Люк транспортного криогенного бака

 

(19)RU(11)1031274(13)C(51)  МПК ⁶    _F17C13/06Статус: по данным на 27.12.2012 - прекратил действиеПошлина: учтена за 3 год с 21.05.1995 по 20.05.1996

(54) ЛЮК ТРАНСПОРТНОГО КРИОГЕННОГО БАКА

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано в машиностроении и в транспортной технике для транспортных криогенных баков и цистерн, используемых во всех отраслях народного хозяйства. Известен люк сосуда давления, содержащий фланец с выточкой, крышку с буртом, помещенную в выточку фланца, уплотнительный элемент, размещенные между буртом крышки и основанием выточки, и упорное кольцо, размещенное в выточке фланца над буртом крышки и снабженное подогревателем, при этом коэффициент линейного расширения материала бурта крышки и упорного кольца больше коэффициента линейного расширения материала фланца; крышка, воспринимающая в рабочем режиме внутреннее давление в сосуде, удерживается на фланце за счет сил трения. Однако такая конструкция не обеспечивает достаточно надежного крепления крышки к фланцу, особенно при большем диаметре горловины. Кроме того, крышка не держит давления без нагревателя или до выхода сосуда на рабочий температурный режим. Использовать такую конструкцию для криогенного бака невозможно, так как давление в баке поднимается до его захолаживания с целью исключения возможности попадания воздуха из атмосферы в бак. Использование нагревателя в данном случае недопустимо из-за дополнительного теплопритока, кроме того, надежность конструкции значительно снижается из-за возможного выхода из строя нагревателя. Известен также люк транспортного криогенного бака, являющийся ближайшим техническим решением. Он содержит наружную крышку с теплоизоляцией и внутренний колпак, имеющие фланцы, соединенные с помощью крепежных элементов с фланцами соответственно на наружной и внутренней оболочках бака, при этом между фланцами размещены уплотнительные элементы, а пространство между колпаком и наружной крышкой вакуумировано. Известная конструкция используется на железнодорожных цистернах с верхним расположением горловины, при этом уплотнения фланца колпака и их конструктивные элементы непосредственно омываются криогенной жидкостью. Если же использовать известную конструкцию для криогенного бака с люком на днище при горизонтальном эксплуатационном положении бака, неметаллические уплотнения оказываются недостаточно долговечными, особенно если температура криогенной жидкости ниже температуры жидкого азота. Использование обычных уплотнительных элементов из металлов требует больших усилий обжатия, что ведет к увеличению массы конструкции горловины, кроме того, герметичность таких уплотнений часто оказывается недостаточной при использовании их для горловин большого диаметра (больше метра). Высокая стоимость специальных уплотнений из редкоземельных металлов не позволяет широко использовать их для транспортных емкостей. Дополнительным недостатком известной конструкции является большая масса наружной крышки, работающей на сжатие от атмосферного давления, поскольку пространство под ней вакуумируется специально или естественным образом за счет конденсации воздуха. Цель изобретения улучшение герметичности и повышение долговечности уплотнения с одновременным уменьшением массы люка. Это достигается тем, что люк транспортного криогенного бака, содержащий теплоизолированную наружную крышку и внутренний колпак с фланцами, соединенными соответственно с фланцами наружной и внутренней оболочек бака через уплотнительные элементы, и вакуумную теплоизоляцию между колпаком и крышкой, снабжен экраном с вакуумной теплоизоляцией, соединенным с крышкой и размещенным снаружи колпака, и опорной прокладкой из теплопроводного материала, расположенной между крышкой и колпаком, фланец внутренней оболочки снабжен буртом, установленным на расстоянии от внутренней поверхности колпака, при этом колпак выполнен из материала с большим, чем у материала бурта, коэффициентом линейного расширения, фланец колпака выполнен с внутренней фаской, расположенной напротив бурта, и один из уплотнительных элементов расположен между фаской и буртом, люк также снабжен двумя сильфонами, соединенными одной стороной между собой и с внутренней оболочкой бака, а другой стороной соответственно с фланцами наружной и внутренней оболочек. На фиг.1 приведена схема установки люка в криогенном баке; на фиг.2 и 3 показан люк в разрезе, соответственно при отсутствии и при наличии криогенной жидкости в баке; на фиг.4 вид по стрелке А со стороны наружной крышки с разрезами. Транспортный криогенный бак содержит наружную 1 и внутреннюю оболочки 2, между которыми расположена экранно-вакуумная теплоизоляция 3 и люк 4. В баке находится криогенная жидкость 5. Люк содержит наружную крышку 6 с экранно-вакуумной теплоизоляцией 7 и фланцем 8, колпак 9 с фланцем 10. Фланец 8 соединен с фланцем 11 наружной оболочки 1 бака с помощью болтов 12. Между ними установлен уплотнительный элемент 13. Крышка 6 снабжена экраном 14, расположенным между термокомпенсирующим сильфоном 15 и колпаком 9. Фланец 16 термокомпенсирующего сильфона соединен с фланцем наружной оболочки бака болтами 17. Фланец 10 колпака 9 имеет бурт 18 и фаску 19 для уплотнительного элемента 20 в углу, образованной фланцем 21 внутренней оболочки 2 бака и буртом 22. Бурт фланца 10 колпака 9 прикреплен буртом 23 прижимного кольца 24 к фланцу 21 внутренней оболочки 2 бака болтами 25 на анкерных самоконтрящихся гайках 26. Фланец 21 внутренней оболочки 2 бака соединен с термокомпенсирующим сильфоном 15 с помощью дополнительного сильфона 27. Между колпаком 9 и крышкой 6 установлена теплоизоляционная опорная прокладка 28. Зона 29 вакуумирована. Люк работает следующим образом. Для закрытия люка предварительно устанавливают уплотнительный элемент 20 (см. фиг. 2), после чего устанавливают колпак 9, далее прижимное кольцо 24, которое болтами 25 прижимает бурт 18 фланца 10 к фланцу 21 внутренней оболочки 2 бака. При этом происходит уплотнение уплотнительного элемента 20, а между фланцем 10 и буртом 22 существует зазор Δ величина которого выбрана так, чтобы при захолаживании бака во фланце 10 за счет разности коэффициента линейного расширения материалов фланца 10 и бурта 22 возникали растягивающие напряжения не более предела упругости. Затем устанавливают крышку 6 и закрепляют ее болтами 12 на фланце 11 наружной оболочки 1 криогенного бака, при этом уплотняют элемент 13, обеспечивающий герметичность зоны 29 (см.