газификатор криогенной жидкости

Формула изобретения

1. Газификатор криогенной жидкости, преимущественно жидкого водорода, содержащий сосуд для криогенной жидкости с трубопроводами заправки криогенной жидкости, дренирования и выдачи ее на испаритель с запорными органами на них, отличающийся тем, что запорные органы выполнены в виде клапанов с дистанционным управлением, при этом газификатор снабжен системой автоматического управления запорными клапанами, трубопроводы дренирования и выдачи жидкости из сосуда выполнены жесткими и закреплены с возможностью линейного перемещения свободных участков при изменении температуры, причем упомянутые участки соединены механическими связями с переключателями системы автоматического управления запорными клапанами трубопроводов заправки, дренирования и выдачи криогенной жидкости из криогенного сосуда.

2. Газификатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен вторым сосудом для криогенной жидкости с трубопроводами заправки, дренирования и выдачи криогенной жидкости с запорными клапанами на них, подключенными к системе автоматического управления, при этом трубопроводы дренирования и выдачи криогенной жидкости из сосуда выполнены жесткими и закреплены с возможностью линейного перемещения их свободных участков при изменении их температуры, причем каждый участок соединен механической связью с соответствующим дополнительным переключателем системы автоматического управления запорными клапанами на трубопроводах заправки, дренирования и выдачи криогенной жидкости из второго сосуда, а трубопроводы заправки и выдачи криогенной жидкости из второго сосуда соединены соответственно с трубопроводами заправки и выдачи криогенной жидкости на испаритель из первого сосуда, трубопроводы наддува обоих сосудов с запорными клапанами соединены с выходом из испарителя.

3. Газификатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что механические связи выполнены гибкими.

4. Газификатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что наружные поверхности трубопроводов дренирования и выдачи криогенной жидкости из обоих сосудов снабжены теплопроводящими ребрами.

5. Газификатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что на входе криогенной жидкости в испаритель установлен регулятор расхода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к установкам для газификации криогенных жидкостей, преимущественно жидкого водорода, и может быть использовано в газовой, химической, криогенной и других отраслях промышленности, использующих криогенные жидкости.

Целью газификации криогенной жидкости является получение газов высокого давления. Давление получаемого газа определяется потребителем и обычно находится в диапазоне от 5 до 420 атмосфер. Наибольший интерес для промышленного использования представляют устройства для получения непосредственно из криогенных жидкостей, включая жидкий водород, технических газов с давлением от 150 до 300 атмосфер. Указанные давления соответствуют диапазону рабочих давлений существующего парка газовых компрессоров и баллонов. При этом получаемые с помощью газификаторов технические газы высокого давления превосходят по чистоте газы, получаемые компремированием, поскольку газовые компрессоры, как правило, вносят паромасляные загрязнения.

Известен газификатор криогенной жидкости, содержащий сосуд для криогенной жидкости с трубопроводами заправки, дренирования и выдачи жидкости и на испаритель с запорными ручными вентилями на них (см. [1], стр.207). Данный газификатор имеет рабочий сосуд низкого давления и обеспечивает периодическое получение газов низкого давления. При понижении уровня криогенной жидкости в рабочем сосуде газификатора до нижней отметки процесс газификации останавливают для заправки сосуда новой порцией жидкости. Контроль уровня криогенной жидкости в сосуде осуществляется с помощью манометрического уровнемера, представляющего собой дифференциальный манометр, измеряющий гидростатическое давление столба жидкости в сосуде газификатора. Контроль уровня криогенной жидкости с малой плотностью, например жидкого водорода, в сосуде затруднен. Гидростатическое давление столба жидкого водорода, плотность которого порядка 70 кг/м³, в сосуде газификатора настолько мало, что чувствительность и точность существующих дифференциальных манометров, применяемых в газификаторах, недостаточны для надежного измерения и поддержания уровня жидкого водорода. В случае увеличения рабочего давления сосуда газификатора неизбежно также повышение рабочего давления дифференциального манометра, что еще понижает его чувствительность и точность. Существующие в настоящее время электрические уровнемеры различных типов, например ультразвуковые, емкостные, для криогенных жидкостей дороги, сложны и недостаточно надежны, что выявлено при их многолетней периодической эксплуатации в сосудах с давлением до 8 атмосфер. При давлениях около 12 атмосфер и выше жидкий водород переходит в критическое состояние, характеризующееся отсутствием границы раздела фаз в криогенном сосуде. При этом использование уровнемеров любого типа не решает задачу контроля уровня жидкого водорода в емкости газификатора.

