Устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия

Полезная модель относится к устройствам охлаждения и очистки газов, в частности, газообразного гелия от различного рода примесей (механических примесей, водяных паров, паров компрессорного масла, углекислого газа и др.) и может быть использована в криогенной и ракетно-космической технике, а также в атомной, химической, металлургической и в других отраслях промышленности. Техническим результатом полезной модели является обеспечение охлаждения и очистки газообразного гелия с заданными параметрами с одновременным повышением надежности и эффективности работы и компактности устройства. Требуемый технический результат достигается благодаря тому, что в устройстве для охлаждения и очистки газообразного гелия, содержащем криостат с двустенным цилиндрическим вертикальным корпусом 1, залитым жидким азотом 2, трубопроводы 3, 4 с арматурой для подачи 3 и слива 4 жидкого азота, трубопровод 5 подачи газообразного гелия, теплообменники 6, 7, контрольно-измерительные приборы-датчики температур 8 и давлений 9, фильтр 10 и трубопровод 11 выхода очищенного гелия, криостат выполнен с экранно-вакуумной изоляцией и снабжен расположенным на корпусе 1 вакуумным клапаном 12 для контроля вакуума и откачки посредством вакуум-насоса теплоизоляционной полости (давление в полости не более 6,65 Па или 5·10 ^-2 мм рт.ст.), а внутри корпуса 1 последовательно установлены объединенные в единый блок 13 рекуперативный теплообменник 6 (фиг.1, 2), азотный теплообменник 7, фильтр 10, узел установки термометра сопротивления 14 и индикатор уровня 15, закрепленные на крышке 16 блока 13, при этом рекуперативный теплообменник 6 выполнен в виде противоточного аппарата типа «труба в трубе» со змеевиковым исполнением, вход внутренней теплоотдающей трубы которого соединен с трубопроводом 5 подачи газообразного гелия, а выход - с входом азотного теплообменника 7, выполненного в виде однопоточного трубчатого витого змеевика, выход которого через узел установки термометра сопротивления 14, фильтр 10, вход, межтрубное пространство и выход наружной тепловоспринимающей трубы рекуперативного теплообменника 6 соединен с трубопроводом 11 выхода очищенного гелия.

Полезная модель относится к устройствам охлаждения и очистки газов, в частности, газообразного гелия от различного рода примесей (механических примесей, пыли, водяных паров, паров компрессорного масла, углекислого газа и др.) и может быть использована в криогенной и ракетно-космической технике, а также в атомной, химической, металлургической и в других отраслях промышленности.

Известно устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия, содержащее криостаты, трубопроводы с арматурой, электронагреватель, фильтры, змеевики, датчики уровня и датчики температур (см. патент US 3415069, МПК7 F25J 3/08, 1968) [1].

Недостатком известного устройства является то, что оно не обеспечивает надежное и эффективное охлаждение и необходимую степень очистки газообразного гелия с параметрами, требуемыми для решения данной технической задачи, заключающейся в охлаждении газообразного гелия в криостате до температуры не ниже 123 К (минус 150°С), при которой происходит гарантированный переход примесей в твердую фазу, и в обеспечении высокой степени чистоты путем фильтрации примесей (номинальная тонкость фильтрации гелия не более 16 мкм), и нагрева гелия в рекуперативном теплообменнике до температуры на выходе не ниже 233 К (минус 40°С).

Дальнейший анализ патентов и научно-технической литературы [1...9 и др.] показал, что по технической сущности и достигаемому техническому результату наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия, содержащее трубопроводы с арматурой, электронагреватель, снабженный не менее чем тремя змеевиками, два из которых соединены соответственно с криостатами, а третий - с каждым из криостатов, содержащих трехпоточный теплообменник и трубопровод подачи подогретого азота, причем трехпоточный теплообменник выполнен в виде обечайки с отверстиями, сердечником, закрепленным в ней, днищами с патрубками и двух групп винтовых змеевиков прямого и обратного потоков, смонтированных вокруг сердечника, сосуд с жидким азотом, сообщенный с атмосферой, фильтр, связанный с криостатами (см. патент Ru 2282116 C2, МПК7 F25B 43/00, дата публикациии заявки 10.10.2005, опубликовано: 20.08.2006. Бюл. №23) [2].

Данное устройство принято нами в качестве прототипа заявляемой полезной модели.

Недостатками прототипа являются сложность его конструктивного выполнения, использование двух блоков охлаждения и очистки газообразного гелия, трехпоточного теплообменника, электронагревателя, снабженного не менее чем тремя змеевиками, а также необходимость постоянной подачи жидкого азота в процессе работы. Все это существенно снижает надежность и эффективность работы прототипа, а также приводит к ухудшению компактности устройства.

Техническим результатом полезной модели является обеспечение охлаждения и очистки газообразного гелия с заданными параметрами с одновременным повышением надежности и эффективности работы и компактности устройства.

