RU2776885C1

RU2776885C1 - Method for storage of cryogenic liquids in closed containers

Info

Publication number: RU2776885C1
Application number: RU2021119755A
Authority: RU
Inventors: Юрий Иванович Духанин
Original assignee: Юрий Иванович Духанин
Filing date: 2021-07-05
Publication date: 2022-07-28

Abstract

FIELD: cryogenic technology.

SUBSTANCE: invention relates to cryogenic technology. The method for storing cryogenic liquids in closed containers includes the isochoric process of increasing pressure from the heat supply and the process of reducing pressure in the steam cushion of the inner vessel of the cryogenic container by periodically spraying the vapors with cryogenic liquid supplied by a pump from the bottom of the inner vessel of the container. Periodic water spraying is carried out when the pressure in the steam cushion of the cryogenic tank reaches a value equal to 0.9-0.95 of the actuation pressure of the safety valve, which serves to protect the cryogenic tank from excess pressure during storage. Spraying is performed with a liquid, the temperature of which is lowered after the pump due to heat exchange with the flow, which is obtained by adiabatic expansion of vapors withdrawn from the steam cushion. After the heat exchange process, the cold of the latter is used to cool the screen of the cryogenic tank, and the work obtained as a result of adiabatic expansion of vapors is implemented to carry out the pump cycle.

EFFECT: present invention makes it possible to reduce losses and increase the storage time of cryogenic liquid in closed containers.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к криогенной технике и может быть широко использовано при эксплуатации в стартовых системах направки космических ракет-носителей, использующих в своем составе крупнотоннажные криогенных баки и резервуары объемом от 250 м³ до 1400 м³ для хранения жидкого Н₂ и жидкого О₂, а также резервуары объемом от 10 м³ до 40 м³ для хранения жидкого гелия.SUBSTANCE: invention relates to cryogenic engineering and can be widely used in operation in launch systems for guiding space launch vehicles using large-capacity cryogenic tanks and tanks with a volume of 250 m ³ to 1400 m ³ for storing liquid H ₂ and liquid O ₂ , and also tanks with a volume of 10 m ³ to 40 m ³ for storing liquid helium.

Известен способ хранения криогенной жидкости, в котором используется внешний источник охлаждения в виде компрессора, гелиевой рефрижераторной установки и теплообменника, размещенного во внутреннем сосуде с жидкостью, охлаждаемой в процессе ее хранения (см. А.М Архаров, В.П. Беляков и др. «Криогенные системы», изд-во Москва «Машиностроение» 1987 г., стр. 508-513, рис. 7.18). Несмотря на то, что этот способ обеспечивает хранения криогенных жидкостей без потерь, однако это достигается за счет применения сложной криогенной системы, требующей высоких капитальных и эксплуатационных затрат, что при низкой интенсивности запуска ракет-носителей оказывается экономически невыгодным, а кроме того в процессе работы гелиевой рефрижераторной установки во избежание образования льда на поверхности теплообменника необходимо, чтобы температура гелия, входящего в теплообменник, была выше температуры замерзания криогенной жидкости. Наиболее близким по своей технической сущности является способ хранения криогенных жидкостей в закрытых емкостях, включающий изохорный процесс повышения давления от теплопритока и процесс снижения давления в паровой подушке внутреннего сосуда криогенной емкости путем периодического душирования паров криогенной жидкостью, подаваемой насосом со дна внутреннего сосуда криогенной емкости (см. патент 2750221).A known method of storing a cryogenic liquid, which uses an external source of cooling in the form of a compressor, a helium refrigeration unit and a heat exchanger placed in an internal vessel with a liquid cooled during its storage (see A. M. Arkharov, V. P. Belyakov and others "Cryogenic systems", Moscow publishing house "Mashinostroenie" 1987, pp. 508-513, Fig. 7.18). Despite the fact that this method provides for the storage of cryogenic liquids without loss, however, this is achieved through the use of a complex cryogenic system that requires high capital and operating costs, which, at a low launch rate of launch vehicles, turns out to be economically unprofitable, and besides, during the operation of the helium In a refrigeration plant, in order to avoid the formation of ice on the surface of the heat exchanger, it is necessary that the temperature of the helium entering the heat exchanger be above the freezing point of the cryogenic liquid. The closest in its technical essence is the method of storing cryogenic liquids in closed containers, including the isochoric process of increasing pressure from heat gain and the process of reducing pressure in the vapor cushion of the inner vessel of the cryogenic vessel by periodically showering vapors with cryogenic liquid supplied by a pump from the bottom of the inner vessel of the cryogenic vessel (see . patent 2750221).

