ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО ЖИДКОГО И ШУГООБРАЗНОГО ВОДОРОДА НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ ВОДОРОДНОГО ИСПЫТАТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА «НИЦ РКП» ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОТРАБОТКИ И ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ РН «ЭНЕРГИЯ» Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ВОДОРОДНАЯ ЭКОНОМИКА

ti

HYDROGEN ECONOMY

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ВОДОРОДА

HYDROGEN PRODUCTION METHODS

УДК 662.75-973.045.5:546.11

ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО ЖИДКОГО И ШУГООБРАЗНОГО ВОДОРОДА НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВКАХ ВОДОРОДНОГО ИСПЫТАТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА «НИЦ РКП» ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ОТРАБОТКИ И ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ РН «ЭНЕРГИЯ»

И.С. Оконский, А.П. Матвеев

ФКП «Научно-испытательный центр ракетно-космической промышленности» 141320, Моск. обл., г. Пересвет, ул. Бабушкина, д. 9 Тел. (495) 786-2270, (496) 546-3321, телекс 846246 АГАТ, факс (496)546-7698, (495)221-6282(83), e-mail: mail@nic-rkp.ru Заключение Совета рецензентов: 15.08.09 Заключение Совета экспертов: 25.08.09 Принято к публикации: 10.09.09

Приведены краткие описания схем промышленных установок и результаты экспериментальных работ по получению переохлажденного жидкого и шугообразного водорода способами гелиевого охлаждения и вакуумирования для обеспечения отработки РН «Энергия». Освещены вопросы обеспечения безопасности. Рассмотрены данные исследования характеристик криогенных эжекторов и параметры, связанные с фазовым переходом активного потока азота и нарушением режима откачки паров водорода.

Ключевые слова: жидкий водород, переохлаждение, гелиевый рефрижератор, барботажный гелиевый цикл, вакуумное охлаждение, газовый сверхзвуковой эжектор, активная и пассивная среды, коэффициент эжекции.

PRODUCTION OF SUPERCOOLED LIQUID AND SUGARSTATE HYDROGEN BY INDUSTRIAL EXPERIMENTAL PLANTS OF FSE "RTC RSI" HYDROGEN TEST COMPLEX TO ENSURE DEVELOPMENT AND FLIGHT TESTS OF LV "ENERGIA"

I.S. Okonsky, A.P. Matveev

FSE "Research and Test Center of Rocket and Space Industry" 9 Babushkina str., Peresvet, Moscow region, 141320, Russia Tel. (495)786-2270, (496)546-3321, telefax 846246 АГАТ Fax (496)546-7698, (495)221-6282(83), e-mail: mail@nic-rkp.ru

Referred: 15.08.09 Expertise: 25.08.09 Accepted: 10.09.09

The paper contains brief descriptions of schemes of industrial-scale plants and experimental work results in production of supercooled liquid and sugarstate hydrogen using helium cooling and vacuumizing methods to ensure development of LV "Energia". Safety principles are also dealt with in the paper. The authors also consider research data of cryogenic ejectors characteristics and parameters related to phase transition of nitrogen active flow and disfunction of hydrogen vapors evacuation mode.

Игорь Семенович Оконский

Сведения об авторе: начальник водородного производства, заслуженный машиностроитель РФ, автор учебника «Процессы и аппараты кислородного и криогенного производства».

Образование: Одесский технологический институт холодильной промышленности (1959 г.).

Профессиональный опыт: с 1964 г. работает в НИИХИММАШ, с 2006 г. - начальник водородного экспериментального производства.

ЛЬ

Анатолий Павлович Матвеев

Сведения об авторе: ведущий специалист водородного производства.

Образование: МВТУ им. Н.Э. Баумана (1975 г.).

Профессиональный опыт: с 1968 г. работает в НИИХИММАШ, с 1975 г. - ведущий инженер, в 20002006 гг. - начальник водородного производства.

Публикации: 12 статей, 9 авторских свидетельств.

Статья поступила в редакцию 05.08. 2009. Ред. рег. № 584

The article has entered in publishing office 05.08.2009. Ed. reg. No 584

Введение

Применение жидкого водорода в качестве компонента топлива жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) позволяет значительно увеличить возможности средств выведения космических аппаратов и решить возникающие при этом экологические проблемы [1] .

Одним из недостатков жидкого водорода является его малая плотность, которая обуславливает большие объемы баков. Улучшение энергомассовых характеристик водородных баков ракет-носителей (РН) достигается путем снижения температуры заправляемого водорода или использования шугооб-разного водорода (смеси жидкой и мелкокристаллической твердой фаз). Переохлаждение жидкого водорода (охлаждение до температур ниже температуры кипения под атмосферным давлением) увеличивает массу заправляемого в баки топлива, уменьшает рабочее давление и потери от испарения [2].

