3.5. Технологические особенности заправки криогенным горючим и накопление в емкостях примесей

Низкокипящие ракетные горючие — жидкий водород и сжиженный природный газ (СПГ) при соединении с кислородом воздуха могут воспламеняться, при этом преде­лы горения в воздухе для водорода 4-75 % об., метана 5-15 % об.

Для исключения взрывоопасных ситуаций и обеспечения кондиционности криоген­ных горючих перед подачей их в резервуары хранилища или в баки РН и РБ наземное оборудование, соприкасающееся с этими горючими, необходимо соответствующим обра­зом подготовить (очистить). Очистка может осуществляться полосканием и продувкой нейтральными газами, вакуумированием или различной комбинацией этих методов. Ме­тод вакуумирования, хотя и является эффективным, но в заправочных системах и издели­ях ракетно-космической техники не используется по соображениям прочности — баки и трубопроводы могут деформироваться (сложиться) под воздействием вакуума.

Наиболее оптимальным для рассматриваемых систем является комбинированный способ подготовки оборудования — продувкой и полосканием. Способ подготовки полос­канием с выдержкой является наиболее простым и обеспечивает подготовку застойных зон, что позволяет относительно просто осуществлять контроль операций. Способ подготовки систем продувкой обеспечивает лучшую подготовку коммуникаций, но требу­ет больших затрат газа и не всегда обеспечивает подготовку застойных зон.

Подготовить систему к заправке водородом существенно сложнее, чем к заправке СПГ. Это вызвано более низкой температурой кипения водорода (20 К) по сравнению с СПГ (111,7 К) и более широким диапазоном пределов горения с кислородом воздуха. Если для СПГ предварительная подготовка системы газообразным азотом до величины 3 % об. по кислороду достаточна для обеспечения безопасности работ, то для водорода требуется более сложная и трудоемкая технология.

В ракетной технике при использовании жидкого водорода можно применять сле­дующие технологии подготовки перед заправкой резервуаров хранилищ, коммуникаций систем заправки и баков РКН:

- подготовка газообразным азотом;

- подготовка газообразным гелием, затем газообразным водородом.

Гелий из-за его дефицита и высокой стоимости для подготовки наземных заправоч­ных систем у нас практически не применяют, хотя технология подготовки гелием более проста, так как в подготовленную газообразным гелием систему можно подавать непосред­ственно жидкий водород. В некоторых случаях гелием готовятся к заправке баки косми­ческих кораблей, особенно небольшие. Под давлением гелия обеспечивается слив жидко­го водорода при несостоявшемся пуске, что делает возможной повторную подачу в бак жидкого водорода без дополнительной подготовки. Исключительно важно обеспечить кондиционность жидкого водорода. Следует учитывать, что с гелием могут вноситься ча­стицы кислорода и азота, и гелий в пределах растворимости может растворяться в жид­ком водороде или выделяться из него при изменении давления. Подготовка гелием долж­на особо оговариваться в исходных данных.

В условиях дефицита и высокой стоимости гелия для наземных систем и крупных баков ракет рекомендуется проверенная на СК МТКС «Энергия — Буран» следующая техно­логия подготовки водородных систем к заправке:

- замена воздуха на азот до содержания примеси не более 3 % кислорода, что дости­гается путем продувок и полосканий с периодической выдержкой. При подготовке резерву­аров газ для продувки должен поступать в верхнюю часть резервуара и сбрасываться из нижней. Пробу на анализ берут из верхней части резервуара;

- замена азота на газообразный водород путем продувки газообразным водородом. Продувку производят подачей газа — водорода сверху вниз до получения в верхней части внутреннего сосуда содержания примесей кислорода до величины 3 х 10'⁴ % об. и азота 2 х 10² % об. В ходе этих операций давление в резервуаре хранилища не должно падать ниже 0,03 МПа (0,3 кгс/см²) и повышаться выше рабочего давления резервуара.

Более подробно технология подготовки резервуаров и системы к заправке жидким водородом изложена в источнике [22] и в изменении 1 к этому документу (для охлажден­ного водорода).

Что касается сжиженного природного газа, то на базе имеющегося небольшого опыта его использования, в первую очередь в авиации, должна быть отработана нормативно-техническая база, аналогично той, которая была создана для жидкого водорода.

Остановимся на вопросах накопления примесей в жидком водороде при технологи­ческих операциях с этим продуктом.

Процесс растворения газа в компоненте складывается из переноса молекул газа через границу раздела фаз и движения молекул в пределах газовой подушки и топливного компонента. При этом считается, что на свободной поверхности компонента топлива кон­центрация соответствует равновесной, а процесс массопередачи к поверхности определя­ется наличием разности объемных концентраций газа. Скорость массопереноса ли­митируется скоростью диффузии газа в жидкость. При отсутствии движения фаз имеет место молекулярная диффузия, а при наличии движения к ней добавляется конвективная диффузия, которая на несколько порядков интенсивнее, чем молекулярная. Растворимость обычных газов в компоненте зависит от температуры и давления.

В течение технологического процесса на СК в жидком водороде могут накапливаться различные примеси, в первую очередь кислород, имеющие более высокую температуру затвердевания, чем исходный продукт. Жидкий водород из всех компонентов ракетного топлива имеет самую низкую температуру кипения, а выпадающий в осадок кислород при его накоплении может инициировать взрыв. В осадок выпадает и твердый азот [21]. Экспериментально установлено, что при первоначальной заправке хранилища в резерву­аре остается десятая часть твердых примесей, остальное уносится при охлаждении резер­вуара. Опасные примеси могут вноситься и газом наддува при выдавливании жидкого водорода, выпадать в осадок в процессе его хранения в связи с испарением продукта (идет его обогащение кислородом и азотом), при этом сброс давления приводит к практи­чески мгновенной их кристаллизации. Содержание примесей в любой момент времени соответствует значению их растворимости в водороде при параметрах хранения.

