Криогенное устройство

 

Назначение: изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при создании криоустройств с ЭВТИ и с трубопрозодами. Сущность изобретения заключается в том, что решена задача снижения массогабаритных параметров путем уменьшения суммарных теплопритоков. Это достигается тем, что в зоне контакта с пакетом экранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) дополнительный слой изоляции 5 с трубопроводом 4 выполнены в виде коаксиальных полых цилиндров, образованных трубопроводом спиральной намотки с заданными размерами и слоистой изоляцией из материала произведением коэффициентов продольной и поперечной теплопроводностей меньшим, чем у применяемой ЭВТИ, например стеклобумаги. Полый цилиндр дополнительной слоистой теплоизоляции 5 с заданной толщиной стенки состоит из трех отдельных элементов, один из которых 6 расположен между витками трубопровода 4, а два других 7 и 8 - по обе стороны от витков и собраны из отдельных сегментов. 4 з. п. ф-лы, 4 ил. Ч

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 F 16 1 19/04

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4755474/06 (22) 07.08.89 (46) 07,07,92. Бюл. ¹ 25 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро по криогенной технике с опытным производством Физико-технического института низких температур АН

УССР (72) Р, С. Михальченко, B. Ф, Гетманец, В. Т, Архипов, П. Н. Юрченко и Н, П. Першин (53) 621.57(088.8) (56) Каганер M. Г. Тепломассообмен в низкотемпературных теплоизоляционных конструкциях. M.: Энергия, 1979, с. 156. (54) КРИОГЕННОЕ УСТРОЙСТВО (57) Назначение: изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при создании криоустройств с ЭВТИ и с трубопроводами. Сущность изобретения заключается в том, что решена задача сни. Ж 17461О4 А1 жения массогабаритных параметров путем уменьшения суммарных теплопритоков, Это достигается тем, что в зоне контакта с пакетом зкранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) дополнительный слой изоляции 5 с трубопроводом 4 выполнены в виде коаксиальных полых цилиндров, образованных трубопроводом спиральной намотки с заданными размерами и слоистой изоляцией из материала произведением коэффициентов продольной и поперечной теплопроводностей меньшим, чем у применяемой ЭВТИ, например стеклобумаги. Полый цилиндр дополнительной слоистой теплоизоляции 5 с заданной толщиной стенки состоит из трех отдельных элементов, один из которых 6 расположен между витками трубопровода

4, а два других 7 и 8 — по обе стороны от витков и собраны иэ отдельных сегментов.

4 3. и. ф-лы, 4 ил.

1746104

Изобретение относится к криогенной технике и может использоваться при создании криогенных устройств с зкранно-вакуумной теплоизоляцией (Э ВТИ), содержащих различного рода хладопроводы: металлические гибкие жгуты, тепловые трубы, трубопроводы с непрерывной циркуляцией криогенных веществ и др.

Известно, что при введении в пакет ЭВТИ конструктивных элементов теплоприто5

10 ки через теплозащиту криогенных устройств могут по сравнению с расчетными возрастать в несколько раз (Гетманец В, Ф„

Михальченко Р.С. Вакуленко В.Д. К вопросу неаддитивности тепловых потоков по "теп- 15 ловым мостам" и экранно-вакуумной теплоизоляц::;и крлогенных устройств, — В кн,:

Теплообмен при низких температурах. Киев: Наукова думка, 1979, с. 120 — 130). Это связано с тем, что продольная теплопровод- 20 ность пакета ЭВТИ на 3 — 4 порядка превышает поперечную. Поэтому при контакте ее слоев с элементами конструкции, имеющими в точках контакта более высокую температуру, в слои ЭВТИ поступает значитель- 25 ный дополнительный теплоприток, который и увеличивает суммарные тепловые потоки через теплозащиту криогенного устройства.

Наиболее радикальным решением проблемы изолирования тепловых мостов явля- 30 ется равномерное растягивание пакета

ЭВТИ в зоне контакта с мостом на всю его длину (Гетманец В. Ф., Михальченко P. C„

Юрченко П. Н, Расчет и оптимизация теплозащиты криогенных сосудов. ИФЖ, 1984, т, 35

47, N. 4, с, б76). Это техническое решение обеспечивает защиту теплового моста от внешнего теплового излучения и одновременно не дает дополнительных теплопритоков в слои ЭВТИ с поверхности теплового 40 моста, однако оно применимо только к тепловым мостам, расположенным по нормали к пакету ЭВТИ. Повышение толщины ЭВТИ в зоне теплового моста увеличивает в этой зоне продольную теплопроводность изоля- 45 ции, что при большой длине теплового моста приводит к заметному увеличению . суммарного теплового потока, На практике толщина пакета изоляции криогенного устройства не превышает 10-15 см, а длина 50 моста может составлять несколько метров, что существенно усложняет или делает невозможной технологию изготовления такой конструкции.

