Система выдачи криожидкости.

Если не устанавливать специальных устройств, то при заборе жидкости образуется воронка, что приводит к попаданию газа в насос и выводу его из строя.

Самый распространённый способ гашения воронки – установка тарели.

Такие варианты осуществляются в поле действия массовых сил. В состоянии невесомости вводится безразмерная характеристика ускорения: , . . Во втором случае не выполняется условие смачивания поверхности, что недопустимо из-за возможности попадания газа в компрессор. Чтобы избежать этого создаётся микроускорение с помощью дополнительного двигателя. Также применяется сетка, которая выполняет роль сепаратора. ВБУ – внутрибаковое устройство.

Конструктивная схема баков для хранения криожидкостей

Цеолит удерживает газ при низких температурах. Изоляция вакуумируется с помощью насоса, а после заправки сосуда происходит адсорбция остатков газа цеолитом.

Способы крепления сосудов.

Способы крепления магистралей.

 

7.1 Особенности конструкций криогенных магистралей

Криогенные расходные магистрали характеризуется следующими особенностями.

1. Расстояние от емкостей хранения до потребителя может изменяться от миллиметров до километров.

2. Диаметр магистралей 0,1 мм – 500 мм.

3. Объемный расход прокачки 1 мм/с – 200 (500) л/с.

 

Требования, предъявляемые к магистралям.

1. Обеспечение минимальных теплопритоков через изоляцию и термомосты.

2. Обеспечение минимальных гидравлических потерь.

3. Минимальный вес системы.

4. Минимальные термические напряжения.

 

Основными элементами криогенной магистрали являются:

1. трубы;

2. температурные компенсаторы (служат для ликвидации термических сопротивлений);

3. тепловые мосты;

4. тепловая изоляция;

5. элементы подвода и раздачи жидкости потребителю (колена, тройники, штуцера и т.д.);

6. запорно-регулирующая арматура (служит для регуляции потока криожидкости в магистрали, вентили, клапаны, дроссели т.д.);

7. фильтры (служат для удаления твердых частиц, воды, углекислого газа и т.п.);

8. насосы.

 

 

Состав магистрали двигательной установки.

 

Трубопроводы

Криогенные трубопроводы предназначены для транспортирова­ния жидких и газообразных криогенных продуктов. Они должны сохранять работоспособность во всем диапазоне рабочих температур: от +50 °С до температур транспортируемых продуктов, а также обеспечивать достаточно малый теплоприток из окружающей среды. Выполнение этих требований достигается: выбором материалов, работоспособных при низких температурах; конструктивными решениями по компенсации напряжений, возникающих при охлаждении трубопроводов; эффективной тепловой защитой от теплопритоков из окружающей среды.

Современные промышленные конструкции криогенных трубопроводов базируются на вакуумированных типах изоляции: вакуумно-порошковой, слоисто-вакуумной и иногда чисто вакуумной. Наибольшее распространение в криогенных системах получили конструкции трубопроводов из гладких цельнотянутых или сварных труб.

В качестве конструкционных материалов внутренней трубы используется нержавеющая сталь типа 12Х18Н10Т и иногда инвар 36НХ. Наружный кожух изготавливается из нержавеющей или углеродистой стали. При использовании инвара в качестве конструкционного материала для внутренней трубы гораздо проще решается проблема компенсации температурных напряжений при охлаждении трубопроводов, поскольку средний коэффициент линейного расширения инвара более чем в шесть раз меньше коэффициента линейного расширения нержавеющей стали.

 

 

 

Пространство между внутренней трубой и кожухом вакуумируется и в целях повышения эффективности теплозащиты заполняется либо порошком — аэрогелем или перлитом, либо используется для размещения слоисто-вакуумной изоляции. Внутренняя труба фиксируется относительно кожуха с помощью опор: пальчиковых, проволочных, шариковых, дисковых и цапфовых (рис. 1.1.). Проволочные, пальчиковые и шариковые опоры предназначены только для обеспечения соосности внутренней трубы и кожуха, дисковые и цапфовые опоры обеспечивают также передачу на кожух усилий от внутренней трубы. В конструкциях опор используют стеклопластики, обладающие малой теплопроводностью в сочетании с высокой прочностью. Длина участков трубопроводов с единой вакуумной полостью определяется удобствами вакуумирования, отыскания течей, перевозки и монтажа. Замыкание вакуумных полостей отдельных участков трубопроводов производится с помощью тепловых мостов, которые осуществляют жесткую связь между внутренней трубой и кожухом.

Разработаны конструкции мостов нескольких типов: телескопические, цилиндрические, конусные и сильфонные (рис. 1.2.). Последние, ввиду высокой стоимости, употребляются редко. Наибольшее распространение получили мосты телескопического типа, цилиндрические и конусные; первые — ввиду их лучших тепловых характеристик, два вторых — из-за простоты конструкции. В ряде случаев тепловые мосты предназначены только для обеспечения жесткой связи между наружной и внутренней трубами, и в этом случае тогда они выполняются перфорированными.

