CC BY
34ИСПЫТАНИЯ ЖИДКОВОДОРОДНЫХ КРИОГЕННЫХ РЕЗЕРВУАРОВ НА ПОТЕРИ ВОДОРОДА
ОТ ИСПАРЕНИЯ удк 621.59
Г. И. Сайдалъ, Ю. В. Горбатский, В. И. Куприянов
ОАО «Криогенмаш» пр. Ленина, 67, г. Балашиха-7, Московская обл., 143907, Россия E-mail: saydal@cryogenmash.ru
Сайдаль Г. И.
Сведения об авторе: кандидат техн. наук, начальник лаборатории изоляции криогенных резервуаров и установок.
Образование: Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, физический факультет (1979 г.).
Область научных интересов: исследование процессов в слоисто-вакуумной и порошково-вакуумной криогенной изоляции, перлите, изоляционных порошках, стекловолокне, пенопластмассе и вспученных каучуках; определение эффективности теплоизоляционных систем и материалов; испытания на потери криожидкости от испарения. Участник разработок жидкостных водородных резервуаров для Китая, азотных и кислородных криогенных резервуаров для Индии, Юж. Кореи и др., гелиевых трубопроводов с охлаждаемыми экранами для ЦЕРН (Швейцария), ИЯФ (г. Протвино); криогенных резервуаров для старта морского базирования Sea Launch (США); изоляционных систем гелиевых ожижителей и воздухоразделительных установок.
Публикации: 20 статей; 7 авторских свидетельств и патентов.
Сайдаль Георгий Иванович
Горбатский Ю. В.
Сведения об авторе: генеральный директор, член Совета директоров, председатель Правления ОАО «Криогенмаш», академик Международной академии холода, кандидат техн. наук, заслуженный машиностроитель РФ, лауреат Государственной премии в области науки и техники.
Профессиональный опыт: с 1971 г. работает в ОАО «Криогенмаш»; с 1997г. — генеральный директор и председатель Правления ОАО «Криогенмаш».
Горбатский Юрий Васильевич
Куприянов В. И.
Сведения об авторе: академик Международной академии холода, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, главный научный консультант ОАО «Криогенмаш», лаурет Государственной премии СССР, почетный машиностроитель.
Область научных интересов: вакуумная техника и технологии, техника космических исследований.
Публикации: свыше 200 научно-исследовательских работ и изобретений.
Куприянов Владимир Иванович
Cryogenic liquid hydrogen tanks are designed to accumulate, store, transport and deliver liquid and gaseous hydrogen. This paper is devoted to description of results and peculiar features of an acceptance test of liquid hydrogen evaporation loss for 2 cryogenic liquid hydrogen RCGV-100.0/3 tanks with 100 m3 capacity. The results of the test may be of interest due to rare performance of such type tests for large tanks with liquid hydrogen as cryogenic agent, since they are rather costly and require special safety precautions. In the given study a specific attention is paid to the influence of the ortho-paraconver-sion process in liquid hydrogen and tanks outdoor arrangement on performing the tests.
Крупные криогенные резервуары предназначены для накопления, хранения, перевозки и выдачи жидкого водорода. Изготовление резервуаров требует высокого качества работ, так как нарушение функционирования систем резервуара в лучшем случае приводит к ухудшению технических характеристик, т. е. параметров эксплуатации. Учитывая высокую стоимость жидкого водорода, ограниченность его производства и потребления, это может привести к серьезным финансовым потерям. В худших случаях, таких как разгерметизация вакуумного пространства, происходит выброс большого количества газообразного водорода, и возможны, хотя и очень маловероятны, разрыв емкости и(или) взрыв облака водорода.
Процесс изготовления резервуаров тщательно контролируется, после изготовления выполняется комплекс испытаний с целью подтвердить его технические характеристики. Испытания включают в себя:
■ проверку на прочность пробным давлением;
■ захолаживание резервуара;
■ проверку функционирования арматуры и измерительных приборов;
■ холодный удар (повышение давления в резервуаре до максимально допустимого при наличии в нем крио-жидкости);
■ проверку темпа выдачи криожид-кости из резервуара;
■ измерение потерь криожидкости от испарения с замером вакуума в теплоизоляционной полости и др.
В данной работе рассматривается измерение потерь криожидкости от испарения как одной из важнейших технических характеристик криогенного резервуара. Данная характеристика определяется эффективностью работы изоляционной системы резервуара и задает время хранения криогенного продукта в резервуаре, а в случае бездренажного хранения — время роста давления в газовой подушке внутреннего сосуда до максимального. Поскольку испаряемость ведет к потерям продукта в атмосферу, то вопрос об улучшении изоляционных характеристик резервуаров представляет собой дилемму: капитальные и финансовые затраты при изготовлении резервуара или финансовые затраты из-за потерь продуктов от испарения. Как правило, заказчики всегда пытаются получить резервуар с наименьшей испаряемостью. В тендерах на установку оборудования возможность получить требуемые характеристики по потерям является первейшим вопросом, определяющим участие в дальнейшем рассмотрении.
