RU2737960C1 - Система криогенного хранения и подачи реагентов для энергетической установки с электрохимическими генераторами - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно к системам хранения и подачи реагентов (СКХР) в виде жидкого водорода и кислорода на подводных аппаратах (ПА) и подводных лодках (ПЛ) с энергетическими установками (ЭУ) на базе электрохимических генераторов (ЭХГ) с водородно-кислородными элементами. Система содержит цилиндрическую емкость для кислорода, которая установлена внутри наружного корпуса соосно емкости для водорода, при этом каждая из емкостей снабжена дополнительным наружным корпусом, внутренняя герметичная полость которого выполнена с экранно-вакуумной изоляцией. Система также снабжена теплоизолирующим экраном, датчиками контроля давления, уровня, вакуума, камерами, заполненными инертным газом, испарителями, двумя криогенными трубопроводами, и другими элементами, обеспечивающими ее безопасность и герметичность. Повышение надежности работы СКХР является техническим результатом изобретения. Кроме того, система обеспечивает снижение длительности проведения ремонтно-восстановительных работ при эксплуатации подводных аппаратов. 1 ил.

Description

Изобретение относится к системам хранения и подачи реагентов (СКХР), а именно к системам криогенного хранения и подачи жидкого водорода и кислорода на подводных аппаратах (ПА) и подводных лодках (ПЛ) с энергетическими установками (ЭУ) на базе электрохимических генераторов (ЭХГ) с водородно-кислородными элементами.

Известно устройство хранения и подачи криогенных продуктов, содержащее теплоизолированную внутреннюю оболочку, заключенную в вакуумно-плотную наружную оболочку, при этом трубопроводы заправки и провода от датчиков температуры на участке между наружной и внутренней оболочками локализованы в одной зоне, которая заключена в дополнительную вакуумно-плотную оболочку и снабжена дополнительным клапаном вакуумирования (см. Патент РФ2153622)

Недостаток данного устройства заключается в том, что оно только частично решает вопрос о безопасности и ремонтоспособности изделия, но не гарантирует безопасность эксплуатации при потере герметичности в теплоизоляционной полости из-за дефектов, например, в клапане вакуумирования, предохранительной мембране, установленных на внешней оболочке.

Известна энергетическая установка для подводных аппаратов, содержащая ЭХГ с водородно-кислородными топливными элементами, СКХР в виде двух баков для хранения жидкого водорода и двух баков для хранения жидкого кислорода, установленных снаружи корпуса подводного аппарата, а также систему подачи реагентов на ЭХГ (см. Журнал «Судостроение» №2, 1988 г. стр. 25-28. А.А. Постнов «Опытная подводная лодка проект 613Э с электрохимическими генераторами)

Несмотря на то что компоновка системы хранения реагентов вне объема подводного аппарата с одной стороны в какой-то мере повышает общую пожаровзрывобезопасность, а с другой стороны увеличивает вероятность потери герметичности криогенных емкостей, что приводит к увеличению вероятности возникновения пожаровзрывоопасных ситуации, а кроме того резко увеличивает сопротивления воды при движении подводного аппарата.

Наиболее близким аналогом является система криогенного хранения и подачи реагентов для энергетической установки с электрохимическими генераторами, включающая емкость для водорода и кислорода, расположенные внутри одного наружного вакуумного корпуса, выполненного в форме цилиндрической оболочки с торцевыми стенками, при этом емкость для кислорода выполнена в виде сосуда кольцевой формы, расположенной вокруг цилиндрической емкости для водорода, и емкость для кислорода имеет боковые перегородки, выполняющие роль дополнительного негерметичного теплоизолирующего экрана для емкости водорода.(см. Патент РФ 2715053)

Хотя в рассматриваемой СКХР за счет компоновки цилиндрической емкости для жидкого водорода и жидкого кислорода внутри одного вакуумного корпуса с экранно-вакуумной изоляцией удается обеспечить уменьшение массогабаритных характеристик СКХР, а размещение емкости для водорода внутри кислородной емкости, выполненной в виде сосуда кольцевой формы, позволяет обеспечить снижение теплопритоков к емкости для жидкого водорода, СКХР обладает рядом существенных недостатков, а именно:

- во - первых, в конструктивной схеме и описании не раскрыта организации технологии подачи реагентов для работы ЭХГ;

- во-вторых, предложенное техническое решение отличается низкой надежностью, что обусловленно высокой вероятностью возникновения пожаровзрывоопасной ситуации в случае попадания в общую вакуумную полость водорода и кислорода или в объем отсека подводного аппарата при внезапной потери вакуума в объеме наружного вакуумного корпуса СКХР, а кроме того в условиях подводного аппарата и особенно в условиях подводной лодки требуется большое количество времени и высокие затраты для проведения аварийно-восстановительных работ, при этом подводный аппарат будет простаивать, а боевая готовность лодки падать.

Целью изобретения является повышение надежности СКХР и минимизация времени и затрат при проведении качественных ремонтно-восстановительных работ для возвращения в кратчайший срок в рабочую эксплуатацию подводных аппаратов.