Применение электрических приборов для сосудов криогенных газификаторов жидкого азота, аргона, кислорода также затруднено, в связи с необходимостью создания надежного криогенного уровнемера с большим ресурсом работоспособности, герметичного узла вывода электрического сигнала из криогенной емкости высокого давления, обеспечением пожарной безопасности электрических систем в сосудах с жидким кислородом. По указанным причинам применение газификатора, описанного в [1], стр.207, не решает задачу получения технических газов высокого давления.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является известный газификатор криогенной жидкости, содержащий сосуд для криогенной жидкости с трубопроводами заправки криогенной жидкости, дренирования и выдачи ее на испаритель с запорными органами на них (см. [1], стр.208). Газификационная установка состоит из сосуда низкого давления для криогенной жидкости, двух испарителей, размещенного в сосуде криогенного насоса высокого давления с электроприводом, а также имеет блок управления и щит приборов.

Основными недостатками прототипа являются значительные затраты на изготовление и эксплуатацию криогенного насоса для получения газа высокого давления, ограниченная номенклатура рабочих сред и трудности автоматизации процесса газификации. Применяемые поршневые криогенные насосы являются сложными и дорогостоящими устройствами, имеют недостаточный ресурс и требуют значительных затрат электроэнергии на привод. Свойства применяемых в настоящее время насосов ограничивают номенклатуру газифицируемых сред жидкими продуктами разделения воздуха. Применение насосных газификаторов для криогенных жидкостей малой плотности, например для жидкого водорода, невозможно по причине неработоспособности существующих поршневых насосов в среде жидкого водорода. Цикл всасывания в рабочий цилиндр насоса жидкого водорода приводит к его кипению на входном клапане. При этом рабочий цилиндр заполняется паром, и производительность насоса падает до нуля. Применение для этих целей насосов других типов, например центробежных, затруднено по причине еще более высокой сложности и дороговизны многоступенчатого центробежного насоса для жидкого водорода, что подтверждается существующим опытом создания и отработки турбонасосных агрегатов для жидкостных ракетных двигателей на жидком водороде. Прототип газификатора не может функционировать в автоматическом режиме вследствие отсутствия в его составе надежных средств контроля и автоматического поддержания уровня криогенного компонента в сосуде, недостаточной надежности криогенного насоса в среде криогенных жидкостей малой плотности.

Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в снижении стоимости газификатора и эксплуатационных затрат, повышении рабочего давления получаемых газов без применения криогенного насоса, повышении надежности и автоматизации работы газификатора с криогенными жидкостями малой плотности, прежде всего с жидким водородом.

Это достигается тем, что в известном газификаторе криогенной жидкости, содержащем сосуд для криогенной жидкости с трубопроводами заправки криогенной жидкости, наддува-дренирования и выдачи ее на испаритель с запорными органами на них, согласно изобретению, запорные органы выполнены в виде клапанов с дистанционным управлением, при этом газификатор снабжен системой автоматического управления запорными клапанами, трубопроводы дренирования и выдачи жидкости из сосуда на испаритель выполнены жесткими и закреплены с возможностью свободного линейного перемещения свободных участков при изменении температуры, причем упомянутые участки соединены механическими связями с переключателями системы автоматического управления запорными клапанами трубопроводов заправки, дренирования и выдачи криогенной жидкости из криогенного сосуда.

Кроме того, газификатор может быть снабжен вторым сосудом для криогенной жидкости с трубопроводами заправки, дренирования и выдачи криогенной жидкости с запорными клапанами на них, подключенными к системе автоматического управления, при этом трубопроводы дренирования и выдачи криогенной жидкости из сосуда выполнены жесткими, закреплены на одном конце с возможностью линейного перемещения их свободных участков при изменении температуры, причем каждый участок соединен механической связью с соответствующим дополнительным переключателем системы автоматического управления запорными клапанами на трубопроводах заправки, дренирования и выдачи криогенной жидкости из второго сосуда, а трубопроводы заправки, дренирования и выдачи криогенной жидкости из второго сосуда соединены соответственно с трубопроводами заправки, дренирования и выдачи криогенной жидкости на испаритель из первого сосуда, трубопроводы наддува обоих сосудов с запорными клапанами соединены с выходом из испарителя.

