Криогенное устройство

)5 Г. ИТЕТКРЫТИЯМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР БРЕТЕНИУ ЕТЕ К АВТОРСКОМУ ПИСАНИЕ ИЗО(71) Специальное конструкторско-технологическое бюро по криогенной технике сопытным производством Физико-технического института низких температур АНУССР(57) Назначение: изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано при создании криоустройств с ЭВТИ и с трубопроводами. Сущность изобретения заключается в том, что решена задача снижения массогабаритных параметров путем уменьшения суммарных теплопритоков, Это достигается тем, что в зоне контакта с пакетом зкранно-вакуумной теплоизоляции (ЭВТИ) дополнительный слой изоляции 5 с трубопроводом 4 выполнены в виде коаксиальных полых цилиндров, образованных трубопроводом спиральной намотки с заданными размерами и слоистой изоляцией из материала произведением коэффициентов продольной и поперечной теплопроводностей меньшим, чем у применяемой ЭВТИ, например стеклобумаги, Полый цилиндр до. полнительной слоистой теплоизоляции 5 с заданной толщиной стенки состоит из трех отдельных элементов, один из которых 6 расположен между витками трубопровода 4, а два других 7 и 8 - по обе стороны от витков и собраны иэ отдельных сегментов.4 3, и. ф-лы, 4 ил.КИзобретение относится к криогенной технике и может использоваться при создании криогенных устройств с зкранно-вакуумной теплоизоляцией (Э ВТИ), содержащих различного рода хладопроводы; металлические гибкие жгуты, тепловые трубы, трубопроводы с непрерывной циркуляцией криогенных веществ и др,Известно, что при введении в пакет ЭВТИ конструктивных элементов теплоприто 5 10 ки через теплозащиту криогенных устройств могут по сравнению с расчетнымивозрастать в несколько раз(Гетманец В, ФМихальченко Р,С. Вакуленко В,Д, К вопросунеаддитивности тепловых потоков по "тепловым мостам" и экранно-вакуумной теплоизоляц:;и крлогенных устройств, - В кн,:Теплообмен при низких температурах. Киев: Наукова думка, 1979, с. 120 - 130), Этосвязано с тем, что продольная теплопроводность пакета ЭВТИ на 3 - 4 порядка превышает поперечную. Поэтому при контакте ееслоев с элементами конструкции, имеющими в точках контакта более высокую температуру, в слои ЭВТИ поступает значительный дополнительный теплоприток, которыйи увеличивает суммарные тепловые потокичерез теплозащиту криогенного устройства,Наиболее радикальным решением проблемы изолирования тепловых мостов является равномерное растягивание пакетаЭВТИ в зоне контакта с мостом на всю егодлину (Гетманец В. Ф., Михальченко Р. СЮрченко П. Н, Расчет и оптимизация теплозащиты криогенных сосудов. ИФЖ, 1984, т, 3547, йг 4, с, б 76). Это техническое решениеобеспечивает защиту тепловоо моста отвнешнего теплового излучения и одновременно не дает дополнительных теплопритоков в слои ЭВТИ с поверхности теплового 40моста, однако оно применимо только к тепловым мостам, расположенным по нормалик пакету ЭВТИ. Повышение толщины ЭВТИв зоне теплового моста увеличивает в этойзоне продольную теплопроводность изоляции, что при большой длине теплового моста приводит к заметному увеличению. суммарного теплового потока, На практикетолщина пакета изоляции криогенного устройства не превышает 10-15 см, а длина 50моста может составлять несколько метров,что существенно усложняет или делает невозможной технологию изготовления такойконструкции,Известно устройство, позволяющее 55снизить дополнительные теплопритоки вслои ЭВТИ путем уменьшения их продольной теплопроводности (Теплообмен и тепловой режим космических аппаратов, ММир, 1974 г., с, 399), Оно содержит пакет теплоизоляции, который подведен встык к поверхности хладопровода, Экраны пакета теплоизоляции имеют разрезы-щели,Недостаток такого устройства состоит в том, что продольная теплопроводность изоляции в основном определяется не теплопроводностью самих экранов, а лучистым теплопереносом вдоль щели между ними,За прототип принято устройство теплоизоляции криогенной емкости и трубопровода. закрепленного на внутренней оболочке емкости, в котором трубопровод вместе с нанесенным на него пакетом ЭВТИ проходит через пакет емкости, Таким образом, в зоне стыка пакетов ЭВТИ все слои пакета ЭВТИ емкости соединены с одним (наружным) слоем пакета ЭВТИ трубопро-. вода (1),Недостаток такого устройства состоит в значительном добавочном теплопритоке в холодную зону от теплой стенки криогенного устройства вдоль слоев ЭВТИ, нанесенных на трубопровод,Целью изобретения является снижение массогабаритных параметров путем уменьшения теплоп ритоков.