RU2176761C1

RU2176761C1 - Device for storage and delivery of cryogenic products

Info

Publication number: RU2176761C1
Application number: RU2000116511/06A
Authority: RU
Inventors: В.В. Воронцов; А.Н. Старостин; В.К. Федотов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" им. С.П. Королева"
Priority date: 2000-06-21
Filing date: 2000-06-21
Publication date: 2001-12-10

Abstract

FIELD: cryogenic engineering. SUBSTANCE: device has heat-insulated reservoir secured in vacuum- tight casing, drainage, filling and tapping pipe lines with shut-off valves. Tapping pipe line is brought out of lower portion of reservoir and is provided with raising section whose upper end is connected to pipe line wound on outer surface of reservoir at thermal contact. Length of this pipe line is dictated by condition at which liquid will not leave this cold section of pipe line even at maximum overload and consequently will not get into warm zone of pipe line at zero flow rate through this pipe line. EFFECT: minimum losses of cryogenic product stored in reservoir with open drainage. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области криогенной техники и предназначено для хранения и подачи криогенных продуктов к потребителям, например для подачи водорода и кислорода, хранящихся при докритических давлениях, в электрохимический генератор (ЭХГ) энергетической установки (ЭУ) на основе водородно-кислородных топливных элементов, предназначенной для установки на различных изделиях, работающих в условиях гравитации. The invention relates to the field of cryogenic technology and is intended for storage and supply of cryogenic products to consumers, for example, for supplying hydrogen and oxygen stored at subcritical pressures to an electrochemical generator (ECG) of a power plant (EC) based on hydrogen-oxygen fuel cells, intended for installations on various products operating in gravity conditions.

Известно принятое за аналог устройство для хранения и подачи криогенных продуктов (см. патент 2094697 Россия, МКИ F 17 C 17/00), содержащее теплоизолированную емкость, дренажный и заправочно-отборный трубопроводы с запорными клапанами, при этом заправочно-отборный трубопровод выведен из нижней части емкости и имеет подъемный участок. A device for storing and supplying cryogenic products (see patent 2094697 Russia, MKI F 17 C 17/00) is known that contains a thermally insulated container, drainage and filling and selection piping with shut-off valves, while the filling and selection pipe is withdrawn from the bottom parts of the tank and has a lifting section.

Известно также устройство для хранения и подачи криогенных продуктов, выбранное в качестве прототипа (см. Филин Н.В., Буланов А.Б. Жидкостные криогенные системы. Л.: Машиностроение, 1985, стр. 174, рис. 6.3), содержащее теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, дренажный и заправочный трубопроводы с запорными клапанами, при этом заправочный трубопровод выведен из нижней части емкости и имеет подъемный участок. Also known is a device for storing and supplying cryogenic products, selected as a prototype (see Filin N.V., Bulanov A.B. Liquid cryogenic systems. L .: Mechanical Engineering, 1985, p. 174, Fig. 6.3), containing thermally insulated a container fixed in a vacuum-tight casing, drainage and refueling pipelines with shut-off valves, while the refueling pipeline is removed from the bottom of the tank and has a lifting section.

