Конструктивные схемы крупных хранилищ

Практическое применение нашли два типа хранилищ. В схеме, изображенной на рисунке (а), хранилище собирается из одностенных стандартных цилиндрических сосудов, которые в готовом виде доставляются к месту монтажа. Сосуды монтируются в едином кожухе на рамной конструкции, и их количеством определяется объем хранилища. Вертикальное расположение сосудов в едином кожухе уменьшает занимаемую площадь.

В схемах, приведенных на рисунках (б, в), показан другой тип крупных хранилищ криогенных продуктов, представляющих собой двустенные относительно короткие вертикальные цилиндрические резервуары с плоским днищем. Внутренний сосуд с жидкостью опирается на фундамент, изготовленный из пеностекла, обладающего сравнительно высокой прочностью и малой теплопроводностью. Плоское днище внутреннего сосуда служит только для обеспечения герметичности объема и не подвергается значительным напряжениям, что позволяет выполнять его из относительно тонкого листа. Конструкция сосудов с плоским днищем рассчитана на давление в паровом пространстве, близкое к атмосферному, т. е. обычно в пределах 0.103—0.13 МПа.

Пространство между стенками наружного и внутреннего цилиндров заполнено порошком. Купол сосудов имеет форму либо эллипсоидального, либо сферического сегмента. Известны две разновидности таких резервуаров: с самонесущим куполом и с подвесной (плавающей) крышей. В конструкциях с самонесущим куполом (б)резервуар представляет собой полностью двустенную конструкцию, что приводит к необходимости постоянного контроля давлений в паровом пространстве сосуда и в изоляционной полости в целях их выравнивания во избежании смятия внутреннего сосуда. Эксплуатация резервуаров упрощается при использовании подвесной крыши (в). Плоская крыша из теплоизолирующих блоков подвешивается на тросах к куполу кожуха. Она не обладает герметичностью и предназначена для предотвращения конвекции газа и уменьшения теплопритока от наружного купола.

В резервуарах с подвесной крышей давление в паровой полости сосуда всегда равно давлению газа в изоляционном пространстве; кроме того, конструкция менее металлоемка.

Кроме отличия в конструкции купола, плоскодонные цилиндрические резервуары подразделяются на толстостенные и мембранные, в зависимости от конструкции боковых цилиндрических стенок. Схемные решения резервуаров, изображенные на рисунках б, в относятся к толстостенным, так как внутренний сосуд выдерживает давление и вес столба жидкости. Особенность мембранных конструкций состоит в том, что внутренняя оболочка выполняется из тонкой мембраны, которая должна лишь обладать герметичностью. Усилия от веса жидкости и давления передаются через твердую, достаточно прочную изоляцию, например пеностекло, к наружной несущей стенке. В качестве материала наружной стенки, наряду со сталью, используют железобетон. Такие резервуары менее металлоемки, однако технологические трудности обеспечения герметичности мембранной конструкции делают их пока еще менее надежными.

Транспортные сосуды

Гелиевые резервуары

Тепловая защита в гелиевых резервуарах и криостатах осуществляется сложной изоляционной системой, включающей слоисто-вакуумную и вакуумную изоляции и охлаждаемый экран. Обычно изоляционная система гелиевых резервуаров включает замкнутую поверхность (экран), расположенную между внешним кожухом и внутренним сосудом, которая охлаждается жидким азотом или парами отходящего гелия. В случае охлаждения отходящими парами (в целях более полного использования их холода) может быть применено несколько экранов. От внешнего теплопритока экраны изолированы с помощью слоисто-вакуумной изоляции; перенос тепла к сосуду от ближайшего экрана осуществляется излучением. Эффективность такой сложной изоляционной системы обусловлена тем, что при снижении температуры теплой поверхности (в данном случае температуры экрана) резко уменьшается тепловой поток к холодной поверхности.

Большая часть резервуаров имеет экраны, охлаждаемые жидким азотом. Это объясняется, во-первых, тем, что конструктивно проще обеспечить более низкую температуру экрана, а, следовательно, и более низкий теплоприток к гелию с помощью жидкого азота. В связи с этим испаряемость гелия в резервуарах с азотными экранами оказывается обычно в 1.5…2 раза ниже по сравнению с резервуарами, в которых применяются экраны, охлаждаемые отходящими парами гелия. Во-вторых, гелиевые экраны работают только в случае хранения жидкого гелия с открытым газосбросом. Такая особенность работы значительно ограничивает их применение, поскольку непрерывный сброс паров не всегда удобен технологически, а для транспортных сосудов приводит к потере дорогостоящего гелия. Кроме того, использование жидкого азота существенно упрощает технологию охлаждения резервуаров и криостатов, что особенно важно при периодической работе системы.

Конструктивные схемы гелиевых резервуаров приведены на рисунке. Сосуды объемом до несколько сот литров обычно крепятся к кожуху с помощью удлиненной горловины. В конструкциях с использованием холода отводимых паров экран представляет собой лист из высокотеплопроводного материала (обычно меди), припаянный к горловине (а).В некоторых случаях в целях лучшего охлаждения экрана к нему припаивается достаточно длинная трубка, по которой образующиеся пары отводятся в атмосферу или газгольдер (б).

