CC BY
11УДК 621.528.3
О. Е. Чубаров
КРИОСОРБЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА С ПЕРФОРИРОВАННЫМИ АЛЮМИНИЕВЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ ДЛЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОЛОСТЕЙ КРИОГЕННЫХ СИСТЕМ
Представлены результаты исследований встроенных криосорбци-онных устройств для криогенных резервуаров и трубопроводов в виде кассет из откачивающих элементов, содержащих криосор-бирующую угольную ткань КУТ-М и гранулированный угольный адсорбент, заключенных между перфорированными алюминиевыми подложками. Экспериментально определены конструктивно-эксплуатационные параметры криосорбционных устройств. Разработаны конструкции встроенных криосорбционного кармана, а также адсорбционного устройства транспортных газификаторов ТГХ-0,6/1,6 и ТГХ-1,2/1,6.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: криосорбирующая угольная ткань, откачивающие элементы, перфорированные алюминиевые подложки, криосорбционные устройства, композиционный газопроницаемый элемент, криосорбционный карман.
Криосорбционные устройства (КСУ) являются основными средствами обеспечения вакуума в теплоизоляционных полостях (ТИП) криогенного оборудования со слоистой вакуумной теплоизоляцией, так как в самой основе криогенных систем заложена необходимая предпосылка, обусловливающая адсорбционную откачку с максимальной интенсивностью, а именно низкие температуры. В ТИП систем накопления, хранения и выдачи (газификации) криогенных продуктов применяются встроенные КСУ с гранулированным или тканным угольными адсорбентами СКТ-4 и КУТ-М [1, 2], создающие и поддерживающие разрежение в ТИП на уровне 10-2... 10-3 Па.
Первые конструкции КСУ для ТИП криогенных хранилищ и трубопроводов были выполнены в виде закрепленных на холодных поверхностях сетчатых кассет, в которые засыпается гранулированный адсорбент. Адсорбент охлаждается только со стороны холодной стенки изделия по точкам контакта между гранулами и за счет излучения. Эффективность охлаждения адсорбента определяет время достижения рабочего давления в ТИП. Более удачной конструкцией КСУ [1, 3] является кассета для адсорбента, роль сетки в которой играет пористый газопроницаемый экран, изготовленный из спеченного медного порошка [2, 4]. Адсорбент, размещенный в кассете, охлаждается как со стороны холодной стенки изделия, так и от пористого экрана. Газ, поступающий к адсорбенту, при прохождении через каналы пористой стенки экрана приобретает его температуру. Все это влечет за собой повышение скорости охлаждения адсорбента в кассете и более низкую
среднюю температуру адсорбента в период работы устройства. Описанные адсорбционные элементы имеют большую удельную емкость, чем элементы с сетчатой стенкой.
К недостаткам таких устройств следует отнести высокую стоимость материалов (катодной М-1 и фосфористой МФ-1 меди), хрупкость подложек из пористой меди, что не позволяет выполнить рихтовку адсорбционных элементов по малым диаметрам 80... 100 мм для ТИП-трубопроводов Ду25, Ду50, а также применить достаточно сложную, трудоемкую технологию изготовления пористых медных экранов (фракционирование, спекание в условиях свободной засыпки, сборка экранов из малогабаритных панелей).
В качестве альтернативы применяемым откачным элементам предлагается перейти к менее трудоемкому производству принципиально новых газопроницаемых элементов композиционного типа из дешевых перфорированных алюминиевых листов с прокладкой из стеклобума-ги между ними, пропускающей откачиваемые газы и удерживающей от высыпания мелкодисперсные составляющие адсорбента [5]. Новый композиционный газопроницаемый элемент (КГЭ) из алюминия позволяет создать условия, при которых температура адсорбента будет близка к температуре используемого криоагента. Были проведены исследования по определению рациональных структурных и геометрических параметров конструктивных элементов, обеспечивающих наилучшие рабочие характеристики. Изменялись геометрия перфорации алюминиевых подложек, число слоев стеклобумаги в газопроницаемых прокладках, способы крепления элементов в КСУ. Схема композиционного газопроницаемого элемента из алюминия представлена на рис. 1.
