RU2814318C1

RU2814318C1 - Криоконтейнер для хранения и транспортировки жидкостей в криогенном состоянии

Info

Publication number: RU2814318C1
Application number: RU2023121897A
Authority: RU
Inventors: Игорь Анатольевич Мнушкин; Семен Петрович Никитин
Original assignee: Игорь Анатольевич Мнушкин
Filing date: 2023-08-22
Publication date: 2024-02-28

Abstract

Изобретение относится к криоконтейнеру для хранения и перевозки жидкостей в криогенном состоянии. Контейнер предназначен для хранения и перевозки криогенных жидкостей в небольших дозах от криогенной емкости до непосредственного потребителя и может быть использован в промышленной, транспортной, лабораторной и медицинской сферах применения криогенных жидкостей. Конструкция многофункционального криоконтейнера включает внешний корпус, имеющий форму цилиндра с эллиптическими днищами и содержащий внутри не менее одной соосной теплоизолирующей оболочки и внутренний корпус аналогичной формы. В пространстве между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой, а также между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом размещают проницаемые ребра жесткости кольцевой или дугообразной формы, штуцеры для погрузки и выгрузки жидкости в криогенном состоянии, штуцеры вакуумирования изоляционных пространств и штуцеры для эксплуатации и обслуживания криоконтейнера, датчики контроля среды устанавливают в изоляционных пространствах, внутреннем корпусе и камере штуцеров, предохранительные клапаны для внутреннего корпуса, теплоизолирующих оболочек и камеры штуцеров. При этом пространство между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой, а также между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом вакуумируют через штуцеры вакуумирования. Внутренний корпус в рабочем состоянии заполняют жидкостью через штуцеры для погрузки и выгрузки жидкости в криогенном состоянии. Причем все штуцеры группируют в камеру штуцеров с откидной или съемной теплоизолирующей крышкой, стенки камеры штуцеров теплоизолированы и сопряжены с внешним корпусом, теплоизолирующими оболочками и внутренним корпусом, при этом камеру штуцеров вакуумируют после завершения грузовой операции. Технический результат заключается в минимизации теплопроводности конструкции в целом при хранении и перевозке криогенной жидкости от нескольких литров до нескольких сотен литров в расчете на воду и уменьшении габаритов и массы конструкции, малом содержании газа в пространстве между теплоизолирующими оболочками и возможности использования для создания вакуума насосов низкой производительности. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Криоконтейнер для хранения и перевозки жидкостей в криогенном состоянии предназначен для хранения и перевозки криогенных жидкостей в небольших дозах от криогенной емкости до непосредственного потребителя и может быть использован в промышленной, транспортной, лабораторной и медицинской сферах применения криогенных жидкостей.

Жидкости в криогенном состоянии, например, жидкие кислород, азот, гелий и другие благородные инертные газы, сжиженные углеводородные газы широко используются в различных сферах народного хозяйства в небольших количествах, в связи с чем возникает необходимость в хранении и перемещении этих жидких продуктов при криогенных температурах.

Например, жидкий аргон или ксенон применяются в газонаполненных детекторах спектрометров ионизирующих излучений при проведении ядерно-физических экспериментах (Ляпидевский В.К. Методы детектирования излучений. - Москва: Энергоатомиздат, 1987. - 404 с), для измерения адсорбционной емкости и структуры адсорбентов, сжиженный пропан используется в медицине как обезболивающее средство и хранится в контейнерах или в криогенных сосудах или в баллонах емкостью не более 150 л (по воде) (Шмалько Т.А., Свистова А.В., Молохова Е.И. Организация производства медицинских газов в России. Вестник РУДН, серия Медицина №4, 2010. - 501-507 с), низкие температуры до минус 160°С используются для консервации клеток и тканей (Худяков А.Н., Соломина О.И., Зайцева О.О., Полежаева Т.В., Утемов СВ., Князев М.Г., Костяев А.А. Использование инертных газов для консервации клеток и тканей. [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/ispolzovanie-inertnyh-gazov-dlya-konservatsii-kletok-i-tkaney/viewer, дата обращения: 21.08.2023).

