было раньше отмечено, 5 кВт).The bypass valve 24 opens and the cooling lines of the filling system and sections of the filling and drain lines of the device are cooled to the shutoff valves 16, 17, 18, 19. After the cooling is completed, the above-mentioned shut-off valves are opened and the main and starting cavities are filled with the cryogenic product until the required the amount that is fixed by the quantity sensors 33, 34. After the filling of the starting cavity is completed (it will be charged first, since it will be filled with ~ 12 times less e of the cryogenic product than in the main cavity), the valve 16 and then 19 are closed. The main cavity is refilled and after reaching the required amount of the cryogenic product in it, the valves 17 and then 18 are closed. The technological section of the in-tank electric heater of the starting cavity is turned on (N = 28 kW), which is powered by a ground power system. The technological section provides a rise in pressure in the launch cavity in the required time - not more than 30 minutes. Valves 16, 29 are opened and the cryogenic product is supplied to the ECG from the starting cavity. The liquid phase of the cryogenic product is selected, because in this case, to ensure the same flow rate, heat supply is required to maintain the pressure at the level of P = Const, approximately as many times less than when taking the vapor phase, how much the liquid density is higher than the vapor density. With the beginning of the ECG operation, the internal tank electric heaters 10, 11 of the main and starting cavities are switched on (the power of each of them is designed to provide G max during the selection of the vapor phase and is equal to 5 kW, as was previously noted).
После достижения верхнего уровня заданного рабочего диапазона давлений в пусковой полости, например, 10 кгс/см2 внутрибаковый электронагреватель 11 выключается. В пусковой полости давление быстро достигнет верхнего рабочего уровня, т. к. производится отбор жидкой фазы и не обязательно все время с максимальным расходом. После подъема давления в основной полости 7 в результате работы электронагревателя 10 до нижнего уровня - 7 кгс/см2 закрывается клапан 16, открывается клапан 17 и производится отбор криогенного продукта в ЭХГ из основной полости. С целью экономии энергозатрат также отбирается жидкая фаза криогенного продукта. Электронагреватель 10 продолжает работать. После повышения давления в полости 7 до 10 кгс/см2 электронагреватель 10 выключается. Если в это время давление в пусковой полости 8 находится тоже на уровне 10 кгс/см2, то клапаны 17, 29 закрываются, открываются клапаны 19, 28 и производится отбор паровой фазы из пусковой полости до понижения давления в ней до нижнего рабочего уровня. После этого клапаны 19, 28 закрываются, открываются клапаны 17, 29 и 16 и производится отбор жидкой фазы из полости 7 в ЭХГ и одновременно подзаправка пусковой полости 8 до тех пор, пока в полостях не выровнятся давления, после чего клапан 16 закрывается. Продолжается отбор жидкой фазы из основной полости. Если в результате отбора постепенно давление в полости 7 понизится до нижнего рабочего уровня, то открываются клапаны 19, 18 и производится наддув пара из пусковой полости. В результате наддува давление в полостях 7, 8 установится на каком-то уровне между нижним и верхним рабочими уровнями. После этого клапаны 18, 19 закрываются. Продолжается отбор жидкой фазы из основной полости, и после понижения давления в результате отбора до нижнего рабочего уровня опять открываются клапаны 19, 18 и производится наддув из пусковой полости, где за время безрасходного хранения давление возрастет.After reaching the upper level of the specified operating pressure range in the starting cavity, for example, 10 kgf / cm 2 the internal tank heater 11 is turned off. In the starting cavity, the pressure quickly reaches the upper working level, since the selection of the liquid phase is performed and not necessarily all the time with the maximum flow rate. After the pressure rise in the main cavity 7 as a result of the electric heater 10 to the lower level - 7 kgf / cm 2, the valve 16 closes, the valve 17 opens and the cryogenic product in the ECG is taken from the main cavity. In order to save energy, the liquid phase of the cryogenic product is also selected. Electric heater 10 continues to operate. After increasing the pressure in the cavity 7 to 10 kgf / cm 2 the electric heater 10 is turned off. If at this time the pressure in the starting cavity 8 is also at the level of 10 kgf / cm 2 , then the valves 17, 29 are closed, the valves 19, 28 are opened and the vapor phase is taken from the starting cavity to lower the pressure in it to the lower working level. After that, the valves 19, 28 are closed, the valves 17, 29 and 16 are opened and the liquid phase is taken from the cavity 7 to the ECG and at the same time the starting cavity 8 is refilled until the pressures in the cavities equalize, after which the valve 16 closes. The selection of the liquid phase from the main cavity continues. If, as a result of the selection, the pressure in the cavity 7 gradually decreases to the lower working level, then the valves 19, 18 open and steam is pressurized from the starting cavity. As a result of pressurization, the pressure in the cavities 7, 8 will be established at some level between the lower and upper working levels. After that, the valves 18, 19 are closed. The selection of the liquid phase from the main cavity continues, and after lowering the pressure as a result of selection to the lower working level, the valves 19, 18 are opened again and pressurization from the starting cavity is performed, where the pressure increases during waste-free storage.