И хотя в данном способе за счет использования эффекта от температурного расслоения криогенной жидкости удается на некоторое время снижать давление в паровой подушке и продлевать время безгренажного хранения, однако при длительном хранении наступает момент, когда безопасность режима хранения поддерживается только за счет периодического сброса в атмосферу или в систему через предохранительный клапан газа из паровой подушки с высокой внутренней энергией, накопленной от теплопритока, без трансформации ее в полезную холодопроизводительность, при этом суточные потери в зависимости от качества изоляции могут составлять от 0,05% до 0,15%, а годовые, как показал опыт эксплуатации на Байконуре заправочного ракетно-космического комплекса «Энергия-Буран», доходить до 35%, а кроме того, для работы криогенного насоса в данном способе необходим внешний источник энергии.And although in this method, due to the use of the effect of the temperature stratification of the cryogenic liquid, it is possible to reduce the pressure in the vapor cushion for some time and extend the time of non-grenade storage, however, during long-term storage, there comes a point when the safety of the storage mode is maintained only due to periodic discharge into the atmosphere or into system through a gas safety valve from a steam cushion with high internal energy accumulated from heat gain, without transforming it into useful cooling capacity, while daily losses, depending on the quality of insulation, can range from 0.05% to 0.15%, and annual losses, as showed the experience of operating the Energiya-Buran refueling rocket and space complex at Baikonur, reaching up to 35%, and in addition, an external energy source is required for the operation of the cryogenic pump in this method.

Цель изобретения - снижение потерь и увеличение времени хранения криогенной жидкости в закрытых емкостях.The purpose of the invention is to reduce losses and increase the storage time of cryogenic liquid in closed containers.

Поставленная цель достигается тем, что в способе хранения криогенной жидкости в закрытых емкостях, включающим изохорный процесс повышения давления от теплопритока и процесс снижения давления в паровой подушке внутреннего сосуда криогенной емкости путем периодического душирования паров криогенной жидкостью, подаваемой насосом со дна внутреннего сосуда емкости, периодическое душирование осуществляют при достижений давления в паровой подушке криогенной емкости величины, равной 0,9-0,95 от давления срабатывания предохранительного клапана, служащего для защиты криогенной емкости от превышения давления в процессе хранения, и выполняют жидкостью, температуру которой после насоса понижают за счет теплообмена с потоком, который получают путем адиабатного расширения паров, отведенных из паровой подушки, при этом после процесса теплообмена холод последнего используют для охлаждения экрана криогенной емкости, а работу, получаемую в результате адиабатного расширения паров, реализуют для осуществления цикла насоса.This goal is achieved by the fact that in the method of storing cryogenic liquid in closed containers, including the isochoric process of increasing pressure from heat inflow and the process of reducing pressure in the vapor cushion of the inner vessel of the cryogenic container by periodically showering vapors with cryogenic liquid supplied by a pump from the bottom of the inner vessel of the container, periodic showering is carried out when the pressure in the steam cushion of the cryogenic tank reaches a value equal to 0.9-0.95 of the pressure of the safety valve, which serves to protect the cryogenic tank from overpressure during storage, and is performed with a liquid, the temperature of which after the pump is lowered due to heat exchange with flow, which is obtained by adiabatic expansion of vapors removed from the steam cushion, while after the heat exchange process, the cold of the latter is used to cool the screen of the cryogenic tank, and the work resulting from the adiabatic expansion of vapors is realized to carry out pump cycle.

