емкость для криогенной жидкости

Формула изобретения

Емкость для криогенной жидкости, содержащая оболочку и сосуд в ней, установленный на низкотеплопроводных опорах, опирающихся на окружающий сосуд экран, размещенный в вакуумном изолирующем пространстве сосуда в оболочке, удерживающей его от перемещений низкотеплопроводными опорами, причем часть объема экрана выделена для хладагента, отличающаяся тем, что сосуд и экран закреплены продольными цепями на крайних обечайках цилиндрической части оболочки, обеспечивая температурную усадку сосуда и экрана в противоположных направлениях на опорах, каждая из которых разделена экраном на две части, причем верхняя часть опоры установлена со смещением радиальной оси относительно радиальной оси нижней части опоры на величину усадки экрана в месте установки опоры и в сторону, противоположную усадке экрана, верхняя часть опоры установлена на экране при свободном контакте с поверхностью сосуда, а нижняя часть опоры установлена на оболочке при свободном контакте с поверхностью экрана, при этом основания частей опоры на экране и оболочке выполнены с кольцевыми упорами, удерживающими части опоры от смещения при усадке сосуда и экрана.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к емкости для хранения криогенной жидкости, например жидкого водорода, в частности к креплению сосуда и охлаждаемого экрана в оболочке емкости, и может быть использовано в качестве заправочного средства сторонних объектов.

Известен вертикальный 440-литровый сосуд для жидкого водорода, включающий сосуд с охлаждаемым экраном, заключенные в оболочку.

К недостатку приведенного устройства следует отнести нецелесообразность использования его для вертикальных сосудов большой емкости (100 м ³) и охлаждаемым экраном с количеством потребного хладагента - жидкого азота (до 10 м³), что приводит к высоте емкости до 25 м и необходимости мачт для обеспечения устойчивости емкости и обслуживания (Малков В.П. Вопросы глубокого охлаждения. М.: Издательство иностранной литературы, 1961, с.410).

Наиболее близким к заявленному устройству, выбранным в качестве прототипа, является горизонтальный 840-литровый сосуд для жидкого водорода.

Устройство содержит оболочку и сосуд в ней, установленный на низкотеплопроводных изолирующих опорах, опирающихся на окружающий сосуд экран через несущий вал, размещенный на центральной оси сосуда. Экран расположен в вакуумном изолирующем пространстве сосуда в оболочке, удерживающей его от продольных перемещений изолирующими опорами, равномерно расположенными по окружности в средней части оболочки. Изолирующие опоры выполнены в виде плотно навитых из стальной ленты катушек, способных воспринимать радиальные нагрузки.

Часть объема экрана выделена для заполнения хладагентом - жидким азотом (Малков М.П. Вопросы глубокого охлаждения. М.: Издательство иностранной литературы, 1961, с.411).

Использование рассмотренного устройства для промышленного изготовления емкости с объемом сосуда 100 м³ исключено по следующим причинам, которые следует отнести к недостаткам прототипа.

Несущий вал при длине сосуда 20 м усложнит технологичность изготовления сосуда и утяжелит емкость. Размещение узлов крепления сосуда на экране потребует значительных зазоров между оболочкой и сосудами для жидкого водорода и хладагента, что при сохранении объема сосуда вызовет необходимость удлинения емкости и приведет к серьезным осложнениям, связанным с транспортировкой емкости, из-за ограничения железнодорожными габаритами. В случае уменьшения длины сосуда в тех же целях полезный объем сосуда сокращается.

Задачей, решаемой изобретением, является создание конструкции емкости для жидкого водорода с максимально полезным объемом и технологичной в изготовлении.

Это достигается тем, что в емкости для криогенной жидкости, содержащей оболочку и сосуд в ней, установленный на низкотеплопроводных опорах, опирающихся на окружающий сосуд экран, размещенный в вакуумном изолирующем пространстве сосуда в оболочке, удерживающей его от перемещений низкотеплопроводными опорами, часть объема экрана выделена для хладагента, сосуд и экран закреплены продольными цепями на крайних обечайках цилиндрической части оболочки, обеспечивая температурную усадку сосуда и экрана в противоположных направлениях на опорах, каждая из которых разделена экраном на две части, верхняя из которых установлена со смещением радиальной оси относительно радиальной оси нижней части опоры на величину усадки экрана в месте установки опоры и в сторону - противоположную усадке экрана.

Верхняя часть опоры установлена на экране при свободном контакте с поверхностью сосуда, а нижняя часть опоры установлена на оболочке при свободном контакте с поверхностью экрана, при этом основания частей опоры на экране и оболочке выполнены с кольцевыми упорами, удерживающими части опоры от смещения при усадке сосуда и экрана.

Сущность заявленного устройства поясняется чертежами, где:

на фиг.1 - показан общий вид емкости;

на фиг.2 - сечение I-I на фиг.1;

на фиг.3 - выносной элемент А на фиг 1;

на фиг.4 - выносной элемент Б на фиг.1;

на фиг.5 - разрез В-В на фиг.2;

на фиг.6 - разрез В-В на фиг.2 - положение частей опоры при охлажденном экране.

Емкость для криогенной жидкости содержит оболочку 1, сосуд 2 и экран 3, размещенный в изолирующем пространстве сосуда. Часть объема экрана - сосуд 4 - выделена для хладагента - жидкого азота. Сосуд 2 и экран 3 установлены на две пары низкотеплопроводных изолирующих опор, расположенных под углом 40° к вертикальной оси емкости. Каждая опора разделена экраном на две части: верхнюю 5 и нижнюю 6, через которые экран передает нагрузку на оболочку 1. Опоры выполнены из набора плит низкотеплопроводного материала - стеклотекстолита СТЭФ-50. Верхняя часть 5 опоры установлена на экране 3 и свободно контактирует с поверхностью сосуда 2, а нижняя 6 на оболочке 1 и свободно контактирует с поверхностью экрана 3.