Создание и отработка систем и технологий переохлаждения водорода осуществлялось практически параллельно с созданием инфраструктуры производства, хранения и использования жидкого водорода в качестве топлива для ЖРД. Основной объем экспериментально-исследовательских работ в промышленных масштабах в СССР был выполнен в 1968-1986 гг. на установках, смонтированных на площадке расходно-накопительного хранилища жидкого водорода ФКП «НИЦ РКП» (бывший НИИХИММАШ). Такое размещение установок давало большие возможности в проведении экспериментальных работ с использованием резервуаров хранилища и всей инфраструктуры водородного испытательного комплекса института. Успешному проведению работ соответствовало наличие персонала, специально подготовленного и имеющего опыт обращения с жидким водородом.

Схемы гелиевого охлаждения жидкого водорода

Начало экспериментальным работам по переохлаждению жидкого водорода в промышленных условиях было положено в 1968-1969 гг. Для переохлаждения жидкого водорода в резервуарах хранилища использовался способ циркуляции охлажденного до температуры 11-14 К гелия по змеевиковому теплообменнику, погруженному в жидкость. Охлаждение гелия осуществлялось в холодильном рефрижераторном цикле среднего давления с промежуточным азотным охлаждением и расширением всего потока гелия в детандере.

Гелиевая холодильная установка КГ 1401 (гелиевый рефрижератор) представляет собой достаточно сложный комплекс (рис. 1), который включает:

- систему очистки, закачки и хранения запаса гелия при давлении до 20 МПа;

- систему компримирования гелия для холодильного цикла, состоящую из 2-х компрессоров мощно-

- теплообменную аппаратуру в теплом и холодном блоках;

- детандер ГДСД-5;

- систему вакуумирования криогенных теплоизолирующих полостей, систему оборотного водоснабжения.

Проведенные работы показали пригодность использования гелиевого рефрижератора для охлаждения жидкого водорода в резервуарах хранилища вплоть до тройной точки.

Без тепловой нагрузки в установке КГ 1401 с поршневым детандером ГДСД-5 была получена температура 6,5-7,0 К.

Полезная холодопроизводительность составляла 3300-3600 ккал/ч. Обеспечивалось охлаждение 4 т жидкого водорода в резервуаре в интервале температур 20-17 К и ниже. При поддержании избыточного давления в резервуаре 0,03-0,04 МПа скорость охлаждения была 0,2 К/час, газообразным водородом -0,12 К/час, адиабатический КПД детандера достигал П = 0,8.

Рис. 1. Схема охлаждения жидкого водорода с использованием гелиевого рефрижератора Fig. 1. Scheme of liquid hydrogen cooling using helium refrigerator

В резервуаре одновременно с охлаждением жидкости происходит образование твердой фазы на поверхности змеевиков. В некоторых экспериментах количество полученного твердого водорода по измерениям уровня жидкости и оценке теплового баланса составляло 800-1200 кг. При хранении водорода с твердой фазой отчетливо наблюдается период сохранения стабильных температур в ядре объема жидкости. Температура на зеркале жидкости быстро приходит к равновесному состоянию [3].

Подачей охлажденного гелия в змеевики шугооб-разный водород в резервуаре получить не удалось.

стью 200 кВт, Рн - 3,0 МПа;

Поздней на установке КГ 1401 были испытаны и использовались гелиевые турбодетандеры типа РТГ 0,4/30 со скоростью турбины до 180000 об/мин. Опыт отработки и эксплуатации гелиевого рефрижератора были в дальнейшем использованы в системах криогенного обеспечения сверхпроводящих устройств.

В продолжение работ по переохлаждению и получению шугообразного водорода с 1976 г. велись эксперименты на установке «Кристалл». В установке «Кристалл» гелиевый рефрижератор, аналогичный по параметрам описанному выше, использовался как низкотемпературная ступень охлаждения рабочего газа в замкнутом барботажном цикле охлаждения жидкого водорода. Рабочий газ представляет собой смесь паров водорода и неконденсирующегося газа гелия. Холодо-производительность обеспечивается эффектом дросселирования рабочей смеси, а охлаждение жидкого водорода происходит в процессе барботирования рабочего газа через слой жидкости (рис. 2).

