13 Состав криогенного заправочного оборудования

Криогенное заправочное оборудование стартового и технического комплексов включает следующие виды оборудования:

1)Стационарные резервуары объёмом до 1400м³ для приёма, накопления, хранения и выдачи в баки ЛА жидкого О₂ и Н₂ , а также для других целей жидкого N₂. При отмене или переносе старта слив КТ из баков ЛА производится в те же резервуары. Накопление криопродуктов обусловлено тем, что их поставки, особенно в больших количествах, не могут осуществляться одномоментно из-за ограничений производительности заводов и возможностей железнодорожного транспорта.

2)Стационарные резервуары объёмом 50м³ для приёма остатков криопродуктов из трубопроводов по окончании заправки ЛА.

3)Дренажные резервуары объёмом до 10м³, через которые производится сброс паров кислорода в атмосферу

4)Транспортные резервуары для доставки на стартовый комплекс жидких и газообразных (в основном гелия) криопродуктов железнодорожным и автомобильным транспортом.

5)Лабораторные сосуды обычно для доставки жидкого азота и гелия в небольших количествах. Могут переноситься вручную.

6)Трубопроводы для транспортировки жидких и газообразных криопродуктов.

7)Энергетические блоки: насосные и газификаторные установки. Центробежные насосы используются для заправки баков ЛА жидким кислородом, а плунжерные – для заполнения баллонов газообразным N₂ до высокого давления (до 200…400атм.). Газификаторные установки предназначаются для испарения О₂ , Н₂, N₂ с целью наддува резервуаров до 4…10атм. при насосных и вытеснительных способах заправки.

8)Криогенную арматуру: запорную, запорно-регулирующую, предохранительную, дроссельную, обратного действия, наполнительные соединения и автостыки.

9)Систему вакуумирования изолирующих полостей резервуаров и трубопроводов.

10)Систему охлаждения жидкого О₂ и Н₂ как в резервуарах перед заправкой баков ЛА, так и в специальных теплообменниках в процессе заправки баков ЛА. Сюда входят эжекторы, струйные насосы, теплообменники-охладители объёмом до 100м³ и другое оборудование

11)Системы нейтрализации паров водорода.

12)Системы газоснабжения, включающие в себя ресиверные с запасами сжатого воздуха, азота и гелия, азотнодобывающие и воздушные компрессорные станции.

При рассмотрении вопросов устройства и эксплуатации заправочного оборудования криогенными жидкостями условно можно выделить четыре основные проблемы:

─хранение криогенных жидкостей в стационарных и транспортных резервуарах;

─транспортировка криогенных жидкостей по трубопроводам, в первую очередь при выполнении заправочных операций;

─охлаждение криогенных жидкостей до температуры ниже температуры кипения при атмосферном давлении;

─безопасность работ с криогенным оборудованием.

Основной вклад в разработку криогенного заправочного оборудования внесло научно-производственное объединение криогенного машиностроения-“НПО Криогенмаш”.

14 Хранение криогенных жидкостей

Задачи хранения: 1 обеспечение минимальных потерь криогенных жидкостей на испарение; 2 недопущение загрязнения криогенных жидкостей посторонними веществами в основном из атмосферного воздуха; 3 поддержание заданной температуры криогенной жидкости.

Способы хранения: 1 хранение кипящих криопродуктов с непрерывным газосбросом; 2 хранение некипящих криопродуктов в закрытых резервуарах с периодическим газосбросом; 3 хранение без потерь на испарение способом термостатирования и реконденсации паров; 4 хранение охлаждённых криопродуктов в адиабатных условиях.

Выбор способа хранения зависит от свойств криогенного продукта, тактико-технических требований к системе заправки (длительности хранения, степени готовности к заправке ЛА, массы выдаваемого в баки ЛА продукта, его начальной температуры перед заправкой, условий термостатирования криогенного продукта после заправки в баки ЛА, условий безопасной эксплуатации и др.) и технико-экономических соображений.

Хранение кипящих криопродуктов с непрерывным газосбросом

Это наиболее простой способ хранения, используемый в подвижных и стационарных резервуарах. Весь теплоприток расходуется на испарение жидкости. Дренаж постоянно открыт, пары свободно вытекают наружу, а в резервуаре сохраняется небольшое избыточное давление близкое к атмосферному, примерно 0,01МПа, обусловленное сопротивлением дренажной магистрали. Расход пара из резервуара G_п: G_п=Q_т/r,

где Q_т - теплоприток к жидкости в единицу времени; r - теплота парообразования.