В настоящей работе описаны испытания на потери жидкого водорода от испарения для двух криогенных резервуаров РЦГВ-100/0.3 с объемом внутреннего сосуда 100 м3. В подавляющем
большинстве случаев испытания на потери продукта от испарения осуществляются на жидком азоте. Испытания на жидком водороде из-за их дороговизны и необходимости соблюдать особые меры предосторожности ввиду больших объемов используемого водорода осуществляются крайне редко, поэтому процесс и результаты настоящих испытаний представляют интерес. На испытаниях как на жидком водороде, так и на жидком азоте настаивал заказчик резервуаров. Аспекты испытаний данных резервуаров на жидком азоте обсуждались в работе [1].
Чтобы избежать влияния изменений атмосферного давления, измерение потерь криожид-кости от испарения осуществляется при небольшом избыточном давлении, на 10-20 мм рт. ст. выше максимального атмосферного давления в районе проведения испытаний [1].
Принципиальная конструкция резервуара показана на рис. 1.
Первый резервуар был заполнен жидким параводородом на 89,3%, ортопарасостав — 99,8 % параводорода. Жидкий водород до начала измерений находился в резервуаре 3,5 дня. Второй резервуар был заполнен жидким параводородом на 88,9 %, ортопарасостав — 99,8 % параводорода. Жидкий водород до начала измерений в резервуаре находился 9 дней.
На рис. 2 представлены результаты измерений. Видно, что для 1-го резервуара, начиная с 12 часа, а для 2-го — начиная с 14 часа, имела место стабилизация режима испарения.
Получены следующие значения испаряемости: для 1-го резервуара — ф = 0,40048 ± 0,02787 % в сутки
(1,0097 ± 0,0707 кг/ч); для 2-го резервуара — ф= 0,3418 ± 0,0239% в сутки (0,8618 ± 0,0606 кг/ч).
Проектное значение для данного типа резервуаров 0,5 ± 0,1 % в сутки. Таким образом, по-
12 3 4 5 6 7
8
Рис. 1. Принципиальная схема резервуара РЦГВ-100/0.3: 1 — кожух; 2 — вакуумное пространство; 3 — слоисто-вакуумная теплоизоляция; 4 — внутренний сосуд; 5 — жидкий водород; 6 — опоры; 7 — трубопроводы измерения уровня, заправки, слива; 8 — стойка (4 шт.)
Водородная энергетика и транспорт Хранение водорода
m, кг
120
100
80
60
40
20
л i_^ i i i i ре л I f 1-Й зервуа р
1 1 1 1 i i r\ ■ t 1 s i ч -- Л Y Л ' 1 i ^ / \ ' 1 / 1
1 1 1 1 • v- L. J \ / / И" y( \ V.
// 1'
A i! 2- Й yS
Iрезер
V, кг/ч 1,2
1,0
0,6
0,4
0,2
q =
pXx^CV 3600 '
(2)
Используя формулу (2), определим, что для резервуара РЦГВ-100/0.3 при проектной испаряемости 0,5 ± 0,1 % в сутки доля ортофазы в жидком водороде не должна превышать 2,3 % , чтобы вклад конверсии в увеличение испаряемости не превысил 5 %.
На основании формулы (2) получаем и общее выражение для доли ортоводорода в жидком водороде, при которой вклад от тепла конверсии составляет определенный процент п теп-лопритока из окружающей среды:
njV0 rß 24CVX''
0
0 20 40 60 80 100 120 140
t, ч
Рис. 2. Результаты испытаний по испаряемости жидкого водорода для двух резервуаров РЦГВ-100/0.3: --скорость испарения;----масса испарившегося водорода
лученные результаты подтверждают высокое качество изготовления резервуаров и эффективную работу их теплоизоляционной системы.
Следует отметить, что оба резервуара достаточно быстро вышли на стационарный режим испарения. При проведении испытаний на жидком азоте [1] данное время, как правило, существенно выше и определяется более низкой испаряемостью жидкого азота.
На проведение испытаний существенно влияли два фактора: наличие процесса ортопаракон-версии в жидком водороде и нахождение резервуаров вне закрытого помещения. Рассмотрим каждый из них отдельно.
Жидкий водород для заливки в резервуары чаще всего поступает с ожижителей водорода и поэтому содержит количество ортофазы, превышающее равновесное. Тепло фазового перехода при ортопараконверсии ортофазы увеличивает испаряемость жидкости и искажает результаты замеров потерь водорода от испарения, вызванных теплопритоком из окружающей среды.
Известно [2], что при самопроизвольной конверсии доля ортофазы определяется выражением:
* = (1)
1 + Сх0 т
где х0 — первоначальная концентрация ортоводорода, отн. ед.; константа С = 0,0126, ч-1; т — время, ч. Тогда изменение доли ортофазы в начальный момент х' = -Сх%, а тепловыделение от конверсии определится как
1
—
n - 1 0 %
n - 5 %
/
где р — плотность жидкого водорода, кг/м3; X — теплота конверсии, Дж/кг; V — объем водорода в резервуаре, м3.
