автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Разработка и исследование криоадсорбционных "карманов" для теплоизоляционных полостей криогенных систем

На правах рукописи УДК 621.528.3

ЧУБ АРОВ ОЛЕГ ЕВГЕНЬЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КРИОАДСОРБЦИОННЫХ «КАРМАНОВ» ДЛЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОЛОСТЕЙ КРИОГЕННЫХ

СИСТЕМ

Специальность: 05.04.03 — Машины, аппараты и процессы холодильной и

криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

АВТОРЕФЕРАТ

3 О МАЙ 2013

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

005060047

Москва - 2013

005060047

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете им. Н.Э. Баумана и ООО «Криомаш - Балашихинский завод криогенного машиностроения»

Научный руководитель: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор Архаров Алексей Михайлович

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор,

генеральный директор ООО "Издательский дом "Холодильное дело", шеф-редактор журнала «Холодильный бизнес», вице-президент Международной академии холода Иванов Борис Александрович

Кандидат технических наук, старший научный сотрудник, начальник отдела ОАО «НПО Гелиймаш» Краковский Борис Давыдович

Ведущая организация: ОАО «НПО «НАУКА»

Защита диссертации состоится «19» июня 2013 года в 16 часов 30 минут на заседании Диссертационного совета Д 212.141.16 при Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 105005, Москва, Лефортовская наб., д.1, ауд. 314-Э (конф. зал).

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по адресу: 105005. г. Москва, 2-ая Бауманская д.5, Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.141.16.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Автореферат разослан « »_2013 г.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д212.141.16, кандидат технических наук, доцент

Колосов М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для обеспечения эксплуатационных параметров систем накопления, хранения и выдачи (газификации) криогенных продуктов в теплоизоляционных полостях (ТИП) применяются встроенные криоадсорбци-онные устройства на базе откачных элементов с гранулированным или тканевым угольными адсорбентами СКТ-4 и КУТ-М, создающие и поддерживающие разрежение на уровне 10"2-10"3 Па на протяжении всего срока эксплуатации, достигающего 10-20 лет. Среди российских ученых занимавшихся созданием средств обеспечения технических параметров в ТИП криогенных систем, необходимо отметить Куприянова В.И., Каганера М.Г., Кряковкина В.П., Исаева А.В. Из зарубежных исследователей большой вклад в решение проблемы внесли Stern S.A., Ruttenbur D.H., Bachler W„ Forth H.

Первые конструкции криоадсорционных карманов для ТИП криогенных хранилищ и трубопроводов выполнялись в виде сетчатых кассет, закрепленных на холодных поверхностях, в которые засыпался гранулированный адсорбент. Охлаждение адсорбента производилось только холодной стенкой изделия, по точкам контакта между гранулами и за счет радиационного излучения. Понятно, что эффективность охлаждения адсорбента определяет время достижения рабочего давления в ТИП, которое составляло около 5-ти часов. Более удачной конструкцией криоадсорционного кармана является кассета для адсорбента, роль сетки в которой играет пористый газопроницаемый экран, изготовленный из спеченного медного порошка. В такой конструкции адсорбент, размещенный в кассете, охлаждается и за счет холодной стенки изделия, и за счет пористого медного экрана. Газ, поступающий к адсорбенту, при прохождении через каналы пористой стенки экрана, приобретает его температуру. Все это влечет увеличение скорости охлаждения адсорбента в кассете и более низкую среднюю температуру адсорбента в период работы устройства. Описанные адсорбционные элементы, обладают большей удельной емкостью, чем элементы с сетчатой стенкой, а время достижения рабочего давления сократилось в 1,7 раза.

К недостаткам этих карманов следует отнести высокую стоимость материалов (катодная медь М-1, фосфористая медь МФ-1), достаточно сложная, трудоемкая технология изготовления пористых медных экранов, хрупкость подложек из пористой меди, затрудняющих рихтовку адсорбционных элементов для ТИП трубопроводов ДуЮО, Ду150.

В качестве альтернативы применяемым откачным карманам предлагается простая в изготовлении и более технологичная конструкция элемента, содержащая перфорированные алюминиевые подложки (ПАП) и угольные адсорбенты. Создание и экспериментальное исследование криоадсорбционных устройств с ПАП является актуальной задачей.

Дель работы состоит в создании и исследовании новых, более эффективных и технологичных конструкций встроенных и автономных криоадсорб-ционных карманов с перфорированными алюминиевыми подложками и угольными адсорбентами и определении их рациональных структурных и геометрических параметров конструктивных элементов, обеспечивающих наилучшие рабочие характеристики.

Методы исследования. Экспериментальные исследования новых композиционных газопроницаемых экранов (КГЭ) с ПАП включают: изучение влияния геометрических и структурных параметров на технические характеристики КГЭ, удельной проводимости КГЭ различных композиций в молекулярном режиме течения газов, экспериментальное определение пыления мелкодисперсного адсорбента встроенных криоадсорбционных устройств с КГЭ при ударных циклических воздействиях. Исследование проводимости осуществлялось методом «двух манометров». Количественная оценка пыления мелко-дисперсного адсорбента определялась методом «взвешивания».

