3.2.3. Нейтральные криогенные продукты

К нейтральным криогенным продуктам, которые широко используются на старто­вых комплексах, относятся жидкий и газообразный азот. Для работ с системами энерго­питания орбитальных кораблей используется также аргон.

Жидкий азот, азот газообразный

Азот в ракетно-космической технике находит широкое применение как в жидком, так и в газообразном состоянии. В жидком виде:

- для заправки баков ракет с целью последующей его газификации на борту для наддува баков;

- как хладоагент для охлаждения других компонентов, таких как керосин, жидкий В газифицированном виде:

- для закачки ресиверных давлением до 420 кгс/см²;

- для наддува резервуаров наземных систем и баков ракет;

- как рабочее тело эжекторных установок;

- для продувок коммуникаций, баков, резервуаров, наполнительных соединений;

- для термостатирования и пожаровзрывопредупреждения, в том числе отсеков ракет, разгонных блоков, орбитальных кораблей и космических аппаратов;

- для создания безопасной среды в резервуарах, коммуникациях и баках как назем­ных систем, так и ракет, разгонных блоков и орбитальных кораблей.

Жидкий азот — бесцветная жидкость без запаха с температурой кипения минус 196 °С, удельной массой 0,804 кг/дм³. Свойства жидкого азота представлены в табл. 3.2.9.

Таблица 3.2.9 Свойства жидкого азота и аргона (при 0,1013 МПа и 0 °С)

Показатель	Азот	Аргон
Молекулярная масса	28	39,94
Температура фазовых переходов, К: - кипение; - плавление	77,36 63,15	87,29 83,78
Критическая температура, К	126,6	150,86
Критическое давление, МПа	3,35	5,0
Плотность, кг/м3: - жидкость; - газ	804 1,25	1390 1,78
Теплота испарения, ккал/кг	47,1	39
Теплота плавления, ккал/кг	6,15	7,05
Теплоемкость, ккал/кг х град: - жидкость; - газ	0,467 0,25	0,239 0,125
Объем газа при испарении 1 л жидкости, л	643	780
Динамическая вязкость, Н х с/м2	167 х 10-7	209x10-'
Скорость звука в жидкости, м/с	880	849

Производится жидкий азот из воздуха с помощью тех же воздухоразделительных установок, что и жидкий кислород. Транспортируется по железным и автомобильным дорогам в тех же цистернах, что и жидкий кислород.

Жидкий азот выпускается промышленностью по ГОСТ 9293-74 двух сортов -первого и второго, а также -- повышенной и особой чистоты. В ракетно-космической технике обычно применяется жидкий азот первого и второго сортов. Газообразный азот получают на стартовой позиции из жидкого с помощью гази-фикационных установок низкого и высокого давления, выпускаемых промышленностью.

Аргон газообразный

Аргон является нейтральным газом. Он использовался в ракетно-космической тех­нике, в основном для продувок электрохимических генераторов систем электропитания (СЭП) орбитальных кораблей. Ввиду малого количества, необходимого для работ, его до­ставляют на стартовый комплекс с заводов-производителей в баллонах высокого давле­ния, обычно под давлением 200 кгс/см².

Выпускается аргон по ГОСТ 10157-85 марок «А», «Б», «В» с различным содержани­ем в нем кислорода (от 0,03 до 0,05 %) и азота (от 0,01 до 0,10 %). Регламентируется и содержание в нем влаги (до 0,03 г/м³). По особому заказу выпускается аргон высокой чисто­ты (спектрально чистый), в котором кислород отсутствует, а содержание азота допускает­ся не более 0,03 %.

Свойства жидкого аргона приведены в табл. 3.2.9.

3.3. Основные виды оборудования в составе криогенных средств

3.3.1. Криогенные резервуары

Для накопления, хранения и выдачи криогенной жидкости в составе заправочных систем служат криогенные резервуары. Резервуары с входящими в них трубопроводами и арматурой (обычно называемые «обвязкой») объединяются в хранилище заправочной си­стемы. В зависимости от назначения, размеров и видов хранимого продукта криогенные резервуары отличаются друг от друга конструктивными особенностями и используемым материалом. Форма резервуаров для той или иной системы выбирается с учетом требуемого объема, удобства изготовления, перевозки и монтажа, эксплуатационных особенностей, а также требований к защите от внешних температурных воздействий.

Хранилище в целом и его составные элементы являются частью пневмогидравлической схемы заправки и должны обеспечивать выполнение технологических опера­ций, быть удобными в эксплуатации и увязаны со строительной частью (сооружения, фундаменты, навесы и т.д.).