Конструкции с использованием азотного экрана более разнообразны. В сравнительно небольших резервуарах, объемом до нескольких сот метров, азотный экран также представляет собой медный лист, но припаянный к сосуду с жидким азотом, который располагается в верхней части вакуумной полости (в).Для достижения более низких температур по всей поверхности экрана к листу может припаиваться трубка, по которой за счет теплопритока из окружающей среды осуществляется естественная циркуляция азота (г).В более крупных резервуарах азотный экран включает одну или две емкости для хранения жидкого азота и систему труб, залитых жидким азотом, расположенных вокруг гелиевого сосуда. К трубам приваривается или припаивается лист из теплопроводного металла материала (д, е).Азотный экран крепится с помощью подвесок и опор непосредственно к кожуху, а гелиевый сосуд — к азотному экрану. Это сокращает теплопритоки к гелию по подвескам и опорам. Известны также схемные решения, в которых, наряду с азотным экраном, применяется экран, охлаждаемый парами отходящего гелия.

Криосорбционные насосы

При использовании вакуумированных видов изоляций длительное поддержание необходимого вакуума является обязательным условием обеспечения работоспособности конструкции. После первоначального вакуумирования изоляционной полости криогенных резервуаров до давления 10…1.0 Па в порошково-вакуумной изоляции вакуум поддерживается за счет сорбционных свойств порошков; в слоисто-вакуумной изоляции необходимо поддерживать более низкое давление — на уровне 10^-2...10^-3 Па, и с этой целью используются криосорбционные устройства.

Наличие низких температур, при которых процесс физической адсорбции идет достаточно интенсивно, позволяет получать и долгое время поддерживать необходимое рабочее давление; кроме того, адсорбционные устройства можно длительно эксплуатировать без участия обслуживающего персонала.

В качестве адсорбентов применяются активированные угли, цеолиты и силикагели. Каждый класс этих материалов имеет свои преимущества и недостатки. Активированные угли имеют высокую поглотительную способность по О₂ и N₂ и низкую температуру регенерации t_p = 100°С, однако обладают малым насыпным весом и при контакте с кислородом взрывоопасны.

Синтетические цеолиты имеют высокую поглотительную способность по N₂ и О₂, невзрывоопасны, однако. имеют высокую температуру регенерации t_p = 300 - 350°С; кроме того, обладают способностью интенсивного поглощения влаги, которая, блокируя входы в поры, приводит к снижению адсорбционной емкости по другим газам на два порядка и более.

Силикагели обладают высокой емкостью по водороду, поддаются эффективной регенерации при температуре t_р = 100°С, не образуют взрывоопасных смесей, имеют высокую механическую прочность, однако, обладают относительно малой емкостью по N₂ и О₂.

Для криосорбционных насосов, используемых в вакуумной технике, а также для обеспечения вакуума в изоляционных полостях криогенного оборудования разработаны два типа цеолитовых адсорбентов: СаЕН-4В и СаА-4В. Наибольшее применение в резервуарах и трубопроводах нашел цеолит СаЕН-4В, имеющий температуру регенерации t_p = 200°С. Поскольку поглотительная способность адсорбентов (их емкость) в сильной степени увеличивается с понижением температуры, конструкция криосорбционных насосов осуществляется таким образом, чтобы обеспечить эффективное охлаждение адсорбента при сохранении достаточно свободного доступа к нему газа.

В целях сокращений габаритов и повышенийя эффективности в конструкциях криосорбционных устройств широкое применение находят высокотеплопроводные пористые металлические материалы, которые используются для образования замкнутых полостей для размещения адсорбентов, позволяя значительно улучшить условия их охлаждения. В пористой оптически непрозрачной структуре происходит эффективное поглощение тепловой энергии независимо от механизма ее переноса - конвекцией или излучением. Пористые материалы изготовляют спеканием порошков металлов (обычно меди).

Криосорбционные устройства для вакуумирования теплозащитных полостей криогенных изделий можно разделить на два класса: встроенные и выносные. Встроенные устройства располагаются непосредственно внутри теплозащитной полости и не имеют собственного кожуха (а).Выносные устройства находятся вне резервуара и имеют собственный теплозащитный кожух (б).

С резервуаром выносные устройства соединены жидкостным и вакуумным трубопроводами для охлаждения адсорбента и сообщения теплозащитной полости резервуара с адсорбентом. Расположенная на трубопроводах арматура позволяет отсекать вакуумную и жидкостную полости устройства от соответствующих полостей резервуара и производить отогрев адсорбционного устройства без отогрева резервуара. Конкретная конструкция устройства определяется составом и величиной газовой нагрузки, температурой криогенного продукта, длительностью и периодичностью заполнений и отогревов резервуаров и т. д.