3.3.2. Криогенные трубопроводы и арматура

Криогенные трубопроводы предназначены для подачи криогенных продуктов в баки ракеты. По ним же, при необходимости, может осуществляться слив продукта в ре­зервуары хранилища. Трассы трубопроводов, являющиеся основой магистралей запра­вочных систем, могут достигать значительной длины, а общая суммарная длина трубопро­водов заправочных систем может исчисляться несколькими километрами.

Криогенные трубопроводы должны разрабатываться из условия сохранения их ра­ботоспособности во всем диапазоне рабочих температур от +50 °С до минусовых темпера­тур кипения продукта, для транспортировки которого они предназначены.

Трубопровод может быть не изолирован при условии, что длина его крайне мала, длительность работы невелика и скорость проходящей по нему жидкости большая. Во всех других случаях, а для жидкого водорода всегда, трубопроводы для работы с криогенными продуктами должны быть изолированы для обеспечения относительно малого теплопритока из окружающей среды.

Современные промышленные конструкции криогенных трубопроводов базируют­ся, в основном, на порошково-вакуумной и слоисто-вакуумной изоляции. Наибольшее распространение в заправочных криогенных системах получили конструкции внутренних трубопроводов из гладких цельнотяну­тых или сварных труб из нержавеющей ста­ли 12Х18Н1 ОТ или инвара 36НХ, имеющих относительно малый коэффициент линейн­ого расширения. Наружный кожух изготав­ливается из нержавеющей или углеродистой стали. Пространство между внутренней тру­бой и внешним кожухом заполняется порош­ком (аэрогель или перлит) или обматыва­ется слоисто-вакуумной изоляцией и вакуумируется. Внутренняя труба фиксируется относительно наружной с помощью опор различной конструкции из стеклопластика. существует два основных нодлода к конструированию и монтажу криогенных ком­муникаций.

Первый — секции трубопроводов полностью изготавливаются и вакуумируются в заводских условиях и поставляются на монтаж в готовом виде. На объекте отдельные секции лишь стыкуются с помощью сварных (или фланцевых) соединений, которые обма­тываются специальной теплоизоляционной лентой. Длина секций, отвакуумированных на заводе-изготовителе, ограничена размерами транспортных средств для их перевозки. Из секций таких трубопроводов была смонтирована и успешно функционирует система заправки жидким охлажденным кислородом разгонного блока ДМ СК РКН «Протон-К».

Рис.3.3.6. Конструктивные схемы опор

внутренней трубы относительно кожуха:

а — пальчиковая; б — проволочная;

в — шариковая; г,д — дисковые;

е — цапфовая

Второй — секции трубопроводов не имеют замкнутых изоляционных полостей. Отдельные секции свариваются друг с другом на месте монтажа, образуя более длинные (до 50-100 м) участки с автономными изоляционными полостями. Вакуумирование та­ких полостей производится на объекте после монтажа трубопроводов, что требует нали­чия большого числа установок вакуумирования.

Первый подход при монтаже в условиях СК следует признать более предпо­чтительным.

Рис.3.3.7. Типовая конструктивная схема секции криогенного трубопровода

с автономной изоляционной полостью:

1 — внутренняя труба; 2 — изоляция; 3 — адсорбционный насос; 4 — кожух;

5 — сильфонный компенсатор температурных напряжений внутренней трубы;

6 — тепловой мост; 7 — дисковая опора; 8 — линзовый компенсатор температурных

напряжений кожуха; 9 — разрывная мембрана; 10 — вакуумный вентиль

Секции трубопроводов на основных предприятиях, выпускающих криогенное обо­рудование, унифицированы. Унифицированы также элементы, с помощью которых со­здается трубопроводная сеть: колена, тройники, гибкие металлорукава, сильфонные ком­пенсаторы, опоры, предохранительные мембраны (рис. 3.3.8, 3.3.9, 3.3.10).