Такой способ ведения процесса выдачи позволяет существенно снизить энергозатраты на поддержание давления в процессе выдачи криогенных продуктов. Если рост давления в пусковой полости превысит верхний рабочий уровень на 0,5 кгс/см2, то открываются клапаны 19, 28 и производится отбор пара из полости 8 до момента понижения давления в ней до верхнего рабочего уровня. При отборе пара из пусковой полости клапаны 17, 29 закрываются, а после прекращения отбора опять открываются. К концу выработки криогенного продукта из основной полости и понижении давления до нижнего уровня наддув пара из пусковой полости уже не приведет к повышению давления, т. к. для этого потребуется большое количество наддуваемого пара. С этого момента выработка до невырабатываемого остатка производится при непрерывной работе электронагревателя 10. После выработки криогенного продукта до невырабатываемого остатка из основной полости клапан 17 закрывается, открывается клапан 16 и производится выработка до невырабатываемого остатка из пусковой полости, также при непрерывной работе нагревателя 11. Такая последовательность выработки нужна для того, чтобы давление в пусковой полости всегда было больше или равно давлению в основной полости. Это более благоприятные условия для несущей герметичной перегородки 6 исходя из прочностных соображений.This method of conducting the process of issuing can significantly reduce energy consumption to maintain pressure in the process of issuing cryogenic products. If the pressure increase in the starting cavity exceeds the upper working level by 0.5 kgf / cm 2 , then the valves 19, 28 open and steam is taken from the cavity 8 until the pressure in it drops to the upper working level. When steam is removed from the starting cavity, the valves 17, 29 are closed, and after the cessation of selection, they again open. By the end of the production of the cryogenic product from the main cavity and lowering the pressure to the lower level, the steam boost from the starting cavity will no longer lead to an increase in pressure, since this will require a large amount of pressurized steam. From this moment, generation to an undeveloped residue is carried out during continuous operation of the electric heater 10. After the cryogenic product is generated to an undeveloped residue from the main cavity, the valve 17 is closed, valve 16 is opened and a generation to an undeveloped residue from the starting cavity is produced, also during continuous operation of heater 11. Such a sequence development is needed so that the pressure in the starting cavity is always greater than or equal to the pressure in the main cavity. These are more favorable conditions for the load-bearing sealed partition 6 based on strength considerations.
Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями предлагаемое устройство компактно и позволяет минимизировать время его подготовки к выдаче криогенных продуктов к потребителю в заданном допусковом диапазоне давлений и существенно снизить энергозатраты на поддержание давления в процессе выдачи криогенных продуктов. Thus, in comparison with the known technical solutions, the proposed device is compact and allows you to minimize the time of its preparation for delivery of cryogenic products to the consumer in a given tolerance range of pressure and significantly reduce energy consumption for maintaining pressure in the process of issuing cryogenic products.
Claims (1)
V = Gmax•τ/ρ,
где V - объем пусковой полости, м3;
Gmax - максимальный расход криогенного продукта, кг/ч;
ρ - плотность криогенного продукта при равновесной температуре, соответствующей нижнему рабочему уровню давления, кг/м3;
τ = (m•c•ΔT)/(q+Gmax•c•ΔT),
где τ - время подъема давления в основной полости от давления заправки до нижнего рабочего уровня, ч;
m - суммарная заправляемая масса криогенного продукта в основной и пусковой полости, кг;
с - теплоемкость криогенного продукта, дж/кг • град;
ΔT = Tкон-Tнач,
где Тнач - температура криогенного продукта в основной полости после окончания заправки, К;
Ткон - равновесная температура криогенного продукта в основной полости, соответствующая нижнему рабочему уровню давления, К;
q = qт + qос,
где q - суммарный теплоподвод к криогенному продукту в основной полости в процессе подъема давления, Вт;
qт - теплоподвод к криогенному продукту в основной полости от источника тепловыделения, Вт;
qос - теплоподвод из окружающей среды к криогенному продукту в основной полости, Вт.A device for storing and supplying cryogenic products containing a thermally insulated inner shell enclosed in a vacuum-tight outer shell, a heat source, filling and drainage pipelines, shut-off valves and instrumentation, characterized in that a sealed supporting partition is introduced into the cavity of the inner shell, dividing this cavity into the main and starting, while in each cavity a heat source, refueling and drainage pipelines with shut-off valves and flax-measuring apparatus, and the same name pipes after the stop valves are combined with each other, wherein the surface of said side walls of the main cavity of the insulation coated porous material with open pores and the volume of the cavity defined by starting from the expression
V = G max • τ / ρ,