В больших количествах в баллонах и контейнерах сжиженный природный газ применяется на автомобильном транспорте и в быту (Беседин С.Н., Дубинкина А.Д. Применение СПГ на автомобильном транспорте. Труды Крыловского государственного научного центра. Специальный выпуск 1, 2021. [Электронный ресурс] URL: https://cyberleninka.ru/article/n/primeneniya-spg-na-avtomobilnom-transporte/viewer, дата обращения: 21.08.2023).

Известен контейнер для хранения и транспортирования жидких криопродуктов, характеризующийся тем, что он содержит наружную герметичную вакуумированную оболочку, на внутренних поверхностях днища которой и ее боковых стенках установлены системы постоянных магнитов, и размещенный в ее полости герметичный сосуд, заполненный жидким криопродуктом, на наружных поверхностях днища которого и ее боковых стенках установлены оппозитно системам постоянных магнитов наружной оболочки системы сверхпроводящих электромагнитов, причем на верхней торцевой поверхности герметичного сосуда, заполненного жидким криопродуктом, установлены, по меньшей мере, два штуцера впуска-выпуска газовой и жидкой фаз криопродукта, а на верхней торцевой поверхности наружной герметичной вакуумированной оболочки установлен люк впуска-выпуска газовой и жидкой фаз криопродукта (патент RU 137868, B65D 81/00, заявлен 06.12.2013 г., опубликован 27.026.2014 г.). Недостатками полезной модели являются:

• возможность функционирования контейнера только при наличии дополнительного источника электроэнергии и подключения к нему контейнера для обеспечения работы электромагнитов, что делает невозможной работу контейнера вне сети;

• необходимость наличия дополнительной системы автоматического регулирования силы тока в электромагнитах, что усложняет конструкцию контейнера:

• необходимость создания вакуума при каждой операции, усложняющая работу контейнера и требующая наличия в контейнера дополнительного блока 11, а также дополнительной вакуум-создающей аппаратуры;

• необходимость сбалансированной работы системы электромагнитов для уравновешивания внутренней емкости с криогенной жидкостью.

Известен мультимодальный контейнер для хранения и транспортировки сжиженных криогенных газов, состоящий из криогенной цистерны с экранно-вакуумной изоляцией, к которой подсоединена газовая холодильная машина, подключаемая с электродвигателем, к которой подключена система управления и гибридный инвертор, связанный с основной и резервной подключенной аккумуляторной батареей, связанный с системой автоматического управления блоком управления панелью, в корпусе сосуда цистерны равно дискретно встроены температурные датчики и датчики уровня жидкости, подключаемые с системой управления, которая оборудована блоком беспроводного интерфейса и навигационным модулем, при этом контроллер системы автоматического управления выполнен с возможностью подачи сигнала включения и выключения электродвигателя газовой холодильной машины в зависимости от текущего значения времени хранения, расчет которого производится на основании данных о температурном расслоении в сосуде, уровне жидкости и давлении в газовой полости сосуда с учетом режима его транспортирования(патент RU 2723205, В65 D88/12, F17C 1/00, заявлен 31.10.2019 г., опубликован 09.06.2020 г.). Недостатками данного изобретения являются:

• сложность конструкции контейнера, требующая помимо собственно контейнера с экранно-вакуумной изоляцией для криогенной жидкости большого числа дополнительных устройств и систем: системы управления, навигационного модуля, гибридного инвертора, холодильной машины, электродвигателя, аккумулятора с солнечными панелями и др.;

• невозможность в связи с этим использовать контейнер для хранения и транспортирования небольших количеств криогенной жидкости.

Известна также криогенная емкость для сжиженного газа, включающая внутренний контейнер из коррозионно-стойкого металла, слой теплоизоляции, выполненный на основе вакуумной технологии, и наружную оболочку, при этом наружная оболочка выполнена в виде дополнительного слоя теплоизоляции из композиционного материала (патент RU 2194917, F17C 3/00, заявлен 21.05.2001 г., опубликован 20.12.2002 г.). Недостатком изобретения является сравнительно высокая теплопроводность дополнительного слоя теплоизоляции из композиционного материала (до 0,175 Вт/(м⋅К), что приводит к необходимости увеличения толщины дополнительного слоя и размеров криогенной емкости. Кроме того, теплоизоляционные композитные материалы типа минеральной ваты, пенно- и поропласты хорошо работают в статических условиях в строительстве, но в динамических условиях операций загрузки и разгрузки криогенной емкости, а тем более при ее транспортировке будет постепенно происходить разрушение и утоньшение слоя тепловой изоляции.