Научная новизна. Впервые определены технические характеристики новых криоадсорбционных «карманов» на базе композиционных газопроницаемых экранов из перфорированного алюминия и стеклобумаги (газопроницаемость в молекулярном режиме течения газов), и криоадсорбционных кассет, содержащих угольную ткань КУТ-М заключенную между перфорированными алюминиевыми подложками. Установлены взаимосвязи характеристик КГЭ с его геометрическими и структурными параметрами. Экспериментально определена масса мелкодисперсной фракции адсорбента, попадающей в реципиент через КГЭ с ПАП.

Практическая значимость. Разработана конструкция и технология изготовления композиционного газопроницаемого экрана из перфорированного алюминия и стеклобумаги для встроенных криоадсорбционных устройств криогенного оборудования. Выданы рекомендации по структурным и геометрическим параметрам КГЭ.

Разработаны конструкции встроенных криоадсорбционных «карманов» для криогенных резервуаров.

Разработаны конструкции криоадсорбционных «карманов» для адсорбционных секций криогенных трубопроводов и автономных крионасосов.

Достоверность полученных результатов. Достоверность полученных экспериментальных данных подтверждается применением аттестованных измерительных средств, апробированных методик исследований и воспроизводимостью результатов, а также сопоставлением с теоретическими и экспериментальными данными других авторов.

Внедрение результатов работы. Результаты работы внедрены в разработках встроенных криоадсорбционных карманов для транспортных газифи-

каторов холодных вместимостью до 10 м3, автономного насоса НКС-50Т, криоадсорбционных секциях криогенных трубопроводов. Рекомендации данной работы вошли в стандарты предприятия СИТ БЭКМ-039-2011 «Устройства криадсорбционные. Основы проектирования и расчета» и СТП БЗКМ-037-2011 «Испытание на герметичность масс-спектрометрическим методом. Типовые технологические процессы».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на XVIII научно- технической конференции «Вакуумная наука и техника» с участием зарубежных специалистов, доклад (г.Судак, 2011 г.), на VII международной научно-технической конференции «Вакуумная техника, материалы и технология» (Москва 2012) и обсуждались на научно-техническом семинаре кафедры Э-4 холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения, МГТУ им. Н.Э. Баумана.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей, в том числе 6 статей в журналах рекомендованных ВАК РФ.

Автор защищает:

- разработанную физическую модель процесса откачки газа криоадсорбцион-ными устройствами (насосами) с перфорированными алюминиевыми подложками и угольными адсорбентами;

- конструкцию, технологию изготовления и результаты экспериментальных исследований технических характеристик композиционного газопроницаемого экрана и установление взаимосвязи этих характеристик с его геометрическими и структурными параметрами;

- конструкцию откачивающего элемента с угольной тканью КУТ-М на базе ПАП для компактной криоадсорбционной кассеты и результаты экспериментальных исследований ее технических характеристик;

- конструкции встроенных и автономных «карманов» (насосов) на базе КГЭ для теплоизоляционных полостей криогенных систем и результаты экспериментальных исследований их технических характеристик;

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы (112 наименований работ). Содержит 129 страницы машинописного текста. Иллюстрируется 34 рисунками, 13 таблицами.

Содержание работы

Во введении определен круг вопросов, рассматриваемых в диссертации и обосновывается актуальность темы.

В первой главе («Конструкции криоадсорбционных встроенных и автономных устройств и физические процессы в них») определены основные проблемы создания криоадсорбционных устройств для криогенного оборудования

и рассмотрены конструкции криоадсорбционных насосов встроенных, автономных и их рабочих элементов для криогенных резервуаров и трубопроводов. Дан анализ работ, посвященных созданию компактной теплозащитной системы с достаточно высокой газовой проницаемостью, обеспечению эффективной регенерации адсорбента перед заливом криопродукта, обеспечению регенерации адсорбента в условиях рабочего режима, т.е. без слива криогенного продукта, удалению плохо адсорбируемых газов.

Проведенный анализ конструкций криоадсорбционных элементов на основе пористых теплопроводящих экранов и в первую очередь - криоадсорбци-онный элемент с угольной тканью, запеченной в высокопроводную медную пористую структуру показывает, что элемент имеет большие габариты, трудоемкую технологию изготовления из спеченного медного порошка (СМП) (фракционирование, спекание в условиях свободной засыпки, сборка экранов из малогабаритных панелей), высокую стоимость комплектующих материалов (катодная медь М-1, фосфористая медь МФ-1).