Стыковка отдельных участков трубопроводов с едиными вакуумными полостями осуществляется с помощью сварки или фланцевых соединений. Основная конструктивная особенность фланцевых соединений криогенных трубопроводов заключается в том, что узел установки герметизирующей прокладки вынесен в теплую зону. Благодаря такому решению удается обеспечить надежную герметичность соединений после охлаждения внутренней трубы. Наибольшее распространение из известных конструкций получили так называемые штыковые разъемы,которые наряду с герметичностью обеспечивают достаточно малые теплопритоки к транспортируемому продукту.

Одноплоскостное соеди­нениеобладает несколько худшими тепло­выми характеристиками, но позволяет упростить опера­цию расстыковки отдельных участков. Фланцевые соединения в криогенных трубопроводах применяются при необходимости частого перемонтажа оборудования. В остальных случаях применяют более надежные сварные конструкции.

Для устранения температурных напряжений, возникающих при охлаждении внутренней трубы, в конструкции трубопровода предусматриваются компенсаторы; при значительном колебании температуры окружающего воздуха компенсаторы устанавливаются и на наружном кожухе. В качестве компенсаторов температурных напряжений применяются различные упругие элементы: сильфоны, гофрированные шланги, линзовые компенсаторы. Иногда для компенсации температурных напряжений используют упругие свойства колен самих трубопроводов.

 

 

Существует два основных подхода к конструированию и монтажу криогенных коммуникаций. В первом случае отдельные участки трубопроводов (секции) поставляются к месту монтажа в готовом виде; т. е. они полностью изготовлены и вакуумированы в заводских условиях; при монтаже трубопроводов отдельные секции лишь стыкуются с помощью фланцевых соединений. Длина таких транспортабельных автономных секций ограничена габаритными размерами транспортных средств и составляет 6 … 12 м. В втором случае изготовленные на заводе секции трубопроводов не имеют замкнутых изоляционных полостей. Отдельные секции свариваются друг с другом на месте монтажа, образуя гораздо более длинные участки с автономными изоляционными полостями. Лишь крайние секции таких участков, длина которых доходит до 50 -100 м, снабжаются тепловыми мостами для замыкания вакуумных объемов изоляционного пространства. Вакуумирование изоляционных полостей производится после монтажа трубопровода. При этом значительно уменьшается количество вакуумной и предохранительной арматуры, упрощается контроль и поддержание вакуума.

Кроме конструкций, изготовленных на основе цилиндрических гладких труб, известна промышленная разработка на основе применения концентрически расположенных гофрированных труб, схема которой представлена на рис. 1.3.

Необходимый зазор между трубками и фиксация внутренней трубы относительно кожуха обеспечиваются спирально намотанной металлической лентой. Наружное покрытие кожуха из поливинилхлорида увеличивает его механическую прочность. Пространство между внутренней трубой и кожухом образует единую для всего трубопровода вакуумную полость, изоляция такого трубопровода — чисто вакуумная. Трубопроводы выпускаются в кабельных катушках различной длины — до нескольких сот метров; их диаметр составляет 14.5 – 87.6 мм. Благодаря легкости конструкции и гибкости значительно упрощается монтаж такого трубопровода. Недостатками трубопроводов подобного типа является повышенное гидравлическое сопротивление, более высокий уровень теплопритоков, необходимость непрерывной работы вакуумных агрегатов для поддержания давления на уровне (10^-2 …10^-3) Па.

Внутренняя труба в прямых секциях не имеет жесткой связи с кожухом. Ее концентрическое положение относительно кожуха достигается с помощью проволочных или пальчиковых опор. В связи с этим прямые секции используются на горизонтальных и слабо наклоненных (с углом не более 15°) участках. Прямые секции изготовляют в двух вариантах: без компенсаторов и с компенсаторами температурных напряжений на кожухе; внутренняя труба не имеет компенсаторов. Выбор того или иного варианта прямых секций зависит от способа компенсации температурных напряжений и колебаний температуры воздуха применительно к конкретной трассе криогенной магистрали. Внутренняя труба обычно жестко закреплена относительно кожуха с помощью цапфовых или дисковыхопор; лишь в трубопроводах диаметром до 50 мм, когда компенсация температурных напряжении осуществляется за счет упругой деформации колен, используются проволочные трубы. Дисковые опоры устанавливаются в трубопроводах относительно небольшого диаметра; в трубопроводах D ≥ 100 мм применяются цапфовые опоры. Применение различных конструкций опор вызвано тем, что при дисковых опорах с увеличением диаметра труб быстро возрастают внутренние напряжения от изгибающих моментов, возникающих в коленах от действия рабочего давления при наличии сильфонов на внутренней трубе. Это влечет за собой утолщение стенок колена между ближайшими к повороту опорами, увеличение площади дисковых опор и, сле­довательно, возрастание теплопритоков.

Существенное упрощение достигается установкой двух пар цапфовых опор, расположенных в пределах конструкции — пары основных и пары вспомогательных опор. Это позволяет сократить металлоемкость и трудоемкость изготовления колен, а также уменьшить теплопритоки из окружающей среды.

