Криогенный резервуар и способ удаления водорода из его вакуумной полости

 

Сущность изобретения: в криогенном резервуаре, содержащем кожух, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости теплоизолированный внутренний сосуд, закрепленный на кожухе патрон с фильтром и химическим поглотителем, патрон снабжен тепловым аккумулятором и выполнен в виде плоского диска, размещенного горизонтально в верхней части резервуара, а съемный нагреватель выполнен в виде лучеприемной панели, состоящей по крайней мере из трех пластин, установленных с зазором относительно друг друга, нижняя из которых, примыкающая к наружной поверхности патрона, снабжена селективным поглощающим покрытием. Согласно способу удаления водорода из теплоизоляционной полости криогенного резервуара путем химической реакции водорода, выделяемого внутренними стенками резервуара, с поглотителем на основе окислов металлов и интерметаллическим диспергированным катализатором, при этом поглотитель перед эксплуатацией резервуара активируют путем нагрева, а после активации нагрев прекращают, активацию поглотителя осуществляют солнечным облучением патрона, а после активации нагревают наружный кожух резервуара солнечным лучистым потоком в дневное время путем установки на наружной поверхности резервура съемного секционированного лучеприемного покрывала, выполненного в виде по крайней мере трех слоев эластичных пленок, установленных с зазором относительно друг друга, нижний слой из которых снабжен селективным поглощающим покрытием с высоким коэффициентом поглощения и выполнен из термостойкой пленки, а два других выполнены светопрозрачными, при этом перед началом эксплуатации резервуара покрывало снимают с кожуха, восстанавливая температуру до значений, соответствующих температуре в условиях эксплуатации. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области криогенной техники, а именно к конструкциям резервуаров для хранения криогенных жидкостей, преимущественно кислорода и азота, и способам удаления водорода из вакуумной полости резервуара.

Известны криогенный резервуар, содержащий кожух, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости теплоизолированный внутренний сосуд, закрепленный на кожухе патрубок с фильтром, обращенным в теплоизоляционную полость, расположенный в патрубке химический поглотитель водорода и съемный внешний нагреватель, и способ удаления водорода из вакуумной полости криогенного резервуара путем химической реакции водорода, выделяемого внутренними стенками резервуара, с поглотителем на основе окислов и интерметаллическим диспергированным катализатором, при этом поглотитель перед эксплуатацией резервуара активируют путем нагрева его до температуры 200^оС [1].

Недостатком данных устройства и способа является низкая эффективность, обусловленная тем, что устройство допускает снижение температуры поглотителя из-за плохой его изоляции, а это снижает скорость поглощения водорода химическим поглотителем. Кроме этого, в известном техническом решении возможно разрушение теплоизоляции внутреннего сосуда при активации химического поглотителя.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому результату являются криогенный резервуар, содержащий кожух, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости теплоизолированный внутренний сосуд, закрепленный на кожухе патрубок с фильтром, обращенным в теплоизоляционную полость, расположенный в патрубке химический поглотитель водорода и съемный внешний нагреватель, причем патрубок закреплен снаружи кожуха, фильтр выполнен в виде стакана из пористого высотеплопроводного газопроницаемого материала, который размещен коаксиально в патрубке с образованием кольцевого зазора для размещения химического поглотителя, а между патрубком и внутренним сосудом перпендикулярно оси патрубка установлен экран, размещенный в теплоизоляционной полости и закрепленный на кожухе, и способ удаления водорода из вакуумной полости криогенного резервуара путем химической реакции водорода, выделяемого внутренними стенками резервуара, с поглотителем на основе окислов металлов и интерметаллическим диспергированным катализатором, при этом поглотитель перед эксплуатацией резервуара активируют путем нагрева его до температуры 200^оС [2].

Недостатком данных способа и устройства является низкая скорость удаления водорода, обусловленная тем, что стенки криогенного резервуара находятся при сравнительно низких температурах: внутренний сосуд находится при температуре криогенной жидкости, а кожух - при температуре окружающей среды и ниже. При этих температурах скорость выделения водорода стенками резервуара очень низкая, а это приводит к увеличению водорода стенками резервуара очень низкая, а это приводит к увеличению продолжительности удаления водорода, а следовательно, к невозможности в течение этого времени достигнуть более глубокого вакуума в теплоизоляционной полости криогенного резервуара.