С постоянно открытым газосбросом можно хранить жидкие О₂, N₂ и Не. В современных резервуарах с высококачественной тепловой защитой суточные потери, например, жидкого О₂ ниже 0,1…1,0%. Поэтому поток отводимого пара невелик. При повышении атмосферного давления больше давления в резервуаре, в него происходит подсос воздуха, некоторые составляющие которого конденсируются на свободной поверхности и загрязняют продукт. Чем выше качество тепловой защиты резервуара, тем при меньшем повышении атмосферного давления происходит натекание воздуха в резервуар. Следовательно, сопротивление дренажной коммуникации при хранении криопродукта в открытом резервуаре должно быть выше амплитуды колебания атмосферного давления.

Хранение жидкого гелия в кипящем состоянии возможно в небольших резервуарах с высококачественной тепловой защитой.

Хранение жидкого водорода и метана в открытых резервуарах даже в небольших количествах недопустимо из-за возможности пожара и взрыва.

Хранение некипящих криопродуктов в закрытых резервуарах с периодическим газосбросом

Современная тепловая защита резервуаров может обеспечить надёжную изоляцию криопродуктов от окружающей среды, минимальные теплопритоки и соответственно длительное хранение жидкостей без отвода паров.

В некипящем состоянии жидкость может храниться под давлением собственных паров и под давлением нейтрального газа ─ обычно гелия. Цель хранения в закрытом резервуаре под избыточным давлением ─ исключение загрязнения криопродуктов. Хранение под давлением собственных паров с периодическим газосбросом осуществляется в транспортных и стационарных резервуарах любых размеров применительно к жидким О₂, N₂ и Не, а под давлением нейтрального газа ─ к жидким Н₂ и СН₄. Криопродукты за время хранения находятся под избыточным давлением. Верхний предел давления, соответствующий началу открытия дренажа и отводу паров, определяется прочностью резервуара и может достигать 0,4…1МПа, а нижний предел 0,01…0,05МПа, соответствующий закрытию дренажа, определяется возможностью контроля давления закрытия, исключения подсоса воздуха и сопротивлением дренажной системы.

При закрытии дренажно-предохранительного клапана (ДПК) кипение жидкости прекращается и теплоприток расходуется в основном на повышение температуры жидкости. Она становится перегретой, а давление в резервуаре создаётся собственным паром.

При сбросе пара и падении давления нагретая жидкость вскипает из-за возникшего неравновесного состояния “давление ─ температура жидкости“. Часть внутренней энергии израсходуется на испарение, и температура продукта понизится до температуры кипения. Процесс “нагрев жидкости ─ сброс пара ─ охлаждение жидкости” периодически повторяется. В итоге потери жидкости на испарение без учёта выбрасываемых попутно частиц жидкости будут такими же, как при хранении с постоянно открытым дренажом.

Хранение жидкого О₂ и Н₂ в системах обеспечения электрохимических генераторов (ЭХГ) тока, жидкого N₂ в системах отвода тепла, где холодный газообразный азот используется в качестве хладагента и жидкого гелия в стационарных и транспортных резервуарах предусматривает максимально длительное хранение в резервуарах без открытия ДПК. Перегрев криопродуктов может быть и до закритического (газообразного) состояния, если прочность сосуда это допускает.

Тогда они могут использоваться как хладагенты при термостатировании и отводе теплоты от охлаждаемых объектов, а также в ЭХГ.

В стационарных условиях дренируемый холодный гелий может собираться в газгольдере, подогреваться, сжиматься в компрессоре и подаваться в баллоны ресиверной.

Максимальное время бездренажного хранения зависит от трёх параметров:

─ величины теплопритока к криопродукту, т.е. от качества тепловой защиты резервуара;

─ степени заполнения сосуда криопродуктом;

─ предельно допустимого давления в сосуде.

Жидкий водород и метан целесообразно хранить под давлением нейтрального газа. Гелий плохо растворяется в жидком водороде и поэтому его масса в газовой подушке остаётся практически постоянной. Наддув водородного резервуара гелием, например, до 5 атм. исключает натечку наружного воздуха и испарение водорода не будет до тех пор, пока температура кипения не достигнет равновесного состояния с давлением наддува. Вся подводимая теплота будет расходоваться в основном на повышение температуры жидкого водорода.