Известен контейнер для хранения, в частности контейнер для хранения криогенных жидкостей, предпочтительно для жидкого водорода, содержащий наружную емкость, по меньшей мере, один внутренний контейнер, изоляцию, расположенную между наружным контейнером и внутренним контейнером или контейнерами, и имеющий, по меньшей мере, один металлический слой, и две или более технологические линии, при этом одна или по меньшей мере две технологические линии имеют средства для сдувания испарившейся криогенной жидкости из внутреннего контейнера или контейнеров (патент WO 2006018146, F17C 3/02, заявлен 17.08.2004 г., опубликован 23.02.2006 г.). Недостатком данного изобретения является наличие технологических линий внутри криоконтейнера для вывода испаряющегося жидкого водорода, нарушающих целостность и герметичность оболочки, что приводит к ухудшению теплоизоляции.

Известен криогенный резервуар для хранения, включающий внешний бак: внутренний резервуар, в котором образуется внешняя линия для слива сжиженного природного газа (СПГ), хранящегося внутри наружного контейнера, находящегося снаружи; первый изоляционный материал, который заполняется и изолируется в пространстве, образованном между внутренним контейнером и внешним контейнером; неподвижная часть той же формы, что и фланец, выставленная снаружи первого изоляционного материала, формируется сверху и собирается на фланце с помощью комбинации болтов и гаек, а второй изоляционный материал (изоляция) заполняется внутри, который выставляется снаружи наружного контейнера и оборачивается и изолируется, оборачивая нагнетательную линию, соединенную с внешней трубопроводной линией; и экранирующий материал, промежуточный между первым и вторым изоляционными материалами, чтобы предотвратить конвекцию в зазоре, возникающем между первым и вторым изоляционными материалами. Криогенный резервуар для хранения, в соответствии с настоящим изобретением, заполняет первый изолятор между внутренним контейнером и внешним контейнером, чтобы устранить проникновение тепла через трубопровод, открытый изнутри наружу, и двойную изоляцию путем заполнения второго изолятора в трубопроводе, тем самым сводя к минимуму образование испаряющегося газа путем устранения инфильтрации тепла снаружи путем управления потоком газа и уменьшения инфильтрированного количества (патент KR 101437581, МПК F17C 3/04, F17C 3/00, заявлен 12.04.2013 г., опубликован 28.08.2014 г.). Недостатком изобретения является снижение эффективности изоляции в местах стыков и соединений крышки с резервуаром.

Известна также топливная емкость для долговременного хранения сжиженного природного газа, состоящая из внутреннего контейнера, изготовленного из коррозионно-стойкого материала, и основного слоя теплоизоляции, при этом она снабжена двумя дополнительными слоями теплоизоляции, выполненными из композиционных материалов, например из армированного стекловолокна, металлопластика или стеклопластика, при этом один из дополнительных слоев расположен между внутренним контейнером и основным слоем изоляции, а другой слой расположен над основным слоем изоляции (патент RU 2262034, МПК F17C 3/04, заявлен 11.01.2001, опубликован 10.10.2005). Недостатками патента являются:

• значительная теплопроводность применяемых слоев теплоизоляции, например, для стекловолокна - 0,03 Вт/(м⋅град);

• размещение двух дополнительных слоев теплоизоляции по обе стороны основного слоя усложняет конструкцию аппарата из-за необходимости крепления листового теплоизоляционного материала с образованием при этом зазоров между листами, ухудшающими теплоизоляцию.