Поставленная цель достигается тем, что в системе криогенного хранения и подачи реагентов для энергетической установки с электрохимическими генераторами, включающей емкость для водорода и кислорода, расположенных внутри одного наружного вакуумного корпуса выполненного в форме цилиндрической оболочки с торцевыми стенками, при этом емкость для кислорода выполнена в виде сосуда кольцевой формы, расположенной вокруг цилиндрической емкости для водорода, и емкость для кислорода имеет боковые перегородки, выполняющие роль дополнительного негерметичного теплоизолирующего экрана для емкости водорода, емкость, для кислорода выполнена цилиндрической формы и установлена внутри наружного корпуса соосно емкости для водорода, при этом каждая из емкостей снабжена дополнительным наружным корпусом, внутренняя герметичная полость которого выполнена с экранно-вакуумной изоляцией, и на внутренней поверхности каждого дополнительного корпуса закреплен трубчатый змеевик, а кроме того между дополнительным наружным корпусом емкости для водорода и наружным вакуумным корпусом установлен негерметичный теплоизолирующий экран, соединенный с дополнительным наружным корпусом емкости для кислорода, при этом каждая емкость оснащена датчиком контроля давления и датчиком уровня, а объемы дополнительных наружных корпусов и объем наружного вакуумного корпуса - датчиком контроля вакуума, а кроме того на торцевых стенках наружного вакуумного корпуса выполнены герметичные камеры, заполненные инертным газом, при этом в каждой из камер для осуществления режимов работы смонтировано только водородное или кислородное технологическое оборудование в виде испарителя наддува с трубопроводом наддува и запорно-регулирующего клапана, испарителя реагента, двух криогенных трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой, один из которых присоединен к трубчатому змеевику и испарителю реагента, а второй - к испарителю реагента, испарителю наддува и нижнему днищу емкости, и двух криогенных трубопроводов для заполнения емкости жидким реагентом, при этом каждый из криогенных трубопроводов выполнен из двух автономных секций с экранно-вакуумной изоляцией, при чем одна из секций каждого криогенного трубопровода расположена в герметичной камере, и ресивера с запорно-регулирующим клапаном и трубопроводом подачи газообразного реагента, подключенных к испарителю реагента, а также приборы контроля, а именно: датчика контроля давления в ресивере, датчика контроля температуры после испарителя реагента и датчика давления инертного газа в герметичной камере, а кроме того систем;: размещена в отсеке подводного аппарата, выполненного в виде съемного модуля, и соединена с электрохимическим генератором, установленным в соседнем отсеке подводного аппарата и отделенного от системы герметичной перегородкой, посредством двух трубопроводов, один из которых подключен к трубопроводу подачи газообразного реагента, смонтированному в герметичной камере с кислородным технологическим оборудованием, а другой - к трубопроводу подачи газообразного реагента, смонтированному в герметичной камере с водородным технологическим оборудованием, при этом каждый трубопровод заключен в герметичный кожух и снабжен разъемным узлом стыковки с электрохимическим генератором, а отсек подводного аппарата с оборудованием системы также заполнен инертным газом и оснащен датчиком контроля давления инертного газа, а кроме того, система дополнительно снабжена устройством для сжигания водорода и кислорода, которое соединено трубопроводом с запорно-регулирующим клапаном с ресивером газообразного водорода и трубопроводом с запорно-регулирующим клапаном с ресивером газообразного кислорода, при этом каждый трубопровод заключен в герметичный кожух.

