Институт холода криотехнологий и экоэнергетики им Мартыновского В

Институт холода, криотехнологий и экоэнергетики им. Мартыновского В. С. Криогенная техника Лабораторная работа № 1 НАПОЛНЕНИЕ И ОПОРОЖНЕНИЕ КРИОГЕННОЙ ЕМКОСТИ Далаков Петр Иванович 05. 14 – холодильная, вакуумная и компрессорная техника, системы кондиционирования Кафедра КТи. Т Одесса. 2013 г.

Цель работы - изучение конструкций цистерн для хранения и транспортировки криогенных жидкостей - кислорода, азота, аргона и др; ознакомление с контрольно-измерительными приборами, которыми оснащаются цистерны, и их принципом действия. В процессе выполнения лабораторной работы студенты должны получить практические навыки по операциям заполнения и опорожнения цистерн для хранения криогенных продуктов. Лабораторная работа выполняется на транспортной цистерне ЦТК-1, 6/0, 25. Криогенная цистерна предназначена для хранения и транспортировки в жидком состоянии кислорода, азота, аргона и имеет следующие технические характеристики: малые потери на испаряемость криогенной жидкости; компактность; проста в обслуживании; снижена масса по сравнению с аналоговыми цистернами, очень удобна для заправки холодных газификаторов. 2 Криогенная техника

Устройство цистерн для криогенных жидкостей Криогенные цистерны (рис. 1) Состоят из внутреннего сосуда, внешнего сосуда (кожуха), испарителя подъема давления, пульта управления с арматурой, контрольноизмерительных приборов и предохранительных устройств. Арматура, предохранительные устройства и приборы расположены в арматурном шкафу. Внутренний сосуд изготавливают из материалов, совместимых с криогенной жидкостью. Обычно используют нержавеющую сталь марки 12 Х 18 Н 9 Т, 10 Х 14 Г 14 Н 4 Т и др. . Внешний сосуд изготавливается из углеродистой стали 09 Г 2 С или из алюминиевых сплавов марок АМг 3, АМг 5, АМг 6, АМц. Рис. 1. Транспортная цистерна ЦТК-1, 6 / 0, 25 Для удержания сосуда с криогенной жидкостью в кожухе применяется система подвесок и опор. Между стенками кожуха и внутренней сосудом устанавливают тепловые мосты (подвески, опоры и трубопроводы). Система подвеса подвергается воздействию веса внутреннего сосуда и его содержания, а так же динамическим нагрузкам, возникающим при транспортировке сосуда, сейсмическим нагрузкам и др. . Даже если цистерна является стационарной, она может подвергаться нагрузкам, возникающих при ее транспортировке на место монтажа. 3 Криогенная техника

Теплофизические основы колебательных процессов, происходящих в ТАГ и ТАГХ. Устройство цистерн для криогенных жидкостей Подвесы выполняют в виде стержней, тросов или цепей. Для снижения величины теплопритоков из окружающей среды к криогенной жидкости, и уменьшения количества испаряемой жидкости, подвесы изготавливаются из нержавеющей стали 12 Х 18 Н 9 Т, а опоры - из неметаллических материалов или из набора пластин из нержавеющей стали. В цистерне предусмотрены трубопроводы для заполнения и опорожнения, трубопровод подачи криогенной жидкости в насос, трубопровод для сброса газа, обеспечивающий возможность выходу пара образующегося благодаря теплопритокам из окружающей среды. В изоляционном пространсте цистерны проходит большое количество разнообразных патрубков к которым крепятся предохранительные устройства и приборы контроля. Предусмотрена возможность выдачи жидкости из цистерны по трубопроводу. Пространство между стенками заполняется теплоизоляционным материалом, имеющим низкий коэффициент теплопроводности. В качестве теплоизоляционного материала применяют вакуумнопорошковую или экранно-вакуумную изоляцию. Для увеличения степени разряжения в изоляционном пространстве, на внутреннем сосуде установлен адсорбционный карман заполненный цеолитом. 4 Разработка и исследование термоакустического генератора холода. Криогенная техника

Требования к заполнению Согласно инструкции по эксплуатации цистерну рекомендуют заполнять на 90 -92% от номинальной емкости. Это вызвано следующими причинами. 1. К криогенной жидкости находящейся в внутреннем сосуде всегда существуют теплопритоки из окружающей среды. В случае, отсутствия свободного пространства в сосуде над криогенной жидкостью, возможно быстрое увеличение давления. 2. Во время заправки незахоложенной цистерны криогенная жидкость может вскипать с запаздыванием из-за охлаждения изоляционного пространства и внутреннего сосуда. Это может привести к выдавливанию жидкости через трубопровод заполнения-опорожнения, если объем парового пространства над жидкостью недостаточен. 5 Разработка и исследование термоакустического генератора холода. Криогенная техника