Целью изобретения является снижение энергозатрат и интенсификация процесса удаления водорода из теплоизоляционной полости криогенного резервуара перед началом эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что в криогенном резервуаре, содержащем кожух, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости теплоизолированный внутренний сосуд, закрепленный на кожухе патрон с фильтром, обращенным в теплоизоляционную полость, расположенный в патроне химический поглотитель водорода, съемный внешний нагреватель, установленный на патроне, и экран, размещенный в теплоизоляционной полости между патроном и внутренним сосудом перпендикулярно оси патрона и закрепленный на кожухе, согласно изобретению патрон снабжен тепловым аккумулятором и выполнен в виде плоского диска, размещенного горизонтально в верхней части резервуара, а съемный нагреватель выполнен в виде лучеприемной панели, состоящей по крайней мере из трех пластин, установленных с зазором относительно друг друга, нижняя из которых, примыкающая к наружной поверхности патрона, снабжена селективным поглощающим покрытием.

Поставленная цель достигается также тем, что по способу удаления водорода из вакуумной полости криогенного резервуара путем химической реакции водорода, выделяемого внутренними стенками резервуара, с поглотителем на основе окислов металлов и интерметаллическим диспергированным катализатором, при этом поглотитель перед эксплуатацией резервуара активируют путем нагрева, а после активации нагрев прекращают, согласно изобретению, активацию поглотителя осуществляют солнечным облучением патрона путем установки на наружную поверхность патрона со стороны солнечного изучения съемного нагревателя, а после активации нагреватель снимают и нагревают наружный кожух резервуара солнечным лучистым потоком в дневное время путем установки на наружной поверхности резервуара съемного секционированного лучеприемного покрывала, выполненного в виде по крайней мере трех слоев эластичных пленок, установленных с зазором относительно друг друга, нижний слой из которых снабжен селективным поглощающим покрытием с высоким коэффициентом поглощения и выполнен из термостойкой пленки, а два других выполнены светопрозрачными, перед началом эксплуатации резервуара покрывало снимают с кожуха, восстанавливая температуру до значений, соответствующих температуре в условиях эксплуатации.

Сопоставительный анализ заявляемых решений и прототипов показывает следующее. Во-первых, предложенная конструкция патрона и установка его в верхней части резервуара, а также выполнение съемного нагревателя в виде лучеприемной панели позволяют осуществлять активацию поглотителя от солнечной энергии, что уменьшает энергозатраты на активацию, а также повышает пожаробезопасность, а установка теплового аккумулятора в патрон обеспечивает уменьшение суточных колебаний температуры патрона, что повышает эффективность его работы. Во-вторых, предложенный способ удаления водорода из вакуумной полости криогенного резервуара путем химической реакции водорода, выделяемого стенками резервуара, с поглотителем на основе металлов и интерметаллическим диспергированным катализатором отличается от известного возможностью интенсифицировать процесс выделения водорода внутренними стенками теплоизоляционной полости резервуара за счет прогрева кожуха и внутреннего сосуда перед началом эксплуатации резервуара от солнечной энергии с помощью лучеприемного покрывала, которое снимается с кожуха перед началом эксплуатации резервуара. Причем активация поглотителя производителя до начала прогрева резервуара, что позволяет обеспечить удаление водорода из стенок внутренней теплоизоляционной полости в формированном режиме, то есть существенно сократить продолжительность подготовительного периода перед началом эксплуатации резервуара. Это позволяет также улучшить теплоизоляционные свойства тепловой изоляции сразу же с момента начала эксплуатации резервуара, а следовательно, уменьшить потери криопродукта, кроме этого, использование солнечной энергии позволяет снизить энергозатраты в период эксплуатации резервуара, а также повысить пожаробезопасность. Таким образом, заявленные криогенный резервуар и способ удаления водорода из его вакуумной полости соответствуют критерию "новизна".