Общим недостатком большинства рассмотренных аналогов является использование композиционных теплоизоляционных материалов, обладающих существенной теплопроводностью 0,03-0,175 Вт/(м⋅град). Дисперсные теплоизолирующие материалы даже в вакуумной среде имеют довольно высокую теплопроводность, например, кварцевый песок с порозностью около 0,4 при атмосферном давлении воздуха в порах имеет теплопроводность при атмосферном давлении 0,44 Вт/(м⋅град), а при давлении воздуха между порами 1 Па теплопроводность падает лишь до 0,026 Вт/(м⋅град), а наиболее эффективная теплоизоляция на основе высокопористого перлита с порозностью 0,947 имеет теплопроводность соответственно 0,0328 и 0,0028 Вт/(м⋅град). При создании теплоизоляции за счет вакуумирования при откачке воздуха из герметичной системы с обеспечением остаточного давления на уровне 100 Па теплопроводность воздуха составляет 0,01-0,025 Вт/(м⋅град), а при глубоком вакуумировании на уровне 10^-2 Па теплопроводность воздуха снижается до уровня 0,0010-0,0001 Вт/(м⋅град).

Задачей заявляемого изобретения являлась разработка конструкции многофункционального криоконтейнера для хранения и перевозки жидкостей в криогенном состоянии, позволяющего минимизировать теплопроводность конструкции в целом при хранении и перевозке криогенной жидкости от нескольких литров до нескольких сотен литров в расчете на воду и уменьшении габаритов и массы конструкции.

Решение поставленной задачи обеспечивается за счет того, что в криоконтейнере для хранения и транспортировки жидкостей в криогенном состоянии, включающем внешний корпус, теплоизолирующие оболочки, внутренний корпус и камеру штуцеров, внешний корпус имеет форму цилиндра с эллиптическими днищами и содержит внутри не менее одной соосной теплоизолирующей оболочки и внутренний корпус аналогичной формы, в пространстве между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой, а также между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом размещают проницаемые ребра жесткости кольцевой или дугообразной формы, штуцеры для погрузки и выгрузки жидкости в криогенном состоянии, штуцеры вакуумирования изоляционных пространств и штуцеры для эксплуатации и обслуживания криоконтейнера, датчики контроля среды устанавливают в изоляционных пространствах, внутреннем корпусе и камере штуцеров, предохранительные клапаны для внутреннего корпуса, теплоизолирующих оболочек и камеры штуцеров, при этом пространство между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой, а также между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом вакуумируют через штуцеры вакуумирования, внутренний корпус в рабочем состоянии заполняют жидкостью через штуцеры для погрузки и выгрузки жидкости в криогенном состоянии, причем все штуцеры группируют в камеру штуцеров с откидной или съемной теплоизолирующей крышкой, стенки камеры штуцеров теплоизолированы и сопряжены с внешним корпусом, теплоизолирующими оболочками и внутренним корпусом, при этом камеру штуцеров вакуумируют после завершения грузовой операции.

Подобная конструкция криоконтейнера позволяет снизить потери тепла за счет теплопроводности в результате использования ряда соосных корпусов и теплоизолирующих оболочек с вакуумируемым пространством между ними, низкое давление между теплоизолирующими оболочками и внутренним корпусом позволяет снизить их толщину до 0,5-0,8 мм, а высококачественная жесткость конструкции обеспечивается размещением проницаемых ребер жесткости кольцевой формы на цилиндрической части корпусов и теплоизолирующих оболочек или дугообразной формы на эллиптических днищах корпусов и теплоизолирующих оболочек, причем проницаемость ребер жесткости за счет нескольких круглых или щелевидных отверстий не препятствует вакуумированию. Крепление ребер жесткости к поверхности корпусов и теплоизолирующих оболочек в зависимости от используемого материала легко обеспечить точечной сваркой или высокопрочными универсальными клеями. Малая толщина внутренних конструктивных элементов криоконтейнера позволяет уменьшить его массу и снизить материалоемкость.

При изготовлении криоконтейнера для хранения и транспортировки жидкостей в криогенном состоянии целесообразно использовать не менее одной или более теплоизолирующих оболочек в пространстве между которыми откачан воздух, так как за счет применения таких оболочек удается достичь низкой теплопроводности, а гибкие опорные ребра позволяют равномерно распределить нагрузку от грузовой части на внешние оболочки. Вакуумирование камеры штуцеров на время хранения и транспортировки позволяет сократить теплоприток через штуцеры. Датчики контроля среды (давление, температура), установленные в изоляционных пространствах, внутреннем корпусе и камере штуцеров, передают результаты измерений по беспроводной связи, что позволяет оценивать состояние среды внутри аппарата на всех стадиях его работы.

