[1] Изобретение относится к криогенной технике и может использоваться при хранении жидкого водорода в стационарных наземных
условиях, когда
отсутствует перемешивание жидкости.
[2] Аналогом способа является способ хранения жидкого водорода в емкости [1] , включающий хранение жидкого водорода в емкости под
избыточным давлением и
сброс испарившегося компонента через дренажную магистраль.
[3] Аналогом устройства является устройство для хранения жидкого водорода в емкости [2], содержащее
емкость с теплоизоляцией,
размещенную в защитном кожухе, снабженную дренажной магистралью с предохранительным клапаном. Между емкостью и кожухом размещается противоизлучательный экран.
[4]
Недостатком таких
технических решений является сильное влияние, которое оказывает температурное расслоение на режим хранения жидкого водорода. Давление компонента растет слишком быстро, и потери
компонента при дренаже
очень велики.
[5] Методы борьбы с температурным расслоением основаны на перемешивании жидкости в процессе хранения с помощью разнообразных устройств [3]. Таким
образом возможно выровнить
поле температур в жидкости, однако нельзя не только устранить причину возникновения верхнего прогретого слоя жидкости, но даже снизить скорость его формирования. Более того,
при перемешивании жидкости
в нее вносится дополнительная энергия, часть которой переходит в тепло.
[6] Вместе с тем известно, что образование верхнего прогретого слоя в криогенной
жидкости при ее стационарном
хранении в условиях гравитации обусловлено в основном притоком к жидкости тепла сверху со стороны "теплого" купола емкости и паровой подушки. Охлаждая верхнюю часть
емкости и паровую подушку, можно
существенно снизить скорость формирования теплого поверхностного слоя, а следовательно, и скорость роста давления в емкости.
[7] Такое решение используется
в способе [4] (прототип), где
охлаждение газа в паровой подушке достигается за счет газодинамической дестабилизации (турбулизации) течения в паровой подушке при дренаже паров.
[8]
Недостатком этого способа является его
малая термодинамическая эффективность - перемешивание газа над жидкостью не слишком результативно для ее охлаждения и связано с достаточно большими потерями
компонента. Количество тепла, поступающее к
верхней части емкости и газу внутри нее, при этом не уменьшается.
[9] Для предлагаемого устройства прототипом является емкость для хранения
жидкого водорода с вакуумной изоляцией и
противоизлучательным экраном, охлаждаемым дренируемыми парами [5]. К недостатку такой конструкции можно отнести то, что недостаточно компенсируется
теплоприток к жидкости сверху. При дренаже
компонента давление в емкости падает достаточно быстро, температура же газа над жидкостью и верхней части емкости при этом практически не меняется. В связи
с этим после прекращения дренажа теплый
поверхностный слой жидкости (а с ним и давление в емкости) быстро восстанавливаются. Это требует возобновления дренажа и приводит к повышенным потерям
компонента.
[10] Задачей нового
технического решения является увеличение срока хранения жидкого водорода и снижение его потерь за счет уменьшения скорости восстановления теплого
поверхностного слоя в жидком водороде после окончания
дренажа и сокращение длительности самого дренажа.
[11] Задача решается тем, что после отбора пара осуществляют его ортоконверсию,
пропуская через параортопреобразователь, а затем им
охлаждают верхнюю часть емкости с паровой подушкой, после чего - ее нижнюю часть, в которой находится жидкость. Исключение составляет днище емкости,
которое парами не охлаждают.
[12] Это
обеспечивает дополнительное охлаждение пара по сравнению с его температурой в паровой подушке [2].
[13] Таким образом:
- экранируется лучистый приток тепла к емкости со стороны
теплого кожуха;
- отбирается (путем лучистого оттока энергии) тепло от верхней части емкости с паровой подушкой;
- ограничивается теплоприток к жидкости сбоку и не ограничивается
приток тепла снизу со стороны днища.
[14] Это интенсифицирует конвективное перемешивание жидкости и выравнивает поле
температур в ней;
- уменьшается теплопередача по корпусу самой
емкости от верхней, более теплой части, вниз. Это способствует уменьшению теплого пограничного слоя у боковой поверхности
емкости и выносу теплой жидкости на поверхность.
[15] Техническим
результатом способа и устройства, его реализующего, является возможность существенно снизить скорость роста давления в
емкости и тем самым увеличить время хранения водорода и снизить его потери.
[16] Суть заключается в том, что в способе хранения жидкого водорода в емкости в условиях гравитации, включающем
хранение жидкого водорода под избыточным давлением, отбор его пара из емкости и
сброс пара в окружающую среду, после отбора пара из емкости, осуществляют его ортоконверсию, после этого охлаждают им
поверхность части емкости с газовой подушкой, а затем - поверхность части емкости
с жидкостью.