Таблица 3.3.3 Основные характеристики криогенных трубопроводов, выпускаемых ОАО «Криогенмаш»

Условный диаметр d, мм	Труба внутренняя, <Ух 8, мм	Кожух, dxb, мм	Число слоев СВТИ	Теплоприток, Вт/м
20	25x2	100x2	20-25 5-6	0,6-1,2 1,3-2
32	36x2	100x2	20-25 5-6	0,9-1,5 1,7-2,3
50	56x2	150x2,5 100x2	20-25 5-6	2,6-4 0,9-1,4
100	100x2	200 х 2,5 150x2	20-25 5-6	1,4-2,2 5,5-7,3
150	150x2,5	250x3 200 х 2,5	20-25 5-6	2-4 7-11
200	200 х 2,5	300x3 250x3	20-25 5-6	2,8^1 10-13
250	250x3	351 Х3,5 300x3	20-25 5-6	3,6-5,5 12-16
300	300x3	408x4 357x3,5	20-25 5-6	4,2-6 15-20
400	406x3	508x4	20-25 5-6	6-10 18-22
500	506x3	640x5	20-25 5-6	7-12 22-25
Рабочее давление в этих трубопроводах — 1 МПа

Рис.3.3.8. Общий вид части криогенного трубопровода Ду = 100

с сильфонным компенсатором,

собранного из унифицированных секций

При создании криогенных систем особое внимание следует обратить на компенса­ционные узлы и крепление трубопроводов к основаниям эстакад или проходных каналов, по которым они прокладываются (рис. 3.3.11). Это вызвано большим перепадом темпера­тур и, следовательно, температурными деформациями, возникающими при захолаживании системы. Сжатие внутренней трубы при охлаждении компенсируется с помощью сильфонов. Для защиты от излишнего сжатия или растяжения сильфоны снабжают огра­ничителями. При этом жидкостные трубы целесообразно изготавливать из материала с малым коэффициентом теплового расширения.

Общая длина внутренних сильфонов должна быть рассчитана на температурную деформацию трубопровода при его охлаждении, наружных компенсаторов — на деформацию наружной трубы. При малых деформа­циях в конструкциях часто используют лин­зовые компенсаторы.

Также необходимо стремиться к ми­нимальному числу разъемных соединений, они должны быть только там, где это край­не необходимо. Остальные стыки системы должны быть заварены.

Рис.3.3.10. Конструктивные схемы

тройников унифицированных колен:

а — с дисковыми опорами;

б — с цапфовыми опорами

Рис.3.3.9. Конструктивные схемы

унифицированных колен:

а — с цапфовыми опорами

(/ — внутренняя труба; 2 — основная опора;

3 — кожух; 4 — вспомогательная опора;

5 — изоляция);

б — с дисковыми опорами

(7 — внутренняя труба; 2 — основная опора;

3 — кожух; 4 — дисковая опора)

Рис.3.3.11. Конструкция шарнира компенсирующей секции

Наибольшее распространение в разъемных соединениях получили конструк­ции так называемых «штыковых» разъемов, пример такого разъема показан на рис. 3.3.12.

Иногда криогенные трубопроводы соединяют с помощью фланцев. В качестве прокладок используют паронит или ото­жженную медь. При этом следует иметь в виду, что паронит из-за остаточных дефор­маций можно использовать только один раз, а против использования меди иногда воз­ражают разработчики двигательных устано­вок (особенно на стыках с ракетой).

Одним из часто применяемых эле­ментов, соединяющих коммуникации за­правочных систем и компенсирующих тем­пературные деформации, являются металлорукава. Особенно часто они используются при соединении заправочных систем с на полнительными соединениями ракет, где требуется гибкая связь.

Металлорукав представляет собой коаксиально расположенные гофрированные шланги, заключенные в специальный проволочный чехол, воспринимающий осевые уси­лия. Криогенный металлорукав снабжают слоисто-вакуумной изоляцией (рис. 3.3.13).

