способ заправки емкости жидким водородом

Формула изобретения

СПОСОБ ЗАПРАВКИ ЕМКОСТИ ЖИДКИМ ВОДОРОДОМ высокой чистоты, включающий подачу жидкого водорода под давлением через фильтр в заправляемую емкость, отличающийся тем, что предварительное охлаждение конструкции заправляемой емкости производят путем подачи водорода через фильтр в емкость до понижения температуры водорода на входе в фильтр до 63 К, после чего подачу водорода осуществляют через байпас на входе в фильтр до достижения температуры, равновесной давлению водорода перед фильтром, и затем производят подачу водорода через фильтр.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при заправке криогенных емкостей жидким водородом высокой чистоты.

Известны способы заправки емкостей жидким водородом, включающие подачу жидкости под давлением из заправщика в заправляемую емкость [1]

Наиболее близким к изобретению является способ заправки емкости жидким водородом [2] включающий подачу жидкого водорода под давлением через фильтр в заправляемую емкость.

Недостатком данного способа является то, что он не обеспечивает надежной заправки заданной массы водорода в емкость, так как не исключает возможность забивания мелкопористого фильтра кристаллами отвердевших газов, растворенных в жидком водороде, что приводит к прекращению заправки емкости. Прекращение заправки может привести, например, к срыву предстартовой подготовки изделия, на котором установлены водородные емкости, предназначенные, например, для подачи водорода в электрохимический генератор, обеспечивающий электроэнергией все системы изделия.

Криогенные жидкости, в том числе и жидкий водород, содержит в себе растворенные газовые примеси. В жидком водороде в основном содержатся азот и кислород, при этом существует предел растворимости, выше которого происходит выпадение этих примесей в виде кристаллов. Предел растворимости в паровой фазе на несколько порядков меньше, чем в жидкой фазе. Экспериментальные данные по растворимости азота и кислорода, в жидком водороде приведены, например, в "Трудах ГИПХ N 89, Ленинград, 1983.

В начальный период заправки происходит интенсивное кипение подаваемого в заправочную магистраль жидкого водорода за счет отбора тепла от стенок трубопровода. После понижения температуры водорода в процессе захолаживания ниже 63 К температуры тройной точки азота (для кислорода температура тройной точки ниже -54 К Справочник по физико-техническим основам криогеники/Под редакцией М. П. Малкова, М. Энергия, 1973, таб. 4-81) и достижения предела растворимости примеси в виде кристаллов будут выпадать из паровой фазы в жидкость, так как предел растворимости в паровой фазе при одной и той же температуре на несколько порядков меньше, чем в жидкости. В результате оставшаяся жидкая фаза водорода будет обогащаться кристаллическими примесями, размеры которых сравнимы с порами мелкопористого фильтра от 5 до 20 мкм.

Поэтому в начальный период заправки фронт жидкости, подходящий к фильтру, содержит большое количество кристаллов отвердевших газовых примесей, которые и забивают поры мелкопористого фильтра, что приводит к прекращению заправки емкости. Причем, как показали испытания клапана водородной емкости, снабженного мелкопористым фильтром с размерами пор 20 мкм (Протокол испытаний инв. N 13/4581 В НИИХИММАШ, 1986) процесс забивки носит лавинообразный характер и протекает за 1-2 сек.

Целью изобретения является повышение надежности и экономичности заправки за счет исключения забивки мелкопористого фильтра кристаллами отвердевших газов растворенных в жидком водороде при заправке емкости жидким водородом с одновременной его фильтрацией.

Цель достигается тем, что в способе заправки емкости жидким водородом высокой чистоты, включающем подачу жидкого водорода под давлением через фильтр в заправляемую емкость, предварительное охлаждение конструкции заправляемой емкости производят путем подачи водорода через фильтр в заправляемую емкость до понижения температуры водорода на входе в фильтр до 63 К, после чего подачу водорода осуществляют через байпас на входе в фильтр до достижения температуры равновесной давлению водорода перед фильтром и затем производят подачу водорода через фильтр в заправляемую емкость. Способ осуществляется следующим образом.

Жидкий водород высокой чистоты (водород высокой чистоты необходим для нормального функционирования ряда потребителей, например, для нормального функционирования электрохимического генератора (ЭХГ) на основе водородно-кислородных топливных элементов требуется водород со степенью очистки 0,9999% объемных) из заправщика под давлением подается через мелкопористый фильтр в заправляемую емкость. Так как конструкции заправочной магистрали и емкости до заправки имеют температуру значительно выше температуры жидкого водорода, то в начальный период заправки происходит испарение подаваемого жидкого водорода за счет отвода тепла от тепловых конструкций и понижение при этом их температуры. Выпадения кристаллов отвердевших газов (в основном азота и кислорода), растворенных в жидком водороде в начальный период заправки еще не происходит, так как температура испарившегося водорода в этот период еще выше 63 К температуры, ниже которой происходит затвердевание азота, поэтому пары водорода проходят через фильтр в заправляемую емкость, не забивая его примесями отвердевших газов. По мере захолаживания конструкции температура ее и испаряющегося водорода понижаются и как только температура водорода на входе в фильтр понизится до 63 К подача водорода через фильтр в заправляемую емкость прекращается во избежании забивки фильтра. Дальнейшая подача водорода из заправщика осуществляется через байпас на входе в фильтр, минуя при этом фильтрующий элемент фильтра и заправляемую емкость. Подача водорода через байпас производится до понижения температуры водорода перед фильтром до равновесной, соответствующей давлению перед фильтром, после этого подача через байпас прекращается и опять производится подача через фильтр в заправляемую емкость до момента ее заполнения до заданного количества.