Маркировка криогенных цистерн Для хранения и транспортировки жидких криопродуктов кислорода, азота, аргона серийно выпускаются транспортные цистерны различных типоразмеров: ЦТК -0, 5 / 0, 25, ЦТК -1, 6 / 0, 25, ЦТК - 1/0, 25, ЦТК - 2, 5 / 0, 25, ЦТК - 5/0, 25, ЦТК -8 / 0, 25 и др. . Маркировка обозначает: «Ц» - цилиндрический, «Т» - транспортный, «К» - криогенный. Цифры после букв указывают объем внутреннего сосуда (м 3) и допустимое давление во внутреннем сосуде (МПа). Криогенное оборудование такого типа изготавливается: - ОАО «Промышленная группа Уралинвестэнерго» (Россия, г. Екатеринбург), - «Сиб. ВПКнефтегаз» , Торгово-промышленный центр ОАО (Россия, г. Омск) - ОАО «Криогенмаш» (Россия, г. Балашиха, Московская обл. ). - CHART Ferox, a. s. Czech republic - CRYOFAB Kenilworth, New Jersey 6 Криогенная техника

Принципиальная схема цистерны ЦТК-1, 6/0, 25 Рис. 2. Принципиальная схема цистерны ЦТК - 1, 6 / 0, 25 1 - Вентиль наполнения-опорожнения, 2 - Вентиль сброса газа 3 - Вентиль испарителя подъема давления, 4 - Вентиль опорожнения шланга, 5 - Штуцер газосброса, 6 - Мембрана предохранительная, 7 - Гайка РОТ, 8 - Штуцер наполнения, 9 - Вентиль вакуумный сильфонный, 10 - Испаритель подъема давления, 11 - Наружный кожух, 12 - Внутренний сосуд, 13 - Мембрана кожуха предохранительная, 14 - Клапан сосуда предохранительный, 15 - Баллон - компенсатор, 16 - Манометр, 17 - Указатель уровня жидкости, 18 - Вентиль трехходовой, 19 - Мембрана сосуда предохранительная. 7 Криогенная техника

Предохранительные устройства Рис. 3. Мембрана разрывная. 1 - фланец днища; 2 - фланец; 3 - решетка; 4 - мембрана; 5 - нож; 6 - крышка При эксплуатации внутренний сосуд нагружен только внутренним давлением, а наружный только атмосферным. При появлении трещины во внутреннем или внешнем сосуде давление в межстенном пространстве повышается. Если имеется трещина во внутреннем сосуде, то холодный газ поступает в изоляционное пространство, нагревается, расширяется и, следовательно, давление внутри межстенного пространства увеличивается. Во избежание повышения давления в изоляционном пространстве и разрыва кожуха в случае течи внутреннего сосуда используется мембрана предохранительная 13, конструкция которой представлена на рис 3. Она срабатывает при избыточном давлении (0, 02 – 0, 07) МПа 8 Криогенная техника

Предохранительные устройства Рис. 4. Типы разрывных мембран, исспользованая разрывная мембрана. 9 Криогенная техника

Указатель уровня жидкости Рис. 5. Схема мембранного указателя уровня жидкости. 1 - резервуар; 2, 11 - трубки; 3 - корпус; 4 - ось; 5 - тяга; 6 - стрелка; 7 - зубчатый сектор ; 8 - шестерня ; 9 - мембранная коробка ; 10 - шкала Уровень жидкости в резервуаре контролируют по мембранному указателю уровня (УЖК) 17. Схема мембранного указателя уровня представлена на рис. 5. Этот прибор, связанный с резервуаром по пару и жидкости, преобразует давление столба жидкости в перемещение мембраны, крышка которой выгибается. Герметически закрытый корпус прибора 3 сообщается с верхней частью резервуара 1 через трубку 2, а внутренняя часть мембранной коробки 9 соединена трубкой 11 с нижней частью резервуара. Давление внутри мембранной коробки больше давления в корпусе на величину давления, создаваемого столбом жидкости в резервуаре. Под действием этой разности давлений верхняя стенка коробки 9 выгибается. Крышка коробки тягой 5 соединена с осью 4, на которой укреплен зубчатый сектор 7. Этот сектор сцеплен с шестерней 8, на оси которой находится стрелка 6. Когда высота столба жидкости увеличивается, крышка мембранной коробки выгибается вверх и, поворачивая ось с сектором, вращает шестерню. 10 Криогенная техника