Рис.3.3.12. Конструктивная схема

штыкового разъемного соединения:

7 — резиновое кольцо; 2 — тепловой мост;

3 — охранное кольцо

Криогенная арматура служит для пе­рекрытия или регулирования потоков крио­генных жидкостей путем непосредственно­го на них воздействия. Арматура, устанав­ливаемая в криогенных системах, работает в более жестких условиях, чем общепро­мышленная арматура. Существенно более широкий диапазон изменения температуры, затрудняющий герметизацию затворов, требует увеличения мощности приводов армату­ры, использования специальных материалов и повышенных требований к тепловой изо­ляции. При всем этом должно обеспечиваться небольшое гидравлическое сопротивление арматуры, отсутствие утечек, высокая надежность и большой ресурс работы.

Криогенная арматура должна работать как при температурах окружающей среды (223-323 К), так и при температурах криогенного продукта (ниже 120 К), быть работоспособной в течение, как правило, 10 лет с наработкой 3500-5000 циклов. Она не должна быть серьезным источником притока тепла к криогенному продукту и быть стойкой к этому продукту. Узлы арматуры, находящейся в контакте с криогенным продуктами, должны удовлетворять условиям по-жаровзрывобезопасности. В связи с этим узлы арматуры, используемые при криогенных тем­пературах, должны работать без смазки, что требует специальных конструктивных решений.

Рис.3.3.13. Конструктивная схема

металлорукава:

1 — наружная труба; 2 — экраны;

3 — наружный металлорукав с оплеткой;

4 — опора; 5 — внутренний металлорукав с оплеткой; 6 — переходник; 7 — гильза;

8 — внутренняя труба

В современных заправочных системах довольно часто применяют арматуру с ваку­умной изоляцией. Она обеспечивает минимальные теплопритоки к перекачиваемому про­дукту, имеет приемлемые ресурсы работы. Теплоизоляционная полость арматуры образу­ет с теплоизоляционной полостью трубопровода единую вакуумную систему. Для наруж­ной герметизации корпус и кожух арматуры приваривают соответственно к внутренней и наружной трубам трубопровода, а для обеспечения возможности разборки арматуры и ее ремонта без выемки из линии трубопровода применяют штыковой тепловой мост.

Арматура с вакуумной изоляцией создана для различного назначения: запорная, регулирующая, предохранительная с разной степенью защиты от перепада температур. Эту арматура может иметь ручное и пневматическое управление в зависимости от степе­ни автоматизации заправочной системы (рис. 3.3.14 и 3.3.15).

Рис.3.3.15. Вентиль Ду50:

I — клапан; 2 — корпус; 3 — крышка; 4 — наружная труба; 5 — корпус сальника; 6 — шпиндель; 7 — накидная гайка;

8 — маховичок; 9 — втулка сальника; 10 — сальниковая набивка;

II — кольцо; 12 — пробка клапана; 13 — стопорная шайба;

14 — полукольцо; 15 — подпятник

Рис.3.3.14. Запорно-регулирующий вентиль:

1 — шпиндель; 2 — корпус;

3 — труба; 4 — сальник;

5 — корпус

Для обеспечения безопасной и надежной эксплуата­ции, системы, работающие под давлением, должны быть снабжены предохранительной арматурой — предохранитель­ными клапанами и разрывными мембранами (рис. 3.3.16).

Из других видов арматуры укажем лишь на обрат­ные клапаны, пропускающие жидкость только в одну сторо­ну, и вакуумные вентили, устанавливаемые в системах для вакуумирования вакуумных пространств резервуаров и тру­бопроводов. В настоящее время созданы ряды арматуры, которая испытана и может быть применена в новых систе­мах заправки для различных криогенных компонентов.

Подробно об арматуре изложено в различной лите­ратуре и, в частности, в 51. Компоненты топлива, заправляемые в баки ракет-носителей и космических аппа­ратов, должны быть очищены от механических примесей твердых частиц до заданной степени чистоты. Обычно степень очистки компонента на входе в бак задается ТЗ на си­стему заправки. При этом указывается размер ячейки фильтра, который должен быть уста­новлен в системе и, в частности, перед входом компонента в бак ракеты.