Недостатком аналога и прототипа является то, что они исключают попадание жидкости в теплую зону трубопровода, выведенного из нижней части емкости и имеющего подъемный участок только при отсутствии перегрузок в процессе эксплуатации устройств для хранения и подачи криогенных продуктов. При эксплуатации этих устройств в условиях перегрузок, что, например, имеет место при эксплуатации устройств, установленных в составе ЭУ, жидкость будет проникать в теплую зону трубопровода и тем дальше, чем больше перегрузка. Там она будет нагреваться и частично испаряться в зависимости от величины теплоподвода, и затем парожидкостная смесь будет выбрасываться в емкость за счет повышения давления в полости трубопровода. Выброшенная в емкость парожидкостная смесь будет охлаждаться и конденсироваться, отдавая тепло хранимому в емкости криогенному продукту. После выброса из полости трубопровода парожидкостной смеси в емкость она опять будет заполняться жидкостью из емкости, т. е. возникнут термические колебания, при наличии которых теплоприток к хранимому криогенному продукту возрастет в десять и более раз. Режим работы устройств для хранения и подач криогенных продуктов, установленных в составе ЭУ, с дренированием испаряющихся криогенных продуктов за счет теплопритоков из окружающей среды может быть продолжительным. Поэтому потери криогенных продуктов за это время составят существенную величину, что приведет в дальнейшем к невозможности выполнения запланированной программы работы ЭУ. The disadvantage of the analogue and prototype is that they exclude liquid from entering the warm zone of the pipeline withdrawn from the lower part of the tank and having a lifting section only in the absence of overloads during operation of devices for storing and feeding cryogenic products. When these devices are used under overload conditions, which, for example, occurs during operation of devices installed as part of a power plant, the liquid will penetrate into the warm zone of the pipeline and the further, the greater the overload. There, it will heat up and partially evaporate, depending on the amount of heat supply, and then the vapor-liquid mixture will be ejected into the tank by increasing the pressure in the pipeline cavity. The vapor-liquid mixture thrown into the tank will cool and condense, giving off heat to the cryogenic product stored in the tank. After the vapor-liquid mixture is ejected from the pipeline cavity into the tank, it will again be filled with liquid from the tank, i.e., thermal fluctuations will occur, in the presence of which the heat gain to the stored cryogenic product will increase ten or more times. The operating mode of devices for storage and supply of cryogenic products installed in the EU, with the drainage of evaporating cryogenic products due to heat influx from the environment can be long. Therefore, the loss of cryogenic products during this time will be significant, which will lead in the future to the impossibility of fulfilling the planned program of work of EU.

Задачей настоящего изобретения является минимизация потерь криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажем за счет исключения попадания жидкости в теплую зону трубопровода, выведенного из нижней части емкости как при отсутствии, так и при наличии перегрузок. The objective of the present invention is to minimize the loss of a cryogenic product when stored in a tank with open drainage by eliminating the ingress of liquid into the warm zone of the pipeline removed from the lower part of the tank both in the absence and in the presence of overloads.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве для хранения и подачи криогенных продуктов, содержащее теплоизолированную емкость, закрепленную в вакуумно-плотном кожухе, дренажный, заправочный и отборный трубопроводы с запорными клапанами, при этом отборный трубопровод выведен из нижней части емкости и имеет подъемный участок, верхний конец подъемного участка подсоединен к трубопроводу, навитому с тепловым контактом на наружную поверхность емкости, а длина этого трубопровода должна быть не менее величины, определяемой из выражения:

где L - длина участка трубопровода, навитого на наружную поверхность емкости;
V₀ - объем полости отборного трубопровода от верхнего конца подъемного участка до запорного клапана при давлении P₀,
P₀ = ρ • g • H + P_н - давление в полости отборного трубопровода при отсутствии перегрузок;
P₁ = (n_max + 1)• ρ • g • H + P_н - давление в полости отборного трубопровода при максимальной заданной перегрузке;
ρ - плотность хранимого криогенного продукта;
H - высота столба жидкой фазы криогенного продукта в емкости;
P_н - давление наддува в емкости;
g - ускорение свободного падения;
n_max - максимальная заданная перегрузка;
d - внутренний диаметр отборного трубопровода.The essence of the invention lies in the fact that in the device for storage and supply of cryogenic products, containing a thermally insulated container fixed in a vacuum-tight casing, drainage, refueling and selective piping with shut-off valves, while the selective pipeline is removed from the bottom of the tank and has a lifting section , the upper end of the lifting section is connected to the pipeline, wound with thermal contact on the outer surface of the tank, and the length of this pipeline must be not less than the value determined from CONTROL:

where L is the length of the pipeline section wound on the outer surface of the tank;
V ₀ - the volume of the cavity of the selected pipeline from the upper end of the lifting section to the shut-off valve at a pressure P ₀ ,
P ₀ = ρ • g • H + P _n - pressure in the cavity of the selected pipeline in the absence of overloads;
P ₁ = (n _max + 1) • ρ • g • H + P _n - pressure in the cavity of the selected pipeline at the maximum specified overload;
ρ is the density of the stored cryogenic product;
H is the column height of the liquid phase of the cryogenic product in the tank;
P _n - boost pressure in the tank;
g is the acceleration of gravity;
n _max is the maximum specified overload;
d is the inner diameter of the selected pipeline.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными на сегодняшний день техническими решениями вновь созданное устройство для хранения и подачи криогенных продуктов позволяет минимизировать потери криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажом за счет исключения попадания жидкости в теплую зону трубопровода, выведенного из нижней части емкости как при отсутствии, так и при наличии перегрузок. The technical result consists in the fact that, compared with the currently known technical solutions, the newly created device for storing and supplying cryogenic products minimizes the loss of the cryogenic product when stored in a tank with open drainage by eliminating the ingress of liquid into the warm zone of the pipeline removed from the lower part of the tank both in the absence and in the presence of overloads.

Это достигается тем, что верхний конец подъемного участка трубопровода, выведенного из нижней части емкости, подсоединен к трубопроводу, навитому с хорошим тепловым контактом на наружную поверхность емкости. Температура стенок навитого на емкость трубопровода благодаря хорошему тепловому контакту будет такая же, как и температура оболочки емкости, т.е. практически равна температуре хранимого криогенного продукта. Поэтому попадающая в него при перегрузках жидкость не будет нагреваться, испаряться и затем выбрасываться в емкость, как в известных устройствах, т.е. условий для возникновения термических колебаний, приводящих к существенному повышению теплопритоков к хранимому криогенному продукту, не будет. Дальше этого холодного участка жидкость не проникнет, т.к. его длина выбирается такой, что даже при максимальных перегрузках жидкость не выходит за его пределы и, следовательно, не попадает в теплую зону трубопровода. Длина трубопровода, навитого с тепловым контактом на наружную поверхность емкости, выбирается из следующих соображений. Зная диаметр трубопровода d, его длину от верхнего конца подъемного участка до запорного устройства (в этой полости при отсутствии перегрузок всегда находится паровая фаза) определяется объем этого участка трубопровода V₀. Давление газа в этой полости будет равно полному статическому давлению P₀, складывающемуся из давления в емкости P_н и давления столба жидкости, равного ρ • g • Н. При возникновении перегрузок (при расчете длины принимается максимально-возможная перегрузка, которая может иметь место при транспортировке и эксплуатации устройства) давление в полости трубопровода будет
P₁=(n_max + 1) • ρ • g • H + P_н
Из условия P₀ • V₀ = P₁ • V₁ находится объем, занимаемый газом при давлении P₁, т.е.