Известно устройство, позволяющее 55 снизить дополнительные теплопритоки в слои ЭВТИ путем уменьшения их продольной теплопроводности {Теплообмен и тепловой режим космических аппаратов, M, .

Мир, 1974 r., с. 399). Оно содержит пакет теплоизоляции, который подведен встык к поверхности хладопровода, Экраны пакета теплоизоляции имеют разрезы-щели, Недостаток такого устройства состоит в том, что продольная теплопроводность изоляции в основном определяется не теплопроводностью самих экранов, а лучистым теплопереносом вдоль щели между ними.

За прототип принято устройство теплоизоляции криогенной емкости и трубопровода. закрепленного на внутренней оболочке емкости, в котором трубопровод вместе с нанесенным на него пакетом ЭВТИ проходит через пакет емкости. Таким образом, в зоне стыка пакетов ЭВТИ все слои пакета ЭВТИ емкости соединены с одним (наружным) слоем пакета ЭВТИ трубопро-. вода (1).

Недостаток такого устройства состоит в значительном добавочном теплопритоке в холодную зону от теплой стенки криогенного устройства вдоль слоев ЭВТИ, нанесенных на трубопровод, Целью изобретения является снижение массогабаритных параметров путем уменьшения теплоп ритоков.

Поставленная цель достигается тем, что в криогенном устройстве, содержащем объект с криогенной температурой. размещенной внутри ЭВТИ и связанный с внешней средой трубопроводом, который размещен в дополнительном слое изоляции, трубопровод выполнен в виде цилиндрического змеевика, а полый цилиндр дополнительного слоя изоляции изготовлен из материала с произведением коэффициентов продольной и поперечной теплопроводностей меньшим, чем у применяемой ЭВТИ, например, в виде слоистого пакета из стеклобумаги.

Цель изобретения достигается также тем, что диаметр цилиндрического змеевика равен 0 = (0,5...1,5)(Я Лтр/Л11) /т, где S — площадь поперечного сечения стенки трубопровода;

Лт — коэффициент теплопроводности его материала;

111 — коэффициент теплоп роводности дополнительного слоя изоляции вдоль оси цилиндрического змеевика.

Цель изобретения достигается также тем, что шаг между витками цилиндрического змеевика составляет 1,5...2,5 диаметра б трубопровода. Цель изобретения достигается также тем, что толщина стенки полного цилиндра дополнительного слоя изоляции равна (1+ (1.5...2,5) Л- ) d, где Лв, Л—

Гл.

1 коэффициент теплопроводности дополни1746104 тельного слоя изоляции вдоль и поперек оси цилиндрического змеевика соответственно.

Цель изобретения достигается также тем,,что устройство снабжено трубопроводами одинакового или разного диаметра, 5 выполненными в виде аналогичных цилиндрических змеевиков и установленных в витке соосно с тепловыми и механическими контактами по линии их соприкосновения, при этом толщина стенки полого цилиндра 10 дополнительного слоя изоляции увеличена на величину (n — 1)d, где и — число трубопроводов. Известно увеличение эффективной длины трубопровода путем выполнения его в виде спирали, однако авторам неизвестна 15 заявляемая совокупность существенных признаков, на основании чего возможен вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия". Возможность достижения положительного эф- 20 фекта обеспечивается оптимальным соотношением между различными размерами цилиндрического змеевика и полого цилиндра дополнительного слоя изоляции, вытекающим из условия достижения мини- 25 мальных теплопритоков.

На фиг. 1 схематично изображено криогенное устройство; на фиг, 2 — 4 — графики изменения теплопритоков.

Устройство содержит криогенную ем- 30 кость с внутренней 1 и наружной 2 оболочкамии, в вакуумном зазоре между <о1орыми размещен пакет 3 многослойной изоляции

ЭВТИ. Через пакет 3 этой изоляции проходят витки трубопроводов 4 в виде цилинд- 35 рического змеевика и полый цилиндр дополнительного слоя изоляции 5 в виде трех отдельных элементов 6, 7 и 8 из стеклобумаги. Элементы 7 и 8 размещены снаружи и внутри цилиндрического.змеевика 40 трубопровода 4. Элемент 6 расположен между витками трубопровода 4.

Диаметр цилиндрического змеевика D =

=(0,5...1,5)($ Атр/ А !)" /л, где 8 — площадь поперечного сечения стенки трубопровода; 45

itTp — коэффициент теплопроводности его материала: Мц — коэффициент теплопроводности дополнительного слоя изоляции вдоль оси цилиндрического Змеевика.