фиг.4). Теплоизоляционная прокладка 28 должна быть закреплена в крышке 6 предварительно до ее установки. При закрытии крышки 6 дополнительный сильфон 27 компенсирует технологические отклонения размеров элементов люка. Если при закрытии крышка 6 будет упираться в колпак 9, сильфон 27 растянется, если между колпаком 9 и опорной прокладкой 28 после затяжки болтов 12 останется зазор, при вакуумировании зоны 29 под действием давления в баке на внутреннюю поверхность колпака 9 сильфон 27 сожмется и колпак 9 прижмется к опорной прокладке 28. Открывается люк в обратной последовательности. После закрытия крышки 6 производят вакуумирование зоны 29 через специальный штуцер на крышке 6 (не показан). При захолаживании криогенного бака происходит уменьшение размеров элементов люка, соприкасающихся с криогенной жидкостью. При этом поскольку коэффициент линейного расширения материала фланца 10 (алюминиевый сплав) больше коэффициента линейного расширения материала бурта 22 (нержавеющая сталь), фланец 10 уменьшает свой диаметр в большей степени, чем бурт 22, в результате этого происходит закрытие зазора Δ с одновременной подпрессовкой уплотнительного элемента 20. После закрытия зазора образуется низкотемпературный натяг фланца 10 на бурт 22, при этом во фланце 10 возникают упругие растягивающие напряжения, а в бурте 22 сжимающие напряжения. Прижимное кольцо 24 (см.фиг.3) практически не препятствует уменьшению диаметра фланца 10, и при захолаживании бака бурт 18 скользит по бурту 23 кольца 24, выполненного из одного материала с фланцем 21. Поскольку для большинства конструкционных материалов температурные деформации при приближении к температуре жидкого азота почти завершаются, то фланец 10 надежно затворяет зазор Δ еще до поднятия уровня криогенной жидкости до уплотнения люка. По мере заполнения бака криогенной жидкостью колпак 9 заполняется криогенной жидкостью и устанавливается постоянный температурный режим работы. Основным уплотнением при этом является металлическое уплотнение, образованное низкотемпературным натягом фланца 10 на бурте 22. Долговечность и надежность такого уплотнения несравненно выше долговечности неметаллического уплотнения 20, которое обеспечивает герметичность в основном во время захолаживания бака, когда еще не произошла температурная усадка фланца 10 колпака 9. Сильфон 15 обеспечивает компенсацию температурной усадки внутренней оболочки 2 криогенного бака и необходимый перепад температур от криогенных на сильфоне 27 и примерно до температуры окружающей атмосферы на фланце 11 наружной оболочки 1 бака. При этом уплотнения 13 работают в обычном температурном режиме, практически не подвергаются воздействию криогенных температур и могут быть изготовлены из вакуумно-плотной резины. Экран 14 крышки 6 благодаря своей вакуумной теплоизоляции надежно перекрывает промежуток между охлажденным колпаком 9 и фланцами 8, 11 и 16, благодаря чему значительно повышается долговечность уплотнительных элементов 13. Одновременно экран 14 устраняет теплопередачу лучей спусканием от фланцев 8 и 11 к криогенной жидкости, что сокращает ее потери на испарение. Экранно-вакуумная теплоизоляция 7 наружной крышки 6 устраняет теплопередачу к криогенной жидкости через люк. Под действием внутреннего давления паров криогенной жидкости в баке колпак 9 через опорную прокладку 28 давит на крышку 6 изнутри, в результате чего она работает как мембрана на растяжение, поскольку давление в баке больше атмосферного давления. В отличие от сжатых крышек, прочность которых лимитируется потерей устойчивости, растянутая крышка имеет значительно меньшую массу. Сильфон 15, работая на сжатие, выдерживает внутреннее давление в баке без специального усиления конструкции. Опорная прокладка 28 передает давление криогенной жидкости и ее паров с внутренней поверхности колпака 9 на наружную крышку 6 люка. При расхолаживании бака происходит процесс, обратный захолаживанию. Фланец 10 увеличивает свой диаметр в большей степени, чем бурт 22, образуется зазор Δ и при снятом кольце 24 колпак 9 свободно снимается, обеспечивая доступ во внутреннюю полость бака. Предложенная конструкция люка для транспортного криогенного бака имеет высокую герметичность благодаря дополнительной подпрессовке неметаллического уплотнительного элемента при захолаживании криогенного бака и образованию при этом надежного металлического контакта фланца колпака с буртом за счет низкотемпературного натяга. Наличие плотного металлического низкотемпературного уплотнения позволяет довести долговечность основного уплотнения люка до долговечности самой конструкции криогенного бака, при этом люк надежно работает при криогенных температурах ниже температуры жидкого азота. Благодаря разгрузке элементов люка от сжатия атмосферным давлением он имеет минимальную массу. Конструкция обеспечивает минимальные потери криогенной жидкости на ее испарение благодаря отсутствию массивных тепловых мостов и, следовательно, незначительному теплопритоку через элементы люка. Предложенный люк технологичен и прост в эксплуатации, не требует постоянного контроля за его работой.