Хрупкость подложек из пористой меди не позволяет рихтовать адсорбционные элементы по малым диаметрам. Поэтому создавать компактные кассеты и на их базе криоадсорбционные секции с диаметрами 100 и 150 мм не представляется возможным.

Во второй главе («Теоретическое описание рабочего процесса в криоадсорбционных устройствах с перфорированными алюминиевыми подложками ПАП») рассматривается физическая модель процесса откачки систем криоад-сорбционными «карманами» на основе угольных адсорбентов, заключенных между перфорированными алюминиевыми подложками. Задача охлаждения адсорбента сводится к решению задачи на охлаждение элемента из перфорированного алюминия, которая решается аналогично задаче на охлаждение неограниченной пластины, имеющую начальную температуру То. В начальный момент времени боковые поверхности принимают температуру Т(х,0)=То, которая поддерживается постоянной в течение всего процесса охлаждения (граничные условия первого рода). Внутри адсорбента существуют равномерно распределенные источники тепла удельной мощностью q(T). Необходимо найти временную зависимость распределения температуры по толщине элемента из перфорированного алюминия. В математической форме данная задача записывается следующим образом:

- = ¿Н + ТГ Гт>0;0 <x<L)

dt дх2 CQ

дТ(0,т)

где а=— — коэффициент температуропроводности;

2, с,р - соответственно коэффициенты теплопроводности, теплоемкость и плотность материала элемента из алюминия и адсорбента.

Поскольку тепловой поток определяется излучением и в соответствии с законом Стефана - Больцмана является в данном случае функцией температуры экрана д(7)~(Т*о — I4), данная задача является краевой задачей с существенной нелинейностью, решение которой представляет определенные сложности. Упростить задачу можно линеаризацией теплового потока, представив его в виде линейной функции температуры

Я(Т)=Ь-кТ (2).

Для этого представим выражение для теплового потока, в следующем

виде:

_ £пр0о_I _, Т4 . ЕпрСоТо^ ^ Т , , Т , ,

«ГС- —^ - -¿-(1 - ^ = -

Т2 . £пр<ТоТо4 . Т . . Т Т2 , Т3 ,

ч?>=- ^+ ^ + ^

где — Епр приведенная степень черноты системы элемент — трубопровод; Со— постоянная Стефана — Больцмана; Т — текущая температура элемента. С целью упрощения решения и уменьшения погрешности, вносимой линеаризацией теплового потока, целесообразно разбить диапазон температур от То до Тс на ряд участков, где можно получить Я и с постоянными, независимыми от температуры, а вместо текущей температуры Т в последний сомножитель выражения (4) ввести температуру, соответствующую середине данного участка Т=(Т/ + Т/+/)/2, где Т, и Т/+; - граничные температуры участка. Тогда значение постоянных коэффициентов в выражении для потока (2) определяются следующим образом:

ь-Ф«* V* Ъ + % «

С учетом линеаризации теплового потока дифференциальное уравнение, описывающее процесс охлаждения экрана из перфорированного алюминия, будет иметь вид:

__ а2г(х,г) к ъ

—Я-— а —Г~2---Т(х,х)-\-- (6)

дт дхг сд се

Конечное выражение для поля температур экрана из перфорированного алюминия для момента т времени имеет вид:

Г(.г,т) =То-(То-Т)

к

ch

N А

(к

ch — L

А

+ У( 1V1"1"1 2Лц" ^ і

х cos(^i^) exp [- + Jß) т] (7)

где (In =(2п - 1)я/2.

Подставляя решение (7) в выражение для условной массы адсорбента:

Va= В Mag • exp {E/(R[T(x)]} с учетом симметричности задачи и геометрических размеров криоадсорбционного устройства, получим:

Va= 2Вртп № /0' exp [E/(RT(x,i)]dx;

где рт — масса одного кв. метра угольной ткани; Ы— число криоадсорбционных элементов в устройстве; А — протяженность слоев угольной ткани в элементе вдоль трубопровода;

/—полуширина угольной ткани в элементе;

В — константа, которая соответствует динамической адсорбируе-мости;

Е - теплота адсорбции.

Третья глава («Разработка и экспериментальное исследование встроенного криоадсорбционного кармана с перфорированными алюминиевыми подложками для криогенных резервуаров») посвящается экспериментальному исследованию технических характеристик композиционного газопроницаемого экрана (КГЭ) из перфорированного алюминия и установлению взаимосвязи этих характеристик с его геометрическими и структурными параметрами.

Стремление снизить себестоимость выпускаемого криогенного оборудования заставляет все шире использовать элементы конструкций из более дешевых материалов, а также применять менее затратные технологические процессы производства при условии сохранения на необходимом уровне характеристик работоспособности оборудования. В области криогенной техники одним из первоочередных объектов замены рассматриваются имеющие высокую стоимость газопроницаемые экраны из спеченного медного порошка для криоадсорбционных устройств теплоизоляционных полостей криогенного оборудования.

