Хранение водорода
Hydrogen storage
УДК 621.59:04-182.1
ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ, ПРОБЛЕМЫ И ОПЫТ СОЗДАНИЯ КРИОГЕННЫХ ЗАПРАВОЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ ДЛЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
А. М. Домашенко н^н, В. Н. Криштал
Н^К Member of the International Editorial Board
ОАО «Криогенмаш» пр. Ленина, 67, г. Балашиха, Московская обл., 143907, Россия Тел.: (495) 521-40-84, факс: (495) 521-57-22, 521-59-66 E-mail: root@cryogenmash.ru; http://www.cryogenmash.ru
Сведения об авторе: главный специалист ОАО «Криогенмаш», член-корр. Международной академии холода, кандидат техн. наук, старший научн. сотрудник, лауреат премий Совета Министров СССР и Комитета СССР по народному образованию.
Область научных интересов: тепломассообмен и гидродинамика в криогенных системах, безопасность технологии эксплуатации. Публикации: 165 работ, из них 40 изобретений и патентов.
Домашенко Анатолий Митрофанович
Сведения об авторе: главный специалист ОАО «Криогенмаш», конструктор-разработчик криогенных систем и оборудования, награжден орденом Трудового Красного знамени, медалью ФК РФ им. Гагарина Ю. А.
Публикации: более 10 работ, имеет более 50 авторских свидетельств и патентов.
Криштал Виля Нафтулович
Peculiarities and principles underlying the process of designing of several generations of launcher systems assigned for fueling spaceborn equipment with cryogenic components are being considered. The paper analyzes the methods and the systems intended for cooling liquid oxygen and hydrogen, as well as for deep cooling of oxygen at "Energiya-Buran" spaceborn complex. The number of cooling stages for liquid hydrogen is substantiated from the standpoint of energy consumption, reliability and mass-dimension ratio. The technology of simultaneous operation of land-based fueling complex/ carrier fueling tanks and spacecraft "Buran" is described in fueling and thermostating modes. Prospective updating of cryogenic equipment is being discussed.
Развитие ракетно-космической техники, использующей высокоэффективные криогенные топлива — жидкие кислород и водород, стимулировало создание крупнотоннажных производств жидких кислорода, водорода, а также технологически необходимого жидкого азота и привело к появлению нового направления криогенной техники, связанного с созданием стендовых и стартовых комплексов. На протяжении почти сорока лет ОАО «Криогенмаш», как
и зарубежные фирмы, занимающиеся освоением космоса, создавало испытательные и стартовые комплексы, составной частью которых являются криогенные системы для накопления, хранения, заправки изделий, термостатирования стендовых и бортовых баков, выдачи в двигательные установки и бортовые баки рабочих продуктов с требуемыми параметрами (расходом, давлением и температурой). Первая крупномасштабная, уникальная в мировой практике кри-
Статья поступила в редакцию 13.12.2007 г. Ред. per. № 182. The article has entered in publishing office 13.12.2007. Ed. reg. No. 182.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №9 (53) 2007 . -
© 2007 Scientific Technical Centre «TATA»
огенная стартовая система [1] на жидком кислороде была разработана ОАО «Криогенмаш» в сотрудничестве со многими предприятиями страны и смонтирована в 1962-1968 гг. (рис. 1). При создании системы были решены новые для отечественной техники проблемы: накопление, длительное хранение и охлаждение ниже температуры кипения при атмосферном давлении значительных количеств жидкого кислорода, заправка баков изделия с большими и малыми расходами в сочетании с достаточно точным дозированием заправляемой жидкости и поддержанием ее уровня и температуры в условиях существенных теплопритоков из окружающей среды к бакам изделия. Система позволяла накапливать и длительное время хранить 3000 т кислорода, обеспечивала его глубокое (до 70 К) охлаждение, скоростную заправку в баки 1400 т кислорода с расходом до 200 кг/с и температуру кислорода на уровне 81 ± 0,5 К при теплопритоке 60 кВт в конце заправки и в процессе длительного (до 10 сут.) термостатирования. Для реализации скоростной заправки с учетом гидравлических характеристик системы были применены два центробежных насоса (подача каждого 750 т/ч). Равномерное поле температур жидкого кислорода по высоте устанавливалось за счет его подачи снизу и сверху баков. Термостатирование в циркуляционном контуре осуществлялось центробежными насосами с подачей 148 т/ч. Одна из самых ответственных и сложных технологических операций — охлаждение жидкого кислорода — проводилась непосредственно в резервуарах в период подготовки к заправке изделия методом ваку-умирования одно-и двухступенчатыми эжекторами с суммарной холодопроизводительностью 100 кВт на температурном уровне 70 К. Среди множества проблем, которые были решены при создании крупнотоннажных заправочных систем, особо следует отметить проблемы, связанные с различными формами образования паровой фазы и возникновением неустановившихся гидравлических процессов на переходных режимах эксплуатации при многократных переключениях запорной и регулирующей арматуры.
