RU2730129C1 - Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank - Google Patents

Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank Download PDF

Info

Publication number
RU2730129C1
RU2730129C1 RU2020106026A RU2020106026A RU2730129C1 RU 2730129 C1 RU2730129 C1 RU 2730129C1 RU 2020106026 A RU2020106026 A RU 2020106026A RU 2020106026 A RU2020106026 A RU 2020106026A RU 2730129 C1 RU2730129 C1 RU 2730129C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tank
hydrogen
nitrogen
cryostat
volume
Prior art date
Application number
RU2020106026A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юрий Иванович Духанин
Original Assignee
Юрий Иванович Духанин
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Юрий Иванович Духанин filed Critical Юрий Иванович Духанин
Priority to RU2020106026A priority Critical patent/RU2730129C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2730129C1 publication Critical patent/RU2730129C1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/02—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum
    • G01M3/04—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point
    • G01M3/06—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point by observing bubbles in a liquid pool
    • G01M3/10—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point by observing bubbles in a liquid pool for containers, e.g. radiators

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Filling Or Discharging Of Gas Storage Vessels (AREA)

Abstract

FIELD: aerospace engineering.
SUBSTANCE: invention relates to cryogenic-fuel tanks of rocket and space equipment and, first of all, to hydrogen tanks. According to the proposed method, the tank is tested in a cryostat, at the same time before the tests the tank volume is connected to the internal volume of the cryostat, after which the air is replaced with nitrogen. Cooling tank and inner vessel of cryostat from 300 K to 90÷85 K are carried out with liquid nitrogen, then replacing nitrogen with hydrogen and cooling with hydrogen liquid tank and inner vessel of cryostat from 90÷85 K to 20÷22 K. After that, the tank is filled with liquid hydrogen and the tank volume is disconnected from the internal volume of the cryostat, and then pressure in the tank is increased to the design value and in case of tank integrity liquid hydrogen is removed from the tank. Thereafter, the volume of the tank is reconnected with the inner volume of the cryostat and the cryostat tank and internal vessel are heated from 20÷22 K to 70÷80 K with gaseous hydrogen, and then to 300 K – with gaseous nitrogen. After that nitrogen is changed to air, and at destruction of tank structure in process of increasing pressure of liquid hydrogen volume of tank is connected to internal volume of cryostat and liquid hydrogen is removed from both volumes, but first of all from volume with higher weight of liquid hydrogen, and then tank and inner vessel of cryostat are heated from 20÷22 K to 70÷80 K with gaseous hydrogen, and then to 280÷290 K – with nitrogen. After that nitrogen is replaced with air.
EFFECT: simplified cryogenic-strength test of hydrogen tank, increased safety and reliability of tests.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к криогенно-топливным бакам ракетно-космической техники и в первую очередь к водородным бакам.The invention relates to cryogenic fuel tanks for rocket and space technology, and primarily to hydrogen tanks.

Известен способ криогенно-прочностного испытания водородного бака, в котором захолаживание и прочностные испытания осуществляют с помощью жидкого азота (см. журнал «Полет» 2015 №7, стр. 18-24).The known method of cryogenic-strength testing of a hydrogen tank, in which chilling and strength tests are carried out using liquid nitrogen (see the magazine "Flight" 2015 No. 7, pp. 18-24).

Несмотря на простоту, относительную безопасность и дешевизну способ обладает следующими недостатками:Despite the simplicity, relative safety and low cost, the method has the following disadvantages:

- водородный бак недозахолаживается более чем на 55 К;- the hydrogen tank is undercooled by more than 55 K;

- необходимость создания специальной системы обезвешивания водородного бака при заполнении его объема жидким азотом;- the need to create a special system for weighting the hydrogen tank when filling its volume with liquid nitrogen;

- создание специального поддона для приема жидкого азота в случае разрушения бака.- creation of a special tray for receiving liquid nitrogen in the event of a tank rupture.

Известен способ криогенно-прочностного испытания водородного бака с помощью жидкого водорода (см. журнал «Космонавтика и ракетостроение» 2012 №2 (67) стр. 62-69).A known method of cryogenic-strength testing of a hydrogen tank using liquid hydrogen (see the journal "Cosmonautics and Rocket Engineering" 2012 No. 2 (67) pp. 62-69).