В качестве альтернативы применяемым откачным элементам предлагается перейти к менее трудоемкому производству новых криоадсорбционных «карманов» на основе газопроницаемых экранов композиционного типа из дешевых перфорированных алюминиевых листов с прокладкой из стеклобума-ги между ними, пропускающей откачиваемые газы и удерживающей от высыпания мелкодисперсные составляющие адсорбента. Новый композиционный газопроницаемый экран (КГЭ) из алюминия позволяет создать условия, при которых температура адсорбента близка к температуре используемого криоа-гента. Были проведены исследования по определению рациональных структурных и геометрических параметров конструктивных элементов экрана, обеспечивающих наилучшие рабочие характеристики. Изменялись геометрия перфорации алюминиевых подложек, число слоев стеклобумаги в газопроницаемых прокладках, способы крепления элементов в криоадсорбционных устройствах. Схема композиционного газопроницаемого элемента из алюминия представлена на рис. 1.

1 2 3 4 5 6 7

Рис. 1. Композиционный газопроницаемый экран

1 - верхняя алюминиевая подложка; 2 - нижняя алюминиевая подложка; 3 - газопроницаемая прокладка из стеклобумаги; 4,5 - отверстия, перфорированные в подложках; 6 - заклёпка; 7 - окантовка полосой из нержавеющей стали

КГЭ состоит из верхней и нижней перфорированных подложек 1 и 2 с газопроницаемой теплоизолирующей прокладкой 3 между ними. Шаг и диаметр перфорированных отверстий 5 верхней подложки выбирался отличающимися от шага отверстий 4 перфораций нижней подложки для исключения возможного перекрытия отверстий совмещенных подложек. Для изготовления подложек КГЭ использовалась перфорированная алюминиевая лента АМц 1,5 х0,6 м толщиной 1,5-10"3 м и перфорированная лента толщиной 7-Ю"4 м.

В главе представлены результаты экспериментального исследования по определению удельной проводимости семи вариантов КГЭ в молекулярном режиме течения газов, таблица 1.

Удельная проводимость определялась по соотношению:

иуд=(3/(Р2-Р1)

где иУд - удельная проводимость композиционного газопроницаемого элемента, м3/( м2 • с);

С> - газовый поток воздуха в камеру с образцом, м3-Па/с;

Р1 - давление в откачиваемой части камеры, Па;

Р2- давление в напорной части камеры, Па;

Бо — площадь образца, м 2.

Установлено, что композиция №3 КГЭ принятая за базовую, имеет проводимость 1,63 м3/( м2- с) (подложки толщиной 8=1,5-10"3 м, диаметры отверстий ёотв =1,4-10"3 и 1,2-10"3 м и шаги отверстий Ьшо =3,25-10"3 и 3,926-10"3 м). Это в 1,36 раза больше, чем у спеченого медного экрана (фракция порошка №3, иУл=1,2 м3/(м2- с)). Другие варианты композиции (№4 и №5) имеют проводимость, меньшую проводимости композиции КГЭ №3 не более чем на 20%, и могут рассматриваться, как альтернативные.

Таблица 1

№ Характеристики подложек:5-толщина, «^-диаметр отверстий , Ьшо-шаг отверстий, газопроницаемая прокладка 5 слоев стеклобумаги Проводимость, м3/ с-м2

1 Перфорированный алюминиевый лист 5=1,5 мм, верхняя подложка (ВП), с!отв=1,4 мм, Ьшо= 3,25 мм; нижняя подложка (НП), &>та=2,5 мм, Ьшо= 9,0 мм 1,95-10"2

2 Повторение по п.1, но через КГЭ протрясён пылевидный адсорбент 1,67-10"2

3 Верхняя подложка повторение по п.1 нижняя подложка (НП), (Ьтв=1,2 мм, Ьшо= 3,926 мм 1,63-Ю"2

4 Верхняя подложка повторение по п.1 НИЖНЯЯ подложка (НП), <1ота=1,2 ММ, Ьшо= 3,614 мм 1,57-Ю-2

5 Верхняя подложка повторение по п.1 нижняя подложка (НП), сЬтв=1,2 мм, Ьшо= 4,279 мм 1,4Ы0"2

6 Пористый теплозащитный экран из спеченного медного порошка фракции №3 толщиной 3 мм 1,2-10"2

7 Пористый теплозащитный экран из спеченного медного порошка фракции №4 толщиной 3 мм 1,6-10"2

Была исследована зависимость удельной проводимости КГЭ от количества слоев стеклобумаги БмД-К в газопроницаемой прокладке. Установлено, что с увеличением толщины прокладки несколько возрастает (до 30%) удельная проводимость КГЭ из-за нарастания продольной проводимости по слою прокладки, рис. 2.

Количество слоеб стеклобумаги 6 газопроницаемой проклаЭке, шт.