На прилагаемом чертеже представлена принципиальна конструктивная схема криогенной емкости, работающей поданному способу. Криогенная емкость содержит внутренний сосуд 1, экран 2 и наружный вакуумный кожух 3, к которому присоединен криостат 4 с вакуумной изоляцией. В криостате размещены теплообменник 5, турбодетандер 6 и центробежный насос 7, установленный на валу с турбодетандером 6. (Возможен вариант поршневого детандера с поршневым насосом) Вход турбодетандера 6 соединен с паровой подушкой сосуда 1 с помощью криогенного трубопровода 8 с арматурой 9, а выход - с теплообменником 5, который криогенным трубопроводом 10 подключен к змеевику 11, смонтированному на экране 2, при этом на выходе змеевика 11 установлен обратный клапан 12. Вход в центробежный насос 7 криогенным трубопроводом 13 подключен к внутреннему сосуду 1, а выход из центробежного насоса 7 через теплообменник 5 криогенным, трубопроводом 14 - к коллектору 15, расположенному в паровой подушке внутреннего сосуда 1 криогенной емкости. Для защиты криогенной емкости от превышения давления в процессе хранения на криогенном трубопроводе 16 установлен предохранительный клапан 17, а для контроля давления в паровой подушке внутреннего сосуда 1 - датчик 18 давления. Способ хранения криогенных жидкостей в закрытых емкостях осуществляют следующим образов.The accompanying drawing shows a schematic structural diagram of a cryogenic vessel operating in the present manner. The cryogenic vessel contains an inner vessel 1, a screen 2 and an outer vacuum casing 3, to which a vacuum insulated cryostat 4 is attached. The cryostat contains a heat exchanger 5, a turbo expander 6 and a centrifugal pump 7 mounted on a shaft with a turbo expander 6. (A variant of a piston expander with a piston pump is possible) with a heat exchanger 5, which is connected by a cryogenic pipeline 10 to the coil 11 mounted on the screen 2, while at the outlet of the coil 11 a check valve 12 is installed. heat exchanger 5 cryogenic, pipeline 14 - to the collector 15, located in the vapor cushion of the inner vessel 1 of the cryogenic tank. To protect the cryogenic tank from excess pressure during storage, a safety valve 17 is installed on the cryogenic pipeline 16, and a pressure sensor 18 is installed to control the pressure in the vapor cushion of the inner vessel 1. The method of storing cryogenic liquids in closed containers is carried out as follows.