Сообщение внутреннего корпуса, заполняемого жидкостью в криогенном состоянии, с внешним корпусом позволяет обеспечивать операции залива и слива криогенной жидкости за счет наличия штуцеров для погрузки и выгрузки жидкости в криогенном состоянии, сгруппированными в камеру с крышкой, и предохранительным клапаном, сопряженными внешним корпусом.

Возможно камеру штуцеров выполнять овальной, круглой или конической формы в зависимости от места расположения камеры штуцеров на цилиндрической части криоконтейнера или на эллиптическом днище.

Возможно внешний корпус и/или теплоизолирующие оболочки, внутренний корпус и камеру штуцеров выполнять из доступных неметаллических материалов, или углепластика, или фтористого углерода, или полиэтилена, обладающих низким коэффициентом теплопроводности, а также позволяющих уменьшить его массу и снизить материалоемкость конструкции.

Целесообразно использовать криоконтейнер для перевозки ядовитых продуктов в жидком состоянии, так как конструкция предусматривает повышенную степень безопасности и исключает возможность протечек ядовитых газов в окружающую среду.

Возможно использовать трехмерную печать для изготовления криоконтейнера для хранения и транспортировки жидкостей в криогенном состоянии, что упрощает и ускоряет изготовление аппарата.

Целесообразно при наличии более одной теплоизолирующей оболочки пространство между ними вакуумировать, что снижает теплопроводность всей системы теплоизоляции в целом.

Целесообразно также, чтобы в вакуумируемом пространстве между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой и между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом содержался воздух, азот, водород или гелий в газовой фазе, что позволяет подбирать температуру и давление газовой фазы для уменьшения ее теплопроводности.

Целесообразно также, чтобы вакуумируемое пространство между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой и между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом формировалось таким образом, чтобы расстояние между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой и между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом по нормали относительно вертикальной оси криоконтейнера превышало среднюю длину свободного пробега молекул газа λ в вакуумируемом пространстве между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой и между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом криогенного контейнера, рассчитываемую по уравнению:

где k - константа Больцмана; Т - абсолютная температура газа, К; σ - площадь поперечного сечения молекулы газа, м²; р - давление газа, Па,

с подбором температуры и давления газа в вакуумируемом пространстве в соответствии с кинетико-молекулярной теорией газов и температурой криогенной жидкости.

Если средняя длина свободного пробега молекул газа становится больше ширины между стенками вакуумированного сосуда, то понятие теплопроводности газа в этом пространстве теряет смысл и перенос тепла обеспечивается только за счет соударения молекул о стенки сосуда. Подбором температуры и давления газа в вакуумируемом пространстве в соответствии с кинетико-молекулярной теорией газов и температурой криогенной жидкости позволяет определить такие параметры газа, при которых расстояние между стенками вакуумируемого сосуда станет меньше средней длины свободного пробега молекул газа то это соответствует условию минимизации потерь тепла за счет теплопроводности, так как в данном случае теплопроводность газового пространства вакууумированного сосуда равна нулю.

Полезно при необходимости во внутреннем корпусе, заполняемом жидкостью в криогенном состоянии, помещать ампулы с медицинскими препаратами или элементы исследовательских установок, что существенно расширяет сферу применения криоконтейнера.

Принципиальная схема одного из вариантов криоконтейнера и фрагментов его конструкции представлена на фиг. 1-2 с использованием следующих обозначений:

1 - внешний корпус;

2 - теплоизолирующая оболочка;

3 - внутренний корпус;

4 - гибкие опорные ребра;

5 - камера штуцеров;

6 - штуцеры для погрузки и выгрузки жидкости;

7 - штуцер вывода газа;

8 - предохранительные устройства;

9 - клапан создания вакуума;

10 - штуцеры создания вакуума;

11 - штуцеры сброса хладагента;

12 - датчики контроля среды;

13 - изоляционные пространства;

14 - крышка люка;

15 - крышка камеры штуцеров;

16 - шарнир;

17 - гибкий участок.