Разность объемов

- это объем проникшей в полость трубопровода жидкости, начиная от верхнего конца подъемного участка. Исходя из этого объема находится длина проникновения жидкости при максимальной перегрузке. Например, при установке ЭУ с входящими в нее устройствами для хранения и подачи криогенных водорода и кислорода на изделиях, эксплуатируемых в воздухе или на воде, а также при перевозке криогенных продуктов в емкостях различными видами транспорта перегрузки могут достигать пяти единиц. При такой перегрузке расчет по вышеприведенному выражению длины холодного участка трубопровода диаметром 0,02 м для условий: хранимый криогенный продукт - водород, ρ = 58 кг/м³, P_н = 1,5 кгс/см², H = 5 м, V₀ = 6•10^-3 м³ приводит к результату - L = 1,8 м. Поэтому для исключения попадания жидкости в теплую зону трубопровода длина холодного участка, навитого на внутреннюю оболочку емкости, должна быть не менее 1,8 м.This is achieved by the fact that the upper end of the lifting section of the pipeline, derived from the lower part of the tank, is connected to the pipeline, wound with good thermal contact on the outer surface of the tank. Due to good thermal contact, the temperature of the walls of the pipeline wound around the tank will be the same as the temperature of the shell of the tank, i.e. almost equal to the temperature of the stored cryogenic product. Therefore, the liquid falling into it during overloads will not heat up, evaporate and then be discharged into the container, as in the known devices, i.e. There will be no conditions for the occurrence of thermal fluctuations leading to a significant increase in heat inflows to the stored cryogenic product. The liquid will not penetrate further from this cold area, as its length is chosen such that even at maximum overloads, the liquid does not extend beyond its limits and, therefore, does not fall into the warm zone of the pipeline. The length of the pipe wound with thermal contact on the outer surface of the tank is selected from the following considerations. Knowing the diameter of the pipeline d, its length from the upper end of the lifting section to the locking device (in this cavity, in the absence of overloads, there is always a vapor phase), the volume of this section of the pipeline V _{0 is} determined. The gas pressure in this cavity will be equal to the total static pressure P ₀ , which is the sum of the pressure in the vessel P _n and the pressure of the liquid column equal to ρ • g • N. When overloads occur (when calculating the length, the maximum possible overload is assumed, which can occur when transportation and operation of the device) the pressure in the cavity of the pipeline will be
P ₁ = (n _max + 1) • ρ • g • H + P _n
From the condition P ₀ • V ₀ = P ₁ • V ₁ is the volume occupied by the gas at a pressure P ₁ , i.e.

Volume difference

- this is the volume of liquid that has penetrated into the cavity of the pipeline, starting from the upper end of the lifting section. Based on this volume is the length of the liquid penetration at maximum overload. For example, when installing EU with devices for storing and supplying cryogenic hydrogen and oxygen on products operated in air or on water, as well as when transporting cryogenic products in containers by various types of transport, overloads can reach five units. With this overload, the calculation according to the above expression for the length of the cold section of the pipeline with a diameter of 0.02 m for the conditions: stored cryogenic product is hydrogen, ρ = 58 kg / m ³ , P _n = 1.5 kgf / cm ² , H = 5 m, V ₀ = 6 • 10 ^-3 m ³ leads to the result - L = 1.8 m. Therefore, to prevent liquid from entering the warm zone of the pipeline, the length of the cold section wound on the inner shell of the tank should be at least 1.8 m.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема устройства для хранения и подачи криогенных продуктов. The invention is illustrated in the drawing, which shows a diagram of a device for storage and supply of cryogenic products.

Устройство содержит емкость 1, на поверхность которой нанесена вакуумно-многослойная теплоизоляция 2. Емкость 1 закреплена в вакуумно-плотном кожухе 3 на опорах-термомостах 4. Устройство снабжено трубопроводом дренажа 5 с запорным клапаном 6, трубопроводом заправки 7 с запорным клапаном 8 и отборным трубопроводом 9 с запорным клапаном 10. Отборный трубопровод 9 выведен из нижней части емкости 1 и имеет подъемный участок 11, верхний конец 12 которого подсоединен к трубопроводу 13, навитому с хорошим тепловым контактом на наружную поверхность емкости 1. Внутри емкости 1 расположен измеритель уровня 14. The device contains a container 1, on the surface of which a vacuum-multilayer thermal insulation is applied 2. The tank 1 is fixed in a vacuum-tight casing 3 on the support-thermostats 4. The device is equipped with a drainage pipe 5 with a shut-off valve 6, a filling pipe 7 with a shut-off valve 8 and a selective pipe 9 with a shut-off valve 10. The selection pipe 9 is withdrawn from the lower part of the tank 1 and has a lifting section 11, the upper end of which 12 is connected to the pipe 13, wound with good thermal contact to the outer surface of the tank and 1. Inside the container 1 is disposed a level meter 14.