В данном способе прочностные испытания водородного бака проводят с помощью той же криогенной жидкости, на которую он спроектирован, что позволяет достоверно имитировать эксплуатационные температуры и влияние высоты столба жидкого водорода на конструкцию бака. Однако, несмотря на отмеченное достоинство способа, он имеет существенные недостатки:In this method, the strength tests of a hydrogen tank are carried out using the same cryogenic liquid for which it is designed, which allows one to reliably simulate the operating temperatures and the effect of the height of the liquid hydrogen column on the tank design. However, despite the noted advantage of the method, it has significant disadvantages:

- потеря больших объемов жидкого водорода при разрушении бака, что требует создания сложных и дорогостоящих систем пожаровзрывобезопасности при возникновении в процессе испытаний внештатных ситуаций.- the loss of large volumes of liquid hydrogen during the destruction of the tank, which requires the creation of complex and expensive fire and explosion safety systems in the event of emergency situations during testing.

Наиболее близким к предложенному является способ криогенно-прочностного испытания, включающий замену в баке воздуха на азот, захолаживание бака от 300 К до 80 К жидким азотом, заполнение и слив жидкого азота из бака, замену азотной среды на гелиевую, захолаживание бака от 80 К до 20К - 22 К с помощью гелиевого рефрижератора, повышение давления гелия в баке до расчетного при температуре криостатирования 20К - 22 К, отогрев бака до 300 К и компримирование гелия из бака в хранилище, замену гелия на воздух. (См. «Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. серия Машиностроение №3 2012).The closest to the proposed method is a cryogenic-strength test, including replacing air in the tank with nitrogen, cooling the tank from 300 K to 80 K with liquid nitrogen, filling and draining liquid nitrogen from the tank, replacing the nitrogen medium with helium, cooling the tank from 80 K to 20K - 22 K with the help of a helium refrigerator, increasing the helium pressure in the tank to the calculated one at a cryostatting temperature of 20K - 22 K, heating the tank to 300 K and compressing helium from the tank into the storage, replacing helium with air. (See "Bulletin of the Bauman Moscow State Technical University. Mechanical Engineering Series No. 3 2012).

Несмотря на то, что данный способ позволяет уменьшить время захолаживания, мощность гелиевого рефрижератора и не требует расхода жидкого водорода, способ имеет ряд существенных недостатков, главными из которых являются:Despite the fact that this method allows you to reduce the cooling time, the power of the helium refrigerator and does not require the consumption of liquid hydrogen, the method has a number of significant disadvantages, the main of which are:

- необходимость большого запаса газообразного гелия, так, например, в водородном баке V=100 м3 при температуре 20 К и расчетном давлении 5 кгс/см2 будет находиться порядка 7500 нм3 гелия и в случае разрушения бака приведет к потере довольно дорогого по стоимости гелия, а более того потребуется разработка и создание специальных систем безопасности из-за замены гидравлических испытаний на прочность на пневматические;- the need for a large supply of gaseous helium, so, for example, in a hydrogen tank V = 100 m 3 at a temperature of 20 K and a design pressure of 5 kgf / cm 2 there will be about 7500 nm 3 of helium and in the event of a tank breakdown will lead to the loss of a rather expensive helium, and moreover, it will be necessary to develop and create special safety systems due to the replacement of hydraulic tests for strength with pneumatic ones;

- охлаждение и криостатирование бака на уровне 20 К требует создания гелиевого рефрижератора на базе высокоэффективных винтовых компрессорных агрегатов и высокоэффективных турбодетандеров, систем очистки гелия от масла, низкотемпературных примесей, регенерации адсорберов и вакуумной откачки, создания многофункциональной системы контроля и управления, а также, как показал опыт эксплуатации подобных рефрижераторов в ИАЭ им Курчатова, ИВТАНЕ, подготовку и обучение высококвалифицированных кадров для эксплуатации.- cooling and cryostatting of the tank at a level of 20 K requires the creation of a helium refrigerator based on highly efficient screw compressor units and highly efficient turbo expanders, systems for purifying helium from oil, low-temperature impurities, regeneration of adsorbers and vacuum pumping, creation of a multifunctional monitoring and control system, as well as, as shown experience in operating such refrigerators at the Kurchatov IAE, IVTANE, training and education of highly qualified personnel for operation.