В состав участка с единой изоляционной полостью обязательно включается адсорбционная секция (рис. 1.4.), в межстенном пространстве которой смонтирован патрон с адсорбентом. В качестве адсорбента используется цеолит. Патрон, смонтированный вокруг внутренней трубы, выполнен из газопроницаемой пористой меди и снабжен радиальными ребрами, что обеспечивает понижение температуры наружных стенок патрона и придает ему необходимую жесткость. Для отогрева адсорбента при его регенерации внутри патрона смонтирован змеевиковый теплообменник.

 

Температурные компенсаторы

Сборка трубопровода с единой вакуумной полостью осуществляется посредством сварки друг с другом отдельных секций (рис. 1.5). В месте стыка секций на внутренней трубе могут устанавливаться сильфонные компенсаторы, а на наружном кожухе – либо цилиндрические муфты или либо линзовые компенсаторы. Кроме того, на стыке отдельных секций может производиться замыкание вакуумных полостей отдельных участков трубопроводов с помощью телескопических или конусных тепловых мостов. Первые, ввиду их лучших тепловых характеристик, используются в гелиевых и водородных трубопроводах, вторые - в трубопроводах для транспортирования более высококипящих жидкостей, т. е. кислорода, азота и аргона. При монтаже вертикальных и наклонных участков тепловые мосты, установленные на концах секций, служат для жесткой фиксации внутренней трубы относительно кожуха в осевом направлении. В этих случаях мосты имеют отверстие для образования единого вакуумного пространства в нескольких секциях.

Компенсация температурных напряжений, возникающих во внутренней трубе и кожухе при изменении их температуры, осуществляется в зависимости от диаметра, длины и трассировки трубопровода, а также от диапазона изменения температуры с помощью сильфонов, металлорукавов, компенсирующих секций; используется также метод самокомпенсации за счет упругих свойств колен. С помощью сильфонов, установленных на внутренней и наружной трубах, можно обеспечить компенсацию температурных напряжений любого участка криогенного трубопровода независимо от его длины, диаметра и конфигурации. Общая длина внутренних сильфонов рассчитывается на температурную деформацию трубы при ее охлаждении. Наружные компенсаторы сильфонного типа применяются в случае значительных деформаций кожуха. При малых деформациях кожуха используют линзовые компенсаторы.

При последовательной установке нескольких сильфонных компенсаторов применяют специальные ограничители хода каждого сильфона или жесткие перфорированные тепловые мосты между сильфонами. На рис. 1.6., а представлена схема компенсации температурных напряжений с помощью сильфонов, установленных на внутренней трубе. Несмотря на свою универсальность, сильфоны увеличивают трудоемкость изготовления и монтажа трубопроводов, а также снижают их надежность. Кроме того, при наличии на внутренней трубе сильфониых компенсаторов через опоры колен и тройников на кожух и далее на строительные конструкции передаются значительные усилия от действия давления продукта, что дополнительно усложняет конструкцию. Поэтому применяются также другие конструкции (рис. 1.6, б, в) с использованием металлорукавов и компенсирующих секций, которые позволяют в ряде случаев сократить количество упругих эле­ментов.

Металлорукав представляет собой коаксиально расположенные гофрированные шланги, заключенные в специальный проволочный чехол, который воспринимает осевые усилия. Внутренний шланг снабжен слоисто-вакуумной изо­ляцией. Кроме компенсации температурных напряжений, металлорукава используются для обеспечения гибкой связи трубопроводов с потребителями. Компенсация температурных напряжений прямых участков с помощью металлорукавов достигается их установкой на поворотах трубопровода с одновременным применением сильфонных компрессоров на кожухе прямых участков. Такая конструкция за счет изменения радиуса поворота шланга обеспечивает беспрепятственное изменение длины внутренних труб при их охлаждении и отогреве (рис. 1.6, б).

Принцип действия компенсирующих секций аналогичен принципу действия металлорукавов. Компенсирующие секции включают прямое колено и короткий прямой участок, соединенные между собой и с сопряженными прямыми участками трубопровода шарнирными элементами, в качестве которых используют сильфоны на внутренней и наружной трубах или короткие отрезки металлорукавов. При сокращении длин прямых участков вследствие охлаждения происходит поворот вокруг шарниров сопряженных с ними колена и прямого участка. Принципиальная схема действия компенсирующей секции приведена на рис. 1.6, в.

В ряде случаев применяется метод самокомпенсации, основанный на том, что при изменении длины прямых участков используются упругие свойства колен, благодаря чему без установки компенсаторов внутренней трубы напряжение от изгибающих моментов не превышает допустимых значений. При этом происходит некоторое изменение пространственной конфигурации внутренней трубы и ее смещение относительно кожуха в радиальном направлении; в связи с этим для фиксации внутренней трубы используют проволочные опоры. Поскольку величина напряжений быстро возрастает с увеличением диаметра, метод самокомпенсации нашел практическое применение для труб относительно небольшого диаметра (не более 50 мм) при наличии на трассе достаточного числа поворотов.

Преимущества метода самокомпенсации очевидны, поскольку при отсутствии специальных компенсирующих элементов на внутренней трубе упрощается конструкция трубопроводов и повышается надежность их работы.