where V is the volume of the launch cavity, m 3 ;
G max - maximum consumption of cryogenic product, kg / h;
ρ is the density of the cryogenic product at equilibrium temperature corresponding to the lower working pressure level, kg / m 3 ;
τ = (m • c • ΔT) / (q + G max • c • ΔT),
where τ is the time of pressure rise in the main cavity from the filling pressure to the lower working level, h;
m is the total refuelable mass of the cryogenic product in the main and starting cavities, kg;
C is the specific heat of the cryogenic product, j / kg • deg;
ΔT = T con -T beg ,
where T beg is the temperature of the cryogenic product in the main cavity after refueling, K;
T con - the equilibrium temperature of the cryogenic product in the main cavity, corresponding to the lower working level of pressure, K;
r q = q + q axes,
where q is the total heat supply to the cryogenic product in the main cavity during the pressure rise, W;
q t - heat supply to the cryogenic product in the main cavity from the heat source, W;
q os - heat supply from the environment to the cryogenic product in the main cavity, W.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98116000A RU2137023C1 (en) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | Device for storage and delivery of cryogenic products |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU98116000A RU2137023C1 (en) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | Device for storage and delivery of cryogenic products |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2137023C1 true RU2137023C1 (en) | 1999-09-10 |
Family
ID=20209845
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU98116000A RU2137023C1 (en) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | Device for storage and delivery of cryogenic products |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2137023C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7260942B2 (en) | 2004-09-27 | 2007-08-28 | Alexander Shteinberg | Method of sealing joints of pipelines and containers operating with cryogenic fluids |
| RU2715053C1 (en) * | 2019-09-20 | 2020-02-25 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | System for cryogenic storage and supply of reagents for power plant with electrochemical generators |
-
1998
- 1998-08-20 RU RU98116000A patent/RU2137023C1/en active
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7260942B2 (en) | 2004-09-27 | 2007-08-28 | Alexander Shteinberg | Method of sealing joints of pipelines and containers operating with cryogenic fluids |
| RU2715053C1 (en) * | 2019-09-20 | 2020-02-25 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | System for cryogenic storage and supply of reagents for power plant with electrochemical generators |
| RU2715053C9 (en) * | 2019-09-20 | 2021-04-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ | System for cryogenic storage and supply of reagents for power plant with electrochemical generators |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113614443B (en) | Device and method for storing and supplying fluid fuel | |
| US6474101B1 (en) | Natural gas handling system | |
| GB1588900A (en) | Methods of and apparatus for distributing gases under pressure | |
| KR101915624B1 (en) | Hydrogen release system | |
| US3030780A (en) | Refrigerated container for liquefied gases | |
| US2670605A (en) | System and method for charging carbon dioxide containers | |
| CN115321477A (en) | Solid hydrogen storage container, rack and circulating hydrogen storage and release system | |
| CN106662411A (en) | Device for storing a liquid | |
| RU2137023C1 (en) | Device for storage and delivery of cryogenic products | |
| AU767530B2 (en) | Cyrogenic densification through introduction of a second cryogenic fluid | |
| CN113030151B (en) | Device and method for testing liquefaction rate of low-temperature gas liquefaction device | |
| US3147593A (en) | Fuel store | |
| KR102379650B1 (en) | Ambient type high-pressure hydrogen vaporizer and hydrogen charging apparatus using the same | |
| CN115076592B (en) | BOG control system and method for liquid hydrogen storage tank and liquid hydrogen storage tank | |
| RU2386890C2 (en) | Spacecraft cryogenic refueling system | |
| CN114624286A (en) | High-safety liquid hydrogen storage tank testing system and method capable of saving liquid hydrogen consumption | |
| RU2094697C1 (en) | Liquid oxygen storage and feeding device | |
| CN113984826B (en) | Visual experimental device for observing fluid phase state in low-temperature bare-wall storage tank | |
| RU2297373C2 (en) | System for filling the upper stage oxidizer tank with supercooled oxygen | |
| RU2752451C1 (en) | Cryogenic oxygen storage and delivery system for anaerobic power plant with electrochemical generators | |
| RU2269461C2 (en) | Method of filling liquid loop of temperature control system with heat-transfer agent and device for realization of this method | |
| RU2772307C1 (en) | System for cooling rocket fuel at launch complex | |
| RU2767405C2 (en) | Liquid oxygen rocket refueling system | |
| RU2221965C2 (en) | Cryogenic vessel filling method and system | |
| RU2347971C2 (en) | Device for storing and supplying cryogenic product and method of storing and supplying cryogenic product |