При анализе известных технических решений не обнаружены признаки, сходные с отличительными признаками изобретения. На основании проведенного анализа можно сделать вывод, что заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлен продольный разрез криогенного резервуара; на фиг. 2 - патрон с поглотителем; на фиг. 3 - съемный патрон с поглотителем.

Криогенный резервуар содержит кожух 1, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости 2 внутренний сосуд 3 с теплоизоляцией 4, закрепленный на кожухе 1 патрон 5 с фильтром 6, обращенным в теплоизоляционную полость 2, расположенный в патроне 5 химический поглотитель 7 водорода, тепловой аккумулятор 8 и съемный внешний нагреватель, выполненный в виде лучеприемной панели 9, состоящей по крайней мере из трех пластин, установленных с зазором относительно друг друга, из которых нижняя пластина 10, примыкающая к наружной поверхности патрона 5, снабжена селективным поглощающим покрытием с высоким коэффициентом поглощения, а две другие пластины 11 выполнены светопрозрачными.

Для нагревания кожуха резервуара используется съемный нагреватель в виде лучеприемного секционированного покрывала 12, выполненного по крайней мере из трех слоев эластичных пленок, установленных с зазором относительно друг друга, из которых нижний слой 13 снабжен селективным покрытием с высоким коэффициентом поглощения и выполнен из термостойкой пленки, а два других слоя выполнены светопрозрачными. Зазор между слоями пленок может быть обеспечен формированием на светопрозрачных пленках дистанционирующих выступов, расположенных с определенным шагом по поверхности и смещенных относительно друг друга на сопрягаемых светопрозрачных пленках (не показано). Экран 15 размещен в вакуумной полости между патроном 5 и внутренним сосудом 3.

Пример выполнения способа.

В процессе подготовки резервуара к эксплуатации производится вакуумирование его теплоизоляционной полости и удаление водорода из ее стенок для получения более глубокого вакуума в теплоизоляционной полости резервуара. Удаление водорода из вакуумной полости криогенного резервуара производится путем химической реакции водорода, выделяемого внутренними стенками резервуара, с поглотителем на основе окислов металлов интерметаллическим диспергированным катализатором. Выделяющаяся вода в виде пара откачивается из вакуумной полости. Химический поглотитель перед проведением химической реакции активируют. Активацию поглотителя осуществляют солнечным облучением патрона 5 путем установки на наружную поверхность патрона 5 со стороны солнечного излучения лучеприемной панели 9. Лучеприемная панель обеспечивает нагревание нижней пластины 10 до температуры 180^оС за счет того, что светопрозрачные пластины, выполненные, например, из стекла или лавсановой пленки, обладают свойством пропускать излучение в видимой части солнечного спектра и задерживать инфракрасное излучение. Поэтому поток солнечного излучения свободного проходит через светопрозрачные пластины 11, поглощается селективным черным покрытием на нижней пластине 10 панели и нагревает ее до температуры 180^оС, а поток инфракрасного излучения от нижней пластины 10 задерживается от излучения через светопрозрачные пластины 11 в окружающее пространство и направляется поэтому только на патрон 5, обеспечивая его нагревание за счет создания парникового эффекта. Сглаживание суточных колебаний температуры поглотителя 7 обеспечивается с помощью аккумулятора 8, в качестве которого могут использоваться материалы с фазовым переходом или основанные на использовании теплоемкости материала теплового аккумулятора. Активации поглотителя проводится в течение расчетного времени, определяемого в зависимости от количества поглотителя, температуры активации и ряда других факторов. После активации химического поглотителя 7 лучеприемная панель 9 снимается с патрона 5, а на наружный кожух резервуара устанавливается лучеприемное секционированное покрывало 12. Покрывало состоит из меридиональных секций, которые соединяются между собой после установки на резервуаре, например, крючково-петельными замками по типу липучки. Лучеприемное покрывало обеспечивает нагревание кожуха резеpвуара также, как и при использовании лучеприемной панели, путем создания парникового эффекта, который возникает при выполнении покрывала из двух прозрачных пленок и одной лучеприемной, установленных с зазором относительно друг друга. Нагревание кожуха резервуара обеспечивает повышение скорости выделения водорода из его стенок. При этом нагревается также внутренний сосуд 3 резервуара, обеспечивая тем самым повышенную скорость выделения водорода. Активация химического поглотителя и нагревание кожуха резервуара производятся в солнечные дни. По мере движения солнца по небосводу происходит прогревание отдельных участков резервуара. За полный цикл движения солнца по небосводу происходит прогревание участков резервуара. За полный цикл движения солнца по небосводу прогревается до 2/3 площади поверхности кожуха резервуара. Продолжительность нагревания кожуха определяется расчетным способом для каждого наиболее эффективным при сферической форме резервуара, так как при этом облучается максимальная площадь его поверхности в течение дня.

