Разработка и исследование криоадсорбционных "карманов" для теплоизоляционных полостей криогенных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Чубаров, Олег Евгеньевич

• Чубаров, Олег Евгеньевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Чубаров, Олег Евгеньевич

Введение

ГЛАВА 1. Конструкции криоадсорбционных встроенных и автономных устройств и физические процессы в них

1.1. Конструкции криоадсорбционных карманов

1.1.1. Способы крепления адсорбента на криогенной поверхности и интенсификация его охлаждения.

1.1.2. Криоадсорбционные карманы на основе металло-адсорбентных композиций

1.1.3. Криоадсорбционные карманы на основе пористых теплозащитных экранов для насосов и трубопроводов.

1.1.4. Криоадсорбционный элемент с угольной тканью, запеченный в пористую металлическую структуру.

1.1.5. Криоадсорбционные насосы для криогенных хранилищ.

1.1.6. Основные задачи исследования.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. Теоретическое описание рабочего процесса в криоадсорбционных устройствах с перфорированными алюминиевыми подложками (ПАП).

2.1. Работа криоадсорбционного устройства с ПАП и угольной тканью в установившемся режиме.

2.1.1. Работа криоадсорбционного устройства при откачке определенного объема при постоянном газовом потоке.

2.2. Процесс охлаждения экрана из перфорированного алюминия.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3. Разработка и экспериментальное исследование встроенного крио-адсорбционного кармана с перфорированными алюминиевыми подложками для криогенных резервуаров.

3.1. Объекты исследования.

3.2. Принцип работы композиционного газопроницаемого экрана из алюминия.

3.3. Экспериментальное определение удельной проводимости вариантов композиционных газопроницаемых экранов в молекулярном режиме течения газов.

3.4. Экспериментальное определение пыления мелкодисперсным адсорбентом встроенных криоадсорбционных устройств с ПАП.

3.5. Определение температуры нижней подложек экрана с ПАП в условиях эксплуатации.

3.6. Конструкция встроенного криоадсорбционного кармана.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование встроенных криоадсорбционных устройств с ПАП для криогенных трубопроводов.

4.1. Встроенные криоадсорбционные устройства для криогенных трубопроводов.

4.2. Криоадсорбционные кассеты с ПАП, исследование технических характеристик.

4.3. Экспериментальные стенды, методики экспериментов.

4.4. Результаты экспериментальных исследований.

4.4.1. Технические характеристики адсорбционных кассет с ПАП.

4.4.2. Откачные характеристики криоадсорбционных кассет с

4.4.3. Оценка себестоимости изготовления кассет с ПАП.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5. Практическая реализация результатов работы 86 5.1 Конструкции криоадсорбционных устройств (насосов) с перфорированными алюминиевыми подложками и угольными адсорбентами.

5.1.1. Описание конструкций.

5.2. Адсорбционные секции криогенных трубопроводов.

5.2.1. Результаты экспериментальных исследований адсорбционной кассеты АК5-8 и ее откачивающих элементов.

5.3 Конструкции встроенных криоадсорбционных карманов с композиционным газопроницаемым экраном из перфорированного алюминия для теплоизоляционных полостей криогенных резервуаров.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование криоадсорбционных "карманов" для теплоизоляционных полостей криогенных систем»

Эффективность работы изделий криогенной техники во многом зависит от величины теплопритоков, поступающим извне к узлам и агрегатам изделий, находящимся в процессе работы при криогенной температуре. Для уменьшения теплопритоков применяется слоистая вакуумная теплоизоляция [1], при этом узлы и агрегаты криогенного изделия размещаются внутри теплоизоляционной полости, в которой поддерживается давление не выше 1-10" л

-Ы0" Па. Это давление может быть достигнуто как применением средств откачки, соединенных с теплоизоляционнами полостями, так и размещением в самих полостях откачных устройств, расположенных на холодных стенках изделия и использующих при своей работе эффект физической адсорбции газа на поверхности адсорбента, охлажденного в период работы устройства.

Откачные средства, расположенные непосредственно в теплоизоляционной полости, несмотря на некоторое конструктивное усложнение изделия, практически не требует эксплуатационных затрат во время работы изделия и весьма надежны.