Шаг между витками равен 1,5...2,5d, а толщина полого цилиндра дополнительного слоя изоляции равна (1+(1,5...2.5) )б, 55 где Яи — коэффициент теплоп роводности дополнительного слоя изоляции вдоль оси цилиндрического змеевика;

А — коэффициент теплопроводности дополнительного слоя изоляции поперек оси цилиндрического змеевика;

d — диаметр трубопровода, Криогенное устройство работает следующим образом.

Один или несколько трубопроводов изготавливают в виде спирали с заданными оптимальными размерами. Внутрь спирали коаксиально ее виткам устанавливают тонкостенный жесткий стакан с диаметром, равным диаметру внутренней полости цилиндрического пакета слоистой изоляции 7, который служит образующей при нанесении слоистой изоляции. Затем сегментами, например, длиной 1/3...1/4 длины окружности формируют пакеты слоистой изоляции (6, 7 и 8) трубопровода 4, устанавливая их между витками спирали трубопровода (6), внутри (7) и снаружи (8) от нее, Слои пакетов изоляции 7 и 8 направлены вдоль оси цилиндрического змеевика трубопровода, По окончании изолирования трубопровода на всю его высоту по наружному диаметру пакет слоистой изоляции 8 обматывают полимерной пленкой для фиксации формы.

Внутренний тонкостенный стакан вынимают и полость внутри циликдрического пакета слоистой изоляции закладывают без зазора пакетом ЭВТИ 3 на всю его высоту.

После этого снимают. наружную фиксирующую пленку и наносят на внутреннюю оболочку криогенной емкости пакет ЭВТИ, не допуская зазоров в зоне его контакта с пакетом изоляции трубопровода 4. . Размещение трубопровода спиральной намотки в пакете ЭВТИ приводит к появлению дополнительного теплового потока по трубопроводу за счет теплового контакта слоев ЭВТИ и витков спирали трубопровода; Кроме того, в зоне контакта слоев ЭВТИ и витков спирали трубопровода технологически сложно избежать зазоров между кими и обжатия пакета ЭВТИ. В результате этого суммарные тепловые потоки к криогенной емкости увеличиваются, В описываемом криогенном устройстве применение в зоне контакта дополнительного слоя изоляции на трубопроводе существенно уменьшает тепловой контакт слоев

ЭВТИ и витков трубопровода, поскольку теплопроводность, например,стеклобумаги на 1,5„.2 порядка ниже продольной теплопроводности ЭВТИ, Это приводит к заметному уменьшению дополнительного теплового потока по трубопроводу за счет его теплового контакта со слоями ЭВТИ.

Однако при этом появляется дополнительный тепловой поток вдоль дополнительного слоя изоляции, 1746104 трубопровода, а из соотношения (6) следует, что диаметр спирали пропорционален площади сечения трубопровода и соотношению между его теплопроводностью и теплопро5 водностью изоляции между витками трубоп.ровода.

Температуры витков трубопровода и основного пакета ЭВТИ не совпадают и они должны быть разделены дополнительным

10 слоем изоля ции. Дополнител ьн ый теплоприток Q" при введении такой изоляции равен

К1 K2 D 15 а" = о„+ а.. —, +,, р1 — В = лDdAT A

kI Ад- коэффициент теплопроводности изо20 ляцйи 5 вдоль и поперек оси цилиндрического змеевика:

ЛТ вЂ” перепад температуры между витками трубопровода и основным пакетом

Э ВТИ.

25 После дифференцирования уравнения (7) по параметру l получаем значение производной лтsл

К1=

Л (2) А- — = О, В

2= (8) 30

lorn = d -г(9) 40

На фиг. 2-4 представлены графики изменения теплопритеков по криогенному устройству с параметрами Lrp = 13 BT/ì К; d=5мм; ЛТ=220К;@=Зсм: ЛТ =10К;S=

45 3,14 мм2;Яи = 102 Вт/м К; ), =- 10 Вт/м К при отклонении размеров криогенного устройства от оптимальных.

Как видно из фиг. 2, предлагаемый диа50 метр трубопровода спиральной намотки равен 0,5...1,5 Dom. При таких значениях 0 увеличение суммарного теплового потока не превышает 25% (фиг. 2) от оптимального его значения, Толщину стенки полого цилиндра изоляции 7 и 8 необходимо выбирать равной

0,5;..1,5 1опт, тогда суммарный тепловой поток превышает свое оптимальное значение не более чем на 25% (фиг. 3).

1 А>.