Были разработаны методики расчетов и рекомендаций по снижению гидродинамических нагрузок в созданной системе, что способствовало повышению ее надежности и работоспособности [2]. В процессе создания системы отрабатывались не только новые схемно-технологические решения, но и новое криогенное оборудование. Прежде всего, это крупнотоннажные конструкции резервуаров (вместимостью 230 м3) с высокоэффективной экранно-вакуумной изоляцией, потери жидкого кислорода в которых от испарения не превышали 0,1 % в сутки, а также криогенные трубопроводы и арматура диаметром до 250 мм, насосные агрегаты с подачей 148 и 750 т/ч, эжекторы, криосорбционные насосы, фильтры, подвижные коммуникации для стыковок с изделием. В
Рис. 1. Принципиальная схема системы заправки и термостатирования охлажденным кислородом ракеты-носителя: 1 — испаритель наддува резервуаров; 2 — резервуар (V = 230 м3); 3 — блок эжекторов; 4 — компрессор; 5 — бортовые резервуары; 6 — главный центробежный насос; 7 — малый центробежный насос Fig. 1. Basic outlay of the system for fueling and ther-mostating of the carrier by cooled oxygen: 1 — evaporator of receiver unit booster; 2 — receiver (V = 230 m3); 3 — ejector unit; 4 — compressor; 5 — vehicle-born receivers; 6 — main centrifugal pump; 7 — backup centrifugal pump
процессе отработки системы совершенствовалась технология эксплуатации и характеристики оборудования, анализировались процессы охлаждения оборудования и криопродуктов, неустановившиеся процессы в магистралях, теплообмен при хранении, транспортировании и газификации криогенных продуктов, накопление микропримесей и фильтрационная очистка криопродуктов и др.
Новые принципы построения технологических схемных решений заправочных стартовых и стендово-стартовых систем нового поколения и организация безопасной эксплуатации были использованы при создании Криогенного центра в Байконуре, обеспечивающего криогенным топливом ракетно-космический комплекс «Энергия-Буран». Прежде всего, все криогенные системы для водорода, кислорода и азота были построены на базе, специально разработанных для этих систем шаровых резервуаров вместимостью 1400 м3 с экранно-вакуумной изоляцией, рабочим давлением 1,0 МПа и суточными потерями 0,033-0,130 % (резервуары по этому показателю относятся к лучшим в мире конструкциям). Такое решение позволило создать хранилища с минимальным числом резервуаров, сократить стоимость систем и повысить их надежность в основном за счет уменьшения количества единиц запорной, регулирующей и предохранительной арматуры. Система для хранения 4600 т жидкого кислорода (три шаровых резервуара) позволяла заправлять баки изделия охлажденным до температуры 85 и 78 К жидким кислородом и термостатировать его. Система была решена по разомкнутой схеме с использованием вытеснительной схемы подачи жидкости при заправке и термостатировании баков. Охлаждение и термостатирование кислородного бака цен-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» №9 (53) 2007 © 2007 Научно-технический центр «TATA»
Водородная экономика Хранение водорода
трального блока осуществлялось с использованием разомкнутого контура циркуляции через рекуперативный теплообменник, помещенный в азотную ванну, со сливом прогретого кислорода в один из резервуаров хранилища, а баки боковых баков только подпитывались, охлажденным в азотной ванне кислородом. Такое схемное решение предельно упростило систему и повысило ее надежность. Впервые появилась возможность создания реальных конструкций мощных охладителей потока жидкости непосредственно в процессе заправки и термостатирования изделий в отличие от охлаждения методом вакуумирова-ния в резервуаре. При этом повышалась чистота охлаждаемого продукта, поскольку исключался подсос к нему воздуха из атмосферы.
Система для хранения 372 т жидкого водорода (четыре шаровых резервуара, рис. 2) позволяла заправлять изделие жидким, охлажденным до температуры 16,5-17 К водородом, и термостатировать его для снятия внешнего теплопритока. Общая хо-лодопроизводительность системы охлаждения составляла 1000 кВт при заправке и 730 кВт при термостатировании на температурном уровне 17 К.
Система решена по принципу вытеснитель-ной подачи водорода и его охлаждения в ваннах-охладителях, в которых под вакуумом кипит жидкий водород. Поскольку термостатирование заправленной в баки жидкости по разомкнутой схеме приводило к ощутимым потерям дорогостоящего жидкого водорода, была реализована полузамкнутая схема циркуляции с использованием струйного насоса, что сократило число переключений резервуаров и, соответственно, потери. Отметим, что еще более целесообразно перейти на замкнутую схему циркуляции центробежным водородным насосом.
Рис. 2. Принципиальная схема системы заправки и тер-мостатирования охлажденным водородом ракеты-носителя «Энергия»: 1 — резервуар (V = 1400 м3); 2, 6 — эжекторы; 3 — теплообменник (кислород — гелий); 4 — теплообменник (водород — гелий); 5 — контур циркуляции гелия; 7 — бак ракеты; 8 — ванны-охладители; 9 — струйный
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.