Требуемый технический результат достигается благодаря тому, что в устройстве для охлаждения и очистки газообразного гелия, содержащем криостат с двустенным цилиндрическим вертикальным корпусом, залитым жидким азотом, трубопроводы с арматурой для подачи и слива жидкого азота, трубопровод подачи газообразного гелия, теплообменники, контрольно-измерительные приборы, фильтр и трубопровод выхода очищенного гелия, криостат выполнен с экранно-вакуумной изоляцией и снабжен расположенным на корпусе вакуумным клапаном для контроля вакуума и откачки посредством вакуум-насоса теплоизоляционной полости, а внутри корпуса последовательно установлены объединенные в единый блок рекуперативный теплообменник, азотный теплообменник, фильтр, узел установки термометра сопротивления и индикатор уровня, закрепленные на крышке блока, при этом рекуперативный теплообменник выполнен в виде противоточного аппарата типа «труба в трубе» со змеевиковым исполнением, вход внутренней теплоотдающей трубы которого соединен с трубопроводом подачи газообразного гелия, а выход - с входом азотного теплообменника, выполненного в виде однопоточного трубчатого витого змеевика, выход которого через узел установки термометра сопротивления, фильтр, вход, межтрубное пространство и выход наружной тепловоспринимающей трубы рекуперативного теплообменника соединен с трубопроводом выхода очищенного гелия.

Сущность предложенной полезной модели поясняется чертежами, где:

на фиг.1 - изображен общий вид устройства для охлаждения и очистки газообразного гелия;

на фиг.2 - блок теплообменников.

Устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия состоит из криостата с двустенным цилиндрическим вертикальным корпусом 1 (фиг.1), залитым жидким азотом 2, трубопроводов 3, 4 с арматурой для подачи 3 и слива 4 жидкого азота, трубопровода 5 подачи газообразного гелия, теплообменников 6, 7, контрольно-измерительных приборов - датчиков температур 8 и давлений 9, фильтра 10 и трубопровода 11 выхода очищенного гелия.

Криостат выполнен с экранно-вакуумной изоляцией и снабжен расположенным

на корпусе 1 вакуумным клапаном 12 для контроля вакуума и откачки с помощью вакуум-насоса (условно не показан) теплоизоляционной полости (давление в теплоизоляционной полости не более 6,65 Па или 5·10^-2 мм рт.ст.).

Внутри корпуса 1 криостата последовательно расположены (фиг.1, 2) объединенные в единый блок 13 рекуперативный теплообменник 6, азотный теплообменник 7, фильтр 10, узел установки термометра сопротивления 14 и индикатор 15 уровня с направляющими, закрепленные на крышке 16 блока 13.

Рекуперативный теплообменник 6 выполнен в виде противоточного аппарата типа «труба в трубе» со змеевиковым исполнением, вход внутренней теплоотдающей трубы которого соединен с трубопроводом 5 подачи газообразного гелия, а выход - с входом азотного теплообменника 7. Азотный теплообменник 7 выполнен (фиг.1, 2) в виде однопоточного трубчатого витого змеевика. Выход азотного теплообменника 7 через узел установки термометра сопротивления 14, фильтр 10, вход, межтрубное пространство и выход наружной тепловоспринимающей трубы рекуперативного теплообменника 6 соединен с трубопроводом выхода 11 очищенного гелия.

Устройство работает следующим образом. Предварительно в криостат заливают по трубопроводу 3 жидкий азот в количестве (например, 180 кг), достаточном для проведения цикла охлаждения и очистки газообразного гелия, без постоянной подачи жидкого азота, что существенно упрощает и удешевляет технологию проведения работ по сравнению с прототипом. Температура жидкого азота порядка 77 К (минус 196°С). Температура контролируется датчиком температуры. Уровень наполнения криостата жидким азотом 2 контролируют посредством индикатора уровня 15. Затем по трубопроводу 5 в криостат подают газообразный гелий, где он при прохождении рекуперативного теплообменника 6 предварительно охлаждается [начальная температура гелия на входе в устройство составляет от 263 К (минус 10°С) до 303 К (плюс 30°С)], отдавая свое тепло охлажденному и очищенному потоку гелия, проходящему по наружной тепловоспринимающей трубе рекуперативного теплообменника 6. Далее газообразный гелий доохлаждают в азотном теплообменнике 7 до температуры не выше 123 К (минус 150°С), обеспечивающей гарантированный переход примесей (водяных паров, паров компрессорного масла, углекислого газа и др.) в твердую фазу, которые задерживаются в фильтре 10.

В процессе работы устройства посредством контрольно-измерительных приборов контролируют температуру, давление и чистоту гелия, поступающего в трубопровод 11 выхода очищенного гелия (номинальная тонкость фильтрации гелия не более 16 мкм).

Продувку криостата осуществляют газообразным азотом (фиг.1).