Выбор размера ячейки фильтра, устанавливаемого в системе, обычно на выходе из хранилища, и называ­емого ресурсным, вы­полняется разработ­чиком наземной системы и согласовы­вается с разработчи­ком ракеты. В отличие от высококипящих компонентов крио­генные компоненты перед заправкой ра­кеты должны быть очищены не только от обычных механичес­ких частиц, таких как песок, окалина, ча­стицы флюса и других частиц, а также от об­разующихся частиц при отверждении га­зообразных веществ, растворенных в ком­поненте.

Обычно в за­правочных криоген­ных системах фильтры устанавливают в двух местах — на выходе из хранилища (порядка 70-40 мкм для кислорода и 20 мкм для водо­рода) и на минимально возможном расстоянии от входа в ракету (обычно 40 мкм, иногда 20 мкм; для систем заправки СЭП — 3-5 мкм). Наибольшее распространение для фильтра­ции криогенных жидкостей получили сетчатые фильтры с ячейкой 70-20 мкм из нержавею­щей стальной проволоки. Одна из возможных конструкций такого фильтра представлена на рис. 3.3.18. При необходимости фильтрации криогенных продуктов от частиц размером < 20 мкм применяют также выпускаемые промышленностью металлические пористые ленты, по­лучаемые из порошков прессованием или прокаткой с последующим спеканием (тип ФНС). Для этой цели используются также фильтры из пористого фторопласта (тип ФЭП) и волокнистых тканей Петрянова (тип ФПП). Такие фильтры при достаточном ресурсе ра­боты обеспечивают тонкость фильтрации до 3-5 мкм. Более подробно данные по матери­алам для фильтрации криогенных жидкостей приведены в литературе [4].

Размеры фильтров определяются гидравлическим расчетом на основании допустимого перепада давления на них и гидравлических и ресурсных характеристик фильтровальных материалов.

Конечное сопротивление фильтра зависит от степени его за­сорения. Очистку фильтра целесо­образно осуществлять после каж­дой заправки и его отогрева, а так­же перед заправкой, что гаранти­рует чистоту продукта, подавае­мого в баки ракеты.

Рис.3.3.16. Предохра­нительный клапан:

1 — колпачок; 2 — пломба; 3 — верхняя тарель;

4 — пружина; 5 — клапан; 7 — винт; 8 — штуцер;

9 — розетка;

10 — корпус; 11 — шток;

12 — нажимная втулка

Рис.3.3.17. Криогенный вентиль с вакуумной изоляцией: 1 — холодный корпус; 2 — наружный кожух; 3 — тонкостенная соедини­тельная труба; 4 — трубы штыкового разъема; 5 — сигнальное устройство; 6 — теплая прокладка; 7 — изоляция (стеклоткань); 8 — стеклотекстолитовая проставка; 9 — опоры (стеклотек­столит); А — герметизируемая полость

Рис.3.3.18. Конструкция сетчатого фильтра

для криогенных жидкостей:

/ — кожух; 2 — опорный элемент; 3 — экранно-вакуумная

изоляция; 4 — фильтрующий патрон; 5 — корпус;

6 — прижим; 7 — упор; 8 — люк; 9 — крышка люка;

10 — патрубки трубопроводов

3.3.3. Теплообменные аппараты и газификаторы низкого давления

На стартовых комплексах ракетно-космических систем необходимо иметь значительное количество сжа­тых газов, причем некоторые из них целесообразно полу­чать непосредственно на стартовом комплексе из жид­ких продуктов. Так, на СК для различных целей требует­ся большое количество газообразного азота как высокого (до 400 кгс/см²), так и низкого (до 12-15 кгс/см²) давле­ния. Для вытеснения жидкости из емкостей использует­ся и газообразный кислород.