Причем механические связи свободных участков трубопроводов с переключателями системы автоматического управления выполнены гибкими, а наружные поверхности трубопроводов дренирования и выдачи криогенного компонента из обоих сосудов снабжены наружными теплопроводящими ребрами.

При этом на входе криогенной жидкости в испаритель установлен регулятор расхода.

На фиг. 1 изображена пневмогидравлическая схема газификатора криогенной жидкости; на фиг.2 - принципиальная схема блока формирования команд системы управления, на фиг. 3 - электрическая схема системы управления запорными клапанами газификатора; на фиг.4 представлен график изменения температуры реального дренажного трубопровода криогенного сосуда при заправке и сливе криогенной жидкости; на фиг. 5 - зависимость коэффициента температурного линейного расширения металла (сталь Х18Н10Т) от температуры (Т), на фиг.6 - пневмогидравлическая схема газификатора для непрерывной подачи криогенной жидкости, состоящего из двух криогенных сосудов.

Сосуд 9 (фиг. 1) для криогенной жидкости с экранно-вакуумной изоляцией закреплен на неподвижной стационарной опоре 8. Магистраль заправки сосуда 9 криогенной жидкостью включает в себя трубопровод 4 с экранно-вакуумной теплоизоляцией, обратный клапан 2 и запорный клапан 5 с дистанционным управлением. Наддув сосуда 9 осуществляется по трубопроводу 18 с дистанционно управляемым клапаном 22. Дренирование паров и жидкости из криогенного сосуда происходит по дренажному трубопроводу 24, имеющему дистанционно управляемый клапан 21, на выходе из которого участок трубопровода 24 имеет жесткую опору 23. После опоры 23 участок трубопровода 24 выполнен без тепловой изоляции и имеет возможность свободного перемещения при изменении его температуры. Магистраль выдачи криогенной жидкости из сосуда 9 потребителю состоит из трубопровода 10 с клапаном 7 с дистанционным управлением, на выходе из которого установлена неподвижная опора 6, с регулятором расхода 11, испарителем 12 и обратным клапаном 13. После опоры 6 участок трубопровода 10 выполнен без тепловой изоляции и имеет возможность свободного перемещения при изменении его температуры. Регулятор расхода 11 предназначен для задания скорости опорожнения криогенного сосуда 9. При этом регулятор расхода 11 имеет ручку для настройки длительности опорожнения криогенного сосуда 9. Обратный клапан 13 обеспечивает автоматическое перекрытие трубопровода выдачи жидкости потребителю, если давление рабочей среды в криогенном сосуде 9 ниже, чем у потребителя.

Трубопровод выдачи газа из испарителя 12 соединяется трубопроводом 18 с входом клапана 22 системы наддува сосуда 9 (на фиг.1 соединительный трубопровод 18 изображен пунктиром) и обеспечивает уравнивание давления в испарителе 12 и в газовой подушке сосуда 9. Подача криогенной жидкости в криогенный сосуд 9 происходит под действием избыточного давления источника 1 криогенной жидкости (на фиг.1 источник криогенной жидкости условно не показан). Слив криогенной жидкости из криогенного сосуда 9 в испаритель 12 происходит самотеком - под действием разности гидростатических уровней криогенной жидкости в криогенном сосуде 9 и в испарителе 12. Для обеспечения подачи криогенной жидкости самотеком в испаритель 12 последний располагают ниже минимального уровня жидкости в криогенном сосуде 9.