На фиг. 1 дана принципиальная конструктивная схема СКХР, поясняющая сущность предлагаемого технического решения и выполненная для наглядности и четкости на двух листах, СКХР включает наружный вакуумный корпус 1 в форме цилиндрической оболочки с торцевыми стенками, внутри которого установлена цилиндрическая емкость 2 для водорода и соосно ей цилиндрическая емкость 3 для кислорода, при этом цилиндрическая емкость 2 для водорода снабжена дополнительным наружным корпусом 4, внутренняя герметичная полость которого выполнена с экранно-вакуумной изоляцией, при этом на внутренней поверхности корпуса 4 закреплен трубчатый змеевик 5, одним концом соединенный с емкостью 2 для водорода. Емкость 3 для кислорода также снабжена дополнительным наружным корпусом 6, внутренняя герметичная полость которого также выполнена с экранно-вакуумной изоляцией, при этом на внутренней поверхности корпуса 6 закреплен трубчатый змеевик 7, одним концом подсоединенный к днищу емкости 3 для кислорода. Для уменьшения теплопритоков к емкости 2 для водорода между дополнительным наружным корпусом 4 и наружным вакуумным корпусом 1 установлен негерметичный теплоизолирующий экран 8, соединенный с дополнительным наружным корпусом 6 емкости 3 для кислорода. На одной из торцевых стенок наружного вакуумного корпуса 1 установлена герметичная камера 9, заполненная инертным газом, в которой смонтировано только водородное технологическое оборудование в виде испарителя наддува 10 с запорно-регулирующим клапаном 11 и криогенным трубопроводом наддува, соединенного с газовой подушкой емкости 2 для водорода и выполненного из двух автономных секций 12 и 13 с экранно-вакуумной изоляцией, при этом секция 12 трубопровода расположена в герметичной камере 9, испарителя 14 водорода, ресивера 15 газообразного водорода, криогенного трубопровода, подключенного к испарителю 14 водорода и трубчатому змеевику 5, при этом криогенный трубопровод выполнен из двух автономных секций 16 и 17 с экранно-вакуумной изоляцией, а секция 16 трубопровода расположена в герметичной камере 9 и оснащена запорно-регулирующим клапаном 18, а также криогенного трубопровода, подключенного к нижнему днищу емкости 2 для водорода, запорно-регулирующему клапану 11 и испарителю 14 водорода, при этом криогенный трубопровод также выполнен из двух автономных секций 19 и 20, а секция 19 трубопровода расположена в герметичной камере 9 и оснащена запорно-регулирующим клапаном 21. Заполнение емкости 2 для водорода производится с помощью криогенного трубопровода, также выполненного из двух автономных секций 22 и 23 с экранно-вакуумной изоляцией, при этом секция 22 расположена в герметичной камере 9 и подсоединена к секции 16. Сброс паров водорода, образующихся в процессе заправки, выполняется с помощью криогенного трубопровода, также выполненного из двух автономных секций 24 и 25, при этом секция 24 установлена в герметичной камере и подсоединена к секции 12. Испаритель 14 водорода трубопроводом 26 соединен с ресивером 15, к которому подключен трубопровод 27 с запорно-регулирующим клапаном 28 подачи газообразного водорода.

На другой стенке наружного корпуса 1 установлена идентичная герметичная камера 29, заполненная инертным, газом, з которой смонтировано только кислородное технологическое оборудование в виде испарителя наддува 30 с запорно-регулирующим клапаном 31 и криогенным трубопроводом наддува, соединенного с газовой подушкой емкости 3 для кислорода и выполненного из двух автономных секций 32 и 33 с экранно-вакуумной изоляцией, при этом секция 33 трубопровода расположена в герметичной камере 29, испарителя 34 кислорода, ресивера 35 газообразного кислорода, криогенного трубопровода, подключенного к испарителю 34 кислорода и трубчатому змеевику 5, при этом криогенный трубопровод выполнен из двух автономных секций 36 и 37 с экранно-вакуумной изоляцией, а секция 36 трубопровода расположена в герметичной камере 29 и оснащена запорно-регулирующим клапаном 38, а также криогенного трубопровода, подключенного к нижнему днищу емкости 3 для кислорода, запорно-регулирующему клапану 31 и испарителю кислорода 34, при этом также и выполненного из двух автономных секций 39 и 40 с экранно-вакуумной изоляцией, а секция 39 трубопровода расположена в герметичной камере 29 и оснащена запорно-регулирующим клапаном 41. Заполнение емкости 3 для кислорода производится с помощью криогенного трубопровода, также выполненного из двух автономных секций 44 и 45 с экранно-вакуумной изоляцией, при этом секция 44 расположена в герметичной камере 29 и подсоединена к секции 36. Сброс паров кислорода, образующихся в процессе заправки выполняется с помощью криогенного трубопровода, также выполненного из двух автономных секций 42 и 43, при этом секция 42 установлена в герметичной камере 29 и подсоединена к секции 33. Испаритель 34 кислорода трубопроводом 46 соединен с ресивером 35, к которому подключен трубопровод 47 с запорно-регулирующим клапаном 48 подачи газообразного кислорода.

СКХР размещена в отсеке 49 подводного аппарата, выполненного в виде съемного модуля и соединена с ЭХГ 50, установленного в соседнем отсеке 51 подводного аппарата и отделенного от СКХР герметичной перегородкой 52 с помощью двух трубопроводов 53 и 54. Трубопровод 53 подключен к трубопроводу 27 подачи газообразного водорода из ресивера 15, расположенных в герметичной камере 9, при этом трубопровод 53 заключен в герметичный кожух 55 и снабжен разъемным узлом стыковки 56 с ЭХГ 50, а второй трубопровод 54 подключен к трубопроводу 47 подачи газообразного кислорода из ресивера 35, при этом трубопровод 54 также заключен в герметичный кожух 57 и снабжен разъемным узлом стыковки 58 с ЭХГ 50.