Композиционный газопроницаемый элемент состоит из верхней и нижней перфорированных подложек с газопроницаемой теплоизолирующей прокладкой между ними. Шаг и диаметр перфорированных отверстий верхней подложки выбирались отличающимися от шага отверстий перфораций нижней подложки для исключения возможного
1 2 3 4 5 6 7
Рис. 1. Композиционный газопроницаемый элемент из алюминия:
1 и 2 — верхняя и нижняя подложки; 3 — газопроницаемая прокладка; 4, 5 — отверстия, перфорированные в подложках; 6 — заклепка; 7 — окантовка полосой из коррозионно-стойкой стали
перекрытия отверстий совмещенных подложек. Для изготовления подложек КГЭ использовалась перфорированная алюминиевая лента АМц 1,5 х 0,6 м толщиной 1,5 • 10-3 м и перфорированная лента толщиной 7 • 10-4 м.
В настоящей статье приведены результаты экспериментального исследования по определению удельной проводимости семи вариантов КГЭ в молекулярном режиме течения газов.
Удельная проводимость определялась по соотношению [6]
Цуд = ф/(р - Р1 )£о,
где иуд — удельная проводимость композиционного газопроницаемого элемента; ^ — газовый поток воздуха в камеру с образцом; р1 — давление в откачиваемой части камеры; р2 — давление в напорной части камеры; £0 — площадь образца.
Установлено, что композиция № 3 КГЭ, принятая за базовую, имеет проводимость 1,63м3/(м2•с) (подложки толщиной 1,5-10-3 м, диаметры отверстий ¿отв = 1,4 • 10-3 и 1,2 • 10-3 м и шаг отверстий £ш.о = 3,25 • 10-3 и 3,926 • 10-3 м). Это в 1,36 раза больше, чем у спеченного медного экрана (фракция порошка № 3, иуд = 1,2 м3/(м2•с)) [7]. Другие варианты композиции (№ 4 и № 5) имеют проводимость меньше на 20% (не более) проводимости композиции КГЭ № 3 и могут рассматриваться как альтернативные.
Результаты экспериментального определения удельной проводимости КГЭ в зависимости от характеристик подложек представлены в табл. 1.
Была исследована зависимость удельной проводимости КГЭ от числа слоев стеклобумаги БмД-К в газопроницаемой прокладке. График этой зависимости представлен на рис. 2
Рис. 2. График зависимости удельной проводимости КГЭ от числа слоев стеклобумаги БмД-К в газопроницаемой прокладке:
1 — верхняя подложка толщиной 5 = 1,5 • 10-3 м, 4тв = 1,4 х х 10-3 м, £ш.о = 3,25 • 10-3 м; нижняя подложка — толщиной 5 = 1,5 • 10-3 м, 4тв = 1,2 х х 10-3 м, £ш.о = 3,926 • 10-3 м;
2 — верхняя подложка — см п. 1; нижняя подложка толщиной 5 = 0,7 • 10-3 м, 4тв = 2,5 х х 10-3 м, £ш.о = 9,0 • 10-3 м
Таблица 1
Удельная проводимость КГЭ в зависимости от характеристик подложек
№ Характеристики подложек Проводимость, м3/(с-м2)
1 Перфорированный алюминиевый лист 5 = 1,5 мм; верхняя подложка, йотв = 1,4 мм, Ьш.о = 3,25 мм; нижняя подложка, йотв = 2,5 мм, Ьш.о = 9,0 мм 1,9540-2
2 Повторение по п. 1, но через КГЭ протрясен пылевидный адсорбент 1,6740-2
3 Верхняя подложка (повторение по п. 1) нижняя подложка, <Лтв = 1,2 мм; Ьш.о = 3,926 мм 1,6340-2
4 Верхняя подложка (повторение по п. 1) нижняя подложка, йотв = 1,2 мм; Ьш.о = 3,614 мм 1,5740-2
5 Верхняя подложка (повторение по п. 1) нижняя подложка, йотв = 1,2 мм; Ьш.о = 4,279 мм 1,4110-2
6 Пористый теплозащитный экран из спеченного медного порошка фракции № 3 толщиной 3 мм 1,2^0-2
7 Пористый теплозащитный экран из спеченного медного порошка фракции № 4 толщиной 3 мм 1,610-2
Примечание. Газопроницаемая прокладка — 5 слоев стеклобумаги.
Экспериментально определен уровень пыления мелкодисперсным адсорбентом встроенных КСУ с КГЭ. Исследования показали, что конструкции КГЭ с газопроницаемой прокладкой из двух слоев стеклобумаги БмД-К имеет в 2,8 раза, а с прокладкой из пяти слоев в 6,4 раза меньший удельный вынос по сравнению с пористым экраном из СМП. На базе КГЭ и полученных экспериментальных результатов разработана конструкция встроенного криоадсорбционного кармана для ТИП криогенного оборудования, схема которого представлена на рис. 3.