Для интенсификации теплообмена с атмосферным воздухом наружные поверхности дренажного трубопровода 24 и трубопровода выдачи жидкости 10 снабжены теплопроводящими ребрами. В целях экономии дорогостоящих криогенных жидкостей дренирование паров через трубопровод 24 осуществляется в газгольдер низкого давления, где газообразный компонент хранится для повторного использования (на фиг.1 и 6 газгольдер условно не показан). Наличие жестких опор 23 и 6 на дренажном трубопроводе 24 и трубопроводе выдачи криогенной жидкости 10 обеспечивает свободное продольное (только вдоль их оси) перемещение участков трубопроводов на величину температурного линейного удлинения при изменении их температуры. На этих участках трубопроводов 10 и 24 жестко закреплены кронштейны 14 и 27. С помощью связей 15 и 28 кронштейны 14 и 27 соединены с электрическими переключателями блоков формирования команд 16 и 29, жестко закрепленных на опорах 17 и 30 соответственно. Назначение блоков формирования команд 16 и 29 (см. фиг.2) - преобразование линейных перемещений участков трубопроводов 24 и 10 посредством связей 15 и 28 в электрические сигналы и подача этих сигналов в систему управления запорными клапанами заправки, наддува, дренирования и выдачи криогенной жидкости на испаритель 12. Конструктивно блоки 16 и 29 выполнены совершенно идентично, поэтому устройство их рассмотрим на примере блока 29. Блок формирования команд 29 имеет подвижную рамку 31. К рамке 31 блока 29 прикреплена связь 28 и возвратная пружина растяжения 33. При движении связи 28 рамка 31 может свободно скользить по направляющим 32, неподвижно закрепленным на корпусе 29. Электрические контакты переключателя КД (и KB - в блоке формирования команд 16), закрепленного на траверсе 35, включены в электрическую схему системы управления (см. фиг.3). Электрические контакты переключателя КД (и переключателя KB) замыкаются при легком нажатии со стороны рамки 31, при прекращении нажатия контакты размыкаются внутренними пружинами переключателей. Траверса 35 вместе с выключателем КД может перемещаться относительно корпуса 29 только при вращении регулировочного винта 34. Корпус 29 блока формирования команд закрыт крышкой 36, обеспечивающей безопасность в помещениях с водородом и защиту блока формирования команд от механических повреждений. В целях удобства монтажа и эксплуатации связи 15 и 28 могут быть выполнены гибкими, например, из тонких стальных тросов, которые под действием пружин 33 всегда находятся в натянутом положении. Блоки формирования команд 16 и 29 электрически подключены к системе управления. Схема системы управления заправкой и сливом криогенной жидкости из криогенного сосуда 9 может быть построена на базе трех серийных (РЭС32) электромагнитных реле P1, P2, Р3 и четырех электропневмоклапанов ЭПК1, ЭПК2, ЭПК3, ЭПК4 (см. фиг.3). Электропневмоклапаны подают и снимают давление управляющего газа на пневматические приводы клапанов 5, 7, 21, 22 по электрическим командам, подаваемым системой управления.

Система управления построена по схеме триггера с двумя устойчивыми положениями, которые имеет реле Р1 - (включенное - "режим 1" - заправка, или выключенное - "режим 2" - выдача). В электрической схеме системы управления имеются две ручные кнопки КО и К1, обеспечивающие принудительное переключение триггера и выключатели К2, К3 выключения электропитания ("режим 0"). При выключенном электропитании все клапаны на сосуде закрыты (в режиме ожидания для предохранения сосуда с криогенной жидкостью от его разрушения в случае превышения давления в сосуде от испарения криогенной жидкости он снабжается пружинным предохранительным клапаном, на чертеже он условно не показан).