После завершения процесса удаления водорода из стенок кожуха 1 и внутреннего сосуда 3 лучеприемное покрывало 12 снимается с поверхности резервуара. Затем резервуар охлаждают до температуры окружающей среды, после чего резервуар готов к эксплуатации. В процессе эксплуатации во внутренний сосуд 3 подается криопродукт. В результате газовыделения из материалов резервуара выделится водород, который удаляется из теплоизоляционной полости 2 поглотителем 7, находящимся при температуре окружающей среды. Химический патрон 5 может выполняться съемным (фиг. 3). Такой вариант исполнения позволяет произвести замену химического поглотителя после истечения гарантийного срока, изолировать поглотитель от вакуумной полости перед разгерметизацией вакуумной полости.

Таким образом, предложенная конструкция резервуара и предложенный способ удаления водорода из вакуумной полости резервуара обеспечивают создание более глубокого вакуума в теплоизоляционной полости резервуара, что улучшает ее теплоизоляционные свойства с момента начала эксплуатации резервуара, что уменьшает потери криопродукта, а следовательно, снижает энергетические затраты на его производство. При этом снижаются также затраты электроэнергии на нагрев патрона для активации поглотителя, повышается пожаробезопасность.

Формула изобретения

1. Криогенный резервуар, содержащий кожух, размещенный в нем с образованием теплоизоляционной полости теплоизолированный внутренний сосуд, закрепленный на кожухе патрон с фильтром, обращенным в теплоизоляционную полость, расположенный в патроне химический поглотитель водорода, съемный внешний нагреватель, установленный на патроне, и экран, размещенный в теплоизоляционной полости между патроном и внутренним сосудом перпендикулярно к оси патрона и закрепленный на кожухе, отличающийся тем, что, с целью снижения энергозатрат, патрон снабжен тепловым аккумулятором и выполнен в виде плоского диска, размещенного горизонтально в верхней части резервуара, а съемный нагреватель выполнен в виде лучеприемной панели, состоящей по крайней мере из трех пластин, установленных с зазором одна относительно другой, нижняя из которых, примыкающая к наружной поверхности патрона, снабжена селективным поглощающим покрытием с высоким коэффициентом поглощения, а две другие выполнены светопрозрачными.

2. Способ удаления водорода из вакуумной полости криогенного резервуара путем химической реакции водорода, выделяемого внутренними стенками резервуара, с поглотителем на основе окислов металлов и интерметаллическим диспергированным катализатором, при этом поглотитель перед проведением химической реакции активируют путем нагрева, а после активации нагрев прекращают, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса удаления водорода перед началом эксплуатации резервуара и снижения энергозатрат, активацию поглотителя осуществляют солнечным облучением патрона путем установки на наружную поверхность патрона со стороны солнечного излучения съемного нагревателя в виде лучеприемной панели, а после активации нагреватель снимают с патрона и нагревают наружный кожух резервуара солнечным лучистым потоком в дневное время путем установки на наружной поверхности резервуара съемного секционированного лучеприемного покрывала, выполненного в виде по крайней мере трех слоев эластичных пленок , установленных с зазором одна относительно другой, нижний слой одного из которых снабжен селективным поглощающим покрытием с высоким коэффициентом поглощения и выполнен из термостойкой пленки, а два других выполнены светопрозрачными, перед началом эксплуатации резервуара покрывало снимают с кожуха, восстанавливая его температуру до значений, соответствующих температуре в условиях эксплуатации.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3