[17] Устройство, реализующее способ, содержит емкость с дренажным патрубком, защитный кожух и
экран с дренажом компонента, размещенный между емкостью и кожухом, в нем экран
выполнен из двух изолированных друг от друга частей: верхней, экранирующей часть емкости с паровой подушкой и имеющей
степень черноты внутренней поверхности не менее 0.9, и нижней, экранирующей часть
емкости с жидкостью, при этом на верхней части экрана закреплен с тепловым контактом параортопреобразователь водорода,
вход которого соединен с дренажным патрубком емкости, а выход - со входом верхней
части экрана, при этом выход верхней части экрана соединен со входом нижней части экрана.
[18] За счет
теплоизоляции верхней части емкости со стороны кожуха, а также дополнительного отбора
тепла от этой части емкости увеличивается время формирования верхнего прогретого слоя жидкого водорода в емкости.
Этой же цели служит ограничение теплопритока к жидкости сбоку, без ограничения
теплопритока снизу, со стороны днища емкости. Последняя мера уменьшает "вынос" теплого компонента вдоль стенок на
поверхность жидкости и одновременно способствует конвективному перемешиванию жидкости
в емкости. Таким образом, эффект "теплого купола" переводится в эффект "теплого днища".
[19] Для более
глубокого охлаждения верхней части емкости (и паровой подушки, находящейся там) ее
охлаждают отдельно от нижней части емкости. Для этого используют пары жидкого водорода, поглощающие внешнее тепловое
излучение.
[20] Для отбора тепла от верха емкости эти пары дополнительно
охлаждают, пропуская их через ортопаропреобразователь водорода, где проходит параортоконверсия водорода, идущая с
поглощением тепла [21. После этого температура паров становится ниже, чем в паровой
подушке емкости, и направление теплового излучения в районе верхней части емкости меняется на противоположное
- становится направленным от емкости. Поглощательная способность верхней части экрана
должна быть, естественно, максимальной. Как показали проведенные расчеты теплоотвод эффективен, если степень
черноты этой части экрана составляет не менее 0.9.
[21] После охлаждения верхней
части емкости пары направляют на охлаждение ее нижней части. При этом не экранируют днище емкости с тем,
чтобы способствовать формированию восходящих конвективных потоков, разрушающих теплый
поверхностный слой.
[22] Схема предлагаемого устройства представлена на чертеже, где обозначено:
1 - емкость с жидким водородом, 2 - верхняя часть экрана с дренажом компонента, 3
- нижняя часть этого экрана, 4 - параортопреобразователь водорода, 5 - изолирующие проставки (могут
отсутствовать), 6 - клапан дренажной магистрали. Кожух на чертеже условно не показан.
[23]
Устройство реализует способ следующим образом. При хранении водорода растет температура верхнего
слоя жидкости и газа в паровой подушке, соответственно растет давление в емкости.
[24] 1.
Когда давление в емкости достигает заданного уровня, производят отбор газа из емкости, для чего
открывают клапан 6 на дренажной магистрали.
[25] 2. Затем осуществляют параортоконверсию
отобранного пара, пропуская его через параортопреобразователь водорода 4.
[26] 3. После
прохождения через параортопреобразователь 4 пары охлаждаются и их направляют на верхнюю часть экрана
2. При этом экранируется не только внешний теплоприток к емкости со стороны кожуха, но также
отбирается тепло от верхней части емкости. В результате быстро падает не только давление газа в емкости, но
и его температура.
[27] 4. После охлаждения верхней части экрана (емкости) пары
направляют в нижнюю часть экрана 3. При этом днище емкости не защищено от внешнего теплопритока.
[28] Таким образом, предложенным способом и реализующим его устройством решается
поставленная задача увеличения срока хранения жидкого водорода и снижения его потерь при хранении.
[29]
ЛИТЕРАТУРА
1. Рожков И.В. и др. "Получение жидкого водорода". "Химия", 1967,
стр. 158-168.
[30] 2. "Водород. Свойства, получение, хранение..." Справочник под ред. Гамбурга Д.Ю., М.
"Химия", 1989, стр. 57-65, 213-214.
[31] 3. "Жидкостные криогенные
системы". Филин Н.В., Буланов А.Б. Ленинград, Машиностроение, 1985, стр. 35-37.
[32] 4. Способ хранения
криогенного компонента. пат. 2002990, F 17 C 3/00.
[33] 5.
"Долговременное хранение криогенных жидкостей". Фрадков А.Б. Автоматизация и современные технологии. N 11, 1997.