Рис. 2. График зависимости удельной проводимости КГЭ от количества слоев стеклобумаги БмД-К в газопроницаемой прокладке

1 - Верхняя подложка- толщиа 5=1.5-10"3 м, <1ОТВ=1,4-10"3 м, ЬшО=3,25-10'3 м; Нижняя подложка - толщина 5=1,5-Ю"3 м, ёотв=1,2-10'3 м, Ьшо=3,926-10"3 м

2 - Верхняя подложка - толщиа 6=1.5-Ю"3 м, с1отв=1,4-10"3 м, Ьш>=3,25-10"3 м;

Нижняя подложка - толщина 5=0,7-10"3 м, с!отв=2,5-10"3 м, Ьшо=9,0-10'3 м Экспериментально определена масса пыления мелкодисперсным адсорбентом встроенных криоадсорбционных устройств с КГЭ. Исследования показали, что конструкции КГЭ с газопроницаемой прокладкой из 2-х слоев стеклобумаги БмД-К имеет в 2,8 раза, а экран с прокладкой из 5 слоев стеклобумаги БмД-К имеет в 6,4 раза меньшую удельную массу пыления по сравнению с пористым экраном из СМП. Конструкция встроенного криоад-сорбционного кармана для ТИП криогенного оборудования представлена на рис. 3.

Рис. 3. Встроенный криоадсорбционный «карман» с ПАП для теплоизоляционных полостей криогенных резервуаров 1 - композиционный газопроницаемый экран; 2 - полоса-окантовка;

3 - уголок; 4 -адсорбент; 5 -скоба; 6 - слоистая вакуумная теплоизоляция;

7 - внутренний сосуд; 8 - кожух; 9 - заклепка; 10 - криоагент В четвертой главе («Экспериментальное исследование встроенных криоадсорбционных устройств с ПАП для криогенных трубопроводов») представлены экспериментальные результаты и методы исследования элементов криоадсорбционных секций нового поколения, содержащих угольную ткань КУТ-М, заключенную между перфорированными алюминиевыми подложками (ПАП). Элемент с ПАП является откачивающей частью встроенных криоадсорбционных устройств. 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 изготавливать многоуровневые компактные и емкие кассеты. Схема адсорбционного элемента с ПАП в одноуровневой и двухуровневой адсорбционной кассете представлены на рис. 4., а результаты экспериментального определения проводимости ПАП представлены в таблице 2.

А. Кассета «одноуровневая» с экраном Б. Кассета «двухуровневая»

Рис. 4. Схемы компоновок кассет с ПАП криоадсорбционных секций криогенных трубопроводов

1 - внутренний трубопровод; 2 - элемент адсорбционный первого уровня; 3 - теплопроводное ребро (уголок с алитированной полкой); 4 - сварной шов; 5,7 - экран теплозащитный; 6 - элемент адсорбционный второго уровня; 8 - криосорбирующая угольная ткань; 9 - нижняя алюминиевая подложка.

Удельная газовая проводимость перфорированных алюминиевых подложек адсорбционных элементов

Таблица 2

№ Характеристики подложек:5-толщина, (^„-диаметр отверстий , Ьшо-шаг отверстий Проводимость, м3/ с-м2

1 Спеченный медный порошок, Фракция №3,5=3-10'3 м 1,2-10"2

2 Спеченный медный порошок, Фракция №3-№4, 5=3-10"3 м 1,6-10"2

3 Спеченный медный порошок, Фракция №4,5=2-10"3 м 2,0-10"2

4 Перфорированный алюминиевый лист, 5=1,5-Ю"3 м, ёотв=1,2-10'3 м, Ьшо=3,25-10"3 м 6,з-ю-2

5 Перфорированный алюминиевый лист, 5= 1,5-10"3 м, сЬта=1,25-10"3 м, 1лш>=3,25-10"3 м 7,6-Ю-2

6 Перфорированный алюминиевый лист, 5=1,5-Ю"3 м, с!отв=1,2-10"3 м, Ілпо=3,926-10"3 м 4,0-10"2

7 Перфорированный алюминиевый лист, 5= 1,5-10"3 м, Л>тв=1,4-10"3 м, Ілпо=3,25-10"3 м 8,1-10-2

8 Перфорированный алюминиевый лист, 5=0,7-10"3 м, с1отв=2,5-10"3 м, Ьшо=9-10'3 м 15,1-Ю"2

В такой конструкции откачка осуществляется с внутренней стороны поверхности криоадсорбционных элементов. Их внешняя сторона используется в качестве опорной для нанесения слоистой теплоизоляции. В результате конструкция освобождается от специального экрана, сокращаются габариты, а диаметр кожуха кассеты может быть сделан равным диаметру криогенного трубопровода.

Поглотительная способность исследуемых кассет определялась «объемным методом» путем подачи порцией азота из калиброванного объема в ваку-

умную камеру с одновременным контролем установившегося равновесного давления.

Быстрота действия кассет определялась методом «двух манометров».