Газы из криогенных жидкостей получают в тепло-обменных аппаратах, где криогенные компоненты топли­ва нагреваются до температуры выше температуры их кипения при атмосферном давлении за счет забора теп­ла извне. В таких аппаратах протекают физические про­цессы обмена тепловой энергией между потоками веще­ства, имеющими разную температуру. Эти процессы под­чиняются общим закономерностям термодинамики и те­ории теплообмена, однако при криогенных температу­рах возникает ряд специфических факторов, влияющих на создание высокоэффективных и компактных аппара­тов — теплообменников. Главная особенность теплооб­мена при низких температурах состоит в значительном изменении теплофизических свойств криоагентов и кон­струкционных материалов. Такие важные в теории теп­лообмена характеристики, как теплопроводность X, теп­лоемкость С, вязкость |i, плотность р, давление Р, существенно зависят от температуры.

Рис.3.3.19. Схема

изменения режимов течения

и теплоотдачи насыщенной

кипящей жидкости

в вертикальном канале

при вынужденном движении

Теплообмен при кипении зависит также от состояния и формы поверхности, характера образования центров новой фазы, теплоты фазового перехо­да, условий распространения тепла в каждой из фаз. Многие процессы в теплообменных аппаратах проходят при фазовых превращениях (кипении, конденсации). Они связаны с изменением молекулярной структуры вещества и сопровождаются выделением (поглоще­нием) энергии, называемой теплотой фазового перехода [2, 4, 12].

В начале процесса подачи жидкости под действием температуры однофазовое те­чение постепенно переходит к пузырьковому, затем к снарядному, пленочному (кольцево­му), дисперсному (эмульсионному). В конце процесса образуется однофазный поток. Жид­кость вначале кипит при недогреве, затем — при насыщении. Характер течения различен в вертикальных и горизонтальных каналах, где происходит расслоение — газ собирается в верхней части канала, жидкость — в нижней. При пленочном и дисперсном течении теплообмен проходит с переносом тепла через тонкую кольцевую пленку.

При создании теплообменников следует иметь в виду, что для улучшения их характе­ристик необходимо обеспечить минимальные значения разности температур, ДГ, выходяще­го потока теплоносителя и гидравлического сопротивления теплообменника, АР. Однако при уменьшении AT увеличивается площадь поверхности теплообмена, а при уменьше­нии АР снижается скорость теплоносителя и, следовательно, коэффициент теплопереда­чи К, что приводит к увеличению габаритов аппарата. Эти противоречия требуют комп­ромиссного решения.

Движущей силой теплообмена является разность температур потоков, AT. Эта раз­ность характеризует потери от необратимости процесса. Для обеспечения эффективности теплообменников величина AT, называемая часто величиной недорекуперации, для кри­огенных теплообменников принимается AT = 3-5 К.

Теплообменные аппараты могут быть самого различного типа. В заправочных крио­генных системах чаще всего встречаются рекуперативные теплообменники — это аппа­раты, в которых потоки разделены поверхностью теплообмена. Имеют место и регенера­торы, в которых происходит теплообмен между потоками, например охлаждение барбо-тажем гелием или азотом. Для охлаждения кислорода часто используются аппараты, где охлаждаемый кислород течет по змеевику, размещенному в среде жидкого азота.

Распространенными типами теплообменников являются трубчатые теплообменники — труба в трубе и кожухотрубные теплообменники различных конструкций. Теплообмен может быть улучшен за счет оребрения, изгибов, напыления поверхности труб. Последнее является эффективным способом улучшения теплообмена и находит все большее приме­нение. Весьма эффективными являются витые теплообменники, в которых на центральную трубу (сердечник) навивают несколько рядов труб (оребренных или напыленных), соеди­няющихся по концам в коллекторы. Через них идет прямой поток, а обратный омывает трубы снаружи. Наиболее компактны пластинчато-ребристые теплообменники; они имеют мини­мальные величины недорекуперации и довольно высокие коэффициенты теплопередачи.

В стадии освоения находятся и чрезвычайно эффективные матричные теплообмен­ники. Эти аппараты состоят из чередующихся слоев теплопроводных элементов с отверстиями и теплоизолирующих прокладок. Отдельные элементы склеивают в монолит­ный блок. С целью улучшения коэффициен­та теплоотдачи и уменьшения ДГ в тепло-обменных аппаратах, как правило, применя­ют противоток.