На фигуре 1 показан один из вариантов криоконтейнера для хранения и транспортировки жидкостей в криогенном состоянии, включающий внешний корпус 1, теплоизолирующую оболочку 2 и внутренний корпус 3, имеющие аналогичную форму, при этом внутренний корпус 3, являющийся грузовой камерой, контактирует с жидким продуктом. В пространстве между внешним корпусом 1 и теплоизолирующей оболочкой 2, и между теплоизолирующей оболочкой 2 и внутренним корпусом 3 установлены гибкие опорные ребра 4. Вакуумирование пространства между внешним корпусом 1 и теплоизолирующей оболочкой 2, а также между теплоизолирующей оболочкой 2 и внутренним корпусом 3 и создание таким образом изоляционных пространств 13 осуществляется через штуцеры создания вакуума 10, выведенные в камеру штуцеров 5, стенки которой теплоизолированы, на крышке которой расположен клапан создания вакуума 9. В случае варианта изобретения с использованием в качестве хладагента жидкого азота, штуцеры создания вакуума 10 могут использоваться для погрузки хладагента. Сброс испаряющегося хладагента осуществляется через штуцеры сброса хладагента 11. Загрузка и выгрузка жидкости в криогенном состоянии во внутренний корпус осуществляется через штуцеры для погрузки и выгрузки жидкости 6, а вывод испаряющегося газа предусмотрен через штуцер вывода газа 7, установленные в крышке люка 14. Штуцеры для погрузки и выгрузки жидкости 6, штуцер вывода газа 7, штуцеры создания вакуума 10, штуцеры сброса хладагента 11 сгруппированы в камеру штуцеров 5 с откидной или съемной теплоизолированной крышкой. Камеру штуцеров 5 вакуумируют после завершения грузовой операции перед транспортировкой через клапан создания вакуума 9. Крышка люка 14 и крышка камеры штуцеров 15 оснащены предохранительными устройствами 8. Внутри криоконтейнера в изоляционных пространствах 13, в камере штуцеров 5 на крышке люка 14 и во внутреннем корпусе 3 устанавливают датчики контроля среды (температуры, давления) 12.

На фигуре 2 показан фрагмент криоконтейнера для хранения и транспортировки жидкостей в криогенном состоянии с камерой штуцеров 5 с откидной или съемной теплоизолированной крышкой камеры штуцеров 15, оборудованной предохранительными устройствами 8, закрепленной на стенках камеры штуцеров 5 шарниром 16. Камера штуцеров 5 объединяет крышку люка 14, на котором вмонтированы штуцеры для погрузки и выгрузки жидкости 6 и штуцер вывода газа 7, а также штуцеры создания вакуума 10, штуцеры сброса хладагента 11. Штуцеры сброса хладагента 11 соединяют изоляционное пространство 13 с крышкой камеры штуцеров 15, при этом включают в себя гибкий участок 17, который позволяет беспрепятственно открывать крышку камеры штуцеров 15 для осуществления погрузки и выгрузки жидкости в криогенном состоянии через штуцеры для погрузки и выгрузки жидкости 6. Для осуществления безопасной работы криоконтейнера камера штуцеров 5 оборудуется предохранительными устройствами 8 и датчиками контроля среды (температуры, давления) 12, установленными на крышке люка 14. Вакуумирование криоконтейнера осуществляется через клапан создания вакуума 9, установленный на крышке камеры штуцеров 15.

Рассмотрим ряд примеров, характеризующих различные подходы к расчету геометрии элементов криогенного контейнера на основе уравнения для расчета средней длины свободного пробега молекул газа А, в пространстве между двумя теплоизолирующими оболочками криогенного контейнера по уравнению (1).