Решаемая задача - повышение технологической безопасности и надежности проведения испытаний при снижении их стоимости.The problem being solved is to increase the technological safety and reliability of testing while reducing their cost.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе криогенно-прочностного испытания водородного бака, включающем замену в баке воздуха на азот, захолаживание бака от 300 К до 80 К жидким азотом, заполнение и слив жидкого азота из бака, замену азотной среды на гелиевую, захолаживание бака от 80 К до 20 К ÷ 22 К с помощью гелиевого рефрижератора, повышение давления гелия в баке до расчетного при температуре криостатирования 20 К ÷ 22 К, отогрев бака до 300 К и компримирование гелия из бака в хранилище, замену гелия на воздух, испытание бака проводят в криостате, при этом до начала испытаний объем бака соединяют с внутренним объемом криостата, после чего заменяют воздух на азот, проводят захолаживание жидким азотом бака и внутреннего сосуда криостата от 300 К до 90 К ÷ 85 К, затем заменяют азот на водород и производят захолаживание жидким водородом бака и внутреннего сосуда криостата от 90 К ÷ 85 К до 20 К ÷ 22 К после чего заполняют бак жидким водородом и отсоединяют объем бака от внутреннего объема криостата, а затем повышают давление в баке до расчетного значения и в случае целостности бака удаляют жидкий водород из бака, после чего вновь соединяют объем бака с внутренним объемом криостата и проводят отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20 К ÷22 К до 70К ÷ 80 К газообразным водородом, а затем до 300 К - газообразным азотом, после чего меняют азот на воздух, а при разрушении конструкции бака в процессе повышения давления жидкого водорода объем бака соединяют с внутренним объемом криостата и удаляют жидкий водород из обоих объемов, но в первую очередь из объема с большей массой жидкого водорода, а далее бак и внутренний сосуд криостата отогревают от 20 К ÷ 22 К до 70 К ÷ 80 К газообразным водородом, а затем до 280 К ÷ 290 К - азотом, после чего производят замену азота на воздух.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of cryogenic-strength testing of a hydrogen tank, including replacing air in the tank with nitrogen, cooling the tank from 300 K to 80 K with liquid nitrogen, filling and draining liquid nitrogen from the tank, replacing the nitrogen medium with helium, cooling tank from 80 K to 20 K ÷ 22 K using a helium refrigerator, increasing the helium pressure in the tank to the calculated one at a cryostatting temperature of 20 K ÷ 22 K, heating the tank to 300 K and compressing helium from the tank into the storage, replacing helium with air, testing the tank is carried out in a cryostat, while before the start of the tests the volume of the tank is connected to the inner volume of the cryostat, after which the air is replaced with nitrogen, the tank and the inner vessel of the cryostat are cooled down with liquid nitrogen from 300 K to 90 K ÷ 85 K, then nitrogen is replaced with hydrogen and the tank and the inner vessel of the cryostat are cooled down with liquid hydrogen from 90 K ÷ 85 K to 20 K ÷ 22 K after which the tank is filled with liquid hydrogen and the volume of ba is disconnected from the internal volume of the cryostat, and then increase the pressure in the tank to the calculated value and, if the tank is intact, remove liquid hydrogen from the tank, then reconnect the tank volume with the internal volume of the cryostat and heat the tank and the internal vessel of the cryostat from 20 K ÷ 22 K up to 70 K ÷ 80 K with gaseous hydrogen, and then up to 300 K with gaseous nitrogen, after which the nitrogen is changed to air, and if the tank structure is destroyed during the pressure increase of liquid hydrogen, the volume of the tank is connected to the inner volume of the cryostat and liquid hydrogen is removed from both volumes, but first of all from the volume with a larger mass of liquid hydrogen, and then the tank and the inner vessel of the cryostat are heated from 20 K ÷ 22 K to 70 K ÷ 80 K with hydrogen gas, and then up to 280 K ÷ 290 K with nitrogen, after which they are replaced nitrogen to air.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся совокупными признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения, следовательно, оно соответствует критерию новизна.The analysis of the prior art made it possible to establish that the applicant has not found an analogue characterized by aggregate features identical to all essential features of the claimed invention, therefore, it meets the criterion of novelty.

