Устройство для хранения и подачи жидкого кислорода

 

Использование: в области криогенной техники для хранения и подачи кислорода потребителю, например, в электрохимический генератор (ЭХГ) энергетической установки (ЭУ) на основе водородно-кислородных топливных элементов, предназначенных для установки на подводных лодках. Сущность изобретения: устройство для хранения и подачи жидкого кислорода содержит теплоизолированную емкость для хранения кислорода с внутрибаковым электронагревателем и трубопроводом подачи, теплообменник-газификатор, регулятор давления, запорные клапаны и систему измерения и управления. В устройство введены два ресивера с указателями уровня и датчиками давления. Ресиверы установлены ниже днища емкости для хранения кислорода. Газовая полость каждого ресивера через запорный клапан соединена с газовой полостью емкости для хранения кислорода и через другой запорный клапан с трубопроводом подачи перед теплообменником-газификатором, а выход каждого ресивера со стороны жидкости соединен с трубопроводом подачи после запорного клапана и между этим соединением и теплообменником-газификатором установлен запорный клапан. Газовая полость емкости для хранения кислорода через запорный клапан подстыкована к трубопроводу подачи перед теплообменником-газификатором. Устройство позволяет минимизировать время подготовки устройства к выдаче кислорода в ЭХГ ЭУ и обеспечивает хранение кислорода без потерь до момента окончания его выдачи при одновременном уменьшении затрат электроэнергии на собственные нужды ЭУ. 1 ил.

Изобретение относится к области криогенной техники и предназначено для хранения и подачи кислорода к потребителю, например, в электрохимический генератор (ЭХГ) энергетической установки (ЭУ) на основе водородно-кислородных топливных элементов, предназначенной для установки на подводных лодках.

Известно устройство для хранения и подачи криогенных кислорода и водорода в ЭХГ ЭУ, выбранное в качестве прототипа ( "Энергоустановки и системы энергопитания космических летательных аппаратов на основе водородно-кислородных топливных элементов" под ред. М.В. Мельникова, М. ГОНТИ 4: 1970, с. 43-89).

Устройство содержит теплоизоляционные емкости для хранения криогенных компонентов с внутрибаковыми электронагревателями и трубопроводами подачи, в которых установлены теплообменник-газификатор, регулятор давления, запорные клапаны и система измерения и управления.

Аналог и прототип имеют следующие общие недостатки: не обеспечивают подготовку емкости к выдаче из нее кислорода в ЭХГ в требуемой после окончания заправки срок, который может быть не более 30 мин. Это связано с тем, что количество заправляемого кислорода в емкость в таких ЭУ для подводных лодок составляет от 20 до 40 т и поднять давление до требуемого уровня с помощью внутрибакового электронагревателя проблематично, т.к. для этого потребуется электронагреватель огромной мощности, например, при нижнем рабочем уровне давления 15 кг/см². За 30 мин необходимо повысить температуру кислорода с 90 К (температура после окончания заправки) до 128 К (температура, соответствующая давлению 15 кг/см²), т.е. к 40 т кислорода для этого необходимо подвести тепла: т.е. мощность электронагревателя должна быть 1400 квт; не обеспечивают хранение кислорода без потерь при продолжительном режиме работы без отбора кислорода из емкости. Такой режим работы возможен, т.к. ЭУ на основе водородно-кислородных топливных элементов на подводной лодке является вспомогательной и работает только в определенные периоды времени за время похода лодки, но готовность к работе должна иметь постоянную, т.е. давление кислорода в емкости должно находиться в требуемом допусковом диапазоне давлений; при отсутствии отбора из емкости в течение продолжительного времени давление кислорода может возрасти от рабочего уровня до уровня срабатывания предохранительного клапана, что приведет к потерям части хранимого кислорода и, следовательно, к уменьшению энергоресурса ЭУ; на поддержание давления кислорода в емкости в заданном допусковом диапазоне давлений с помощью внутрибакового электронагревателя в течение всего времени отбора кислорода требуются существенные расходы электроэнергии, т.е. существенные расходы на собственные нужды ЭУ, что также приводит к уменьшению энергоресурса ЭУ.

Задачей настоящего изобретения является минимизация времени подготовки устройства для хранения и подачи жидкого кислорода к выдаче кислорода в ЭХГ ЭУ в заданном допусковом диапазоне давлений с обеспечением последующего его хранения без потерь до момента окончания выдачи при одновременном снижении потерь электроэнергии на собственные нужды ЭУ.

Сущность изобретения заключается в том, что в устройство для хранения и подачи жидкого кислорода, содержащее теплоизолированную емкость для хранения кислорода с внутрибаковым электронагревателем и трубопроводом подачи, теплообменник-газификатор, регулятор давления, запорные клапаны и систему измерения и управления, введены два ресивера, установленные ниже днища емкости для хранения кислорода, каждый из которых снабжен указателем уровня жидкости и датчиком давления, при этом газовая полость каждого ресивера через запорный клапан соединена с газовой полостью емкости для хранения кислорода и через другой запорный клапан с трубопроводом подачи перед теплообменником-газификатором, а выход каждого ресивера со стороны жидкости соединен с трубопроводом подачи после запорного клапана и между этим соединением и теплообменником-газификатором установлен запорный клапан, кроме того, газовая полость емкости для хранения кислорода через запорный клапан подстыкована к трубопроводу подачи перед теплообменником-газификатором.

