Гусев А. Л.
"TATA" Scientific Technical Center P.O. Box 787, Sarov, Nizhni Novgorod region, Russia 607183
Tel./fax: +7 (83130) 63107
Бб
УДК б21.59-?б1
Теплоизоляция в технике криогенных температур защищает криогенную жидкость от притока тепла из окружающей среды. Требования к эффективности теплоизоляции криогенного оборудования возрастают по мере понижения температуры кипения криогенных жидкостей. Теплота парообразования различных жидкостей, отнесенная к единице объема, тем меньше, чем ниже их температуры кипения. Следовательно, небольшое количество тепла вызывает испарение сравнительно большого количества сжиженного газа с низкой температурой кипения [1]. Поэтому к теплоизоляции для криогенных температур предъявляются особенно высокие требования по уменьшению тепловых потоков через нее [2 - 4]. Эти требования тем выше, чем меньше размеры изолируемого оборудования, т. е. больше его удельная поверхность. В работе рассматриваются достаточно крупные криогенные системы, тем не менее из-за длительного процесса хранения и уровня температуры криогенной жидкости - 20,2 К требования к теплоизоляции высоки. Натекания водорода в теплоизоляционную полость через микронеплотности, а также за счет газовыделений из стенок, могут вызвать преждевременное перенасыщение водородом криоадсорбционных насосов. Для полной регенерации цеолита СаЕН-4В необходима температура 473 К [5]. Создание такой температуры в вакуумной полости резервуара без передавливания криогенной жидкости в порожний резервуар для конструкций со встроенными КСН принципиально невозможно. Исследована возможность проведения низкотемпературной регенерации встроенных криоадсорбционных устройств (адсорбент СаЕН-4В) в теплоизоляционной полости водородного криогенного резервуара с вытеснительной подачей. Для интервала 20,2 К-32 К на основании уравнения Генри получена динамика десорбции газов, сорбированных адсорбентом при температуре 20,2 К. Показана эффективность низкотемпературной регенерации адсорбента для различных температурных уровней криогенной жидкости [6 - 9]. На основе экспериментальных исследований предложены конструкции химических патронов.
1. ВВЕДЕНИЕ
Бурное развитие исследований в области космонавтики, ядерной энергетики, физики плазмы, разработка крупных сверхпроводящих устройств, развитие транспорта потребовали создания качественно новых криогенно-вакуумных систем [10].
Хранение больших количеств водорода является актуальной задачей водородной энергетики. 60 лет назад водород впервые был применен в массовом масштабе на автомобильном транспорте (Б. И. Шелищ, 1941) [11-19] для обороны Ленинграда и Москвы. В последнее время в развитых странах ведутся работы по использованию водорода в качестве горючего для наземного транспорта, авиационного, морского и подводного [20 - 22].
В связи с этим очень большое внимание уделяется вопросу эффективного хранения больших количеств криогенного водорода. Современные водород-
ные криогенные системы оборудованы эффективными теплоизолирующими устройствами. Самой эффективной системой теплоизоляции является ЭВТИ - суперизоляция.
Экранно-вакуумная теплоизоляция (суперизоляция) - система параллельных или концентрических (соосных) газопроницаемых металлических пленок, нанесенных на подложку, разобщенных между собой пористой прокладкой, изготовленной из материала с высоким коэффициентом теплового сопротивления, обеспечивающая малую степень поглощения теплового излучения и малую степень аккомодации энергии молекул межэкранного газа при высокой и стабильной адсорбционной способности металлических пленок.
В настоящее время в качестве экранов широко используют полиэтилентерефталатную пленку толщиной 12-15 мкм с нанесенными на нее с одной или с двух сторон тонкими слоями алюминия толщиной
2. ОБОЗНАЧЕНИЯ
КСН ТИП ЭВТИ
Qk Qk
QH
Qk
Qk
P
криоадсорбционный насос; теплоизоляционная полость; экранно-вакуумная теплоизоляция; поток межрешеточного водорода из кожуха криогенного резервуара, Па ■ м3 /с ; поток водорода, образованный газовыделениями межрешеточного водорода из металла криогенной емкости, а также потоками через дефекты стенки криогенной емкости и из криогенной емкости путем диффузии через стенку, Па ■ м / с ;
десорбционный поток водорода из адсорбента КСН, Па ■ м3 /с ;
производительность КСН по водороду, Па ■ м3 / с ;
производительность химического патрона по водороду, Па ■ м3 /с ;
паспортный межрегламентный период адсорбента КСН, с;
0
t
давление в теплоизоляционной полости резервуара, Па;
поглотительная способность КСН, с индексами "0" - начальная и "Т" - текущая;
V удельная емкость адсорбента при рабочем
давлении, Па ■ мъ / кг ;
степень насыщения адсорбента газом, показывающая, какая часть поглотительной способности насоса израсходована: ® = ш/Ь , где т - количество газа, поглощенное адсорбентом, Па ■ м3 ;
фактическое время межрегламентного периода КСН, с;
с теплота, подводимая к криогенному резервуару из окружающей среды, Дж;
с1и изменение внутренней энергии системы криогенной емкости с криогенной жидкостью, Дж; масса жидкого водорода вместе с газовой подушкой, кг;