Понижение температуры перед фильтром до равновесной, соответствующей давлению водорода перед ним указывает на то, что процесс захолаживания заправочной магистрали и конструкции фильтра закончен, двухфазный фронт, наиболее обогащенный примесями отвердевших газов переместился за пределы фильтра и по тракту проходит сплошная жидкость, концентрация примесей в которой не превышает предел растворимости, соответствующей данной температуре. В результате исключается забивка мелкопористого фильтра кристаллами отвердевших газов и фильтр будет отфильтровывать только механические примеси больших размеров, чем его поры.

На чертеже показано свойство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство содержит емкость 1 с трубопроводами заправки 2 и дренажа 3, которую заправляют жидким водородом. Трубопроводы заправки и дренажа снабжены запорными клапанами 4 и 5 соответственно. На трубопроводе перед входом его в емкость установлен мелкопористый фильтр 6, заключенный в кожух 7, который снабжен патрубками 8 и 9. На трубопроводе заправки 2 перед фильтром 6 установлены датчик 10 температуры и датчик 11 давления. К запорному клапану 4 подстыкована заправочная магистраль 12, соединяющая заправляемую емкость 1 с заправщиком. К заправочной магистрали перед запорным клапаном 4 подстыкован байпасный трубопровод 13 с запорным клапаном 14.

Вход байпасного трубопровода 13 подсоединен к патрубку 8 кожуха 7, а выход к патрубку 9 и затем к дренажному трубопроводу 3 после запорного клапана 5. На байпасном трубопроводе 13, перед входом его в полость кожуха 7 установлены датчик 15 температуры и датчик 16 давления.

При заправке емкости 1 жидким водородом высокой чистоты из заправщика под давлением по заправочной магистрали 12 подается водород.

Запорные клапаны 4 и 5 открываются. Водород проходит через фильтр 6 и внутреннюю полость емкости 1, захолаживая при этом конструкцию магистрали 12, заправочный трубопровод 2 с фильтром 6 и оболочку емкости 1. В начальный момент заправки подаваемый жидкий водород полностью испаряется, так как температура захолаживаемых конструкций значительно выше температуры жидкого водорода. Пары испарившегося жидкого водорода нагреваются от захолаживаемых конструкций и пока температура их превышает 63К, которая фиксируется по датчику температуры 10, выпадания кристаллических примесей азота и кислорода, растворенных в водороде не происходит и забивки им фильтра также не происходит. После захолаживания конструкций и понижения температуры водорода на входе в фильтр до 63 К клапаны 4 и 5 закрываются, открывается клапан 14 на байпасном трубопроводе 13 и водород движется по байпасу, через полость кожуха 7, омывая и захолаживая при этом фильтр 6. После понижения температуры водорода, фиксируемой датчиком 15 до равновесной, соответствующей давлению, фиксируемому по датчику 16 давления клапан 14 закрывается, клапаны 4 и 5 открываются и жидкий водород через мелкопористый фильтр 6 подается в заправляемую емкость 1.

Эффективность предлагаемого технического решения в отличие от известных состоит в том, что предлагаемое позволяет исключить забивку мелкопористого фильтра выпадающими кристаллами растворенных в водороде газовых примесей при прохождении его через фильтр, что обеспечивает надежную заправку в заданное время и повышает экономичность.

В известных способах не исключается возможность частичной или полной забивки фильтра, что приводит к увеличению времени заправки или полному ее прекращению. При заправке бортовых емкостей в стартовых условиях, например, водородных емкостей космической энергетической установки на основе водородно-кислородных топливных элементов, превышение лимитного времени заправки приведет к срыву предстартовой подготовки изделия и, следовательно, к большим экономическим потерям. Кроме того, в предлагаемом способе для повышения экономичности заправки используются почти полностью холод жидкого водорода при захолаживании конструкций заправляемой емкости (она охлаждается водородом от плюсовых температур до 63 К и только после этого водород направляется в байпас, т.е. холод его при этом не используется на захолаживание конструкции заправляемой емкости).

Опробывание предложенного способа при заправке водородных емкостей системы электропитания (СЭП) на основе водородно-кислородных топливных элементов, на трубопроводах заправки которых установлены запорные клапаны с 20 мкм фильтрами, показало, что забивания фильтров не происходило. Емкости всегда надежно заправлялись до требуемого количества. Заправки проводились в НИИХИММАШе как при автономной отработке емкостей, так и всей СЭП в целом.