Поставленная цель достигается тем, что в криогенном устройстве, содержащем обьект с криогенной температурой. размещенной внутри ЭВТИ и связанный с внешней средой трубопроводом, который размещен в дополнительном слое изоляции, трубопровод выполнен в виде цилиндрического змеевика, а полый цилиндр дополнительного слоя изоляции изготовлен из материала с произведением коэффициентов продольной и поперечной теплопроводностей меньшим, чем у применяемой ЭВТИ, например, в виде слоистого пакета из стеклобумаги,Цель изобретения достигается также тем, что диаметр цилиндрического змеевика равен О = (0,51,5)(Я Лтр/Л 11) /т,где Б - площадь поперечного сечения стенки трубопровода;Лтр - коэффициент теплопроводности его материала;111 - коэффициент теплоп роводности дополнительного слоя изоляции вдоль оси цилиндрического змеевика.Цель изобретения достигается также тем, что шаг между витками цилиндрического змеевика составляет 1,52,5 диаметра б трубопровода. Цель изобретения достигается также тем, что толщина стенки полного цилиндра дополнительного слоя изоляцииравна 1+ (1.52,5)Л- с 3, гдеЛв,Л -Гл.1 коэффициент теплопроводности дополнислоя изоляции равна (1+(1,52,5),1 б, 55 тельного слоя изоляции вдоль и поперекосицилиндрического змеевика соответственно.Цель изобретения достигается такжетемчто устройство снабжено трубопроводами одинакового или разного диаметра, 5выполненными в виде аналогичных цилиндрических змеевиков и установленных в витке соосно с тепловыми и механическимиконтактами по линии их соприкосновения,при этом толщина стенки полого цилиндра 10дополнительного слоя изоляции увеличенана величину (и - 1)б, где и - число трубопроводов. Известно увеличение эффективнойдлины трубопровода путем выполнения егов виде спирали, однако авторам неизвестна 15заявляемая совокупность существенныхпризнаков, на основании чего возможен вывод о соответствии заявляемого решениякритерию "существенные отличия". Возможность достижения положительного эффекта обеспечивается оптимальнымсоотношением между различными размерами цилиндрического змеевика и полого цилиндра дополнительного слоя изоляции,вытекающим из условия достижения минимальных теплопритоков.На фиг. 1 схематично изображено криогенное устройство; на фиг, 2 - 4 - графикиизменения теплопритоков,Устройство содержит криогенную емкость с внутренней 1 и наружной 2 оюлочками, в вакуумном зазоре между:о 1 орымиразмещен пакет 3 многослойной изоляцииЭВТИ. Через пакет 3 этой изоляции проходят витки трубопроводов 4 в виде цилиндрического змеевика и полый цилиндрдополнительного слоя изоляции 5 в видетрех отдельных элементов б, 7 и 8 из стеклобумаги. Элементы 7 и 8 размещены снаружи и внутри цилиндрического .змеевика 40трубопровода 4, Элемент 6 расположенмежду витками трубопровода 4.Диаметр цилиндрического змеевика О ==(0,5."1,5)(3 Атр/ Ь)" /л, где 8 - площадьпоперечного сечения стенки трубопровода; 45Атр - коэффициент теплопроводности егоматериала; Мц - коэффициент теплопроводности дополнительного слоя изоляциивдоль оси цилиндрического Змеевика.50Шаг между витками равен 1,52,5 б, атолщина полого цилиндра дополнительного где Яи - коэффициент теплоп роводности дополнительного слоя изоляции вдоль оси цилиндрического змеевика; 1 - коэффициент теплопроводности дополнительного слоя изоляции поперек оси цилиндрического змеевика;б - диаметр трубопровода,Криогенное устройство работает следующим образом.