77

Хранение и транспортировка криогенных жидкостей (Курс лекций).

Содержание.

1. Общие сведения

2. Низкотемпературная изоляция

3. Хранение криогенных жидкостей

4. Транспортировка криогенной жидкости

5. Вспомогательное оборудование

6. Элементы безопасности при эксплуатации криогенного оборудования

Литература.

1. Козлов В.Н., Марфенина И.В.

“Системы хранения и транспортировка низкокипящих жидкостей”. Учебное пособие, МГТУ, 1984.

2. Филин Н.В., Буланов А.Б.

“Жидкостные криогенные системы”.

“Машиностроение”, Л., 1985.

Дополнительная литература.

3. Каганер М.Г.

4. “Тепловая изоляция в технике низких температур”. Москва. “Машиностроение”. 1966.

5. Архаров А.М и др.

6. “Криогенные системы”. Москва. “Машиностроение”. 1987.

7. Баррон Р.Ф.

8. “Криогенные системы”. “Энергоатомиздат”. 1989.

9. Беляков В.П.

10. “Криогенная техника и технология”. Москва. “Энергоиздат”. 1982.

1. Общие сведения.

При получении, хранении и транспортировке криогенных жидкостей необходима защита от теплопритоков, которые увеличивают затраты мощности при получении и потери жидкости при хранении, а также могут сделать невозможным функционирование криогенных установок (КУ).

Для компенсации 1 Вт теплопритоков при Т=4.2К необходима мощность 400 –500 Вт. При таком теплопритоке за час испаряется 1.4 литра Не, а азота в 10 раз меньше.

Табл.1

Некоторые свойства криогенных жидкостей.

№	Газ	Ткип,К (норм. Давление)	Теплота испарения кДж/кг	Тройная точка		Критическая точка
				Т т.т., МПа	Р т.т., МПа	Тк, К	Рк, Мпа
1	О2	90.2	223	54.4	0.0001	154.8	5.01
2	N	77.4	198	63.2	0.012	126.2	3.35
3	Ar	87.3	160.5	83.9	0.068	150.6	4.79
4	Ne	27.1	68	24.5	0.043	44.4	2.62
5	H2	20.4	43.1	14	0.007	33.2	1.28
6	He	4.2	20.2	--	--	5.2	0.23

Для хранения и транспортировки КЖ используются специальные сосуды с тепловой изоляцией. Их объем от нескольких литров (дц³) до нескольких сотен м³. Их изоляция тоже различна.

1. Самые простые с объемом от нескольких дц³ до десятков литров. Испаряемость--несколько часов.

N₂, O₂,ж.воздух (T_ж>80 K)

Мин. вата, минора, пенопласт, перлит

при атмосферном давлении

КЖ

Рис.1

2. Сосуд малого объема с вакуумной изоляцией (сосуд Дьюара). V=1--50 дц³. Испаряемость 1—3 % в сутки.

Нар. корпус

Вакуум 10^-3—10^-4 Па

Адсорбент

КЖ

Рис.2

3. Сосуд среднего объема V=100--500 дц³. Испаряемость 0.5—1 % в сутки.

Газосброс

O₂ , N₂ ,Ar

Слив, заправка

КЖ

Вакуум 10^-2—10^-3 Па

+ слоистая или порошковая

изоляция

Рис.3

4. Большие сосуды (танки). V=10--300 м³. Испаряемость 0.5—0.1 % в сутки.

Смотровой лаз

Слоистая или пористая структура

Газосброс

Вакуум 10^-2—10^-3

Слив,запрвавка

Опоры

Рис.4

5. Сосуды для хранения низкокипящих жидкостей (He,H₂). V=50--500 дц³.

ж N₂

Экран, охлаждаемый жидким азотом

Вакуум ≈10 ^-3Па

Сорбент

He или H₂

Слоистая или порошковая изоляция

Рис.5

Материалы порошковой изоляции.

Перлит—вулканическое стекло, при температуре 1200° увеличив в объеме в 15—20 раз.

Мипора— пенопласт на основе мочевино-формальдегидной смолы. Огнестоек, легко впитывает влагу.