Порядок работы Наполнение цистерны Наполнение «теплой» цистерны ( «теплой» считается цистерна, простояла без жидкого криогенного продукта более 10 часов после опорожнения) происходит в следующей последовательности: 1. присоединить шланг к посторонней емкости и поднять давление в ней до 0, 02 - 0, 03 МПа (0, 2 - 0, 3 кг/см 2); 2. открыть сливной вентиль посторонней емкости и продуть шланг парами криогенного продукта; закрыть вентиль 3. открыть вентиль сброса газа 2 (см. рис. 2. ), вентиль испарителя подъема давления 3, вентиль опорожнения шланга 1, разъединить трубки УЖК; 4. снять заглушку с гайки РОТ 7 и полностью открыть вентиль наполнения-опорожнения 1; 5. присоединить другой конец шланга к гайки РОТ; 6. открыть сливной вентиль посторонней емкости для предварительного охлаждения и продувки цистерны и трубопроводов. Парами криогенного продукта, образующиеся в начале заполнения цистерны, продуть все коммуникации. Продувать тех пор, пока из штуцеров не станет выходить холодный газ. Продуть предохранительный клапан поднятием шпинделя за кольцо; 7. закрыть все вентили, кроме вентиля сброса газа 2 и вентили наполнения-опорожнения 1; 8. закрыть сливной вентиль посторонней емкости, присоединить трубки УЖК; 9. наполнить цистерну криогенной жидкостью; 10. наблюдать за плотностью соединение шланга с появлением течи подтянуть гайку РОТ до полной герметичности; 11. после наполнения цистерны закрыть сливной вентиль посторонней емкости; 12. сбросить давление в шланге, открыв вентиль наполнения-опорожнения шланга 4; 13. закрыть вентиль наполнения-опорожнения цистерны 1; 14. разъединить шланг от цистерны и посторонней емкости, закрыть вентиль опорожнения шланга 4 и поставить заглушку на гайку РОТ 7. Наполнение «холодной» цистерны осуществляется аналогично наполнению «теплого» емкости, но без продувки коммуникаций. 11 Криогенная техника

Порядок работы Опорожнение цистерны Опорожнения цистерны осуществляется в следующей последовательности: 1. снять заглушку с гайки РОТ 7 Цистерны и шланга и присоединить шланг к цистерне; 2. закрыть вентиль сброса газа 2; 3. открыть вентиль испарителя подъема давления 3 и поднять давление в цистерне до 0, 02 - 0, 03 МПа (0, 2. . . 0. . . 0, 3 кг/см 2). Открыть вентиль наполнения-опорожнения 1 и продуть шланг парами криогенного продукта. Закрыть вентиль наполнения-опорожнения 1; 4. закрыть вентиль испарителя 3, присоединить другой конец шланга к посторонней емкости; 5. открыть вентиль испарителя 3, наблюдая по манометру за подъемом давления в цистерне. Поднять давление в цистерне до 0, 25 МПа (2, 5 кг/см 2), открыть вентиль наполнения-опорожнения 1 и вентиль наполнения посторонней емкости. Контроль опорожнения цистерны вести по прибору УЖК, давление в цистерне поддерживать с помощью вентиля испарителя 3; 6. после окончания опорожнения цистерны закрыть вентиль испарителя 3 и вентиль наполненияопорожнения 1; 7. открыть вентиль сброса газа 2 (давление в цистерне должно упасть до нуля); 8. сбросить давление в шланге, открыв вентиль опорожнения шланга 4; 9. закрыть вентиль наполнения посторонней емкости; 10. разъединить шланг от цистерны и посторонней емкости, поставить заглушку на гайку РОТ 7 Цистерны; 11. после опорожнения в цистерне может остаться небольшое количество криогенной жидкости, испаряясь, может вызвать подъем давления. Поэтому необходимо следить за показаниями манометра. При необходимости давление в цистерне периодически сбрасывать, открывая вентиль сброса газа. 12 Криогенная техника