Газификатор с одним сосудом обеспечивает периодическую выдачу криогенной жидкости с перерывами для заправки криогенного сосуда. Для непрерывной подачи криогенной жидкости на испаритель 12 газификатор снабжается вторым сосудом для криогенной жидкости 37 (фиг.6). Второй сосуд 37 также снабжен тепловой (вакуумной) изоляцией и установлен вместе с сосудом 9 на той же стационарной опоре 8. Магистраль заправки сосуда 37 включает в себя трубопровод 38 с экранно-вакуумной теплоизоляцией, клапаном 39 с дистанционным управлением и подсоединена после обратного клапана 2. Наддув обоих сосудов 9 и 37 осуществляется по трубопроводу с дистанционно управляемыми клапанами 22 и 42 путем отбора газифицированного компонента с выхода испарителя 12. Дренирование паров и жидкости из криогенного сосуда 37 происходит по прямолинейному дренажному трубопроводу 25 с дренажным клапаном 43. Участок трубопровода 25 после клапана 43 имеет жесткую опору 44 и снабжен теплопроводящими ребрами, а на втором конце - кронштейн 26, соединенный связью 45 с блоком формирования команд 46. Магистрали выдачи криогенной жидкости из сосудов 9 и 37 на испаритель 12 включают соответственно клапаны 7 и 41, прямолинейные участки трубопроводов 10 и 50 с теплопроводящими ребрами, которые подключены к общему регулятору расхода 11 с помощью гибких участков 51 и 52, подсоединенных после мест установки кронштейнов 14 и 47. Гибкие участки 51 и 52 позволяют трубам 10 и 50 независимо удлиняться при изменении температуры каждой из них. Трубопровод 50 имеет кронштейн 47, соединенный связью 48 с блоком формирования команд 49. Блоки 46 и 49 выполнены аналогично блокам формирования команд 29 и 16 и закреплены попарно на неподвижных кронштейнах 30 и 17.

Система управления устройства с двумя сосудами в целом выполнена аналогично системе устройства с одним сосудом и также обеспечивает три режима - режим 1 "заправка", режим 2 "выдача", "режим 0" - электропитание отключено. Различие заключается в том, что на режиме 1 один из сосудов заправляется жидким криогенным компонентом, а второй выдает криогенную жидкость потребителю, на режиме 2 - сосуды меняются ролями.

Величины перемещений концевых участков трубопроводов 10, 24, 25 и 50 с кронштейнами 14, 27, 26 и 47 можно оценить расчетами, выполненными ниже для жидкого водорода. Пусть в начальном состоянии все элементы газификатора имеют одинаковую температуру, равную Т₀, близкую к температуре окружающего воздуха, например, 273К (0^oС), а при работе - температуру T₁, равную 3040К (-243-233^oС).

Произведем оценку величины перемещения конца трубопровода 24 при охлаждении его до температуры T₁.

Для рассматриваемой задачи важно то, что во время работы газификатора трубопроводы дренажа 24 и выдачи компонента 10 потребителю, имевшие в начале работы устройства температуру ₀, циклически охлаждаются до температуры T₁, а затем достаточно быстро нагреваются до более высокой температуры Т₂. Периодические охлаждение и нагрев дренажного трубопровода 24 и трубопровода выдачи криогенной жидкости 10 в интервале температур T₁...T₂ вызывают изменения исходных длин L трубопроводов на величину температурного линейного расширения L. Здесь знак определяется в зависимости от направления изменения температуры трубопровода.

Рассчитаем величину продольного перемещения свободного конца трубопровода при условии, что другой конец его закреплен и температура стенок изменяется в диапазоне T₁...T₂. Из [2] известно выражение для температурного коэффициента линейного расширения твердых тел при изменении температуры:



где - температурный коэффициент линейного расширения материала трубопровода;

L - длина трубопровода;

Т - температура, К.

Известно, что температурный коэффициент линейного расширения материала зависит от температуры Т, то есть = (T). Тогда для величины температурного удлинения (укорочения) L трубопровода получим



Для конструкционной стали Х18Н10Т, применяемой для изготовления криогенного оборудования, известна, например, из [2] зависимость коэффициента линейного температурного расширения от температуры в диапазоне 20....300 К. Зависимость приведена в таблице 1.

Приведенная табличная зависимость коэффициента температурного линейного расширения от температуры Т стали Х18Н10Т с достаточной точностью может быть аппроксимирована выражением

10⁶-0,0002Т²+0,1201Т-1,25, (3)

где Т - абсолютная температура стали Х18Н10Т.

Приближенная зависимость коэффициента от температуры, рассчитанная по формуле (3), представлена на графике фиг.5 сплошной линией; выделенные точки соответствуют значениям коэффициента , взятым из таблицы 1.

Подставляя выражение коэффициента из выражения (3) в уравнение (2) и производя вычисления, получим расчетные оценки величин перемещения конца дренажного трубопровода 24. Результаты расчетов перемещений для произвольных значений длин L труб из стали Х18Н10Т и температур их стенок сведены в таблицу 2. Знак перед L меняется на обратный при нагреве дренажного трубопровода длиной L в том же интервале температур от T₁ до Т₂.