Работает устройство следующим образом. Открываются запорные клапаны 8, 6 и производится заправка емкости 1 криогенным продуктом, например жидким водородом. Контроль уровня водорода при заправке производится с помощью измерителя уровня 14. После окончания заправки закрываются клапаны 8, 6. Если по условиям эксплуатации работа ЭУ после окончания заправки сразу не требуется, т. е. выдачу криогенного продукта по отборному трубопроводу 9 к потребителю в ЭХГ производить не нужно, то клапан 6 на дренажном трубопроводе 5 остается открытым и осуществляется режим работы емкости с открытым дренажем. В этом режиме производится отбор паров испаряющегося криогенного продукта за счет теплопритоков к нему из окружающей среды. При работе в таком режиме, при отсутствии перегрузок, жидкость не выйдет из зоны подъемного участка 11, т.к. он является газовым затвором. При воздействии перегрузок в процессе эксплуатации ЭУ жидкость из емкости выйдет за пределы подъемного участка 11 и попадет в полость трубопровода 13, навитого на наружную поверхность емкости 1, но за пределы этого холодного трубопровода жидкость не выйдет, т.к. его длина выбрана такой, что даже при максимальных возможных перегрузках жидкость не попадет в теплую зону трубопровода 9. The device operates as follows. The shut-off valves 8, 6 are opened and the tank 1 is filled with a cryogenic product, for example, liquid hydrogen. The control of the hydrogen level during refueling is carried out using a level meter 14. After refueling, valves 8, 6 are closed. If, according to operating conditions, the operation of the EA after refueling is not immediately required, that is, the cryogenic product is dispensed through a selected pipe 9 to the consumer in the ECG is not necessary, then the valve 6 on the drainage pipe 5 remains open and the operation mode of the tank with open drainage is carried out. In this mode, the vapor of the evaporating cryogenic product is selected due to heat influx to it from the environment. When working in this mode, in the absence of overloads, the liquid will not leave the zone of the lifting section 11, because it is a gas shutter. Under the influence of overloads during operation of the EU, the liquid from the tank will go beyond the limits of the lifting section 11 and enter the cavity of the pipe 13 wound on the outer surface of the tank 1, but the liquid will not go beyond the limits of this cold pipeline, because its length is chosen such that even at the maximum possible overloads, the liquid does not fall into the warm zone of the pipeline 9.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяет достичь нового технического результата: исключить попадание жидкости в теплую зону трубопровода, выведенного из нижней части емкости, как при отсутствии, так и при наличии перегрузок и, следовательно, минимизировать потери криогенного продукта при хранении его в емкости с открытым дренажем. Thus, the combination of new features that are absent in the known technical solutions allows us to achieve a new technical result: to prevent liquid from entering the warm zone of the pipeline removed from the bottom of the tank, both in the absence and in the presence of overloads and, therefore, minimize the loss of the cryogenic product when storing it in containers with open drainage.

Claims

A device for storing and supplying cryogenic products containing a thermally insulated container fixed in a vacuum-tight casing, drainage, refueling and selective piping with shut-off valves, while the selective piping is removed from the lower part of the tank and has a lifting section, characterized in that the upper end of the lifting section is connected to the pipeline, wound with thermal contact on the outer surface of the tank, and the length of this pipeline should be not less than the value determined from the expression:

where L is the length of the pipeline section wound on the outer surface of the tank;
V ₀ - the volume of the cavity of the selected pipeline from the upper end of the lifting section to the shut-off valve at a pressure of P ₀ ;
P ₀ = ρ • g • H + P _n - pressure in the cavity of the selected pipeline in the absence of overloads;
P ₁ = (n _max + 1) • ρ • g • H + P _n - pressure in the cavity of the selected pipeline at the maximum specified overload;
ρ is the density of the stored cryogenic product;
H is the height of the column of the liquid phase of the cryogenic product in the tank;
P _n - boost pressure in the tank;
g is the acceleration of gravity;
n _max - maximum specified overload;
d is the inner diameter of the selected pipeline.