Для контроля рабочих параметров СКХР оснащена датчиками контроля давления 59 и 60, уровня жидкого реагента 61 и 62, установленных соответственно в емкостях 2 и 3, датчиками контроля давления 63, 64 и 65 инертного газа, установленных соответственно в герметичных камерах 9, 29 и отсеке 49 подводного аппарата, датчиками 66,67 и 68 контроля вакуума, установленных соответственно в объеме наружного вакуумного корпуса 1, в объеме дополнительного наружного корпуса 4 емкости 2 для водорода и в объеме дополнительного наружного корпуса 6 емкости 3 для кислорода, а также датчиками давления 69 и 70- соответственно в ресиверах 15 и 35 газообразного реагента, датчиками 71 и 72 контроля температур реагентов после испарителей 14 и 34 соответственно и датчиком 73 контроля теплоизолирующего экрана 8. Для выполнения режимов заправки и слива жидких реагентов из емкости 2 для водорода и емкости 3 для кислорода на криогенных секциях 23, 25, 43 и 45 установлены герметичные заглушки 74, 75, 76 и 77 соответственно.

Дополнительно СКХР снабжено устройством 78 для сжигания водорода и кислорода, которое соединено трубопроводом 79 и запорно-регулирующим клапаном 80 с ресивером 15 газообразного водорода и трубопроводом 81 с запорно-регулирующим клапаном 82 с ресивером 35 газообразного кислорода, при этом трубопроводы 79 и 81 заключены соответственно в герметичные кожуха 83 и 84.

Работа СКХР поясняется с помощью принципиальной схемы показанной на фиг 1, где отражен функциональный состав оборудования и взаимосвязь СКХР с ЭХГ.

Работа СКХР складывается из режима подготовки и штатного режима, в процессе которого могут возникать внештатные ситуации.

Режим подготовки заключается в последовательном захолаживании и заполнении емкостей жидкими реагентами. В первую очередь операцию захолаживания и заполнения проводят с емкостью 3 для кислорода. Режим может быть осуществлен как от транспортного заправщика кислорода, так и от стационарной емкости берегового комплекса (на черт. не показаны).

Для захолаживания и заполнения емкости 3 для кислорода закрывают запорно- регулирующий клапаны 31, 38 и 41, снимают герметичные заглушки 76 и 77 и с помощью специальных узлов стыковки (на черт. не показаны) осуществляют соединение криогенной секции 45 с трубопроводом подачи жидкого кислорода, например, от заправщика кислорода (на черт. не показан), а криогенную секцию 43, исходя из требования пожаробезопасноти, - с трубопроводом сброса в свечу(на черт. не показана) газообразного кислорода из емкости 3 для кислорода. Далее жидкий кислород от заправщика поступает в емкость 3 для кислорода через криогенные секции 45,44,36 и 37 в трубчатый змеевик 7, закрепленный на внутренней поверхности дополнительного наружного корпуса 6, окружающего емкость 3 для кислорода, при этом внутренняя герметичная полость корпуса 6 выполнена с экранно-вакуумной изоляцией и предварительно отвакуумирована до давления 1×10^-2 - 1×10^-3 мм рт.ст. Из трубчатого змеевика 7, подключенного к нижнему днищу емкости 3 для кислорода, вначале кислород поступает в виде газа, так как за счет испарения жидкого кислорода происходит захолаживание дополнительного наружного корпуса 6. Из емкости 3 газообразный кислород по криогенным секциям 32, 42 и 43 отводится в свечу. Темп подачи жидкого кислорода контролируют и регулируют по показанию датчика контроля давления 60. После захолаживания дополнительного наружного корпуса 6 и емкости 3 для кислорода ниже 95К в емкости 3 начинает появляться жидкий кислород, процесс накопления которого контролируется с помощью уровнемера 62. После достижения номинального уровня жидкого кислорода в емкости 3 подача жидкого кислорода от заправщика прекращается, производится часовая выдержка для температурной стабилизации жидкого кислорода в емкости 3, дополнительного наружного корпуса 6 и негерметичного теплоизоляционного экрана 8, температуру которого контролируют по датчику 73. После часовой выдержки по датчику 62 контролируют падение уровня жидкого кислорода в емкости 3 и производят дозаправку жидкого кислорода до номинального значения, после чего начинают процесс захолаживания и заполнения от заправщика водорода емкости 2 для водорода.

Для захолаживания и заполнения емкости 2 для водорода закрывают запорно-регулирующий клапаны 11,18 и 21, снимают герметичные заглушки 74 и 75 и с помощью специальных узлов стыковки (на черт. не показаны) осуществляют соединение криогенной секции 23 с трубопроводом подачи жидкого водорода, например, от заправщика водорода. (на черт. не показан), а криогенную секцию 25, исходя из требования пожаробезопасноти, соединяют с трубопроводом сброса в свечу (на черт. не показана) газообразного водорода из емкости 2 для водород. Далее жидкий водород от заправщика водорода поступает в емкость 2 для водорода, через криогенные секции 23, 22, 16 и 17 в трубчатый змеевик 5, закрепленный на внутренней поверхности дополнительного наружного корпуса 4, окружающего емкость 2 для водорода, при этом внутренняя герметичная полость корпуса 4 выполнена с экранно-вакуумной изоляцией и предварительно отвакуумирована до давления 1×10^-2 - 1×10^-3 мм рт.ст. Из трубчатого змеевика 5, подключенного к нижнему днищу емкости 2 для водорода, вначале водород поступает в виде газа, так как за счет испарения жидкого водорода происходит захолаживание дополнительного наружного корпуса 4. Из емкости 2 газообразный водород по криогенным секциям 13, 24 и 25 отводится в свечу. Темп подачи жидкого водорода контролируют и регулируют по показанию датчика контроля давления 59. После захолаживания дополнительного наружного корпуса 4 и емкости 2 для водорода ниже 25К в емкости 2 начинает появляться жидкий водород, процесс накопления которого контролируется с помощью уровнемера 61. После достижения номинального уровня жидкого водорода в емкости 2 подача жидкого водорода от заправщика прекращается и производится часовая выдержка для температурной стабилизации жидкого водорода в емкости 2 и дополнительного наружного корпуса 4. После часовой выдержки по датчику 61 контролируют падение уровня жидкого водорода в емкости 2 и производят дозаправку жидкого водорода до номинального уровня.