Из анализа данных таблицы 2 следует, что:

1. Периодическое протекание криогенной жидкости через трубопровод с одним закрепленным концом вызывает перемещение свободного конца трубопровода. Причиной перемещения является фундаментальное свойство конструкционного материала (в данном случае стали) изменять линейные размеры при изменении температуры.

2. Величина перемещения свободного конца трубопровода, через который дренируется или выдается потребителю криогенная жидкость, измеряется миллиметрами и достаточна для обеспечения замыкания и размыкания электрических контактов блока формирования команд. Для любой криогенной жидкости и конкретной конструкции устройства заданная величина перемещения L, необходимая для работы устройства, может быть достигнута путем надлежащего выбора длины L дренажного трубопровода.

3. Знак перед величиной перемещения L меняется на противоположный при перемене местами крайних значений интервала, в котором изменяется температура трубопровода.

Перед началом работы газификатора предварительно настраивают регулятор расхода 11 на номинальную скорость потребления газа потребителем, а также настраивают блоки формирования команд 16 и 29 (49 и 46) на конкретную температуру срабатывания T₁ в зависимости от используемой криогенной жидкости.

Настройка каждого блока формирования команд (фиг.2) 16 и 29 (49 и 46) заключается в установке траверсы 35 в строго определенное положение относительно неподвижной рамки 31. В момент настройки блоков формирования команд криогенная жидкость в газификаторе отсутствует.

При настройке положений траверсы 35 ее перемещение выполняется поворотом соответствующего регулировочного винта на угол, определяемый предварительным расчетом. Контроль замыкания электрических контактов переключателя ведется по электрическому прибору, например омметру, временно подключенному к контактам КД или КВ.

Настройка блока формирования команд 29.

Пусть длина дренажного трубопровода 24 от опоры 23 до кронштейна 27 составляет L м, а положение рамки 31 соответствует начальной температуре Т₀, при которой ведут настройку блока. Предварительно расчетом по формуле (2) определяют величину перемещения L₂₄ кронштейна 27 для интервала температур T₀. ..T₁. Здесь Т₁ - температура дренажного трубопровода 24 в начале течения через него жидкого криогенного компонента. Угол поворота регулировочного винта определяется по формуле

= 360L₂₄/s, (4)

где - угол поворота винта 34, градусы угловые,

s - шаг резьбы регулировочного винта 34, мм.

L₂₄ - расчетное изменение длины дренажного трубопровода 24, мм.

Открывают крышку 36 блока формирования команд 29. Вращением регулировочного винта 34 приводят траверсу 35 в положение, при котором контакт переключателя КД замкнется в результате нажатия его штока на неподвижную рамку 31. Контроль замыкания контактов КД ведут с помощью, например, временно подключаемого омметра. Затем, вращая винт 34 в противоположную сторону на угол , отодвигают траверсу 35 с переключателем КД от рамки 31 на величину L₂₄, чтобы при будущем перемещении рамки 31 от действия температуры T₁ рамка нажала на шток переключателя КД. В найденном положении траверсу 35 фиксируют, блок закрывают крышкой 36. На этом настройка блока 29 завершается.

Настройка блока формирования команд 16.

Пусть длина дренажного трубопровода 10 от опоры 6 до кронштейна 14 составляет L м, а положение рамки 31 соответствует начальной температуре Т₀, при которой ведут настройку блока. Предварительно расчетом по формуле (2) определяют величину перемещения L₁₀ кронштейна 14 для интервала температур Т₀. . . Т₁. Здесь T₁ - температура трубопровода 10 при течении через него жидкого криогенного компонента. Угол поворота регулировочного винта блока 16 определяется по формуле

= 360L₁₀/s, (4)

где - угол поворота регулировочного винта, градусы угловые,

s - шаг резьбы регулировочного винта, мм;

L₁₀ - расчетное изменение длины дренажного трубопровода 10, мм.

Настройка блока формирования команд 16 и остальных блоков 46 и 49 выполняется аналогично настройке блока 29, описанной выше.

Газификатор криогенной жидкости с одним сосудом (см. фиг.1) работает следующим образом.