Накопление загрязняющих примесей в хранилище определяется расчетным путем как сумма примесей, образующихся при каждой операции в технологической цепочке ра­бот с компонентом, начиная с работ на заводе-поставщике продукта [21].

М_нак=(∑ViC_ni+∆C_подiV_жидi+∑V_жид∆С_над-∑V_jC_mi-V_резC_раств)хр_прК₁х10^-2;

На практике имеется возможность аналитического хроматографического контроля чистоты водорода в химлаборатории. В этом случае накопление примесей в заполненном резервуаре за период времени т, в ходе которого было выполнено п заливов и т выдач продукта с анализом его на содержание примесей С_ni и С_mi, может быть определено по формуле [21]:

где V, — объем залитого продукта при г'-ой заправке; Vj — объем слитого продукта при т-ом сливе.

Для решения этой задачи в ходе залива и слива жидкости должны выполняться анализы для определения примесей С заливаемой и С_ш, сливаемой жидкости, измерять­ся ее количество V, и V), температура Г, и давление Pi в точках отбора проб на анализ, а также фиксироваться чистота подготовки С_под и чистота и количество газа наддува С_над, и V_над уровень жидкости в емкости V_ост/V_рез , величина растворимости С_раств при параметрах слива, плотность примеси р„_р в газообразном состоянии, коэффициент К₁ , учитывающий перевод жидкости в газ по объему (обычно К₁ = 788).

Для ориентировочных оценок величины накопления примесей в жидком водоро­де предложен также экспресс-метод [21]. Он исходит из условия, что содержание приме­сей кислорода и азота в заправляемом (сливаемом) жидком водороде не превышает величи­ны их растворимости при параметрах слива.

Содержание примесей в жидком водороде, залитом в резервуар, подготовленный к заправке, до величины С_подгГ по кислороду 3 х 10⁵ % об. и азоту 2 х 10³ % об., определяется формулой:

С_рез=(1+∆V_рез/V_жид)(C_{раст. сп.}+∆С_подг).

где C_{раст. сп.} — концентрация примеси в заливаемом водороде, ее можно определить как растворимость при параметрах слива по формулам, приведенным в [22]. Количество накопившегося осадка определяется из соотношения:

М_нак=(С_емк-C_{раст. сп.})V_жр_пр.газ К₁х10^-2

Следует иметь в виду, что частицы примесей, конденсирующихся в водороде, име­ют размеры не более 40 мкм. Более крупные частицы не наблюдаются. Установлено так­же, что выпадающие в осадок частицы кислорода размером меньше 30 мкм не детониру­ют и не способствуют горению. При размере частиц 30-100 мкм наблюдается только го­рение со скоростью 400 м/с без детонации с повышением общего давления в системе.

Принимая во внимание доказанный факт, что твердый осадок примесей остается в резервуаре за счет адгезии, была разработана относительно простая методика очистки жидкого водорода в резервуарах заправочной системы от крайне нежелательных приме­сей, что позволило отказаться от системы очистки жидкого водорода после слива или длительного хранения, например адсорбционного типа, размещаемой на СК.

Выяснилось, что при сбросе давления в резервуаре до минимально допустимой величины (0,1-0,15 ати) и соответствующей выдержки частицы твердых примесей выпада­ют из жидкого водорода, накапливаясь на стенках резервуара. Чтобы не допустить крити­чески опасного накопления частиц твердого кислорода, резервуары необходимо периоди­чески отогревать.

Для обеспечения безопасности запас по взрываемости должен быть не менее 10. Для шаровых резервуаров объемом 1440 м³ допустимое количество примесей, оставшихся в резервуаре, которое определяется из условия безопасности работ, составляет 50 г. После накопления 50 г осадка кислорода резервуар должен быть отогрет, с тем чтобы имевшийся в нем осадок твердого кислорода испарился.

Очевидно, что при оценке допустимых количеств накопленных примесей в резер­вуарах других объемов можно использовать пропорции по объему. Однако с целью повы­шения безопасности и принятия правильного решения следует проводить соответствую­щие расчеты.

Периодический отогрев резервуаров проводится для контроля накопления и удале­ния примесей, восстановления вакуума в изоляционном пространстве, ремонта резервуа­ров и их технического освидетельствования. Он может быть полным или частичным в зависимости от назначения, при этом для контроля содержания примесей кислорода (азо­та) и их удаления достаточно производить частичный отогрев резервуаров до температу­ры 95 К. Отогрев может быть естественным и искусственным. Частичный естественный отогрев производится с закрытым газосбросом. Недостатком этого способа является значи­тельная длительность процесса. Искусственный частичный отогрев резервуаров осущест вляется периодическим наддувом и сбросом теплового газа. Теплый газ необходимо по­давать с большим расходом в нижнюю часть резервуара, а его сброс вести из верхней части [35]. Данный способ обеспечивает существенное сокращение общего времени ото­грева и интенсивное выравнивание концентраций по объему резервуара. К его недостат­кам следует отнести потери газообразного продукта при газосбросах и необходимость проведения дополнительных анализов кислорода и азота в резервуаре, а также анализа газа наддува для тщательного учета количества примесей.

Основаниями для принятия решения о прекращении отогрева являются нагрев стенок резервуара до температуры Т_т > 95 К и совпадение результатов анализа газа из

«верхней» и «нижней» его точек. Допускается С_низ/С_верх<1.5