Режим захолаживания и заполнения считается завершенным, если уровни жидких реагентов в емкостях 2 и 3 стабилизировались на номинальном значении, температура теплоизолирующего экрана 8, соединенного с дополнительным корпусом 6 ниже 100К, а вакуум в теплоизоляционных полостях, контролируемый с помощью датчиков 66, 67 и 68, достиг значения порядка 1×10^-4 - 1×10^-5 мм рт. ст., а давление инертного газа в герметичных камерах 9 и 29, а также в газовой полости отсека 1, контролируемое с помощью датчиков давления 63,64 и 65 должно быть не выше 0,03МПа. При выполнении этих условий производят отсоединение СКХР от водородного и кислородного заправщиков и устанавливают герметичные заглушки 74, 75, 76 и 77 на криогенные секции 23, 25, 43 и 45.

Для проведения штатного режима работы СКХР в первую очередь необходимо поднять давление реагентов в емкости 2 для водорода и в емкости 3 для кислорода до значений, обеспечивающих работу ЭХГ, например, в емкости 2 для водорода до 0,8МПа, а в емкости 3 для кислорода до 1,2 МПа. Повышение давления в емкости 2 осуществляют за счет газификации жидкого водорода, подаваемого по криогенным секциям 20 и 19 из емкости 2 для водорода на испаритель наддува 10 с помощью запорно-регулирующего клапана 11. В испарителе наддува 10 в результате теплообмена с теплоносителем, например, с водой водород нагревается до температуры 230К-250К и по криогенным секциям 12 и 13 поступает в газовую подушку емкости 2 для водорода. При достижении заданного давления в газовой подушке, контролируемого с помощью датчика контроля давления 59, запорно-регулирующий клапан 11 закрывается, а в последующей работе СКХР в режиме выдачи реагентов для работы ЭХГ 50 давление в емкости 2 для водорода поддерживается с помощью запорно-регулирующего клапана 11 по сигналу от датчика 59 контроля давления в емкости 2 для водорода.

Повышение давления в емкости 3 для кислорода осуществляют за счет газификации жидкого кислорода, подаваемого по криогенным секциям 40 и 39 из емкости 3 для кислорода на испаритель наддува 30 с помощью запорно-регулирующего клапана 31. В испарителе наддува 30 в результате теплообмена с теплоносителем, например, с водой кислород нагревается до температуры 230К-250К и по криогенным секциям 33 и 32 поступает в газовую подушку емкости 3 для кислорода. При достижении заданного давления в газовой подушке, контролируемого с помощью датчика 60 контроля давления в емкости 3 для кислорода, запорно-регулирующий клапан 31 закрывается, а в последующей работе СКХР в режиме выдачи реагентов для работы ЭХГ 50 давление в емкости 3 для кислорода поддерживается с помощью запорно-регулирующего клапана 31 по сигналу отдатчика 60 контроля давления в емкости 3 для кислорода.

После окончания операции набора рабочих давлений в емкости 3 для кислорода и в емкости 2 для водорода осуществляют заполнение ресивера 15 газообразного водорода и ресивера 35 газообразного кислорода, но до этого вначале подают проточную воду в испарители 14 и 34 (на черт, подача воды не показана), а затем открывают запорно-регулирующие клапаны 18 и 38. В результате жидкий водород из емкости 2 для водорода и жидкий кислород из емкости 3 для кислорода под действием перепада давления заполняют соответственно трубчатый змеевики 5 и 7 и поступают в испаритель 14 водорода и в испаритель 34 кислорода, где происходит их испарение и нагрев до температуры 280К-290К за счет теплообмена с водой и заполнение ресиверов 14 и 34 до давления 0,8 МПа и 1,2 МПа соответственно, контролируемых с помощью датчиков 69 и 70. После заполнение ресивера 15 газообразного водорода и ресивера 35 газообразного кислорода СКХР переходит в штатный режим подачи газообразного водорода и газообразного кислорода в ЭХГ 50, расположенный в отсеке 50 и отделенным от отсека 49 подводного аппарата, где смонтирована СКХР, с помощью герметичной перегородки 52. Подача газообразного водорода из ресивера 15 в ЭХГ 50 производится по трубопроводу 27, соединенного с трубопроводом 53, заключенным в герметичный кожух 55 и снабженным узлом стыковки 56 с ЭХГ 50. Расход газообразного водорода в зависимости от электрической мощности ЭХГ 50 регулируется и поддерживается помощью запорно-регулирующего клапана 28. Подача газообразного кислорода из ресивера 35 в ЭХГ 50 производится по трубопроводу 47, соединенного с трубопроводом 54, заключенным в герметичный кожух 57 и снабженным узлом стыковки 58 с ЭХГ 50. Расход газообразного кислорода в зависимости от электрической мощности ЭХГ 50 регулируется и поддерживается помощью запорно-регулирующего клапана 48, при этом расход газообразных реагентов может изменяться в зависимости от условий работы энергетической установки подводного аппарата от максимального значения до полного прекращения подачи на ЭХГ 50.