Представлены экспериментальные результаты и методы исследования элементов КСУ нового поколения, содержащих угольную ткань КУТ-М, заключенную между перфорированными алюминиевыми подложками (ПАП). Элемент с ПАП является откачивающей частью встроенных КСУ. Подложки обладают газопроницаемостью и высокой теплопроводностью. Они обеспечивают свободный доступ газа к поверхности адсорбента и эффективное его охлаждение, т.е. создают условия для откачивающего действия адсорбента. Пластичные алюминиевые элементы позволили изготовлять многоуровневые компактные и емкие кассеты. Схема адсорбционного элемента с ПАП в одно- и двухуровневой адсорбционных кассетах представлены на рис. 4.
Рис. 3. Встроенный криоадсорбционный карман с КГЭ для ТИП криогенного оборудования:
1 — КГЭ из алюминия; 2 — полоса-окантовка; 3 — уголок; 4 — адсорбент; 5 — скоба; 6 — слоистая вакуумная изоляция; 7 — внутренний сосуд; 8 — кожух; 9 — заклепка; 10 — криоагент
1 2 5 3 4
а
1 2 6 3 4
б
Рис. 4. Схемы компоновок одно- (я) и двухуровневых (б) кассет с ПАП адсорбционных секций криогенных трубопроводов:
1 — внутренний трубопровод; 2 и 6 — адсорбционные элементы первого и второго уровня; 3 — теплопроводное ребро (уголок с алитированной полкой); 4 — сварной шов; 5 — теплозащитный экран
В такой конструкции откачка осуществляется с внутренней стороны поверхности криоадсорбционных элементов. Их внешняя сторона используется в качестве опорной для нанесения слоистой теплоизоля-
ции. В результате конструкция освобождается от специального экрана, сокращаются габаритные размеры, а диаметр кожуха КСУ может быть сделан равным диаметру криогенного трубопровода.
Поглотительная способность исследуемых кассет определялась объемным методом [8] путем подачи порций азота из калиброванного объема в вакуумную камеру с одновременным контролем установившегося равновесного давления. Быстрота действия кассет определялась методом постоянного давления.
Откачивающая способность элементов с угольной тканью адсорбционных кассет с ПАП определялась в целях оценки их работоспособности по сравнению с применяемыми элементами с СМП. Надежно экранированный от внешних теплопритоков элемент с ПАП продемонстрировал удельную поглотительную способность в 2,2 раза большую, чем у элемента с СМП.
Значительное возрастание быстроты действия элементов с ПАП объясняется хорошей газовой проводимостью перфорированных отверстий в алюминиевых подложках. Результаты экспериментального определения проводимости ПАП представлены в табл. 2.
Таблица 2
Удельная газовая проводимость перфорированных алюминиевых подложек
адсорбционных элементов
№ Характеристики подложек Проводимость, м3/(с-м2)
1 Спеченный медный порошок; фракция №3; 5 = 3 • 10-3 м 1,2
2 Спеченный медный порошок; фракция № 3-№ 4; 5 = 3 • 10-3 м 1,6
3 Спеченный медный порошок; фракция №4; 5 = 2 • 10-3 м 2,0
4 Перфорированный алюминиевый лист; 5 = 1,5 • 10-3 м; 4тв = 1,2 • 10-3 м; Ьшл = 3,25 • 10-3 м 6,3
5 Перфорированный алюминиевый лист; 5 = 1,5 • 10-3 м; 4тв = 1,25 • 10-3 м; Ьшл = 3,25 • 10-3 м 7,6
6 Перфорированный алюминиевый лист; 5 = 1,5 • 10-3 м; 4тв = 1,2 • 10-3 м; Ьш,о = 3,926 • 10-3 м 4,0
7 Перфорированный алюминиевый лист; 5 = 1,5 • 10-3 м; 4тв = 1,4 • 10-3 м; Ьшл = 3,25 • 10-3 м 8,1
8 Перфорированный алюминиевый лист; 5 = 0,7 • 10-3 м; 4тв = 2,5 • 10-3 м; ¿шо = 9 • 10-3 м 15,1
Выводы. 1. По результатам экспериментальных исследований разработана конструкция КГЭ из алюминия для встроенных КСУ криогенных систем. Предлагаемая конструкция КСУ состоит из верхней перфорированной алюминиевой подложки (материал — сплав АМц; толщина 5 = 1,5 • 10-3 м; ^отв = 1,4 • 10-3 м; шаг отверстий Ьш.о =
= 3,25 • 10-3 м), нижней перфорированной подложки (материал — сплав АМц; толщина 5 = 1,5 • 10-3 м; dQTB = 1,2 • 10-3 м; шаг отверстий Ьш.о = 3,926 • 10-3 м) и газопроницаемой прокладки между ними (5 слоев стеклобумаги БмД-К), окантованных полосой из стали 12Х18Н10Т.