Один или несколько трубопроводов изготавливают в виде спирали с заданными оптимальными размерами. Внутрь спирали коаксиально ее виткам устанавливают тонкостенный жесткий стакан с диаметром, равным диаметру внутренней полости цилиндрического пакета слоистой изоляции 7, который служит образующей при нанесении слоистой изоляции. Затем сегментами, например, длиной 1/3.1/4 длины окружности формируют пакеты слоистой изоляции (б, 7 и 8) трубопровода 4, устанавливая их между витками спирали трубопровода (6), внутри (7) и снаружи (8) от нее, Слои пакетов изоляции 7 и 8 направлены вдоль оси цилиндрического змеевика трубопровода, По окончании изолирования трубопровода на всю его высоту по наружному диаметру пакет слоистой изоляции 8 обматывают полимерной пленкой для фиксации формы. Внутренний тонкостенный стакан вынимают и полость внутри циликдрического пакета слоистой изоляции закладывают без зазора пакетом ЭВТИ 3 на всю его высоту. После этого снимают наружную фиксирующую пленку и наносят на внутреннюю оболочку криогенной емкости пакет ЭВТИ, не допуская зазоров в зоне его контакта с пакетом изоляции трубопровода 4.. Размещение трубопровода спиральной намотки в пакете ЭВТИ приводит к появлению дополнительного теплового потока по трубопроводу за счет теплового контакта слоев ЭВТИ и витков спирали трубопровода; Кроме того, в зоне контакта слоев ЭВТИ и витков спирали трубопровода технологически сложно избежать зазоров между кими и обжатия пакета ЭВТИ, В результате этого суммарные тепловые потоки к криогенной емкости увеличиваются,В описываемом криогенном устройстве применение в зоне контакта дополнительного слоя изоляции на трубопроводе существенно уменьшает тепловой контакт слоев ЭВТИ и витков трубопровода, поскольку теплопроводность, например, стеклобумаги на 1,5.2 порядка ниже продольной теплопроводности ЭВТИ, Это приводит к заметному уменьшению дополнительного теплового потока по трубопроводу за счет его теплового контакта со слоями ЭВТИ. Однако при этом появляется дополнительный тепловой поток вдоль дополнительного слоя изоляции,174 б 104 трубопровода, а из соотношения (б) следует, что диаметр спирали пропорционален площади сечения трубопровода и соотношению между его теплопроводностью и теплопро водностью изоляции между витками трубоп.ровода.Температуры витков трубопровода и основного пакета ЭВТИ не совпадают и они должны быть разделены дополнительным 10 слоем изоля ции. Дополнител ьн ый теплоприток 0" при введении такой изоляции равен К) К 2 О 150 отР+ Сиз ,+, (1) где А- , В= лОбЛТ)Л;бЬ, 1 д- коэффициент теплопроводности изо ляцйи 5 вдоль и поперек оси цилиндрического змеевика:ЬТ) - перепад температуры между витками трубопровода и основным пакетомЭВТИ,25 После дифференцирования уравнения(7) по параметру получаем значение произ- водной К 1 =Л(9) 40 На фиг. 2-4 представлены графики изменения теплопритеков по криогенному устройству с параметрами Атр = 13 Вт/м К; б== 5 мм; ЬТ = 220 К; ди = 3 см: ЛТ) = 10 К; Я = 45 3,14 мм 2;Ь = 102 Вт/м К; М, - -10 З Вт/м Кпри отклонении размеров криогенного устройства от оптимальных. Как видно из фиг, 2, предлагаемый диа 50 метр трубопровода спиральной намотки равен 0,51,5 Оопт. При таких значениях Оувеличение суммарного теплового потокане превышает 25 о (фиг. 2) от оптимальногоего значения,Толщину стенки полого цилиндра изоляции 7 и 8 необходимо выбирать равной0,5;1,5 1 опт, тогда суммарный тепловой поток превышает свое оптимальное значениене более чем на 25% (фиг. 3),1 А(5) Возможность достижения положительного эффекта в криогенном устройстве обеспечивается оптимальными соотношениями между различными размерами спирали трубопровода и дополнительного слоя изоляции. Эти соотношения вытекают из условия достижения минимальных теплопритоков, как это показано ниже,Теплоприток 0 по узлу змеевикового трубопровода определяется суммой тепло- притоков по самому трубопроводу О,р и по полому цилиндру теплоизоляции между витками змеевика Оиэ К 2= кдЬ) ЛТ,где ЬТ - перепад температуры по толщине изоляции;ди - высота змеевика и толщина экран- но-вакуумной теплоизоляции:О - диаметр змеевика,Я, Жр - площадь поперечного сечения и теплопроводность материала трубопровода;Й - число витков в змеевике;б - диаметр трубопровода.