(3) I
где у — проектное заполнение резервуара, отн. ед.; V0 — объем внутреннего сосуда резервуара; г — теплота кипения, Дж/кг; в — суточная испаряемость жидкого водорода, %/100 в сутки.
Тепловыделение от конверсии прямо пропорционально количеству водорода в резервуаре, в то время как теплоприток от окружающей среды при коэффициентах заполнения более 30 % зависит от количества водорода в резервуаре слабее. Поэтому для уменьшения влияния тепловыделения от конверсии при испытаниях имеет смысл рассматривать возможность определенного уменьшения количества жидкости в резервуаре.
На рис. 3 представлены результаты расчета доли ортоводорода по формуле (3) для случая, когда количество водорода в резервуаре соответствует проектной степени заполнения.
В реальных условиях скорость конверсии превышает скорость самопроизвольной конверсии. Это происходит из-за каталитического влияния стенок резервуара и твердых микрозагрязнений жидкого водорода кристаллами азота и других газов и механическими частицами. В этом случае интенсивность тепловыделения от конверсии может значительно превышать значения, полученные по формуле (2) для самопроизвольной конверсии.
X, %
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6
в, % в сутки
Рис. 3. Максиальное содержание ортофазы в жидком водороде при испытаниях на испаряемость
x0 =
Чтобы оценить влияние каталитической конверсии на процесс испытаний, необходимо, во-первых, провести длительные наблюдения за содержанием ортофазы в жидком водороде, залитом в резервуар, и определить, насколько имеющаяся конверсия превышает самопроизвольную. Во-вторых, на основании замеров содержания ортофазы следует определить максимальное суммарное тепловыделение за период измерений и определить его вклад в общий теплоприток к жидкости в резервуаре.
Точный количественный учет в испытаниях тепловыделения из-за конверсии на основании замеров содержания ортофазы не представляется возможным из-за недостаточной точности приборов, измеряющих содержание ортофазы. Поэтому испытания на определение потерь водорода от испарения следует начинать после снижения содержания ортофазы до уровня <1,5-2 %. Следует отметить, что интенсивная каталитическая конверсия затрудняет определение наступления периода стабилизации температурных полей в конструкционных элементах резервуара.
Существенные сложности при проведении испытаний на испаряемость вызывает нахождение резервуара вне закрытого помещения. В этом случае температура кожуха может значительно отличаться от значения 20 °С, к которому приводятся потери водорода от испарения в контрактных требованиях. Причем разные точки кожуха обычно имеют различную температуру.
Для учета данной особенности в процессе испытаний на кожухи резервуаров было нанесено 5 контактных датчиков температуры. Фиксировалась также температура окружающего воздуха у резервуаров.
Результаты показали, что средняя температура кожуха для 1-го резервуара -3,0 °С при средней температуре воздуха 1,2 °С; для 2-го резервуара средняя температура кожуха -5,5 °С, а средняя температура воздуха была -2,4 °С.
Поскольку в контрактных обязательствах оговаривалась испаряемость при 20 °С, то перерасчет измеренной испаряемости к данной температуре кожуха от фактической осуществлялся по предварительно согласованной с заказчиком резервуаров полуэмпирической формуле
Фс =Ф
/ V.5
293 - T
T - T
у ср к /
(4)
где ф0, ф — испаряемость при 20 °С и фактической температуре; Тк — температура кипения водорода при давлении газообразного водорода над зеркалом, соответствующим давлению при испытаниях, К; Тср — средняя температура кожуха резервуара, К.
В этой формуле учтено, что:
■ радиационная составляющая теплопереноса в изоляции пропорциональна Т 4;
■ кондуктивный перенос тепла по тепловым мостам резервуара пропорционален температуре кожуха;
■ рост температуры кожуха увеличивает газовыделение кожуха и снижает вакуум в теплоизоляционной полости резервуара.
Следует отметить, что формула (4) подходит только для резервуаров данной конструкции и определяется отношением тепловых потоков между тепловыми мостами и изоляцией.
Выводы
1. Выполненный комплекс испытаний резервуаров РЦГВ-100/0.3 показал, что потери водорода от испарения ниже оговоренных в контрактных требованиях. Имеется возможность снизить проектные значения испаряемости до 0,4 ± 0,05 % в сутки, однако для этого требуется повысить стабильность изолировочных работ и вакуумной подготовки изделия.
2. При проведении испытаний на испаряемость резервуаров с жидким водородом обязательно учитывать влияние на испаряемость средней температуры кожуха во время испытаний, а содержание в жидком водороде ортофазы не должно превышать 1,5-2 % .
Список литературы
1. Сайдаль Г. И., Каландинская Н. М. Особенности выхода на режим измерений криогенных резервуаров при определении потерь криоп-родуктов от испарения // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003. № 11. С. 22-23.
2. Свойства жидкого и твердого водорода. М.: Изд-во стандартов, 1969.