В исходном положении система управления газификатором включена и находится в одном из двух возможных режимов. Пусть, например, выбран режим 1 (заправка), при котором сосуд 9 включен на заправку криогенной жидкостью, а трубопровод 10 выдачи жидкости в газификатор 12 перекрыт. Открыты клапаны 5, 21, закрыты клапаны 7, 22.

К выходу обратного клапана 13 подключена магистраль потребителя, в которой имеется давление среды, заданное программой. В исходном положении обратный клапан 13 закрыт действием давления в магистрали потребителя.

Предварительно настраивают регулятор 11 на номинальную скорость потребления газа потребителем.

При заправке от источника питания криогенной жидкости в сосуд 9, например жидкого водорода, начинается охлаждение стенок сосуда, сопровождаемое кипением водорода с интенсивным парообразованием. Образующиеся пары выходят из криогенного сосуда в дренажный трубопровод 24, охлаждая его изнутри. Снаружи на этот же трубопровод, не имеющий тепловой изоляции, воздействует теплоприток от окружающего воздуха. Температура стенки дренажного трубопровода 24 устанавливается в результате противодействия наружного обогрева окружающим воздухом и внутреннего охлаждения движущимися в трубе парами криогенного компонента. По мере заправки криогенного сосуда криогенной жидкостью температура выходящих паров и трубопровода 24 постепенно снижается. В момент заполнения сосуда 9 в дренажный трубопровод 24 вместе с парами попадает криогенная жидкость, которая более интенсивно, чем пары, понижает температуру стенок. Экспериментально установлено, что температура стенки дренажного трубопровода 24 в этот момент быстро понижается до температуры T₁, превышающей температуру кипения криогенной жидкости Ts всего на 10...20 градусов, и в дальнейшем остается без изменений. Для жидкого водорода при атмосферном давлении температура кипения Ts равна 20, 16 К, а температура стенки дренажной трубы T₁ становится равной 30...40 К. При этом вследствие охлаждения трубопровода 24 его длина дополнительно уменьшается в продольном направлении, это вызывает перемещение кронштейна 27 со связью 28 и соединенной с ней рамки 31 блока формирования команд 29. Рамка 31 сдвинется влево, растягивая возвратную пружину 36, на расчетную величину L₂₄, нажмет на шток переключателя КД, который замкнет свои контакты. Этот сигнал будет передан в систему управления устройством и вызовет опрокидывание в противоположное положение триггера в системе управления, который выдает команду на закрытие клапанов 5 и 21, а также на открытие - 7 и 22, при этом устройство переходит из режима 1 "заправка" - в режим 2 "выдача".

После окончания заправки и закрытия дренажного клапана 21 жидкий водород из дренажного трубопровода 24 сравнительно быстро, в течение нескольких секунд, испаряется благодаря отсутствию тепловой изоляции и наружным теплопроводящим ребрам. Трубопровод 24 начинает нагреваться окружающим воздухом, и в течение 5-7 минут его температура повышается до температуры Т₂, которая на 20-40 градусов выше, чем температура T₁ (см. фиг.4). Вследствие температурного расширения материала концевого участка трубопровода 24 его длина увеличивается, что вызывает перемещение кронштейна 27 и соединенной с ним посредством связи 28 рамки 31 вправо, при этом размыкается контакт переключателя КД, и блок 29 станет готов к началу следующего режима 1. Таким образом, применение механической связи дренажного трубопровода криогенной емкости с переключателем системы управления газификатора позволяет просто и надежно, без применения внутренних средств контроля уровня жидкости выполнить контроль полноты заправки емкости криогенной жидкостью и автоматическое переключение режима заправки на режим выдачи криогенного компонента в испаритель.