На прилагаемом чертеже представлена принципиальная пневмогидравлическая схема стендовой криогенной системы, работающей по данному способу.The attached drawing shows a schematic pneumohydraulic diagram of a bench cryogenic system operating according to this method.

В состав стендовой криогенной системы входит криостат 1 с экрановакуумной изоляцией и съемной крышкой 2, азотная емкость 3 объемом (8÷10) м3 и рабочим давлением Рр=1,0 МПа с регулятором давления 4, испарителем наддува 5, клапаном 6 выдачи жидкого азота и клапаном 7 газосброса в атмосферу, водородная емкость 8 объемом (8÷10) м3 и рабочим давлением Рр=1,0 МПа, снабженная регулятором давления 9, испарителем наддува 10, клапаном 11 выдачи жидкого водорода и клапаном 12 газосброса в атмосферу, арматурный щит 13, укомплектованный запорно-регулирующими клапанами 14-36, предохранительными клапанами 37, 38, газификатором 39 жидкого водорода, газификатором 40 жидкого азота, подогревателем 41 газообразного водорода или азота, эжектором 42, вакуумным насосом 43 и внутрищитовой трубопроводной обвязкой.The bench cryogenic system includes a cryostat 1 with a screen-vacuum insulation and a removable cover 2, a nitrogen tank 3 with a volume of (8 ÷ 10) m 3 and a working pressure P p = 1.0 MPa with a pressure regulator 4, a pressurizing evaporator 5, a valve 6 for dispensing liquid nitrogen and a gas discharge valve 7 to the atmosphere, a hydrogen tank 8 with a volume of (8 ÷ 10) m 3 and a working pressure P p = 1.0 MPa, equipped with a pressure regulator 9, a boost evaporator 10, a valve 11 for dispensing liquid hydrogen and a gas discharge valve 12 to the atmosphere , an armature shield 13, complete with shut-off and control valves 14-36, safety valves 37, 38, a liquid hydrogen gasifier 39, a liquid nitrogen gasifier 40, a hydrogen or nitrogen gas heater 41, an ejector 42, a vacuum pump 43 and an inside-panel piping.

Внутри криостата 1 монтируется водородный бак 44 и система коллекторов, выполненных в виде беличьих колес, а именно:Inside the cryostat 1, a hydrogen tank 44 and a system of collectors made in the form of squirrel wheels are mounted, namely:

- азотный коллектор 45 с форсунками 46 для распыления жидкого азота на поверхность водородного бака 43 в процессе его охлаждения от 300 К до 85 К ÷ 90 К;- nitrogen collector 45 with nozzles 46 for spraying liquid nitrogen onto the surface of the hydrogen tank 43 during its cooling from 300 K to 85 K ÷ 90 K;

азотный коллектор 47 с форсунками 48, предназначенный для отогрева бака от 80 К до 300 К;nitrogen collector 47 with nozzles 48, designed to heat the tank from 80 K to 300 K;

- водородный коллектор 49 с форсунками 50 для распыления жидкого водорода в процессе захолаживания водородного бака 44 от 85 К ÷ 90 К до 22 К ÷ 25 К;- hydrogen manifold 49 with nozzles 50 for spraying liquid hydrogen in the process of cooling down the hydrogen tank 44 from 85 K ÷ 90 K to 22 K ÷ 25 K;

- водородный коллектор 51 с форсунками 52, предназначенный для отогрева водородного бака 44 от 20 К до 70 К ÷ 80 К.- hydrogen manifold 51 with nozzles 52, designed to heat the hydrogen tank 44 from 20 K to 70 K ÷ 80 K.