Аэрогель кремниевой кислоты – имеет закрытые поры.

2. Низкотемпературная изоляция.

В любой тепловой изоляции криогенных систем теплоприток Q складывается из следующих основных составляющих :

Q=Qт+Qг+Qл , где

Qт- теплоприток по твердому скелету изоляции ;

Qг- теплопроводность газа ;

Qл- излучение.

1. Изоляция находящаяся под атмосферным давлением.

Для T80К и в основном для воздухоразделительных установок (ВРУ).

Стоимость этой изоляции низкая.

Применяются материалы:

• волокнистые (стекловата , минеральная вата)

• порошковые (перлит,аэрогель)

• ячейстые (пенопласт, мипора)

Коэффициент теплопроводности порошковой изоляции =0.05 0.02 Вт/(мК) -- важнейшая характеристика.

При влагосодержании свыше 5-10   увеличивается.

Основными составляющими теплопритока для этой изоляции являются Q_т и Q_г . Т.е. тепло переносится по зерну, порошку , волокну и по газу.

Теплоприток можно рассчитать по формуле:

Q

δ

= /(T_т-T_x)F_cр , где F_cр= F_т  F_х.

F_х ,T_х

F_т ,T_т

R_т

R_т

Q

δ – толщина изоляции

F_т и F_х – поверхности теплой и холодной стенок сосуда

Рис.6

КЖ

Характеристики изоляции работающей при атмосферном давлении.

Табл.2

		 , кг/м3	т=190 К Вт/(мК)	т=293К Вт/(мК)
1	Аэрогель кремниевой кислоты	50	0.02	0.025
2	Минеральная вата	100	0.03	0.044
3	Вспученный перлит: пудра порошок	150 75	0.035 0.03	0.058 0.047
4	Пенопласт:	40 -- -- 150	0.026	0.04 -- -- 0.05

λ,

Вт/мК

0.05

0.03

0.01

1

100 200 300 Т,К

2

3

Рис.7

1.Минвата; ρ=100 кг/м³

2.Пенополистирол; ρ=30-50 кг/м³

3.Аэрогель; ρ=100 кг/м³

Высоковакуумная изоляция.

Применяется для небольших сосудов, криостатов.

Вакуум Р=10^-4 Па

Основные составляющие

теплопритока:

- Q_г-очень мало;

- Q_л-существенно.

Т_Т

Т_Х

КЖ

Рис.8

Теплопроводность газа (Q_г) в вакууме принимает молекулярный характер (свободномолекулярное состояние газа) в отличие от теплопроводности при наличии заметного давления , когда газ рассматривается как сплошная среда .

Критерием определяющим границу поведения газа при вакууме является число Кнудсена :

Кn=l/d , где

l- средняя длина свободного пробега молекул;

d-расстояние между стенками или характерный геометрический размер.

При Кn 1 (’’высокое” давление ) теплопроводность газа не зависит от давления .

Например:

при P=10 Н/м² (7,510^-2 мм рт ст )

l=0,6 мм ,

тогда при d= 10 мм Кn=0,6/10=0,061

Для воздуха при Т=293К l=0,608/P (P в [Па] , l в [ cм] ).

При низких давлениях (P10^-4 Па) выполняется условие Кn1.

Здесь l- сотни сантиметров (см. формулу) и это означает , что движение молекул между холодной и теплой поверхностью происходит без взаимных столкновений . В этом случае количество переносимой теплоты пропорционально Р, которое в свою очередь пропорционально n , где n- количество молекул.

Q _г=_{пр х} [(к+1)/(к-1)]*(18,2*Р/ МТ_Т)(Т_Т-Т_Х) F_Х , (Вт)

к-показатель адиабаты,

М-молекулярная масса газа ,

F_х - площадь холодной поверхности , [м²],

_{пр х} -приведенный к холодной стенке коэффициент аккомодации, учитывающий неполноту обмена энергий между молекулами и поверхностями.

_{пр х}= [ 1/_х+(F_х/F_т )*(1/_т-1)]^-1

При 300К для воздуха =0,8...0,9;

для водорода и гелия =0,3.

Для воздуха Q_г=0,93P[T_т- Т_х]F_х.