Для определения оптимального значения О продифференцируем выражение (1) по параметру О и приравняем это значение нулю, В результате получим о =1 (я-), (3) Таким же образом найдем оптимальноезначение й, дифференцируя выражение (1)по параметру й. Тогда получим Й - (4)О+О - бК 1 Из совместного решения уравнений (3) и (4)получим оптимальные значения параметровЙопт, Оопт Оопт = - " б = (Я АтрЦ /)т: (б)К 2Из соотношения (5) следует, что шаг между витками спирали равен диаметру 0 из С+ 0 А) + В (7) Отсюда находим оптимальное значение для толщины изоляции с каждой стороны цилиндра (образованного витками трубопровода), пропорциональное диаметру трубопровода бПри шаге между витками змеевика 1,52,5 б величина суммарного теплового потока превышает свое оптимальное значение не более чем на 15 (фиг, 4).Такой выбор диапазонов изменения предлагаемых размеров сделан исходя иэ того, что при любых размерах из этого диапазона описываемое криогенное устройство обеспечивает значительно меньший суммарный тепловой поток, чем другие известные конструкции.Если вместе находится несколько спиральных трубопроводов, то общая толщина цилиндра возрастает на величину, равную сумме диаметров трубопровода, т,е, на величину (и - 1)б, где и - число трубопроводов.Предлагаемое криогенное устройство прошло экспериментальную проверку на сосудах с жидкими и твердыми азотом и аргоном и на макетах комбинированной системы глубокого охлаждения по теме К-ПППб. Ее применение позволило по сравнению с прототипом вдвое снизить теплопритоки к сосуду объемом 8,5 л, имеющему четыре трубопровода диаметром 5 мм, выполненных из стали Х 18 Н 10 Т при толщине стенки 0 3 мм.ф о рмул а изобретения 1. Криогенное устройство, содержащее объект с криогенной температурой, размещенный внутри экранно-вакуумной теплоизоляции и связанный с внешней средой трубопроводом, который размещен в дополнительном слое изоляции, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью снижения массогабаритных параметров путем уменьшения теплопритоков, трубопровод выполнен в виде цилиндрического змеевика, дополнительный слой изоляции выполнен в виде полого цилиндра и изготовлен из материала с произведением коэффициентов продольной ипоперечной теплопроводностей меньшим,чем у экранно-вакуумной теплоизоляции,например, в виде слоистого пакета из стек 5. лобумаги.2.Устройство поп.1, отл ича ю щеес я тем, что диаметр цилиндрического змеевика равен 0 =(0,5,"1,5)(Мр/Ь 1) /, гдеЯ - площадь поперечного сечения стенки10 трубопровода, Атр - коэффициент теплопроводности его материала; А - коэффициенттеплопроводности дополнительного слояизоляции вдоль оси цилиндрического змеевика,15 3, Устройство по пп, 1 и 2, о т л и ч а ющ е е с я тем, что шаг между витками цилиндрического змеевика составляет 1,5.2,5 диаметра б трубопровода.4, Устройство по пп. 1 - 3, отл и ч а ю 20 щ е е с я тем, что толщина стенки пологоцилиндра дополнительного слоя изоляции равна 1+(1,52,5)- ) б, гдето, А -А25коэффициент теплопроводности дополнительного слоя изоляции вдоль и поперек оси цилиндрического змеевика соответственно,5. Устройство по пп, 1 - 4, о т л и ч а ю - 30 щ е е с я тем, что оно дополнительно снабжено трубопроводами одинакового или разного диаметра, выполненными в виде аналогичных цилиндрических змеевиков и установленными в витке соосно с обеспече нием теплового и механического контактапо линии их соприкосновения, при этом толщина стенки полого цилиндра дополнительного слоя изоляции увеличена на величину (и - 1)б, где и - число трубопроводов; б - 40 диаметр трубопровода, 17461041746104 Составитель Р.МихальченкоТехред М.МоргентэлКорректор А.Осауленко олк акт 101 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагар аказ 2382 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5