Рис. 2. Схема замкнутого барботажного цикла охлаждения жидкого водорода и получения шугообразного водорода Fig. 2. Scheme of closed bubble cycle of liquid hydrogen cooling and sugarstate hydrogen production

Охлажденная водородно-гелиевая смесь из установки подается в барботеры резервуара, а из газовой подушки возвращается в холодильный цикл. Перед подачей в барботер давление смеси понижается в дросселе. Такая схема может использоваться для охлаждения водорода в ракетных баках, так как при этом не требуются громоздкие и тяжелые теплообменники.

До начала работы установки «Кристалл» [4] с включением в цикл резервуаров с жидким водородом нужно было решить ряд вопросов обеспечения безопасности. В первую очередь исключить накопление в

резервуаре конденсирующихся примесей: кислорода, азота, метана, которые присутствуют в циркулирующем рабочем газе, и обеспечить контроль примесей на уровне 110-7-110-6 % об. в смеси гелия и водорода с изменяющейся концентрацией.

Для снижения концентрации водорода на 1-м этапе осуществлялось получение в резервуаре глубо-коохлажденного до 14-15 К жидкого водорода гелиевым рефрижератором по отработанной технологии, а затем на 2-м этапе технологического цикла - получение 2-фазного продукта в этом же резервуаре в замкнутом барботажном цикле.

Отработка и последующая эксплуатация гелиевых холодильных рефрижераторных установок в технологиях переохлаждения жидкого водорода показали ряд существенных недостатков:

- ограниченная холодопроизводительность, определяющая большое время переохлаждения;

- крупные капитальные затраты и производственные площади для размещения оборудования и производственного персонала;

- низкая надежность из-за большого количества элементов и машинного механического оборудования.

Вследствие указанных недостатков гелиевые рефрижераторы для переохлаждения водорода в условиях стартовых комплексов РН применения не нашли.

Схемы и средства вакуумного охлаждения жидкого водорода.

Результаты экспериментальных исследований эжекторов

Альтернативной технологией охлаждения жидких криопродуктов является вакуумирование парового пространства над зеркалом жидкости. Охлаждение может производиться как в основном криогенном резервуаре, так и пропусканием криопродукта через теплообменник, погруженный в вакуумируемую жидкость, находящуюся в промежуточном резервуаре [5].

К началу работ с жидким водородом отсутствовали готовые решения и отработанные промышленные средства вакуумной откачки холодных паров водорода.

Отработка промышленных средств и технологий переохлаждения водорода методом вакуумирования осуществлялась в НИИХИММАШ в период 19691985 гг. Для проведения работ в указанном направлении была смонтирована установка КС0301 для натурных испытаний оборудования системы 11Г723ВС (рис. 3). В состав установки входят: криогенный резервуар с встроенным теплообменником-переохладителем, системы безопасного выброса паров водорода в атмосферу, газоснабжения, управления и контроля.

Пребывание объемов с жидким водородом под давлением ниже атмосферного вместе с отказом систем управления связано с опасностью подсоса в них воздуха и образованием взрывоопасных смесей. Поэтому вопросам обеспечения надежности и безопасности всегда уделялось особое внимание. Специаль-

JJ.

•и: -

23

ные меры безопасности заключаются в следующих положениях:

- выполнение всех требований нормативных документов по содержанию и подготовке к работе водородных и криогенных жидкостных систем;

- проверка перед каждой работой и обеспечение вакуумной герметичности технологических систем с КИПиА, снятие натеканий и расчет допустимого времени работы и нахождения под вакуумом до достижения установленного предела накоплений кислорода в резервуаре.

На установке КС0301 прошли испытания и были отработаны технологии безопасной эксплуатации средств вакуумной откачки холодных паров водорода:

- водокольцевого вакуумного насоса ВВН-50Н с нержавеющей крыльчаткой;

- двухступенчатого турбовакуумного компрессора ТВК 1903;

- множества одно- и двухступенчатых азотных сверхзвуковых эжекторов;

- струйного насоса (инжектора) для жидкого водорода.

ка Ц РН «Энергия». Масса заправленного в бак жидкого водорода составляла свыше 100 т, тепловая нагрузка холодильного контура при поддержании режима термостатирования криогенного компонента - порядка 1000 кВт на температурном уровне 20-16 К.

При кажущейся простоте разработка конструкции азотных эжекторов для откачки паров водорода и их отработка были связаны с решением ряда проблем. Большие расходы активной среды - газообразного азота - требовали оптимизации конструкции эжектора: выбора одно- или двухступенчатой схемы, эффективной геометрии проточной части камеры смешения, применения центральных или периферийных сопловых аппаратов активной среды.