Некоторые принципиальные схемы теп­лообменников представлены на рис. 3.3.20.

Для получения газа низкого давления часто применяют испарители, использую­щие тепло окружающей среды. Перепад между температурами криогенной жидкости и атмосферного воздуха настолько велик, что позволяет получать газ из жидкости без затрат энергии за счет тепла окружающей среды. Такие испарители выполняют из унифицированных алюминиевых панелей прокатно-сварным методом из двухслойных листовых заготовок с каналами для криоген­ного продукта. При этом криогенная жидкость поступает в нижний коллектор испа­рителя и распределяется по панелям. Обра­зовавшийся из-за внешнего теплопритока газ направляется к потребителю и частич­но используется для наддува емкости с жид­костью для ее подачи в испаритель. Процесс автоматизирован и не требует вмешательства обслуживающего персонала.

Рис.3.3.20. Принципиальные схемы теплообменников, применяемых в криогенных системах: а — «труба в трубе»; б — пучок труб в трубе; в — из спаянных трубок; г — прямотрубный с сегментными перегородками; д — прямотруб­ный без перегородок; е — витой; ж — пластинча-торебристый; з — матричный

Рис.3.3.21. Принципиальная схема холодного газификатора: / — резервуар; 2 — вакуумный клапан; 3,17 — мембрана; 4, 9, 12, 13, 19 — запорные вентили; 5 — уровнемер; 6 — трехходовой кран; 7 — манометр; 8 — вентиль контроля уровня продукта в резервуаре; 10 — дренаж­ный вентиль; //, 18,20 — предохранительные клапаны; 14 — автоматический дренажный клапан; 15 — вентиль сброса; 16 — регулятор давления; 21 — арматурный шкаф; 22 — испа­ритель подъема давления; 23 — продукцион­ный испаритель; 24 — обратный клапан; 25 — газовый коллектор; I — дистанционный контроль уровня и давления; II — визуальный контроль уровня; III — наполнение — опорожнение; IV — газосброс

Рис.3.3.22. Холодная газификационная установка типа ИА

Наиболее часто используемые испарители ИА-6,5/55 и ИА-10/52, выпускаемые серийно промышленностью, состоят из двух блоков панелей и имеют независимые вход для жидкости и выход для газа. Принципиальная схема и конст­рукция газификационной установки представлены на рис. 3.3.21 и 3.3.22.

Ниже приводятся технические данные некоторых серийно изготавливаемых испа­рителей ОАО «Криогенмаш».

Таблица 3.3.4 Технические данные испарителей ОАО «Криогенмаш»

Наименование изделия	Рабочее давление, кгс/см2	Производительность по газообразному кислороду, нм3/ч	Производительность по газообразному азоту, нм3/ч
Испаритель ИА-6,5	10	30	32
Испаритель ИА-6,5	16	30	32
Испаритель ИА-19,5	10	90	100
Испаритель ИА-19,5	16	90	100
Испаритель ИА-52	10	250	270
Испаритель ИА-52	16	250	270
Испаритель ИА-10/52	10	45/250*	50/270*
Испаритель ИА-10/52	16	45/250*	50/270*
Испаритель ИА-65/55	10	30/275*	32/297*
Испаритель ИА-65/55	16	30/275*	32/297*
* В числителе — производительность наддувных панелей испарителя, в знаменателе — производительность продукционных панелей испарителя.

При необходимости выдачи газа с большими расходами и повышенными давления­ми используются газификаторы, где в качестве теплоагента применяется вода. В этом слу­чае теплообмен интенсифицируется, так как теплоотдача от жидкости значительно пре­вышает теплоотдачу от газа, и за счет подогрева воды можно существенно увеличить раз­ность температур AT. При этом необходимо обеспечить незамерзаемость воды при тепло­обмене с низкокипящей жидкостью.

Расчет теплообменного аппарата заключается в определении площади F поверхно­сти теплообмена и связанных с ней геометрических параметров аппарата, а также газодина­мического сопротивления [1, 2, 4, 12, 14, 15, 16, 24].