Откачивающая способность элементов с угольной тканью адсорбционных кассет с ПАП, определялась с целью 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. В исследуемых кассетах применялись элементы с двумя и четырьмя слоями угольной ткани КУТ-М. Из полученных данных видно, что откачка газа через внешние слои угольной ткани вполне эффективна и удельная поглотительная способность четырехслойного пакета адсорбента не снижается.

В пятой главе («Практическая реализация результатов работы»)

описаны конструкции:

- криоадсорбционного насоса НКС-50Т с быстротой действия 5-Ю"2 м3/с предназначенного для создания и поддержания стерильной безмаслянной остаточной среды в полостях различных установок, а также для использования в качестве агрегатированных блок-приставок к масс-спектрометрическим течеи-скателям с целью понижения порога чувствительности течеискания;

- встроенного криоадсорбционного кармана для ТИП криогенных резервуаров;

- компактного встроенного насоса для криогенных трубопроводов.

В качестве основных рабочих органов в перечисленных выше конструкциях используются криоадсорбционные элементы с угольными адсорбентами, заключенными между перфорированными алюминиевыми листами. Приведены результаты экспериментальных исследований характеристик насоса НКС-50Т, встроенного криоадсорбционного кармана для ТИП резервуаров, компактного встроенного насоса для криогенных трубопроводов Ду25 в виде криоадсорбционной кассеты из двух откачивающих элементов с тканевым адсорбентом и перфорированными алюминиевыми подложками коробчатой формы. Новая кассета имеет улучшенные конструкторско-технологические параметры благодаря применению в откачивающих элементах развитого адсорбционного слоя в виде пакета из восьми слоев угольной ткани.

Основные выводы:

1. Разработаны конструкция и технология изготовления высокоэффективных композиционных газопроницаемых экранов для встроенных и автономных устройств (крионасосов) на основе тканевого и гранулированного угольных адсорбентов, заключенных между перфорированными алюминие-

выми подложками.

2. Описана физическая модель процесса откачки газа криоадсорбцион-ным устройством с ПАП, рассматривающего процесс, как перетекание газа из откачиваемого реципиента вместимостью Ук в некоторый так называемый «условный объем» адсорбента, величина которого определяется уравнением адсорбции.

3. На основе предложенных криоадсорбционных элементов и результатов проведенных исследований разработаны и внедрены:

- конструкция встроенного криоадсорбционного кармана для транспортных газификаторов холодных вместимостью до 10 м3.

- конструкция криоадсорбционного насоса НКС-50Т для создания безмасляной среды в теплоизоляционных полостях различных установок, а также для использования в качестве агрегатированных блок-приставок к течеискателям. Экспериментально установлено, что насос НКС-50Т превосходит прототип насос НКС-50 с сферическим модулем по быстроте действия в 5 раз, по производительности в 20 раз. Масса насоса НКС-50Т меньше массы насоса НКС-50 с сферическим модулем в 1,6 раза;

- конструкции криоадсорбционных секций с диаметром условных проходов от 0,025 до 0,1 м, отличающихся высокоскоростным режимом достижения рабочего давления в теплоизоляционных полостях криогенных трубопроводах;

- рекомендации работы включены в 2 стандарта предприятия СТП БЗКМ.

Оценочные расчеты экономической эффективности от внедрения КГЭ показали, что по стоимости материалов и изготовления предлагаемый элемент (алюминий АМц) в 16 раз дешевле аналогичного по размерам пористого экрана, спеченного из медного порошка.

4. Конструкторско-технологические проработки показали, что благодаря пластичности алюминиевых подложек и возможности наращивания количества слоев криосорбирующей угольной ткани «КУТ-М» в криоадсорбционных элементах удается в 2-4 раза уменьшить длину кассет с перфорированными алюминиевыми подложками по сравнению с кассетой из спеченного медного порошка.

5. Проведены исследования работоспособности кассеты с перфорированными алюминиевыми подложками, в реальных условиях захолаживания трубопровода. Установлено, что откачка кассетой камеры-имитатора ТИП трубопровода до давления 6,65-10"2 Па достигается за 41 минуту, что в 1,4 раза быстрее, чем при откачке кассетой ДуЮО спеченной из медного порошка.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Встроенный криоадсорбционный карман с композиционным элементом из алюминия для теплоизоляционных полостей криогенных резервуаров /О.Е.Чубаров [и др.] // Вакуумная наука и техника. Материалы XVIII научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов. М., 2011. С. 99-100.

2. Адсорбционные секции с перфорированными алюминиевыми элементами для теплоизоляционных полостей криогенных трубопроводов / O.E. Чу-баров [и др.] // Вакуумная наука и техника. Материалы ХУШ научно- технической конференции с участием зарубежных специалистов. М., 2011. С. 97-99.

3. Криоадсорбционный насос НКС-50Т / O.E. Чубаров [и др.] //Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2012 . №1. С. 19-20.