Каждый из названных коллекторов подсоединен к соответствующему клапану арматурного щита 13, например, азотный коллектор 45 - к клапану 25.Each of the named collectors is connected to the corresponding valve of the armature shield 13, for example, the nitrogen collector 45 - to the valve 25.

Кроме того, в криостате 1 смонтирован трубопровод 53 слива жидкого водорода и трубопровод 54 отвода из криостата 1 газообразного азота или водорода.In addition, the cryostat 1 is equipped with a pipeline 53 for draining liquid hydrogen and a pipeline 54 for removing gaseous nitrogen or hydrogen from the cryostat 1.

В самом водородном баке 44 на время испытаний установлены:During the tests, the hydrogen tank 44 itself contains:

- трубопровод 55 заполнения и слива жидкого водорода;- pipeline 55 for filling and draining liquid hydrogen;

- азотный эжектор 56 для захолаживания бака 44 от 300 К до 85 К ÷ 90 К;- nitrogen ejector 56 for cooling tank 44 from 300 K to 85 K ÷ 90 K;

- азотный эжектор 57 для отогрева бака 44 от 70 К ÷ 80 К до 280 К ÷ 290 К.- nitrogen ejector 57 for warming up the tank 44 from 70 K ÷ 80 K to 280 K ÷ 290 K.

Все перечисленные устройства через съемные участки также подключены к соответствующим клапанам арматурного щита 13, а на съемном трубопроводе 58 отвода газообразного азота или водорода выполнен контрольный бачок 59 объемом (1,5÷2,0) м3.All of the above devices are also connected through removable sections to the corresponding valves of the armature shield 13, and a control tank 59 with a volume of (1.5 ÷ 2.0) m 3 is made on the removable pipeline 58 for the removal of gaseous nitrogen or hydrogen.

Заполнение азотной емкости 3 жидким азотом производится из хранилища жидкого азота по трубопроводу 60, а заполнение водородной емкости 8 и криогенного бака 44 производится из хранилища жидкого водорода по трубопроводу 61, параллельно которому посредством клапанов 62 и 63 подключен насос 64.The filling of the nitrogen tank 3 with liquid nitrogen is carried out from the liquid nitrogen storage through the pipeline 60, and the filling of the hydrogen tank 8 and the cryogenic tank 44 is carried out from the storage of liquid hydrogen through the pipeline 61, in parallel to which the pump 64 is connected by means of valves 62 and 63.

(Хранилища жидкого водорода и жидкого азота на чертеже не показаны).(Storages of liquid hydrogen and liquid nitrogen are not shown in the drawing).

В состав стендовой криогенной системы входит также система контроля технологических параметров (на чертеже не показана), откуда оператору поступает информация от датчиков давления 65÷70, датчиков уровня 71÷75 и датчиков температуры 76 и 77.The bench cryogenic system also includes a system for monitoring technological parameters (not shown in the drawing), from where the operator receives information from pressure sensors 65 ÷ 70, level sensors 71 ÷ 75 and temperature sensors 76 and 77.

Функциональное назначение перечисленных выше позиций запорно-регулирующих клапанов и датчиков контроля параметров раскрывается в описании работы стендовой криогенной системы.The functional purpose of the above positions of the stop-control valves and parameter control sensors is disclosed in the description of the operation of the bench cryogenic system.

Способ криогенно-прочностного испытания водородного бака осуществляется следующим образом.The method of cryogenic-strength testing of a hydrogen tank is carried out as follows.

До начала испытаний стендовая криогенная система должна быть приведена в следующее исходное положение:Prior to testing, the bench cryogenic system should be brought into the following initial position:

- водородный бак 44 установлен в криостат 2 и подключен через съемные участки к арматурному щиту 13;- the hydrogen tank 44 is installed in the cryostat 2 and is connected through removable sections to the reinforcement shield 13;

- в арматурном щите 13 открыты клапаны 30 и 36, остальные клапаны закрыты;- valves 30 and 36 are open in the armature panel 13, the rest of the valves are closed;

- азотная емкость 3 заполнена жидким азотом и в ней поддерживается давление 1,0 МПа с помощью регулятора давления 4 за счет подачи газообразного азота от испарителя наддува 5, при этом контроль уровня в емкости 3 осуществляется датчиком 75, а давление - датчиком 70.- nitrogen tank 3 is filled with liquid nitrogen and a pressure of 1.0 MPa is maintained in it by means of a pressure regulator 4 by supplying gaseous nitrogen from a pressurizing evaporator 5, while the level in tank 3 is controlled by sensor 75, and pressure - by sensor 70.