Контрольным технологическим параметром, по которому происходит регулирование расходов реагентов, является давление газообразного водорода в ресивере 15, контролируемого с помощью датчика 69, и давление газообразного кислорода в ресивере 35, контролируемого с помощью датчика 70. Так, например, если давление водорода в ресивере 15 начинает уменьшаться, то для его восстановления за счет открытия запорно-регулирующего клапана 18 увеличивают расход жидкого водорода из емкости 2, где давление в газовой подушке, контролируемого с помощью датчика 59, отается стабильным и по абсолютному значению больше, чем в ресивере 15. Эта стабильность достигается за счет регулирования запорно-регулирующим клапаном 11 газообразного водорода, газифицируемого в испарителе 10 наддува. В установившемся режиме работы СКХР расход жидкого водорода остается неизменным, а его подача из емкости 2 в испаритель 14 водорода осуществляется через трубчатый змеевик 5, контактирующий с дополнительным наружным корпусом 4, раннее захоложенным ниже 25К в процессе заполнения емкости 2 жидким водородом от заправщика, по криогенным секциям 23 и 22. Водород, проходя по змеевику 5, воспринимает теплоприток от дополнительного корпуса4, который выполняет роль экрана для жидкого водорода, находящегося в емкости 2 и который получает теплоприток от теплоизолирующего негерметичного экрана 8, соединенного с дополнительным наружным корпусом 6 кислородной емкости 3 и который является для жидкого кислорода в емкости 3 аналогичным экраном, при этом температура теплоизолирующего экрана составляет ниже 95К. Водород после трубчатого змеевика 5 и секций 17, 16 приходит к испарителю 14 в двухфазном состоянии, при этом количество паровой фазы будет зависеть как от расхода водорода, так и конкретного значения суммарного теплопритока к наружному корпусу 4. В испарителе 14 водород испаряется, нагревается до 270К-280К и поступает в ресивер 15 вместо порции водорода, поданного из ресивер 15 в ЭХГ 50. Температура газообразного водорода после испарителя 14 постоянно контролируется с помощью датчика 71 и в случае необходимости регулируется за счет изменения расхода теплоносителя, например, воды (контур регулирования температуры на черт. не показан) Аналогичным образом осуществляется технология подачи и стабилизации расхода кислорода при установившемся режиме работы СКХР. Так, например, если давление кислорода в ресивере 35 начинает уменьшаться, то для его восстановления за счет открытия запорно-регулирующего клапана 38 увеличивают расход жидкого кислорода из емкости 3, где давление в газовой подушке, контролируемого с помощью датчика 60, остается стабильным и по абсолютному значению больше, чем в ресивере 35. Эта стабильность достигается за счет регулирования запорно-регулирующим клапаном 31 газообразного кислорода, газифицируемого в испарителе 10 наддува. В установившемся режиме работы СКХР расход жидкого кислорода остается неизменным, а его подача в испаритель 34 кислорода из емкости 3 осуществляется через трубчатый змеевик 7, контактирующий с дополнительным наружным корпусом 6, ранее захоложенным ниже 95К в процессе заполнения емкости 3 жидким кислородом от заправщика, по криогенным секциям 43 и 42. Кислород, проходя по змеевику 7, воспринимает теплоприток от дополнительного корпуса 6, который выполняет роль экрана для жидкого кислорода, находящегося в емкости 3, при этом температура теплоизолирующего экрана составляет ниже 95К. Кислород после трубчатого змеевика 7 и секций 37, 36 приходит к испарителю 34 в двухфазном состоянии, при этом количество паровой фазы будет зависеть как от расхода кислорода, так и конкретного значения суммарного теплопритока к наружному корпусу 6. В испарителе 34 кислорода испаряется, нагревается до 270К-280К и поступает в ресивер 35 вместо порции кислорода, поданного из ресивер 35 в ЭХГ 50. Температура газообразного кислорода после испарителя 44 постоянно контролируется с помощью датчика 72 и в случае необходимости регулируется за счет изменения расхода теплоносителя, например, воды (контур регулирования температуры на черт. не показан)