Рис.3.3.1. Конструктивная схема

криогенного резервуара:

/ — кожух; 2 — тепловая изоляция;

3,5 — дисковые опоры; 4 — подвески;

6 — внутренний сосуд

С точки зрения минимальных теплопритоков, для больших объемов хранимой жидкости предпочтение должно быть отда­но сферической форме сосуда, так как отно­шение площади поверхности к объему сосу­да (S/V) в нем минимальны. Для меньших объемов хранимого продукта широко приме­няются цилиндрические вертикальные и го­ризонтальные резервуары заводского изготовления, хотя отношение SIVy них больше, чем у шаровых. Максимальный объем перевозимых авто- и железнодорож­ным транспортом емкостей — 225 м³ при диаметре 3 м. Современные емкости состоят из внутреннего сосу­да, где хранится криогенный продукт, и внешнего сосуда, выполняющего роль кожуха. Внутренний сосуд выполняет­ся из стойкого к продукту материала — легированной ста­ли или алюминия, внешний — из углеродистой стали и алюминия. Конструктивная схема криогенного резервуара во многом определяется схемой крепления внутреннего со­суда относительно кожуха, что осуществляется с помощью подвесок и опор. Во всех конструкциях пространство меж­ду сосудом и кожухом заполняют теплоизоляцией (в зави­симости от назначения сосуда и традиций заводов-изгото­вителей, либо экранами из фольги, либо порошком) и вакуумируют.

Рис.3.3.2. Вертикальный

криогенный резервуар

РЦВ-63/5

Учитывая, что между кожухом и внутренним сосу­дом создается вакуум, кожух должен быть рассчитан на устойчивость против сжатия под воз­действием атмосферного давления.

Для уменьшения «плескания» жидкости во внутреннем сосуде име­ются продольные и поперечные вол­норезы. Для доступа в сосуд в круп­ных резервуарах устраивают люки.

Рис.3.3.3. Транспортабельный горизонтальный криогенный резервуар РЦГ-225/5

Рис.3.3.4. Криогенный резервуар PC-1400/5 Рис.3.3.5. Блочная обвязка арматурой

резервуара вместимостью 30 м³:

/ — вентиль ДУ100; 2 — вентиль Ду20; 3 — вентиль Ду50;

4 — вентиль Ду40; 5 — трубопроводная обвязка

Резервуары заполняются жидкостью при помощи трубы, вводимой в сосуд сверху и достигающей его низа. Их удается заполнять на 85-95 % от объема. Для вьщачи продукта вытеснением служит испаритель-змеевик, работающий от тепла внешней среды и разме­щенный так, что жидкость в него поступает самотеком под давлением столба жидкости через специальный вентиль. Во избежание необходимости опорожнения резервуара при появлении течи, в крупных резервуарах все трубы, как правило, выводят через верх емкости.

На рис. 3.3.2, 3.3.3 и 3.3.4 показаны общие виды трех резервуаров для криогенных жидкостей, на рис. 3.3.5 показана блочная обвязка арматурой резервуара объемом 30 м³.

В настоящее время промышленностью накоплен значительный опыт проектирова­ния и изготовления высокоэффективных резервуаров для криогенных жидкостей.

Резервуары унифицированы, созданы их ряды. При проектировании криогенных систем резервуары выбираются, как правило, из числа унифицированных рядов по исход­ным данным на систему. В этом случае прочностные и тепловые расчеты не проводятся. При сдаче системы на объекте резервуары проверяют на соответствие требованиям Гос-гортехнадзора.

Ниже приводится номенклатура криогенных резервуаров, разработанных ОАО «Криогенмаш».

Таблица 3.3.1 Горизонтальные цилиндрические резервуары (ОАО «Криогемаш»)

Показатель	РЦГ50/0,5-1	РЦГ 100/0,5-1	РЦГ150/0,5-1	РЦГ 250/0,5-1
Вместимость, м3	55	112	155	245
Рабочее давление, МПа (кгс/см2)	0,5 (5)	0,5 (5)	0,5 (5)	0,6(6)
Масса хранимого продукта, кг: - азот; - кислород; - аргон; -СПГ*	42200 59300 72800 20500	85900 120800 148200 41800	129000 181200 122300 57800	187800 264300 91400
Тип изоляции	экранно-вакуумная
Потери продукта от испарения, % в сутки: - азот; - кислород; - аргон; -СПГ*	0,21 0,13 0,12 0,142	0,15 0,10 0,11 0,109	0,14 0,09 0,10 0,106	0,12 0,08 0,087
Габаритные размеры, м: - длина; - диаметр	9,4 3,6	17,6 3,6	26,4 3,6	36,3 37
Масса порожнего резервуара, т	21	38	57	70
* Примечание. Данные по СПГ получены пересчетом.

Вертикальные цилиндрические резервуары (ОАО «Криогенмаш»)

Показатель	РЦВ-10/1,6	РЦВ-25/1,6-2	РЦВ-63/0,5-2
Вместимость, м3	10,1	25,4	66,3
Рабочее давление, МПа (кгс/см2)	1,6(16)	1,6(16)	0,5 (5)
Масса хранимого продукта, кг: - азот; - кислород; - аргон; -СПГ*	7750 11900 12700 4030	19500 27400 3200 9800	50800 71500 83500 2456
Тип изоляции	экранно-вакуумная
Потери продукта от испарения, % в сутки: - азот; - кислород; - аргон; -СПГ*	0,21 0,13 0,12 0,142	0,15 0,10 0,11 0,109	0,14 0,09 0,10 0,106
Габаритные размеры, м: - диаметр; - высота	3,15 3,04	3,15 7,6	3,68 12,2
Масса порожнего резервуара, т	4,7	11,8	22
* Примечание. Данные по СШ получены пересчетом.