Пример 1. Пространство между двумя теплоизолирующими оболочками криоконтейнера заполнено водородом при глубоком вакууме -остаточное давление р=1,33 Па и температуре 50°С. Определить расстояние тепловой изоляции между оболочками, при котором теплопроводностью водорода можно пренебречь. Средняя длина свободного пробега молекул водорода λ, по уравнению (1) для заданных условий составляет 0,0142 м. Таким образом, при расстоянии между теплоизолирующими оболочками 1,3-1,4 см теплопроводностью водорода в пространстве между оболочками можно пренебречь, что обеспечивает высокое качество теплоизоляции в рассмотренном элементе криоконтейнера при незначительных размерах теплоизоляционной зоны, малом содержании газа в этом элементе и возможности использования для создания вакуума насосов низкой производительности.

Пример 2. Пространство между двумя теплоизолирующими оболочками криоконтейнера заполнено воздухом при суперглубоком вакууме р=10^-1 Па и температуре 17°С, при этом средняя длина свободного пробега усредненной молекулы воздуха λ, по уравнению (1) для заданных условий должна составлять 75,33 м. Определить необходимое давление воздуха между оболочками из условия обратной пропорциональности между давлением газа и средней длиной свободного пробега молекул:

Приняв менее глубокий и легко создаваемый, например, вакуумным насосом или пароструйным эжектором вакуум в теплоизолирующем пространстве при остаточном давлении 40 Па на основе уравнения (2) получаем среднюю длину свободного пробега молекул воздуха:

λ₂=75,33⋅10^-1/40=0,01875 м.

Таким образом, при расстоянии между теплоизолирующими оболочками 1,8-1,5 см теплопроводностью водорода в пространстве между оболочками можно пренебречь, что обеспечивает высокое качество теплоизоляции в рассмотренном элементе криоконтейнера при незначительных размерах теплоизоляционной зоны, малом содержании газа в этом элементе и возможности использования для создания вакуума насосов низкой производительности.

Пример 3. Пространство между двумя теплоизолирующими оболочками криоконтейнера заполнено гелием при умеренном вакууме, обеспечивающем плотность гелия 0,021 кг/м³ при нормальной температуре (при нормальном давлении 1,33⋅10⁵ Па плотность гелия 0,179 кг/м³) при этом средняя длина свободного пробега усредненной молекулы гелия λ по уравнению (1) для заданных условий должна составлять 0,00017 см. Принимая, что для идеального газа плотность газа пропорциональна давлению найдем давление P₁ для исходных условий:

P₁=1,33⋅10⁵⋅0,021/0,179=15600 Па,

подбираем по уравнению (2) остаточное давление Р₂=2 Па, при котором получаем среднюю длину свободного пробега молекул гелия λ₂

λ₂=0,00017⋅15600/2=1,32 см.

Таким образом, при расстоянии между теплоизолирующими оболочками 1,3-1,2 см теплопроводностью гелия в пространстве между оболочками можно пренебречь, что, как и в предыдущих примерах, обеспечивает высокое качество теплоизоляции в рассмотренном элементе криоконтейнера при незначительных размерах теплоизоляционной зоны, малом содержании газа в этом элементе и возможности использования для создания вакуума насосов низкой производительности.

Пример 4. Криоконтейнер предназначен для хранения и транспортировки восьми литров криогенной жидкости. Криоконтейнер имеет внутри две теплоизолирующие оболочки. Внутренней теплоизолирующей контейнер для криогенной жидкости имеет внутренний диаметр равный 0,1 м и высоту 1,2 м. Совокупная толщина теплоизолирующей системы составляет 0,05 м. Габаритные размеры криоконтейнера составляют 1,3-0,2 м.

Пример 5. Криоконтейнер предназначен для хранения и транспортировки 100 литров криогенной жидкости. Криоконтейнер имеет внутри три стальные теплоизолирующие оболочки толщиной 0,5 мм и корпус толщиной 1,5 мм. Внутренней теплоизолирующей контейнер для криогенной жидкости имеет внутренний диаметр равный 0,25 м и высоту 2,5 м. Совокупная толщина теплоизолирующей системы составляет 0,07 м. Габаритные размеры криоконтейнера составляют 2,7-0,37 м. совокупная толщина корпуса и теплоизолирующих оболочек 0,0046 м. Вес трех теплоизолирующих оболочек из углепластика плотностью 1500 кг/м³составляет соответственно 1,51 и 1,79 и 2,1 кг, вес стального корпуса толщиной 0,015 м составляет 34,1 кг, совокупный вес криоконтейнера - 39,5 кг. Для сравнения 100-литровый стандартный газовый баллон диаметром 0,325 м, высотой 1,475 м и толщиной стенки 0,0075 м весит 92 кг, то есть более чем в два раза.