Формула изобретения

1. ЛЮК ТРАНСПОРТНОГО КРИОГЕННОГО БАКА, содержащий теплоизолированную наружную крышку и внутренний колпак с фланцами, соединенными соответственно с фланцами наружной и внутренней оболочек бака через уплотнительные элементы, и вакуумную теплоизоляцию между колпаком и крышкой, отличающийся тем, что, с целью улучшения герметичности и повышения долговечности уплотнения с одновременным уменьшением массы люка, он снабжен экраном с вакуумной теплоизоляцией, соединенным с крышкой и размещенным снаружи колпака, и опорной прокладкой из нетеплопроводного материала, расположенной между крышкой и колпаком, фланец внутренней оболочки снабжен буртом, установленным на расстоянии от внутренней поверхности колпака, при этом колпак выполнен из материала с большим, чем у материала, бурта коэффициентом линейного расширения. 2. Люк по п.1, отличающийся тем, что фланец колпака выполнен с внутренней фаской, расположенной напротив бурта, и один из уплотнительных элементов расположен между фаской и буртом. 3. Люк по п.1, отличающийся тем, что он снабжен двумя сильфонами, соединенными одной стороной между собой и с внутренней оболочкой бака, а другой стороной соответственно с фланцами наружной и внутренней оболочек.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4