В то же время в процессе эксплуатации в работе СКХР могут возникать внештатные ситуации. Рассмотрим работу СКХР в случае потери вакуума в полости общего наружного корпуса 1. Если потеря вакуума в полости общего наружного корпуса в СКХР, взятого в качестве прототипа, приводила бы по общеизвестным причинам к аварийной ситуации, которая могла бы закончится не только разрушением криогенного оборудования СКХР, но и потерей подводного аппарата, то предлагаемое техническое решение, а именно, размещение криогенных емкостей 2 и 3 внутри дополнительных корпусов 4 и 6 с экранно-вакуумной изоляцией и выполнение трубопроводов в виде автономных секции с экранно-вакуумной изоляцией позволяет даже в этой ситуации продолжить работу СКХР, изменив только схему подачи и регулирования жидких реагентов в испарители 14 и 34, при чем эта операция происходит автоматически по команде из бортовой системы контроля и управления (на черт. не показана) по сигналу, получаемого отдатчика 68 контроля вакуума в полости корпуса 1. В этом случае, так как температура дополнительных корпусов 4 и 6 через некоторое время примет температуру, равную температуре общего наружного корпуса 1, что приведет к росту гидравлического сопротивления водорода и кислорода, движущихся внутри трубчатого змеевика 5и 7 соответственно. Поэтому производится закрытие запорно-регулирующих клапанов 18 и 38 и передача их функций запорно-регулирующим клапанам 21 и 41. В тоже время, несмотря на то, что СКХР продолжает штатный режим работы, от датчика 66 поступает сигнал о потере вакуума в полости внешнего корпуса 1, по которому можно спокойно оценить возникшую ситуацию для принятия решения о регламенте дальнейшей работы подводного аппарата.

Рассмотрим работу СКХР в случае сохранения вакуума в полости наружного корпуса 1 и аварийной потери вакуума в полости дополнительного наружного корпуса б. В случае потери вакуума в полсти дополнительного наружного Kopnyca 4 работа СКХР также будет продолжаться в штатном режиме, так как сохраняется вакуум в полости наружного корпуса 1 и температура негерметичного теплоизолирующего экрана 8. Потеря вакуума будет зафиксирована с помощью датчика 67 и передана информация в бортовую систему контроля и управления о нарушении вакуума, по корой может быть скорректирован алгоритм дальнейшей работы подводного аппарата.

Рассмотрим работу СКХР в случае сохранения вакуума в полости наружного корпуса 1 и аварийной потери вакуума в полости дополнительного наружного корпуса 4. В случае потери вакуума в полсти дополнительного наружного корпуса 4 работа СКХР также будет продолжаться в штатном режиме, так как сохраняется вакуум в полости наружного корпуса 1 и температура негерметичного теплоизолирующего экрана 8. Потеря вакуума будет зафиксирована с помощью датчика 67 и передана информация в бортовую систему контроля и управления о нарушении вакуума, по которой может быть скорректирован алгоритм дальнейшей работы подводного аппарата. Рассмотрим работу СКХР в случае сохранения вакуума в полости в полости наружного корпуса 1 и аварийной потери вакуума в полости дополнительного наружного корпуса 6. В случае потери вакуума в полсти дополнительного наружного корпуса 6 работа СКХР также будет продолжаться в штатном режиме, так как сохраняется вакуум в полости наружного корпуса 1 и температура негерметичного теплоизолирующего экрана 8. Потеря вакуума будет зафиксирована с помощью датчика 68 и передана информация в бортовую систему контроля и управления о нарушении вакуума, по которой может быть скорректирован алгоритм дальнейшей работы подводного аппарата.

С той же целью повышения пожаровзрывобезопасности и надежности СКХР и подводного аппарата криогенные секции 13, 17, 20, 32, 37 и 40, расположенные внутри вакуумного наружного корпуса 1 выполнены автономными с экранно-вакуумной изоляцией, а водородное и кислородное оборудование смонтировано в отдельных герметичных камерах 9 и 29, заполненных инертным газом, и в которых установлены датчики давления 63 и б4, по показаниям которых можно получить информацию о концентрации кислорода или водорода в образовавшейся газовой смеси в камерах 9 и 29 в случае появления течей в технологическом оборудовании