Заполнение емкости 3 жидким азотом производится от хранилища через трубопровод 60, клапан 27, клапан 6 и открытый клапан 7 газосброса. После заполнения клапан 6 и клапан 27 закрываются;The tank 3 is filled with liquid nitrogen from the storage through pipeline 60, valve 27, valve 6 and open gas discharge valve 7. After filling, valve 6 and valve 27 are closed;

- водородная емкость 8 заполнена жидким водородом и в ней с помощью регулятора давления 9 за счет подачи газообразного водорода от испарителя наддува 10 поддерживается давление 1,0 МПа. При этом уровень в емкости 8 контролируется датчиком 74, давление - датчиком 69. Заполнение емкости 8 жидким водородом производится из хранилища по трубопроводу 61 через открытые клапаны 63, 14, 11 и открытый клапан 12 газосброса в свечу (на чертеже не показано). После заполнения емкости 8 клапаны 11, 12, 14 и 63 закрываются;- the hydrogen tank 8 is filled with liquid hydrogen and in it with the help of the pressure regulator 9 due to the supply of gaseous hydrogen from the pressurizing evaporator 10 a pressure of 1.0 MPa is maintained. The level in the tank 8 is controlled by the sensor 74, the pressure - by the sensor 69. The tank 8 is filled with liquid hydrogen from the storage through the pipeline 61 through the open valves 63, 14, 11 and the open valve 12 of the gas discharge into the candle (not shown in the drawing). After filling the container 8, valves 11, 12, 14 and 63 are closed;

- приведена в готовность система контроля и управления.- the monitoring and control system was brought into readiness.

Перед началом операции замены воздушной среды на азот проверяют и фиксируют открытое положение клапана 36, соединяющего объем криогенного бака 44 и внутренний объем криостата 1 через трубопроводы 54 и 58. Замену воздушной среды на азот производят вакуумированием общего объема с последующим заполнением газообразным азотом. Операцию вакуумирования проводят в два этапа. На первом этапе вакуумирование общего объема осуществляется с помощью эжектора 42, а на втором - с помощью вакуумного насоса 43.Before starting the operation of replacing the air medium with nitrogen, the open position of the valve 36 connecting the volume of the cryogenic tank 44 and the internal volume of the cryostat 1 through pipelines 54 and 58 is checked and fixed. The air medium is replaced with nitrogen by evacuating the total volume followed by filling with gaseous nitrogen. The vacuuming operation is carried out in two stages. At the first stage, the total volume is evacuated using an ejector 42, and at the second, using a vacuum pump 43.

Для выполнения первого этапа закрывают клапан 30, открывают клапаны 33, 32 и 6 и подают жидкий азот из азотной емкости 3 в газификатор 40, после которого газообразный азот с температурой 270 К ÷ 280 К и давлением 1,0 МПа поступает в сопло эжектора 42, после чего открытием клапана 31 подсоединяют общий объем к эжектору 42, где за счет эжекции производится откачка воздуха из общего объема с отводом воздушно-азотной смеси после эжектора 42 в свечу.To perform the first stage, the valve 30 is closed, valves 33, 32 and 6 are opened and liquid nitrogen is supplied from the nitrogen container 3 to the gasifier 40, after which gaseous nitrogen with a temperature of 270 K ÷ 280 K and a pressure of 1.0 MPa enters the ejector nozzle 42, after which, by opening the valve 31, the total volume is connected to the ejector 42, where, due to the ejection, air is pumped out from the total volume with the removal of the air-nitrogen mixture after the ejector 42 into the candle.