Экспериментальные исследования эжекторов при откачке паров водорода установили, что работа такого эжектора на отдельных режимах сопровождается частичной конденсацией азота и резкими колебаниями давления при выбросах скопившегося твердого конденсата [6]. Во избежание указанного явления необходимо было либо выбирать в качестве активной среды неконденсирующийся газ, либо не допускать понижения температуры образующейся в эжекторе смеси ниже температуры затвердевания активного потока. Первое невыполнимо из-за применения дорогостоящих гелия или водорода, а подогрев откачиваемых паров ведет к снижению массовой производительности эжектора.

Испытания велись персоналом водородного производства НИИХИММАШ с участием разработчиков эжекторов НПО КРИОГЕНМАШ.

Экспериментальные исследования моделей криогенных эжекторов в натурных условиях дали следующие основные результаты.

Рис. 3. Принципиальная схема установки КС0301 Fig. 3. Basic diagram of КС0301 plant

Высокая надежность, большая холодопроизводи-тельность при малых размерах, простота эксплуатации и изготовления явились теми превалирующими качествами азотных эжекторов, которые обусловили выбор их использования для вакуумного охлаждения жидкого водорода в условиях стартового комплекса РН «Энергия» [5].

Исследования и отработка эжекторов велись для решения конкретных задач, связанных с обеспечением заправки и термостатирования водородного бака бло-

1 - сопло активного газа, 2 - приемная камера пассивного газа, 3 - камера смешения, 4 - диффузор

Рис. 4. Конструктивная схема эжекторов с центральными соплами Fig. 4. Construction scheme of ejector with central nozzle

Работа одноступенчатого эжектора (рис. 4) с центральным соплом сопровождается колебаниями давления пассивного потока, температуры и расхода откачиваемых паров. Качественная оценка данного явления представляется следующим образом. Активный поток, вытекая из сопла со сверхзвуковой скоростью, на некотором участке имеет ровную поверхность, через которую эжектируемый газ не проникает внутрь активной струи. Скорость же эжектируе-

мого газа на этом участке имеет незначительную величину. Поэтому происходит взаимное проскальзывание потоков, что сопровождается интенсивным теплообменом, приводящим к образованию конденсата и кристаллов азота на поверхности струи. Сконденсировавшаяся часть азота, попадая на холодные стенки входного участка камеры смешения, омываемые холодными парами откачиваемого водорода, прилипает к ним, а затем периодически срывается. При этом и возникают скачки давления [7].

В свете решения поставленных задач проводились испытания эжекторов с периферийными соплами (рис. 5).

0,15

0,05

0,6 Рн, МПа

1 - двухступенчатый эжектор

2 - одноступенчатый эжектор

Рис. 6. Экспериментальные характеристики эжекторов с цилиндрической камерой смешения на виниле Fig. 6. Experimental characteristics of ejectors with cylindrical mixing chamber

1 - тракт всасывания пассивного газа, 2 - камера активного газа, 3 - камера смешения, 4 - диффузор

Рис. 5. Конструктивная схема эжекторов с периферийными соплами Fig. 5. Construction scheme of ejector with periphery nozzle

Данные испытаний свидетельствуют о том, что конструкция сопла периферийного типа обеспечивает стабильную работу эжектора без пульсаций и колебаний. Объясняется это тем, что вдоль стенок камеры смешения эжектора течет относительно теплый активный поток, который защищает их от налипания образующихся твердых частиц азота. Недопустимы лишь те режимы работы, когда температура смешанного потока снижается до уровня фазового перехода азота.

0,15

0,05

0,02 0,04 0,06 рн, МПа

1 - одноступенчатый эжектор

2 - двухступенчатый эжектор

(с конической камерой смешения на первой ступени)

Рис. 7. Экспериментальные характеристики эжекторов с конической камерой смешения на виниле Fig. 7. Experimental characteristics of ejectors with conic mixing chamber

Программой экспериментальных исследований предусматривалось получение характеристик эжекторов в одно- и двухступенчатом исполнении аппаратов при различных температурах пассивного потока и давлениях всасывания, исследование влияния параметров сопла активного потока и формы камеры смешения на рабочие характеристики эжекторов. Полученные характеристики эжекторов приведены на рис. 6, 7.

Значения коэффициентов эжекции, полученные в испытаниях моделей, были значительно меньше расчетных. Полученные экспериментальные данные зависимости параметров работы эжектора от основных геометрических характеристик проточной части при откачке паров водорода азотом позволили создать уточненную методику расчета газового сверхзвукового эжектора с цилиндрической камерой смешения, которая учитывает возможность фазового перехода активного потока [8].

В соответствии с проведенными исследованиями были сформированы основные данные на разработку конструкции штатного модуля эжектора, который прошел отработку на стенде КС0301 в 1984 г.