При традиционном способе хранения криогенных жидкостей в закрытых емкостях наступает момент, когда от теплопритока давление во внутреннем сосуде 1 достигает предельного значения, определяемого прочностью сосуда 1, после чего давление приходится периодически сбрасывать через предохранительный клапан 17, установленный на криогенной трубе 16, в окружающую среду или в систему, например, при хранении гелия. В крупных криогенных емкостях и цистернах даже при высокоэффективной изоляции потери могут составлять до 0,15% в сутки, при этом в процессе сброса давления через предохранительный клапан 17 накопленная от теплопритока энергия сжатия газа в паровой подушке внутреннего сосуда 1 не используется. В предлагаемом способе при достижении давления в паровой подушке внутреннего сосуда 1 величины, равной 0,9-0,95 от давления срабатывания предохранительного клапана 17, по сигналу от датчика 18 давлений, контролирующего давление в паровой подушке внутреннего сосуда; 1, открывается клапан 9 и газ из паровой подушки по криогенному трубопроводу 8 поступает в турбодетандер 6, на валу которого установлен центробежный насос 7, а следовательно мощность, вырабатываемая за счет адиабатного расширения газа а турбодетандере 6,_;передается для осуществления рабочего цикла центробежного насоса 7. В результате в центробежный насос 7 начинает поступать криогенная жидкость со дна внутреннего сосуда 1 по криогенному трубопроводу 13, температура которой после центробежного насоса 7 понижается за счет теплообмена в теплообменнике 5 с потоком газа после турбодетандера 6. Далее охлажденная криогенная жидкость подается центробежным насосом 7 по криогенному трубопроводу 14 в коллектор 15, с помощью которого она распыляется в паровую подушку внутреннего сосуда, осуществляя процесс душирования, что сопровождается частичной конденсацией паров и снижением температуры верхних слоев жидкости и в итоге приводит к падению давления в паровой подушке внутреннего сосуда 1. А газообразный поток после теплообменника 5 по криогенному трубопроводу 10 проходит по змеевику 11, смонтированному на экране 2, расположенному между внутренним сосудом 1 и вакуумным кожухом 3, понижает температуру экрана и через обратный клапан 12 сбрасывается в окружающую среду или возвращается в систему. Снижение температуры экрана дополнительно позволяет уменьшить величину теплопритока от теплового излучения к внутреннему сосуду 1. Процесс душирования криогенной жидкости заканчивается при снижении давления в паровой подушке внутреннего сосуда 1 до давления, которое заранее рассчитывается с учетом продолжительности хранения, коэффициента заполнения криогенной жидкостью. Процесс душирования прекращается автоматически путем закрытия клапана 9, которое происходит по команде от сигнала датчика 18 давления, что приводит к прекращению подачи газа на турбодетандер 6 и остановки его работы и работы центробежного насоса 7. При новом повышении давления в паровой подушке и достижении его ранее указанного значения процесс душирования автоматически повторяется. Для удобства эксплуатации теплообменника 5, турбодетандер 6 с центробежным насосом 7 размещены в криостате 4 с вакуумной изоляцией. Предложенный способ хранения криогенных жидкостей позволяет использовать холод, полученный в период сброса газа из паровой подушки внутреннего сосуда 1, для охлаждения оставшейся в сосуде 1 жидкости, что позволяет как показали оценочные тепловые расчеты на 15%-20% уменьшить потери и увеличить время хранения криогенных жидкостей.With the traditional method of storing cryogenic liquids in closed containers, there comes a moment when, due to heat gain, the pressure in the inner vessel 1 reaches the limit value determined by the strength of the vessel 1, after which the pressure has to be periodically released through the safety valve 17 installed on the cryogenic pipe 16 to the environment or into the system, for example, when storing helium. In large cryogenic tanks and tanks, even with highly effective insulation, losses can be up to 0.15% per day, while in the process of depressurizing through the safety valve 17, the energy of gas compression accumulated from the heat influx in the vapor cushion of the inner vessel 1 is not used. In the proposed method, when the pressure in the steam cushion of the inner vessel 1 reaches a value equal to 0.9-0.95 of the operating pressure of the safety valve 17, according to a signal from the pressure sensor 18, which controls the pressure in the vapor cushion of the inner vessel; 1, the valve 9 opens and the gas from the steam cushion through the cryogenic pipeline 8 enters the turbo expander 6, on the shaft of which a centrifugal pump 7 is installed, and hence the power generated due to the adiabatic expansion of the gas in the turbo expander 6, _; is transferred to carry out the operating cycle of the centrifugal pump 7. As a result, the centrifugal pump 7 begins to receive cryogenic liquid from the bottom of the inner vessel 1 through the cryogenic pipeline 13, the temperature of which after the centrifugal pump 7 decreases due to heat exchange in the heat exchanger 5 with the gas flow after the turbo expander 6. Next the cooled cryogenic liquid is supplied by the centrifugal pump 7 through the cryogenic pipeline 14 to the collector 15, with the help of which it is sprayed into the steam cushion of the inner vessel, carrying out the showering process, which is accompanied by partial condensation of the vapors and a decrease in the temperature of the upper layers of the liquid and, as a result, leads to a pressure drop in the steam cushion of the inner vessel 1. And the gaseous flow after the heat exchanger 5 through the cryogenic pipeline 10 passes through the coil 11 mounted on the screen 2, located between the inner vessel 1 and the vacuum casing 3, lowers the temperature of the screen and through the check valve 12 is discharged into environment or returned to the system. Reducing the temperature of the screen additionally allows to reduce the amount of heat inflow from thermal radiation to the inner vessel 1. The process of showering the cryogenic liquid ends when the pressure in the vapor cushion of the inner vessel 1 decreases to a pressure that is pre-calculated taking into account the duration of storage, the filling factor of the cryogenic liquid. The process of showering stops automatically by closing the valve 9, which occurs on command from the signal from the pressure sensor 18, which leads to the cessation of the gas supply to the turbo expander 6 and the stop of its operation and the operation of the centrifugal pump 7. With a new increase in pressure in the steam cushion and reaching its previously specified value, the showering process is automatically repeated. For ease of operation of the heat exchanger 5, the turbo expander 6 with a centrifugal pump 7 are placed in a cryostat 4 with vacuum insulation. The proposed method for storing cryogenic liquids makes it possible to use the cold obtained during the period of gas discharge from the vapor cushion of the inner vessel 1 to cool the liquid remaining in the vessel 1, which allows, as estimated thermal calculations have shown, to reduce losses by 15% -20% and increase the storage time of cryogenic liquids .

Сравнение существенных признаков предлагаемого и уже известных решении дает основание считать, что предлагаемое техническое решение отвечает критериям, «изобретательский уровень» и «промышленная применяемость».Comparison of the essential features of the proposed and already known solution gives reason to believe that the proposed technical solution meets the criteria of "inventive step" and "industrial applicability".

Claims

A method for storing cryogenic liquids in closed containers, including an isochoric process of increasing pressure from heat inflow and a process of reducing pressure in the vapor cushion of the inner vessel of the cryogenic container by periodically showering vapors with cryogenic liquid supplied by a pump from the bottom of the inner vessel of the container, characterized in that periodic showering is carried out when pressure in the steam cushion of the cryogenic tank of a value equal to 0.9-0.95 of the pressure of the safety valve, which serves to protect the cryogenic tank from overpressure during storage, and is performed with a liquid, the temperature of which after the pump is lowered due to heat exchange with the flow, which obtained by adiabatic expansion of the vapors removed from the steam cushion, while after the heat exchange process, the cold of the latter is used to cool the screen of the cryogenic tank, and the work resulting from the adiabatic expansion of the vapors is realized to implement the pump cycle.