При достижении значения вакуума, контролируемого датчиками 65 и 66, порядка 100-50 мм рт. ст. переходят ко второму этапу вакуумирования. Для этого закрывают клапаны 31, 32 и 33, включают вакуумный насос 43, а затем постепенным открытием клапана 29 подключают общий объем к откачке. При достижении значения вакуума порядка 1⋅10-1÷5⋅10-2 мм рт. ст., контролируемого датчиком 67, закрывают клапан 29, отключают вакуумный насос 43 и заполняют общий объем газообразным азотом до давления (0,1÷0,12) МПа. Заполнение производят подачей газообразного азота через азотный коллектор 47 с форсунками 48, для чего открывают клапан 32 и после газификатора 40 плавным открытием клапана 26 заполняют общий объем до давления (0,1÷0,12) МПа, контролируемого по датчикам 65 и 66. После заполнения азотом клапаны 26 и 32 закрывают, открывают клапан 30 и приступают к следующему этапу захолаживания водородного бака 44 от 300 К до 85 К ÷ 90 К с помощью жидкого азота. При этом для ускорения процесса захолаживания водородный бак 44 охлаждают как с внешней, так и с внутренней стороны. Для этого открывают клапаны 25 и 23 и подают жидкий азот из азотной емкости 3 под давлением 1,0 МПа в азотный коллектор 45, где азот через форсунки 46 распыляется по всей наружной поверхности, а для интенсификации процесса охлаждения внутри объема водородного бака 44 жидкий азот подают в эжектор 56 также под давлением 1,0 МПа, что позволяет за счет эжекции существенно увеличить кратность циркуляции газообразного азота внутри объема водородного бака 44 и как следствие повысить коэффициент теплоотдачи к внутренней поверхности. Образовавшийся газообразный азот из бака 44 отводят по трубопроводу 58 через клапан 36, после которого соединяют с потоком газообразного азота, возвращаемого из криостата по трубопроводу 54, после чего общий поток азота через клапан 30 и обратный клапан 34 сбрасывают в свечу.Upon reaching the value of the vacuum controlled by sensors 65 and 66, about 100-50 mm Hg. Art. go to the second stage of evacuation. For this, valves 31, 32 and 33 are closed, the vacuum pump 43 is turned on, and then, by gradually opening valve 29, the total volume is connected to pumping. Upon reaching a vacuum value of the order of 1⋅10 -1 ÷ 5⋅10 -2 mm Hg. Art., controlled by the sensor 67, close the valve 29, turn off the vacuum pump 43 and fill the total volume with gaseous nitrogen to a pressure of (0.1 ÷ 0.12) MPa. Filling is carried out by supplying gaseous nitrogen through a nitrogen manifold 47 with nozzles 48, for which the valve 32 is opened and after the gasifier 40 by smoothly opening the valve 26 the total volume is filled up to a pressure of (0.1 ÷ 0.12) MPa, monitored by sensors 65 and 66. After filling with nitrogen, valves 26 and 32 are closed, valve 30 is opened and the next stage of cooling hydrogen tank 44 from 300 K to 85 K ÷ 90 K with the help of liquid nitrogen is started. In this case, to accelerate the chilling process, the hydrogen tank 44 is cooled both from the outside and from the inside. For this, valves 25 and 23 are opened and liquid nitrogen is supplied from the nitrogen tank 3 at a pressure of 1.0 MPa to the nitrogen collector 45, where nitrogen is sprayed through the nozzles 46 over the entire outer surface, and to intensify the cooling process inside the volume of the hydrogen tank 44, liquid nitrogen is supplied into the ejector 56 also under a pressure of 1.0 MPa, which allows, due to the ejection, to significantly increase the rate of circulation of gaseous nitrogen inside the volume of the hydrogen tank 44 and, as a consequence, to increase the heat transfer coefficient to the inner surface. The resulting gaseous nitrogen from the tank 44 is removed through the pipeline 58 through the valve 36, after which it is connected to the flow of nitrogen gas returned from the cryostat through the pipeline 54, after which the total nitrogen flow through the valve 30 and the check valve 34 is discharged into the candle.