Как показали исследования и результаты испытаний предлагаемого устройства, выполнение рекуперативного теплообменника 6 в виде «труба в трубе» со змеевиковым исполнением, а также азотного теплообменника 7 в виде однопоточного трубчатого витого змеевика и объединение их в единый блок 13, не только обеспечивают надежное и эффективное охлаждение и необходимую степень очистки (с тонкостью фильтрации не более 16 мкм) газообразного гелия, но и повышают компактность, экономичность и способствуют достижению высокой интенсивности передачи тепла при наименьшем гидросопротивлении (не более 0,5 МПа). Все это повышает надежность и эффективность работы устройства. Большое влияние этому оказывает также центробежный эффект, который возникает при движении гелия по змеевикам и вызывает существенное увеличение коэффициентов теплоотдачи [8, 9].

Создание такого устройства особенно важно для заправки газообразным гелием высокой чистоты бортовых баллонов, погруженных в низкотемпературную (криогенную) жидкость в криогенном топливном баке ракеты-носителя РН, что позволяет заправлять в бортовые баллоны большое количество гелия, которое используется при полете для наддува криогенных баков с целью обеспечения бескавитационной работы турбонасосных агрегатов, барботирования жидкого кислорода в баках и т.д.

Предлагаемая полезная модель обеспечивает выполнение поставленной задачи:

1) охлаждение газообразного гелия в криостате до температуры не ниже 123 К (минус 150°С), при которой происходит полное вымораживание примесей;

2) достижение высокой степени чистоты газообразного гелия путем его низкотемпературной фильтрации (тонкость фильтрации не более 16 мкм);

3) нагрев гелия в рекуперативном теплообменнике до заданной температуры на выходе не ниже 233 К (минус 40°С), что регламентировано допустимой температурой работоспособности резинотехнических изделий, применяемых для уплотнения бортовых разъемных соединений существующих ракет-носителей.

При этом, как показали заводские испытания, полезная модель обладает повышенной надежностью и эффективностью работы.

Таким образом, совокупность существенных признаков, изложенных в формуле полезной модели, позволяет получить требуемый технический результат, а именно:

обеспечить охлаждение и очистку газообразного гелия с заданными параметрами с одновременным повышением надежности и эффективности работы и компактности устройства.

В настоящее время предлагаемое устройство прошло заводские испытания и в дальнейшем предполагается его использование в системах газоснабжения космических стартовых комплексов.

Оно может быть использовано также на стартовом комплексе ракеты-носителя типа «Союз» в Гвианском космическом центре.

Источники информации

1 Патент US 3415069, МПК7 F25J 3/08, 1968 - аналог.

2 Патент Ru 2282116C2, МПК7 F25B 43/00, 20.08.2006 г. - прототип.

3 Патент Ru 1780390, F25B 43/02, 1989 - аналог.

4 Краткий справочник по теплообменным аппаратам. Под ред. Д.Т.Н., профессора П.Д.Лебедева /Авт. Григорьев В.А., Колач Т.А., Соколовский B.C., Темкин P.M./ М. - Л., ГЭИ, 1962; стр.108-111 - теплообменные аппараты типа «труба в трубе», рис.3.10 - аналог; стр.113-114 - змеевиковые теплообменные аппараты, рис.3.12 - аналог.

5 Микулин Е.И. Криогенная техника. М.: Машиностроение, 1969, 272 с. стр.231-232, рис.122 - схема криостата - аналог.

6 Патент Ru 2099255 C1, МКП7 B64G 5/00, 20.12.1997 - аналог не обнаружен.

7 Патент FR 2635500 A1, B64G 5/00, 23.02.1990 - аналог не обнаружен.

8 Михеев М.А. Основы теплопередачи. Госэнергоиздат, М., 1956 - аналог не обнаружен.

9 Михеев М.А, Михеева И.М. Краткий курс теплопередачи. Госэнергоиздат, М., 1960 - аналог не обнаружен.

Устройство для охлаждения и очистки газообразного гелия, содержащее криостат с двустенным цилиндрическим вертикальным корпусом, залитым жидким азотом, трубопроводы с арматурой для подачи и слива жидкого азота, трубопровод подачи газообразного гелия, теплообменники, контрольно-измерительные приборы, фильтр и трубопровод выхода очищенного гелия, отличающееся тем, что в нем криостат выполнен с экранно-вакуумной изоляцией и снабжен расположенным на корпусе вакуумным клапаном для контроля вакуума и откачки посредством вакуум-насоса теплоизоляционной полости, а внутри корпуса последовательно установлены объединенные в единый блок рекуперативный теплообменник, азотный теплообменник, фильтр, узел установки термометра сопротивления и индикатор уровня, закрепленные на крышке блока, при этом рекуперативный теплообменник выполнен в виде противоточного аппарата типа «труба в трубе» со змеевиковым исполнением, вход внутренней теплоотдающей трубы которого соединен с трубопроводом подачи газообразного гелия, а выход - с входом азотного теплообменника, выполненного в виде однопоточного трубчатого витого змеевика, выход которого через узел установки термометра сопротивления, фильтр, вход, межтрубное пространство и выход наружной тепловоспринимающей трубы рекуперативного теплообменника соединен с трубопроводом выхода очищенного гелия.