2. Установлено, что удельная проводимость композиционного элемента составляет 1,63 м3/(с-м2), что на 36% превышает удельную проводимость применяемого пористого экрана из спеченного медного порошка (фракция № 3, толщина экрана 3 мм, проводимость 1,2м3/(с-м2)).
3. Установлено, что удельный вынос мелкодисперсного адсорбента через композиционный элемент при ударных циклических воздействиях в 6,4 раза меньше удельного выноса адсорбента через спеченный медный экран.
4. На основе криоадсорбционного элемента с ПАП изготовлены и исследованы три варианта адсорбционной кассеты Ду100 для скоростной откачки ТИП криогенных трубопроводов при их захолаживания.
5. Конструкторско-технологические проработки показали, что благодаря пластичности алюминиевых подложек и возможности наращивания числа слоев угольной ткани КУТ-М в КСУ удается в 2-4 раза уменьшить длину кассет с ПАП по сравнению с серийной кассетой с СМП (длина 600 мм) при превышении в 1,3-2 раза откачных характеристик прототипа.
6. Проведены исследования на работоспособность кассеты с ПАП на неустановившемся режиме, воспроизводящем реальные условия захолаживания трубопровода. Установлено, что при откачке кассетой имитатора трубопровода давление 6,65• 10-2 Па достигается за 41 мин. Это в 1,4 раза быстрее, чем при откачке применяемой серийной кассетой Ду= 100 с СМП.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.С. 449172 (СССР). Криоадсорбционный насос: Авт. изобрет. Беляков В.П., Исаев А.В., Куприянов В.И., Леонов В.В., Лунчев В.П., Макаров А.М., Филин Н.В. — заявл. 12.07.72 № 1811784/23-26; Опубл. в Б.И., 1974, № 41; МКИ F04B37/02.
2. Б е л я к о в В. П. Криогенная техника и технология. - М.: Энергоатомиздат, 1982.-271 с.
3. Криоадсорбционный элемент для высоковакуумных насосов / В.И. Куприянов, В.П. Кряковкин, С.М. Чопов // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Общая и ядерная физика. - 1984. - Вып. 1(2б). - С. 17-19.
4. А.с. 817307 (СССР). Способ изготовления сорбционного элемента; Авт. изобрет. Бусаров А.И., Исаев А.В., Куприянов В.И., Кряковкин В.П., Леонов В.В., Чопов С.М., Ющин И.П., Хлыстов М.И. - Заявл. 03.05.78, № 2609979/25-06; Опубл. в Б.И., 1981, № 12; МКИ F04B37/04.
5. А.с. 1653811 (СССР). Адсорбционный элемент вакуумного насоса; Авт. изобрет. Алейник Ю.В., Исаев А.В., Куприянов В.И., Чубаров Е.В. - Заявл. 18.07.1998 № 4461268/26; Опубл. в Б.И., 1991, № 21; МКИ FOND 37/02.
6. П и п к о А. И., П л и с к о в с к и й В. Я., П е н ч к о Е. А. Конструирование и расчет вакуумных систем. - М.: Энергия, 1970. - 318 с.
7. КряковкинВ. П., Куприянов В. И. Экспериментальное исследование проводимости пористых экранов в молекулярном режиме / Физика и техника высокого и сверхвысокого вакуума: Тез. 5-й Всесоюзн. конф., Ленинград, 1985. - Ч. 1. - Л.: НТО Приборпром.
8. Вакуумная техника: Справочник / Е.С. Фролов, В.Е. Минаичев, А.Т. Александрова и др.; Под общ. ред. Е.С. Фролова, В.Е. Минаичева. - М.: Машиностроение, 1992. - 396 с.
Статья поступила в редакцию 27.06.2012