Основные технические данные модуля штатного эжектора:

Активная среда - газообразный азот, Р = 0,51,6 МПа, расход 7000 кг/ч.

Эжектируемая среда - пары водорода, Т = 16-300 К.

Давление разрежения - до 0,005 МПа.

Давление смешанного потока на выходе - 0,11 МПа.

Коэффициент эжекции - 0,06-0,3.

Масса эжектора - 470 кг.

Испытания показали следующие характеристики эжектора:

- при давлении всасывания Рн = 0,04-0,06 МПа коэффициент эжекции составляет и = 0,17-0,25;

Ж

J '<:<

25

- при давлении всасывания Рн = 0,025 МПа и = 0,09-0,1.

Конструкция штатного модуля эжектора исключает конденсацию активного азота на поверхностях периферийного сопла.

Экспериментально обнаружен эффект увеличения расхода откачиваемых паров при подогреве активного газа (рис. 8).

0.05J_,_,_,_

0,01 0,02 0,03 0,04 Рве, МПа

1 - Тр = 260 К; 2 - Тр=303 К; 3 - Тр=323 К; 4 - Тр=350 К

Рис. 8. Экспериментальные характеристики модуля штатного эжектора на водороде при различных температурах активного потока Тр, Тн = 18 К Fig. 8. Expérimental characteristics of ejector module at différent temperatures (Тр) of active flow, Тн = 18 К

Заключение

1. С учетом результатов испытаний и отработки эжекторов была создана реальная схема охлаждения и термостатирования больших количеств жидкого водорода для стартового комплекса заправки РН «Энергия».

Охлаждение жидкого водорода, заправляемого в баки ракетоносителя, осуществляется за счет теплообмена с криоагентом, кипящим под вакуумом. Откачка паров жидкого водорода ведется азотными сверхзвуковыми эжекторами. Такая схема отвечает высоким требованиям надежности, пожаровзрывобезопасности в сочетании с простотой обслуживания и обеспечивает холодопроизводительность свыше 1 МВт, что подтверждено при эксплуатации комплекса.

2. В соответствии с проведенными исследованиями вместо одного крупного эжектора с целью снижения расхода активного газа рекомендовано ис-

пользовать блок модульных эжекторов. Это позволяет обеспечивать работу эжекторов при оптимальных параметрах путем включения необходимого количества модулей, улучшает энергетические характеристики системы.

3. Экспериментально-теоретические исследования позволили решить задачу повышения эффективности азотных эжекторов при откачке паров водорода на 40%.

4. Проведение испытаний системы переохлаждения водорода обеспечило надежное поддержание тепловых режимов криогенных компонентов топлива в баках РН, что способствовало успешному осуществлению запусков по программе «Энергия-Буран».

Список литературы

1. Акилов Г.К., Ольховская С.П., Танюшина Б. А. Создание кислородно-водородных блоков для ракетно-космического комплекса Н1-Л3 // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2008. № 3. С. 55-63.

2. Федоров В.И., Лукьянова Э.А. Обеспечение и отработка тепловых режимов криогенных компонентов топлива в баках ракет-носителей и разгонных блоков // Альтернативная энергетика и экология -ШАБЕ. 2008. № 3. С. 64-68.

3. Беляков В.П., Пухов В.А., Филин Н.В. и др. Отчет о НИР. Результаты пуско-наладочных и исследовательских работ по гелиевой рефрижераторной установке КГ-1401. М.: НИИКМ, 1971. С. 20-63.

4. Трофимов В.В., Николаев А.С., Матвеев А.П. и др. Отчет (промежуточный) о проведении экспериментальных работ на установке «Кристалл» НИИХИММАШ. Загорск, 1977. С. 21-24.

5. Филин Н.В., Буланов А.Б. Жидкостные криогенные системы. Л.: Машиностроение, 1985. С. 51-59.

6. Филин Н.В., Сухов В.И., Дудкин И.Е. и др. Результаты исследования эжекторов. Технический отчет. Криогенмаш. 1982. С. 5-46.

7. Симхович С.Л., Сарваров Р.М. Исследование криогенного эжектора в режиме частичной конденсации активной среды. В кн. «VII Всесоюзн. конф. Двухфазный поток в энергетических машинах и аппаратах». 1985. С. 138.

8. Сарваров Р.Ф. Криогенный эжектор с периферийным сверхзвуковым соплом при наличии конденсации активной среды. Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1987. С. 6-12.

9. Беляков В.П. Криогенная техника и технология. М: Энергоиздат, 1982. С. 71-76.