Nonr =. ——

2 d (5) Возможность достижения положительного эффекта в криогенном устройстве обеспечивается оптимальными соотношениями между различными размерами спирали трубопровода и дополнительного слоя изоляции. Эти соотношения вытекают из условия достижения минимальных теплопритоков, как это показано ниже, Теплоприток Q P по узлу змеевикового трубопровода определяется суммой теплопритоков по самому трубопроводу Qrp и по полому цилиндру теплоизоляции между витками змеевика Q<

К2= КдЯц AT, где ЛТ вЂ” перепад температуры по толщине изоляции;

Bg — высота змеевика и толщина экранно-вакуумной теплоизоляции:

0 — диаметр змеевика, S, Ятр — площадь поперечного сечения и теплопроводность материала трубопровода;

N — число витков в змеевике;

d — диаметр трубопровода.

Для определения оптимального значения D продифференцируем выражение (1) по параметру 0 и приравняем это значение нулю, В результате получим

Таким же образом найдем оптимальное значение N, дифференцируя выражение (1) по параметру N. Тогда получим

N — .,!(4)

d+D — d

К1

Из совместного решения уравнений (3) и (4) получим оптимальные значения параметров

Nom, Оопт

Оопт = —" d = (S imp/kl)" /R,. (6)

К2

Из соотношения (5) следует, что шаг между витками спирали равен диаметру

Q< = Qii+ Q = Al+ — (7) Отсюда находим оптимальное значение для толщины изоляции с каждой стороны цилиндра (образованного витками трубопровода), пропорциональное диаметру трубопровода о

1746104

При шаге между витками змеевика

1,5...2,5 d величина суммарного теплового потока превышает свое оптимальное значение не более чем на 15 j (фиг. 4).

Такой выбор диапазонов изменения предлагаемых размеров сделан исходя иэ того, что при любых размерах из этого диапазона описываемое криогенное устройство обеспечивает значительно меньший суммарный тепловой поток, чем другие известные конструкции.

Если вместе находится несколько спиральных трубопроводов, то общая толщина цилиндра возрастает на величину, равную сумме диаметров трубопровода, т,е, на величину (n — 1)б, где и — число трубопроводов.

Предлагаемое криогенное устройство прошло экспериментальную проверку на сосудах с жидкими и твердыми азотом и аргоном и на макетах комбинированной системы глубокого охлаждения по теме К-ПППб. Ее применение позволило по сравнению с прототипом вдвое снизить теплопритоки к сосуду объемом 8,5 л, имеющему четыре трубопровода диаметром 5 мм, выполненных из стали Х18Н10Т при толщине стенки 0,3 мм.

Формула изобретения

1. Криогенное устройство, содержащее объект с криогенной температурой, размещенный внутри экранно-вакуумной теплоизоляции и связанный с внешней средой трубопроводом, который размещен в дополнительном слое изоляции, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью снижения массогабаритных параметров путем уменьшения теплопритоков, трубопровод выполнен в виде цилиндрического змеевика, дополнительный слой изоляции выполнен в виде полого цилиндра и изготовлен из материала с произведением коэффициентов продольной и поперечной теплопроводностей меньшим, чем у экранно-вакуумной теплоизоляции, например, в виде слоистого пакета из стек5. лобумаги.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что диаметр цилиндрического змеевика равен 0 = (0,5...1,5)(М р/Яи) /x где

S — площадь поперечного сечения стенки

10 трубопровода, i - коэффициент теплопроводности его материала; ki — коэффициент теплопроводности дополнительного слоя изоляции вдоль оси цилиндрического змеевика.

15 3. Устройство по пп. 1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я. тем, что шаг между витками цилиндрического змеевика составляет 1,5„.2,5 диаметра d трубопровода.

4. Устройство по пп. 1 — 3, о т л и ч а ю20 щ е е с я тем, что толщина стенки полого цилиндра дополнительного слоя изоляции равна (1+(1,5...2,5) (» — ) d, гдеЯи, А —

А J»

25 коэффициент теплопроводности дополнительного слоя изоляции вдоль и поперек оси цилиндрического змеевика соответственно, 5. Устройство по пп. 1 — 4, .о т л и ч а ю —.

30 щ е е с я тем, что оно дополнительно снабжено трубопроводами одинакового или разного диаметра, выполненными в виде аналогичных цилиндрических змеевиков и установленными в витке соосно с обеспече35 нием теплового и механического контакта по линии их соприкосновения, при этом толщина стенки полого цилиндра дополнительного слоя изоляции увеличена на величину (и — 1)d, где n — число трубопроводов; d—

40 диаметр трубопровода.

1746104

1746104

Составитель P.Mèõàëü÷åíêo

Редактор Л.Волкова Техред M.Mîðãåí Týë Корректор А.Осауленко

Заказ 2382 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101