Техника безопасности Указания мер безопасности 1. Не допускать попадания криогенной жидкости на тело человека во избежание обморожения. 2. Запрещается курить в радиусе 30 м от цистерны, в которой хранится криогенная жидкость, и в помещении, где установлена цистерна. 3. Запрещается выполнять все ремонтные работы на неспорожнений и невидигритий цистерне. Указанные работы осуществлять после опорожнения цистерны, продувки ее горячим воздухом и последующей выдержкой в течение 2 часов при открытых вентилях. 4. Отогревать арматуру сталкивается с жидким продуктом и его парами, теплым (не выше 70 ° С) воздухом. 5. Не обслуживать цистерну в замасленной спецодежде. Руки, инструмент не должны иметь следов масла. 6. Не ставить в узел мембраны заглушки и не устанавливать мембраны из материала, не предусмотренного технической документацией. 7. Избегать резких перегибов шлангов, так как это может привести к появлению трещин и выброса криогенной жидкости. 8. При сливе криогенной жидкости следить, чтобы она не попала на легковоспламеняющиеся вещества. 9. При пожаре использовать углекислотные огнетушители или песок. 10. Перед обезжириванием цистерну отогревать. 11. Выброс газа из штуцера сброса газа должен осуществляться за пределы помещения. 12. Помещение, в котором находится цистерна с криогенной жидкостью, должно быть оборудовано вытяжной или принудительной вентиляцией, обеспечивающей нормальное содержание кислорода в воздухе (по объему не ниже 19% и не выше 23%). 13 Криогенная техника

Отчет по лабораторной работе По лабораторной работе следует оформить протокол, который должен включать: • цель лабораторной работы (изучение порядка действий при наполнении или опорожнении цистерны); • принципиальную схему цистерны и ее описание; • описание порядка действий, связанных с наполнением цистерны или ее опорожнением; в протоколе должны быть отражены объяснения выполненных действий; • выводы, в которых следует отразить возможные последствия при несоблюдении правил эксплуатации цистерны. 14 Криогенная техника

Типы криогенных емкостей Рис. 6. Промышленный сосуд Дьюара Рис. 7. Устройство промышленного сосуда дьюара. 1. Крышка. 2. Горловина. 3. Пробка. 4. Внутренний сосуд. 5. Адсорбент. 6. Канистра. 7. Многослойная изоляция. 8. Подставка (опора). Промышленный сосуд Дьюара представляет собой резервуар типа "сосуд в сосуде", межстенное пространство которого вакуумировано и заполнено многослойной изоляцией. Для поддержания глубокого вакуума в течение длительного времени в межстенное пространство помещены адсорбент и химический поглотитель гаазов. Внутренний сосуд подвешен в наружном сосуде (кожухе) на горловине из специального высокопрочного стеклопластика. Горловина закрывается крышкой с пенопластовой пробкой. Внутренний и наружный сосуды выполнены из алюминиевого сплава. 15 Криогенная техника

Типы криогенных емкостей Рис. 8. Железнодорожная цистерна модели 15 -559 -01 для перевозки сжиженной двуокиси углерода. 16 Криогенная техника

Типы криогенных емкостей Характеристики Рис. 9. Вагон-цистерна для перевозки и хранения жидких кислорода, азота, аргона. Mодель 15 -558 С-01. Технические характеристики: Габарит 02 -ВМ Вместимость, м 3 44 Масса порожней цистерны, т 36 Масса заливаемого продукта, т кислорода 47 азота 34 аргона 55 Рабочее давление в сосуде, МПа 0, 5 Время бездренажной транспортировки, сутки 30 Срок службы, лет 30 Расширительные машины Криогенная техника

Типы криогенных емкостей Рис. 10. Вагон-цистерна BOC Gases T 768 (Модель - BOCX 3023 ) для перевозки и хранения жидких кислорода, азота, аргона. (127 – 140 м 3 жидкости) 18 Криогенная техника

Типы криогенных емкостей Рис. 11. Резервуар РЦВ-63/0, 8 -1 Предназначен для хранения жидких азота, аргона и кислорода. Резервуары рассчитаны на работу в умеренном климате с температурой окружающей среды от : 3 до 323 К (от +50 до — 50°С). 19 Криогенная техника

Типы криогенных емкостей Рис. 12. Дьюары для жидкого гелия 20 Криогенная техника

Типы криогенных емкостей Рис. 13. Реципиент для жидкого гелия. (Объем – 500 л) 21 Криогенная техника

Типы криогенных емкостей Рис. 14. Криогенный контейнер для жидкого гелия. (Объем 10 тыс. литров) 22 Криогенная техника

Типы криогенных емкостей Рис. 15. Супертанкер газовоз (может перевозить 145 -155 тыс. м 3 сжиженного газа, из чего может быть получено порядка 8995 млн. м 3 природного газа в результате регазификации. ) Рис. 16. Резервуар танкера. (вид изнутри) Супертанкеры газовозы перевозят сжиженный природный газ эквивалентный энергии 55 атомных бомб. Жидкость из этих морских судов становится средством для приготовления пищи и отопления вашего дома, однако создание морских перевозок газа была крайне сложным делом, хотя эти суда обязаны своим существованием нескольким удивительным идеям. 23 Криогенная техника

Типы криогенных емкостей Рис. 17. Схема супертанкера СПГ Криогенная техника 24