Ошк масса криогенной емкости, кг;
СЕмк теплоемкость криогенной емкости, Дж;
ОкС^ масса встроенного криоадсорбционного насоса вместе с адсорбентом, кг;
Сксп теплоемкость криоадсорбционного насоса, Дж;
ОИЗ масса экранно-вакуумной теплоизоляции, кг;
СИЗ теплоемкость ЭВТИ, Дж;
В экспериментальная постоянная, ш3 / кг ;
д дифференциальная теплота адсорбции,
Дж / (моль ■ К) ;
ЯГ газовая постоянная, Дж /(моль ■ К);
К(Т) относительная удельная емкость адсорбента при изменяющейся температуре к удельной емкости адсорбента при 20,2 К, в процентах;
тЖ время, в течение которого температура криогенной жидкости в криогенном резервуаре увеличивается от значения Тщ до ТЖг , с;
02ж суммарный теплоприток из окружающей среды к жидкости, Вт;
СЖ удельная теплоемкость криогенной жидкости, Дж/кг;
Т1гТ2 температуры криогенной жидкости, соответственно, при давлениях в криогенной емкости (P1,Р2), К ;
v1, v2 удельные емкости адсорбента, соответственно, при температурах ( Т1УТ2), Па ■ м3 / кг ;
P1, Р2 значения давления в криогенной емкости, мПа;
Vm = M'
MP
Рр
е
AMn aM,
AMn
M'
Mp
amq
pr. Vr
Nr
Q
Q2
r
Mi'
массовая степень заполнения криогенной емкости жидкостью;
паспортная масса жидкости для данного резервуара, кг;
масса пара, кг;
плотность пара криогенной жидкости, кг/м3;
критерий эффективности способа хранения криогенной жидкости;
потери криогенной жидкости, вызванные досрочным стравливанием давления при бездренажном хранении, кг;
потери испаряющейся жидкости, обусловленные молекулярной составляющей теплопри-токов из окружающей среды, определяемой величиной давления остаточного газа в ТИП, кг;
потери криогенной жидкости на операцию передавливания жидкости в порожний резервуар при проведении регенерации встроенного КСН, кг;
степень выполнения паспортных условий по времени нормальной эксплуатации КСН;
потери испаряющейся жидкости, обусловленные молекулярной составляющей тепло-притоков из окружающей среды, определяемой величиной давления водородной составляющей остаточного газа в ТИП, кг;
давление в газовой подушке, Па;
объем газовой подушки в криогенной емкости, м3;
количество смен газовой подушки в криогенной емкости;
секундный теплоприток, обусловленный молекулярной составляющей теплопритоков из окружающей среды, определяемой величиной давления остаточного газа в ТИП, Дж / с ;
секундный теплоприток, обусловленный молекулярной составляющей теплопритоков из окружающей среды, определяемой величиной давления остаточного водорода в ТИП, Дж / с ;
теплота испарения, Дж/моль;
секундный массовый расход испаряющейся жидкости, кг/с;
текущее время с момента начала осуществления способа низкотемпературной регенерации, с;
57
D(x) коэффициент диффузии, м2/с.
t
мп
n
т
0,5 мкм [10]. Низкий коэффициент теплопроводности пленки и малая толщина слоя алюминия уменьшают передачу тепла вдоль слоев и повышают эффективность суперизоляции в промышленных изделиях. Для прокладок используются тонковолокнистые (с толщиной волокон до одного микрона) стекломатери-алы с малым газовыделением. Поскольку расстояние между экранами достаточно велико (плотность укладки обычно лежит в пределах 10-50 экранов/см), экранно-вакуумная изоляция работает наиболее эффективно практически при столь же низких давлениях, что и чисто вакуумная, т. е. при давлениях ниже 10-2 Па. Однако, эффективность этой изоляции гораздо выше вакуумной и порошково-вакуумной.
Современная промышленная суперизоляция обеспечивает тепловой поток на уровне 0,3-0,5 Вт/м2. Такие значения теплопритоков реализуются при числе экранов 45-75, т. е. при толщинах менее 0,1 м и малой 58 массе изоляционного слоя. Лучшие образцы суперизоляции в диапазоне температур 10-350 К характеризуются эффективным коэффициентом теплопроводности, равным (2-3)*10-5 Вт/(м*К), т. е. существенно меньшим, чем у других типов тепловых изоляций. Указанная характеристика обеспечивает суперизоляции предпочтительное применение для защиты от теплопритоков устройств, работающих при криогенных температурах.
Современная суперизоляция снабжена системами высоковакуумной откачки, как правило, на базе криоконденсационных (ККН) или криоадсорбцион-ных насосов (КСН).
В исследуемом крупнообъемном криовакуумном объекте - криогенном резервуаре РС-1400/1,0 материал емкости - сталь 12Х18Н10Т, кожуха- 09Г2С, изоляция емкости - 4 слоя экранно-вакуумной изоляции, один слой изоляции состоит из 8 слоев пленки ПЭТФ-ДА-12, 8 слоев стеклобумаги СБШС-2-5,5 [10]. Поверхность емкости — необработанная сталь 12Х18Н10Т. Все эти материалы обладают различными специфичными для них скоростями газовыделения в вакууме. Процесс газовыделения материалов-это динамический процесс, изменяющийся во времени. Во времени меняются как величина газовыделения, так и состав. Газовыделение является результатом десорбции молекул с поверхности, а также диффузии атомов и молекул материала к поверхности с последующей их десорбцией.
КСН относятся к устройствам периодическ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.