Таким образом, заявляемое изобретение решает поставленную задачу разработки конструкции многофункционального криоконтейнера для хранения и перевозки жидкостей в криогенном состоянии, позволяющего минимизировать теплопроводность конструкции в целом при хранении и перевозке криогенной жидкости от нескольких литров до нескольких сотен литров в расчете на воду и уменьшении габаритов и массы конструкции, малом содержании газа в пространстве между теплоизолирующими оболочками и возможности использования для создания вакуума насосов низкой производительности.

Claims

1. Криоконтейнер для хранения и транспортировки жидкостей в криогенном состоянии, включающий внешний корпус, теплоизолирующие оболочки, внутренний корпус и камеру штуцеров, отличающийся тем, что внешний корпус имеет форму цилиндра с эллиптическими днищами и содержит внутри не менее одной соосной теплоизолирующей оболочки и внутренний корпус аналогичной формы, в пространстве между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой, а также между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом размещают проницаемые ребра жесткости кольцевой или дугообразной формы, штуцеры для погрузки и выгрузки жидкости в криогенном состоянии, штуцеры вакуумирования изоляционных пространств и штуцеры для эксплуатации и обслуживания криоконтейнера, датчики контроля среды устанавливают в изоляционных пространствах, внутреннем корпусе и камере штуцеров, предохранительные клапаны для внутреннего корпуса, теплоизолирующих оболочек и камеры штуцеров, при этом пространство между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой, а также между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом вакуумируют через штуцеры вакуумирования, внутренний корпус в рабочем состоянии заполняют жидкостью через штуцеры для погрузки и выгрузки жидкости в криогенном состоянии, причем все штуцеры группируют в камеру штуцеров с откидной или съемной теплоизолирующей крышкой, стенки камеры штуцеров теплоизолированы и сопряжены с внешним корпусом, теплоизолирующими оболочками и внутренним корпусом, при этом камеру штуцеров вакуумируют после завершения грузовой операции.

2. Криоконтейнер по п. 1, отличающийся тем, что камеру штуцеров выполняют овальной, круглой или конической формы.

3. Криоконтейнер по п. 1, отличающийся тем, что внешний корпус и/или теплоизолирующие оболочки, внутренний корпус и камеру штуцеров выполняют из неметаллических материалов, или углепластика, или фтористого углерода, или полиэтилена.

4. Криоконтейнер по п. 1, отличающийся тем, что используют для перевозки ядовитых продуктов в жидком состоянии.

5. Криоконтейнер по п. 1, отличающийся тем, что криоконтейнер изготавливают методом трехмерной печати.

6. Криоконтейнер по п. 1, отличающийся тем, что при наличии более одной теплоизолирующей оболочки в криоконтейнере, пространство между этими теплоизолирующими оболочками вакуумируют.

7. Криоконтейнер по п. 1, отличающийся тем, что вакуумируемое пространство между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой и между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом содержит воздух, азот, водород или гелий в газовой фазе.

8. Криоконтейнер по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что вакуумируемое пространство между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой и между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом формируют таким образом, что расстояние между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой и между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом по нормали относительно вертикальной оси криоконтейнера превышает среднюю длину свободного пробега молекул газа λ в вакуумируемом пространстве между внешним корпусом и теплоизолирующей оболочкой и между теплоизолирующей оболочкой и внутренним корпусом криогенного контейнера, рассчитываемую по уравнению:

где k - константа Больцмана; Т - абсолютная температура газа, К; σ - площадь поперечного сечения молекулы газа, м²; р - давление газа, Па, с подбором температуры и давления газа в вакуумируемом пространстве в соответствии с кинетико-молекулярной теорией газов и температурой криогенной жидкости.

9. Криоконтейнер по п. 1, отличающийся тем, что во внутренний корпус, заполняемый жидкостью в криогенном состоянии, помещают ампулы с медицинскими препаратами или элементы исследовательских установок.