Основания частей опоры 7 и 8 закреплены на экране 3 и оболочке 1 и выполнены с кольцевыми упорами 9 и 10, удерживающими части опоры от смещения при усадке сосуда и экрана кольцами 11 и 12, упрочняющими основания.

Сосуд изготовлен из нержавеющей стали 12Х18Н10Т и покрыт слоем экранно-вакуумной изоляции.

Экран изготовлен из алюминиевого сплава АМг5 и покрыт слоем этой же изоляции.

При охлаждении жидким азотом усадка экрана относительно сечения I-I сосуда, на окружности которого размещена пара стеклотекстолитовых опор, и кронштейн 13 для крепления сосуда 2 к оболочке 1 составляет 65 мм при расстоянии между кронштейнами для цепных подвесок на сосуде и экране 16337 мм. Относительно сечения II-II сосуда, на окружности которого размещена вторая пара стеклотекстолитовых опор, усадка составляет 6,7 мм.

Верхняя часть 5 каждой опоры установлена со смещением радиальной оси относительно радиальной оси нижней части 6 опоры на величину усадки экрана в месте установки опоры и в сторону, противоположную усадке экрана, то есть в противоположную сторону от кронштейна 14 для крепления экрана 3 к оболочке 1, а именно в сечениях I-I и II-II на 65 мм и 6,7 мм, соответственно.

Основание верхней части 5 опоры, укрепленное кольцом 11, на экране имеет достаточную жесткость, исключающую его деформации, что обеспечивает равномерное удельное давление на контактную поверхность нижней части 6 опоры от воздействия радиальных нагрузок, складывающихся из веса сосуда на верхнюю часть опоры и дополнительно веса экрана на нижнюю часть опоры в период до захолаживания экрана.

При захолаживании экрана установочное смещение радиальных осей частей опоры компенсируется усадкой экрана (фиг.6).

Сосуд 2 при усадке проскальзывает на контактной поверхности верхней части 5 опоры, а экран 3 проскальзывает на контактной поверхности нижней части 6 опоры.

От воздействия транспортных нагрузок сосуд и экран закреплены продольными цепями 15 и 16 на крайних обечайках 17 и 18 цилиндрической части емкости.

Размещение кронштейнов крепления сосуда и экрана цепными подвесками в противоположных концах емкости обеспечивает температурную усадку сосуда и экрана в противоположных направлениях, упрощая выводы трубопроводов из сосуда жидкого азота и сосуда жидкого водорода при компенсации усадок сосудов, значения которых минимальны и составляют для сосуда жидкого азота 11 мм и 2,2 мм для сосуда жидкого водорода. Компенсация усадок осуществляется за счет упругой деформации изгибных частей трубопроводов.

Установка кронштейнов крепления цепных подвесок в противоположных концах емкости упрощает монтаж, исключая взаимные помехи во время сборки при размещении элементов крепления сосуда и экрана, что в целом повышает технологичность изготовления емкости.

В случае реализации односторонней усадки сосуда жидкого водорода и экрана величина компенсации для выводов трубопроводов сосуда жидкого азота составляет 76 мм, что вызывало значительные технические осложнения из-за невозможности компенсации за счет упругой деформации, так как необходимые длины изгибных частей трубопроводов не размещались в принятой полости между сосудом жидкого азота и оболочкой, что требовало увеличения полости за счет уменьшения длины сосуда жидкого водорода, то есть уменьшения его полезного объема.

Кроме этого, требовалось размещение кронштейнов крепления сосуда и экрана в сечении I-I, что усложняло конструкцию емкости и технологичность изготовления.

Сборка емкости осуществляется в следующем порядке. Сосуд с изоляцией закатывается в цилиндрическую часть экрана и устанавливается на верхние части 5 опор. Сосуд 4 для жидкого азота и днище с противоположной стороны экрана стыкуются с цилиндрической частью и привариваются. Экран изолируется.

Экран в сборе закатывается в цилиндрическую часть оболочки емкости и устанавливается на нижние части 6 опор. При этом верхняя часть 5 опоры устанавливается со смещением радиальной оси относительно радиальной оси нижней части 6 опоры на величину усадки экрана в месте установки опоры и в сторону, противоположную усадке экрана, то есть в противоположную сторону от кронштейна 14 на экране для крепления к оболочке.

Смещение составляет в сечении I-I 65 мм и в сечении II-II 6,7 мм. Величина смещения регулируется перемещением экрана. Сосуд и экран крепятся продольными цепями 15 и 16 к оболочке емкости. На емкость устанавливаются днища и привариваются.

Емкость в сборе испытывается на вакуумную плотность изолирующей полости и на термическую устойчивость и потери на испаряемость жидким азотом.

Технико-экономический эффект заключается в осуществлении возможности температурной усадки сосуда и экрана в противоположных направлениях, что позволило обеспечить минимальные зазоры между оболочкой и экраном, достигая максимально полезного объема сосуда жидкого водорода и улучшения технологичности изготовления емкости.

Техническая документация на емкость для криогенной жидкости с использованием заявленного устройства согласована Главным Управлением Российского Морского Регистра Судоходства.

В настоящее время изготавливается промышленный образец емкости.