Для поддержания рабочего давления в теплоизоляционных полостях изделий криогенной техники применяются несколько типов встроенных криоадсорбционных устройств на базе откачных элементов с угольной тканью КУТ-М или углем СКТ-4. Первые конструкции встроенных криоадсорбционных устройств для теплоизоляционных полостей, были выполнены в виде сетчатых кассет, закрепленных на холодных поверхностях, в которые засыпался гранулированный адсорбент. Охлаждение адсорбента производилось только со стороны холодной стенки изделия, по точкам контакта между гранулами. Теплоперенос остаточными газами составляет значительную долго, при этом важное значение имеет предварительная откачка криогенной системы перед ее охлаждением. Изменение давления газа перед охлаждением с 1,33 до 1,33-Ю"1 Па приводит к уменьшению теплового потока примерно на порядок. Эффективность охлаждения адсорбента определяет время достижения рабочего давления в теплоизоляционной полости. В качестве адсорбента в этих элементах используют активированный уголь или цеолит. Для криогенных изделий, в процессе работы которых в теплоизоляционных полостях может образоваться взрывоопасная при соприкосновении с активированным углем газовая смесь, содержащая кислород, применяют цеолит [83]. Это усложняет эксплуатацию криогенного изделия, так как активность цеолита к парам воды затрудняет регенерацию адсорбента и требует регенерирующих устройств, обеспечивающих температуру регенерации адсорбента не ниже 473 К. Более удачной конструкцией криоадсорбционного элемента является кассета для адсорбента, роль сетки в которой играет пористый металлический экран из спеченного медного порошка. Адсорбент, размещенный в кассете, охлаждается как со стороны холодной стенки изделия, так и от пористого экрана [1, 28, 97, 106]. Газ, поступающий к адсорбенту, при прохождении через каналы пористой стенки экрана, приобретает его температуру. Все это влечет за собой увеличение скорости охлаждения адсорбента в кассете и более низкую среднюю температуру адсорбента в период работы устройства. Криоадсорбционные элементы, изготовленные из спеченного медного порошка, обладают большей удельной емкостью, чем с сетчатой стенкой. Кроме того, проведенные исследования, показали, что угольный адсорбент, расположенный за пористым экраном, не взрывоопасен в присутствии кислорода. Это расширяет возможности применение более эффективных угольных адсорбентов в конструкциях криоадсорбционных карманов теплоизоляционных полостей.

Но технология изготовления экранов из спеченного медного порошка трудоемкая (фракционирование, спекание в условиях свободной засыпки, сборка экранов из малогабаритный панелей), стоимость комплектующих материалов высокая (фосфористая медь МФ-1, катодная медь М-1). Кроме того подложки из пористой спеченной меди хрупки и не позволяют рихтовать их по малым диаметрам. С целью повышения эффективности встроенных крио-адсорбционных устройств и снижения себестоимости производства теплозащитных экранов предложено заменить пористые экраны из спеченного медного порошка (СМП) на композиционные газопроницаемые экраны (КГЭ) из перфорированного алюминия. Настоящая работа посвящена экспериментальным исследованиям, новых более эффективных и технологичных конструкций встроенных и автономных криоадсорбционных устройств с перфорированными алюминиевыми подложками (ПАП) и угольными адсорбентами [70, 71]. В работе проведен обзор конструкций криоадсорбционных устройств и их рабочих элементов. Описана конструкция и технология изготовления композиционного газопроницаемого экрана для теплоизоляционных полостей криогенных резервуаров, трубопроводов и автономных крионасо-сов. Приведены результаты сравнения их рабочих характеристик с характеристиками подобных устройств. Предложена физическая модель, позволяющая описывать процесс откачки газа криоадсорбционными устройствами с ПАП.

На защиту выносятся:

- разработанная физическая модель процесса откачки газа из систем, криоадсорбционными устройствами (насосами) с ПАП и угольными адсорбентами;

- конструкция, технология изготовления и результаты экспериментального исследования технических характеристик композиционного газопроницаемого экрана (КГЭ) для резервуаров и установление взаимосвязи этих характеристик с его геометрическими и структурными параметрами;

- разработанные конструкции встроенных и автономных устройств (насосов) с перфорированными алюминиевыми подложками и угольными адсорбентами для теплоизоляционным полостей криогенных систем и результаты проведенных экспериментальных исследований их технических характеристик в условиях близким к эксплуатационным;

- разработанную конструкцию компактной кассеты с ПАП и результаты проведенных экспериментальных исследований её технических характеристик;

Результаты работы внедрены в разработках встроенных криоадсорбци-онных устройств для резервуаров ТЕХ-1,2/1,6, ТГХ-0,6/1,6, автономного насоса НКС-50Т, адсорбционных секциях криогенных трубопроводов. Рекомендации данной работы вошли в стандарты предприятия СТП БЗКМ-039-2011 "Устройства криадсорбционные. Основы проектирования и расчета" и в СТП БЗКМ-037-2011 "Испытание на герметичность масс-спектрометрическим методом. Типовые технологические процессы".

По материалам работы имеются 7 публикаций. Основные результаты работы доложены и обсуждены на XVIII научно - технической конференции «Вакуумная наука и техника» с участием зарубежных специалистов (2011), на VII международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология» (2012). Работа обсуждалась на научно-техническом семинаре кафедры Э-4 МГТУ им Н.Э. Баумана.