Технический результат заключается в том, что по сравнению с известными на сегодняшний день техническими решениями вновь созданное устройство для хранения и подачи жидкого кислорода позволяет минимизировать время его подготовки к выдаче кислорода в заданном допусковом диапазоне давлений в ЭХГ ЭУ и обеспечивает последующее хранение кислорода без потерь до момента окончания его выдачи при одновременном уменьшении затрат электроэнергии на собственные нужды ЭУ.

Это достигается благодаря введению в состав устройства двух ресиверов с указателями уровня и датчиками давления и вышеизложенному их подключению к емкости для хранения кислорода и к трубопроводу подачи, при этом объем каждого ресивера с целью уменьшения его габаритов выбирается, исходя из количества кислорода, соответствующего максимальному его расходу при работе ЭУ. Для таких ЭУ, устанавливаемых на подводных лодках, максимальный расход обычно равен 100 кг/ч, поэтому количество тепла, которое необходимо подвести для подъема давления кислорода в ресивере до нижнего рабочего уровня требуется в 40000кг/100кг=400 раз меньше. Такое количество тепла можно подвести из окружающей среды без использования специальных источников тепловыделения.

Производить прогрев кислорода с целью подъема его давления в теплоизоляционной емкости для хранения кислорода в таком устройстве нет необходимости. Кислород там будет прогреваться за счет теплопритоков из окружающей среды и, пока давление не поднимется до нижнего уровня рабочего диапазона давлений, отбор кислорода будет производиться из ресиверов, попеременно заполняемых кислородом из теплоизолированной емкости, после их опорожнения в процессе отбора. При эффективной теплозащите давление в емкости для хранения кислорода может не повысится до нижнего рабочего уровня в течение всего времени похода лодки (максимальное время 30 сут). Поэтому отбор кислорода в ЭХГ будет осуществляться из ресиверов и не потребуется затрат электроэнергии на поддержание давления кислорода в заданном допусковом диапазоне в процессе его отбора. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает минимизацию времени подготовки к выдаче кислорода в ЭХГ, исключает потери кислорода в процессе его хранения без отбора и уменьшает или вовсе исключает затраты электроэнергии на собственные нужды ЭУ.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена схема устройства для хранения и подачи жидкого кислорода.

Устройство содержит теплоизолированную емкость 1 с внутрибаковым электронагревателем 2, датчиком давления 3 и трубопроводом подачи 4. Емкость 1 снабжена трубопроводом заправки 5 с запорным клапаном 6 и трубопроводом дренажа 7 с запорным клапаном 8. На трубопроводе подачи установлены: запорный клапан 9, запорный клапан 10, теплообменник газификатор 11, запорный клапан 12 и регулятор давления 13. К трубопроводу подачи 4 между запорным клапаном 9 и запорным клапаном 10 подсоединены ресиверы 14, 15 соответственно с помощью трубопроводов 16, 17, снабженных запорными клапанами 18, 19. Ресиверы 14, 15 расположены ниже днища емкости 1 и их наружные оболочки могут быть при необходимости покрыты теплоизоляцией на основе пенопластов. Ресивер 14 снабжен указателем уровня 20, датчиком давления 21 и его газовая полость через запорный клапан 22 с помощью трубопровода 23 соединена с дренажным трубопроводом 7 перед входом его в запорный клапан 8 и через запорный клапан 24 с помощью трубопровода 25 подсоединен к трубопроводу подачи 4 перед теплообменником-газификатором 11. Ресивер 15 снабжен указателем уровня 26, датчиком давления 27 и его газовая полость через запорный клапан 28 с помощью трубопровода 23 соединена с трубопроводом дренажа 7 перед входом его в запорный клапан 8 и через запорный клапан 29 с помощью трубопровода 25 подсоединена к трубопроводу подачи 4 перед теплообменником-газификатором 11. Дренажный трубопровод 7 емкости 1 через запорный клапан 30 с помощью трубопровода 31 подстыкован к трубопроводу подачи 4 перед теплообменником-газификатором 11.

Устройство работает следующим образом.