4. Встроенный насос с алюминиевой адсорбционной кассетой для криогенных трубопроводов / O.E. Чубаров [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2012. №5. С. 22-24.

5. Комплекс оборудования термовакуумной установки для имитации условий космического пространства / О.Е.Чубаров [и др.] // Вакуумная техника, материалы и технология: Материалы VII Международной научно — технической конференции М., 2012 . С. 26-29.

6. Криоадсорбционный модуль с теплозащитным элементом из алюминия для криогенных магистралей / O.E. Чубаров [и др.] // Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2012. №10. С. 24-25.

7. Криоадсорбционные устройства с перфорированными алюминиевыми элементами для теплоизоляционных полостей криогенных систем / O.E. Чуба-ров[и др.] // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Сер. 1.2013. №1. С.109.

Подписано к печати 14.05.13. Заказ №324 Объем 1,0 печ.л. Тираж 100 экз. Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д.5 (499) 263-62-01

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции, ордена Трудового Красного Знамени государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, ООО «Криомаш — Балашихинский завод криогенного машиностроения»

На правах рукописи УДК 621.528.3

04201358077

Чубаров Олег Евгеньевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КРИОАДСОРБЦИОННЫХ «КАРМАНОВ» ДЛЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННЫХ ПОЛОСТЕЙ КРИОГЕННЫХ СИСТЕМ

Специальность: 05.04.03 - Машины, аппараты и процессы холодильной и

криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Архаров Алексей Михайлович

Москва - 2013

Содержание

Введение 5

ГЛАВА 1. Конструкции криоадсорбционных встроенных и автономных

устройств и физические процессы в них .......................... 9

1.1. Конструкции криоадсорбционных карманов .....................10

1.1.1. Способы крепления адсорбента на криогенной поверхности

и интенсификация его охлаждения..................................................................10

1.1.2. Криоадсорбционные карманы на основе металло-адсорбентных композиций .............................................. 15

1.1.3. Криоадсорбционные карманы на основе пористых теплозащитных экранов для насосов и трубопроводов..................... 18

1.1.4. Криоадсорбционный элемент с угольной тканью, запеченный в пористую металлическую структуру......................................27

1.1.5. Криоадсорбционные насосы для криогенных хранилищ..... 29

1.1.6. Основные задачи исследования....................................

Выводы по главе 1............................................................ 40

ГЛАВА 2. Теоретическое описание рабочего процесса в криоадсорбционных устройствах с перфорированными алюминиевыми подложками (ПАП)........................................................................................... 42

2.1. Работа криоадсорбционного устройства с ПАП и угольной

тканью в установившемся режиме....................................... 42

2.1.1. Работа криоадсорбционного устройства при откачке определенного объема при постоянном газовом потоке................... 43

2.2. Процесс охлаждения экрана из перфорированного алюминия....................................................................................................................................................47

Выводы по главе 2........................................................... 50

ГЛАВА 3. Разработка и экспериментальное исследование встроенного крио-адсорбционного кармана с перфорированными алюминиевыми подложками для криогенных резервуаров..............................................51

3.1. Объекты исследования................................................. 52

3.2. Принцип работы композиционного газопроницаемого экрана

из алюминия................................................................... 55

3.3. Экспериментальное определение удельной проводимости вариантов композиционных газопроницаемых экранов в молекулярном режиме течения газов.............................................. 57

3.4. Экспериментальное определение пыления мелкодисперсным адсорбентом встроенных криоадсорбционных устройств с ПАП... 63

3.5. Определение температуры нижней подложек экрана с ПАП в условиях эксплуатации....................................................... 66

3.6. Конструкция встроенного криоадсорбционного кармана....... 66

Выводы по главе 3.........................................................67

ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование встроенных криоадсорбционных устройств с ПАП для криогенных трубопроводов...............69

4.1. Встроенные криоадсорбционные устройства для криогенных трубопроводов............................................................ 69

4.2. Криоадсорбционные кассеты с ПАП, исследование технических характеристик............................................................ 72

4.3. Экспериментальные стенды, методики экспериментов.......... 76

4.4. Результаты экспериментальных исследований..................... 79

4.4.1. Технические характеристики адсорбционных кассет с ПАП. 80

4.4.2. Откачные характеристики криоадсорбционных кассет с

ПАП............................................................................... 81

4.4.3. Оценка себестоимости изготовления кассет с ПАП............ 84

Выводы по главе 4............................................................ 84

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

5.1.1. Описание конструкций............................................. 87

5.2. Адсорбционные секции криогенных трубопроводов............ 90

5.2.1. Результаты экспериментальных исследований адсорбционной кассеты АК5-8 и ее откачивающих элементов..................... 99

5.3 Конструкции встроенных криоадсорбционных карманов с композиционным газопроницаемым экраном из перфорированного алюминия для теплоизоляционных полостей криогенных резервуаров...................................................................... 107

Выводы по главе 5............................................................ 112

Основные выводы по работе............................................... 113

Список литературы.......................................................... 116

Приложения................................................................... 127

Введение

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 ма-

териалов 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 про-

веденных 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.