Криогенная жидкость в это время сливается из сосуда 9 в испаритель 12. При этом повышается давление в испарителе 12 до рабочего, обратный клапан 13 открывается, позволяя испаренному компоненту поступать к потребителю. По мере опорожнения сосуда 9 температура трубопровода 10 понижается до некоторого минимального значения T₁, на 10... 20 К превышающего температуру компонента при давлении в сосуде 9, т.е. T₁=30...40 К. Это вызовет линейное сокращение длины трубопровода 10 и перемещение кронштейна 14, а также соединенной с ним посредством связи 15 рамки блока формирования команд 16, что вызывает замыкание электрических контактов переключателя KB. По этой команде система управления начинает контролировать состояние замкнутого переключателя КВ. После опорожнения криогенного сосуда 9 жидкий компонент перестает течь в трубопроводе 10 и температура трубопровода 10 начинает повышаться из-за теплообмена с окружающим воздухом благодаря наличию теплопроводящих ребер на его поверхности. Это вызывает удлинение трубопровода 10, перемещение кронштейна 14 вправо и размыкание электрических контактов переключателя КВ. Получив этот сигнал, система управления выдает команду на закрытие клапанов 22 и 7 и открытие - 5 и 21. Газификатор переходит из режима 2 "выдача" в режим 1 "заправка". Таким образом, применение механической связи трубопровода выдачи с переключателем системы управления газификатором позволяет обеспечить простое и надежное переключение режимов работы газификатора с помощью электрических сигналов.

Газификатор выполнил рабочий цикл заправки-слива криогенной жидкости и вернулся в исходное состояние.

В дальнейшем при работе газификатора рабочие циклы повторяются.

Действие газификатора с двумя сосудами 9 и 37 (см. фиг.6) происходит аналогично. Принцип работы системы управления аналогичен работе газификатора с одним сосудом, однако для каждого из двух сосудов режимы 1 ("заправки") и режима 2 ("выдачи") смещены во времени. Когда для одного из сосудов, например 9, выполняется режим 1 - "заправка", для сосуда 37 выполняется режим 2 - "выдача" жидкости в испаритель 12.

Система управления газификатора с двумя сосудами обеспечивает такую логику переключения режимов работы емкостей, которая исключает одновременное включение одноименных режимов на обеих емкостях газификатора. При этом заправленный сосуд не переключается на немедленную выдачу жидкости в испаритель, а с открытым клапаном дренажа ожидает окончания выдачи из предыдущей емкости.

Для остановки работы газификатора с одним сосудом 9 (фиг.1) достаточно выключить выключатель КЗ в начале цикла "заправки". В это время сосуд 9 уже не содержит криогенной жидкости, все электропневмоклапаны системы управления закроются. Пневмоуправляемые клапаны газификатора также будут закрыты, и перехода на режим 2 "заправка" не произойдет. Для остановки работы газификатора с двумя сосудами 9 и 37 (фиг.6) необходимо сначала предотвратить заправку очередного сосуда путем выключения соответствующего электропневмоклапана в системе управления и дождаться опорожнения ранее заправленного сосуда. Затем можно полностью выключить систему управления, что приведет к закрытию всех клапанов газификатора. Применение газификатора с двумя емкостями обеспечивает непрерывную выдачу криогенной жидкости в испаритель и испаренного газа потребителю.

Таким образом, применение механических связей криогенных трубопроводов дренажа и выдачи компонента потребителю с переключателями системы автоматического управления обеспечивает:

1. переключение на заправку и слив криогенного сосуда газификатора в автоматическом режиме без применения специальных датчиков уровня криогенной жидкости, причем это обеспечивается независимо от рода и теплофизических свойств жидкости;

2. возможность повышения рабочего давления криогенного сосуда газификатора до требуемого уровня давления газа у потребителя, поскольку система автоматического управления газификатором не использует приборов, работа которых зависит от давления в сосуде;

3. повышение надежности работы газификатора при газификации криогенных жидкостей малой плотности, таких как жидкий водород, гелий, поскольку для управления клапанами используется фундаментальное свойство конструкционного материала изменять размеры под действием охлаждения, обеспечиваемого любой криогенной жидкостью; отсутствие устройств вывода электрических цепей из криогенных сосудов высокого давления также повышает надежность и пожарную безопасность газификаторов водорода и кислорода ввиду исключения возможных утечек компонентов;

4. упрощение конструкции газификатора по сравнению с прототипом, так как при этом исключается применение криогенного насоса высокого давления и манометрического уровнемера.

Источники информации

1. Оконский И.С. и другие. Процессы и аппараты кислородного и криогенного производства. М., Машиностроение. 1985.

2. Физические величины. Справочник./ Под редакцией И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М., Энергоатомиздат. 1991.

3. Новицкий Л. А., Кожевников Н.Г. Свойства материалов при низких температурах. М., Машиностроение. 1975.