Открываются запорные клапаны 6 на трубопроводе заправки 5 и 8 на трубопроводе дренажа 7 и производится заправка емкости 1 жидким кислородом до достижения требуемого количества, после чего закрываются последовательно клапаны 6 и 8. После окончания заправки открываются запорные клапаны 22, 18, 9 и производится заправка ресивера 14 из емкости 1 под действием силы тяжести. После достижения в ресивере 14 требуемого количества кислорода, которое фиксируется датчиком уровня 20 и которое должно соответствовать максимальному расходу подаваемого в ЭХГ кислорода (на большее количество кислорода ресивер делать не целесообразно, т.к. возрастают его размеры, а достигаемый эффект при этом не улучшается) закрываются запорные клапаны 9, 18, 22 и за счет теплопритоков из окружающей среды давление кислорода в ресивере 14 будет возрастать (в процессе отработки устанавливается в зависимости от темпа роста давления целесообразность нанесения теплоизоляции на поверхность ресивера). После достижения нижнего уровня рабочего диапазона давлений в ресивере 14 устройство готово к подаче кислорода в ЭХГ ЭУ. Если сразу после достижения готовности устройства потребуется подача кислорода, то открываются запорные клапаны 18, 10, 12 и производится подача жидкого кислорода. При прохождении через теплообменник-газификатор 11 жидкий кислород испаряется и образовавшийся пар нагревается до плюсовых температур. После регулятора давления 13 давление газообразного кислорода понижается до требуемого для подачи в ЭХГ уровня. Если в процессе отбора давление в ресивере будет возрастать и достигнет верхнего рабочего уровня (который обычно на 3-4 кг/см² больше нижнего уровня), что может иметь место при расходах меньше максимального, то клапаны 18, 10 закрываются, открывается клапан 24 и производится отбор паровой фазы кислорода, при этом возможно понижение давления, т. к. в этом случае объемный расход возрастает во столько раз, во сколько плотность жидкой фазы больше плотности паровой фазы. При понижении давления до нижнего рабочего уровня прекращается отбор паровой фазы, для чего закрывается клапан 24 и начинает производиться отбор жидкости, для чего открываются клапаны 18, 10. В таком режиме и производится выработка кислорода из ресивера 14 до полной выработки жидкой фазы, что определяется по датчику уровня 20. В процессе выработки кислорода из ресивера 14 до достижения времени, которое необходимо на заправку ресивера и подъема в нем давления после окончания заправки до нижнего рабочего уровня, закрываются клапаны 18, 10, открывается клапан 24, из ресивера производится отбор паровой фазы и одновременно открываются клапаны 28, 19, 9 и производится заправка ресивера 15. После окончания заправки, конец которой определяется по датчику уровня 26, закрываются клапаны 9, 19, 28 и в ресивере 15 начинается подъем давления. С этого момента выработка кислорода из ресивера 14 производится в обычном режиме, т.е. в зависимости от давления отбирается то жидкая, то паровая фаза кислорода. После выработки жидкой фазы из ресивера 14 клапаны 18, 24 закрываются и начинается выработка кислорода из ресивера 15 таким же путем, как и из ресивера 14. Так попеременно то из одного, то из другого ресивера и производится выработка кислорода и подача его в ЭХГ ЭУ. При переходе в процессе похода лодки на электропитание от основной ЭУ отбор кислорода из ресиверов прекращается. Если к этому моменту в ресиверах имеется кислород, то в режиме хранения без отбора давление его будет возрастать и при достижении предельного уровня, который устанавливается, исходя из прочностных характеристик ресиверов, открываются клапаны 22 или 28 и производится сброс давления в газовую полость емкости 1. После понижения в процессе сброса давления в ресивере до нижнего рабочего уровня клапаны 22 или 28 закрываются. Если в процессе похода лодки давление в емкости 1 возрастает до нижнего рабочего уровня (при эффективной теплозащите за время 30 сут это исключено), то отбор кислорода из ресиверов прекращается, открывается клапан 30 и выдача кислорода в ЭХГ производится из емкости 1 до понижения давления в ней на 1 кг/см² ниже нижнего рабочего уровня, после чего опять начинается выдача кислорода из ресиверов. При выработке кислорода из емкости 1 до определенного уровня, поддержание давления в емкости в заданном допусковом диапазоне осуществляется с помощью внутрибакового электронагревателя 2.

Таким образом, по сравнению с известными техническими решениями предлагаемое устройство благодаря введению двух ресиверов, устанавливаемых ниже днища емкости для хранения кислорода и взаимной конструктивной связи агрегатов устройства позволяет минимизировать время подготовки устройства к выдаче кислорода в ЭХГ ЭУ и обеспечивает хранение кислорода без потерь до момента окончания его выдачи при одновременном уменьшении затрат электроэнергии на собственные нужды ЭУ.

Формула изобретения

Устройство для хранения и подачи жидкого кислорода, содержащее теплоизолированную емкость для хранения кислорода с внутрибаковым электронагревателем и трубопроводом подачи, теплообменник-газификатор, регулятор давления, запорные клапаны и систему измерения и управления, отличающееся тем, что в него введены два ресивера, установленные ниже днища емкости для хранения кислорода, каждый из которых снабжен указателем уровня жидкости и датчиком давления, при этом газовая полость каждого ресивера через запорный клапан соединена с газовой полостью емкости для хранения кислорода и через другой запорный клапан с трубопроводом подачи перед теплообменником-газификатором, а выход каждого ресивера со стороны жидкости соединен с трубопроводом подачи после запорного клапана и между этим соединением и теплообменником-газификатором установлен запорный клапан, кроме того, газовая полость емкости для хранения кислорода через запорный клапан подстыкована к трубопроводу подачи перед теплообменником-газификатором.

РИСУНКИ

Рисунок 1