Рассмотрим регламент СКХР в случае, если в работе ЭХГ произошел отказ для устранения которого требуется длительное время и подача реагентов на это время в ЭХГ 50 будет прекращена. Вполне понятно, что под действием теплопритоков в емкостях 2 и 3 в этом случае будет повышаться давление, которое может достичь значения равное давлению срабатывания предохранительных клапанов (на черт, не показаны), что потребует необходимости всплытия подводного аппарата для того, чтобы снизить давление в емкостях 2 и 3 до рабочего значения за счет сброса в атмосферу из них части газообразных реагентов. Для того, чтобы исключить эту ситуацию СКХР снабжена устройством 78 для полного сжигания кислорода и водорода с образованием воды. В этом случае открываются запорно-регулирующие клапаны 80 и 82 и газообразный водород и кислород из ресиверов 15 и 35 поступает по трубопроводам 79 и 81, смонтированным также как и устройство 78 в отсеке 49 подводного аппарата. С целью повышения безопасности трубопроводы 79 и 81, проходящие в отсеке 49 подводного аппарата заключены в герметичные кожуха 83 и 84. И, наконец, для того чтобы обеспечить минимальное время готовности подводного аппарата к выполнению рабочих функций в случае проведения ремонтно-восстановительных работ в СКХР, удобства проведения самих ремонтных работ с более низкими затратами отсек 49 подводного аппарата, где смонтирована система криогенного хранения реагентов, выполнен в виде съемного модуля, что позволяет высококачественно выполнить ремонтные работы не на самом подводном аппарате, а в заводских условиях. В этом случае необходимо отсоединить от ЭХГ 50 узлы стыковки 56,58 и разъединить корпус 51, где расположен ЭХГ 50 от корпуса 49 подводного аппарата, где установлено оборудование СКХР.

Таким образом, предложенные технические решения позволяют выполнить поставленную цель, а именно обеспечить надежность эксплуатации, максимальную степень пожаровзрывобезопасности и минимизировать время восстановления работоспособности подводного аппарата с низким затратами.

Сравнение существенных признаков предлагаемого и уже известных решении дает основание считать, что предлагаемое техническое решение отвечает критериям «изобретательский уровень» и « промышленная применяемость».

Claims (1)

1. Система криогенного хранения и подачи реагентов для энергетической установки с электрохимическими генераторами, включающая емкость для водорода и кислорода, расположенные внутри одного наружного вакуумного корпуса, выполненного в форме цилиндрической оболочки с торцевыми стенками, при этом емкость для кислорода выполнена в виде сосуда кольцевой формы, расположенной вокруг цилиндрической емкости для водорода, и емкость для кислорода имеет боковые перегородки, выполняющие роль дополнительного негерметичного теплоизолирующего экрана для емкости водорода, отличающаяся тем, что емкость для кислорода выполнена цилиндрической формы и установлена внутри наружного корпуса соосно емкости для водорода, при этом каждая из емкостей снабжена дополнительным наружным корпусом, внутренняя герметичная полость которого выполнена с экранно-вакуумной изоляцией, и на внутренней поверхности каждого дополнительного корпуса закреплен трубчатый змеевик, а, кроме того, между дополнительным наружным корпусом емкости для водорода и наружным вакуумным корпусом установлен негерметичный теплоизолирующий экран, соединенный с дополнительным наружным корпусом емкости для кислорода, при этом каждая емкость оснащена датчиком контроля давления и датчиком уровня, а объемы дополнительных наружных корпусов и объем наружного вакуумного корпуса - датчиком контроля вакуума, а кроме того, на торцевых стенках наружного вакуумного корпуса выполнены герметичные камеры, заполненные инертным газом, при этом в каждой из камер для осуществления режимов работы смонтировано только водородное или кислородное технологическое оборудование в виде испарителя наддува с трубопроводом наддува и запорно-регулирующего клапана, испарителя реагента, двух криогенных трубопроводов с запорно-регулирующей арматурой, один из которых присоединен к трубчатому змеевику и испарителю реагента, а второй - к испарителю реагента, испарителю наддува и нижнему днищу емкости, двух криогенных трубопроводов для заполнения емкости жидким реагентом, при этом каждый из криогенных трубопроводов выполнен из двух автономных секций с экранно-вакуумной изоляцией, причем одна из секций каждого криогенного трубопровода расположена в герметичной камере, и ресивера с запорно-регулирующим клапаном и трубопроводом подачи газообразного реагента, подключенных к испарителю реагента, а также приборы контроля, а именно: датчика контроля давления в ресивере, датчика контроля температуры после испарителя реагента и датчика давления инертного газа в герметичной камере, а кроме того, система размещена в отсеке подводного аппарата, выполненного в виде съемного модуля, и соединена с электрохимическим генератором, установленным в соседнем отсеке подводного аппарата и отделенным от системы герметичной перегородкой, посредством двух трубопроводов, один из которых подключен к трубопроводу подачи газообразного реагента, смонтированному в герметичной камере с кислородным оборудованием, а другой - к трубопроводу подачи газообразного реагента, смонтированному в герметичной камере с водородным технологическим оборудованием, при этом каждый трубопровод заключен в герметичный кожух и снабжен разъемным узлом стыковки с электрохимическим генератором, а отсек подводного аппарата с оборудованием системы также заполнен инертным газом и оснащен датчиком контроля давления инертного газа, а кроме того, система дополнительно снабжена устройством для сжигания водорода и кислорода, которое соединено трубопроводом с запорно-регулирующим клапаном с ресивером газообразного водорода и трубопроводом с запорно-регулирующим клапаном с ресивером газообразного кислорода, при этом каждый трубопровод заключен в герметичный кожух.

Images