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

Характерной объективностью криоадсорбционных устройств является сильная зависимость свойств используемых адсорбентов от температуры. Значение фактора температуры в большой степени проявляется в условиях низких температур, характерных для работы криоадсорбционных устройств, поскольку эффективность использования потенциальных возможностей адсорбента при заданных уровнях давления определяется соотношением средней температуры адсорбента и температуры криогенной поверхности. В условиях рабочих температур ниже 20 К даже незначительное отклонение температуры адсорбента от температуры поверхности приводит к резкому изменению характеристик. Поэтому стремление максимально приблизить температуру адсорбента к температуре криогенной поверхности является основой при разработке и создании криоадсорбционных устройств и их рабочих элементов.

Решение этой задачи сопряжено с рядом трудностей, обусловленных низкими теплофизическими характеристиками адсорбентов. При низких давлениях и температурах основной вклад в процесс теплообмена вносят контактная и кондуктивная теплопроводности, в то время как радиационный теплообмен и теплообмен по остаточному газу составляет лишь небольшой процент в общем теплообмене. Интенсификация процесса теплообмена в слоях адсорбента и на границе его с охлажденной поверхностью позволяет решить и другую немаловажную задачу - уменьшить время охлаждения адсорбента до рабочей температуры, т.е. время выхода криоадсорбционного устройства на рабочий режим, что в конечном итоге характеризует его экономичность.

Другим важным фактором, тесно связанным с решением задачи об интенсификации охлаждения адсорбента и достижения им температуры, мак-

симально приближенной к температуре криогенной жидкости, является обеспечение надежной защиты адсорбента от теплового излучения, проникающего со стороны «теплых» стенок самого устройства из откачиваемого объема. При эксплуатации криоадсорбционных устройств большое значение имеет «стерильность»создаваемого остаточного давления, что накладывает дополнительные требования по защите откачиваемого объема от пыли адсорбентов. Настоящая глава посвящена обзору основных направлений, по которым идет процесс разработки и совершенствования конструкций главных рабочих органов криоадсорбционных устройств.

1.1. Конструкции криоадсорбционных карманов

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

Условно можно выделить три основных направления, по которым решается задача интенсификации охлаждения адсорбента в криоадсорбционных устройствах:

а) увеличение теплопроводности слоев адсорбента;

б) улучшение условий теплообмена на границе адсорбент-криопанель;

в) одновременное увеличение теплопроводности слоев и улучшение граничного теплообмена.

В дисперсионных сферах перенос тепла осуществляется конвекцией по окружающему адсорбент газу, теплопроводностью по твердому материалу и излучением частиц (гранул). Поскольку адсорбенты является хорошими теп-лоизоляторами, теплоперенос в них может быть описан зависимостями, полученными в работе [4]. Оценки показывают, что влияние теплопереноса по газу начинает сказываться только при давлениях, превышающих 1 Па. Вклад теплопереноса излучением для гранулированных адсорбентов наблюдается при температурах выше 80 К, для порошковых - только при температурах выше комнатных [5].

Контактная теплопроводность в условиях свободной засыпки на два порядка меньше теплопроводности гранул адсорбента. Этим фактором определяется основная направленность способов увеличения эффективной теплопроводности слоев адсорбента на снижение контактного сопротивления.

Самый простой путь улучшения теплового контакта - прижатие тонкого слоя адсорбента к криогенной поверхности с помощью поддерживающего металлического экрана [6^-8]. Однако доступный таким образом тепловой контакт гранул адсорбента между собой и криопанелью недостаточен из-за невозможности поддержания во всем диапазоне температур работы криоад-сорбционного устройства необходимого усилия.

В работе [9] исследовано влияние металлизации активированного угля СКТ на эффективную теплопроводность слоя. Слой полностью медненного угля имеет эффективную теплопроводность втрое превышающую теплопроводность аналогичного слоя немедненного угля. Однако удельная емкость по водороду полностью медненного угля при 20,4 К в 3-^5 раз ниже, чем исходного.

Повысить эффективную теплопроводность слоя адсорбента можно путем заполнения пространства между гранулами порошком из высокотеплопроводного металла (меди, алюминия) [10] в частности, применение медного порошка позволяет получить эффективный коэффициент теплопроводности

л

равный 1 -г- 3-10^ вт/(м-К), т.е. на порядок выше в сравнении с адсорбентом без порошка.

В работе [11] описаны криоадсорбционные карманы на основе порошковых цеолитов, полученных запрессовкой порошка в шероховатую поверхность криопанели. Рельеф поверхности создается либо при помощи сетки, приваренной к поверхности, либо путем перекрестного фрезерования поверхности �