В процессе захолаживания производят контроль температуры азота по датчикам 76 и 77. При достижении температуры отходящих потоков порядка 85 К ÷ 90 К процесс захолаживания азотом считается законченным, закрывают клапаны 23, 25 и 30 и переходят к следующему этапу - замене азотной среды на водородную, которую проводят аналогично замене воздуха на азот. Отличие заключается лишь в том, что при откачке общего объема вакуумным насосом 43 включают нагреватель 41 для повышения температуры откачиваемого азота перед вакуумным насосом 43. При достижении вакуума в общем объеме порядка 1⋅10-1÷1⋅10-2 мм рт. ст. клапан 29 закрывают и отключают вакуумный насос 43. Далее объем бака 44 и внутренний объем криостата 1 заполняют водородом, который подают из водородной емкости 8 по трубопроводу 55 на дно водородного бака 44. Для этого открывают клапан 11, а затем с помощью регулирующего клапана 18 подают в бак 44 жидкий водород, который, попадая на дно бака 44, испаряется и заполняет объем бака 44 и внутренний объем криостата 1 через трубопровод 58, клапан 36 и трубопровод 54. Рост давления постоянно контролируется датчиками 65 и 66. При достижении давления порядка (0,12÷0,15) МПа открывают клапан 30 и газообразный водород, образующийся в процессе захолаживания конструкции водородного бака 44, сбрасывается в свечу через обратный клапан 34.In the process of cooling down, the nitrogen temperature is monitored using sensors 76 and 77. When the temperature of the effluent streams reaches about 85 K ÷ 90 K, the cooling process with nitrogen is considered complete, valves 23, 25 and 30 are closed and the next step is to replace the nitrogen medium with a hydrogen medium, which is carried out in the same way as replacing air with nitrogen. The only difference is that when the total volume is pumped out by the vacuum pump 43, the heater 41 is switched on to increase the temperature of the pumped out nitrogen in front of the vacuum pump 43. When a vacuum in the total volume is about 1⋅10 -1 ÷ 1⋅10 -2 mm Hg. Art. the valve 29 is closed and the vacuum pump 43 is turned off. Next, the volume of the tank 44 and the internal volume of the cryostat 1 are filled with hydrogen, which is supplied from the hydrogen container 8 through the pipeline 55 to the bottom of the hydrogen tank 44. For this, the valve 11 is opened, and then, using the control valve 18, liquid hydrogen into the tank 44, which, falling to the bottom of the tank 44, evaporates and fills the volume of the tank 44 and the internal volume of the cryostat 1 through line 58, valve 36 and line 54. The pressure increase is constantly monitored by sensors 65 and 66. When a pressure of the order of (0 , 12 ÷ 0.15) MPa, the valve 30 is opened and the hydrogen gas generated during the cooling down of the structure of the hydrogen tank 44 is discharged into the candle through the check valve 34.

Для ускорения процесса захолаживания бака до водородных температур дополнительно организуют подачу жидкого водорода в водородный коллектор 49 с форсунками 50 с помощью клапана 17, который открывают, и жидкий водород под давлением 1,0 МПа из форсунок 50 распыляется по всей поверхности бака 44, а образующийся газообразный водород отводится из внутреннего объема криостата 1 через трубопровод 54, соединяется с потоком газообразного водорода, поступающего из бака 44, и далее общий поток сбрасывается через клапан 30 и обратный клапан 34 в свечу. В процессе захолаживания водородного бака 44 постоянно контролируются температуры потоков газообразного водорода датчиками 75 и 76. При достижении значения температуры порядка 22 К - 25 К процесс захолаживания водородного бака считается законченным, после чего переходят к заполнению водородного бака жидким водородом из хранилища (на чертеже не показано). Для этого открывают клапан 63, открывают клапан 19 и через открытый клапан 19 производят заполнение бака 44 жидким водородом, контролируя уровень в баке 44 датчиком 71 и контрольном бачке 59 датчиком 73. Для захолаживания насоса 64 и подготовке его к работе открывают клапан 62. Как только уровень в контрольном бачке по показаниям датчика 73 составит 85-90%, процесс заполнения водородного бака 44 прекращают, закрывая клапан 19. В процессе заполнения водородного бака 44 осуществляют периодическое орошение наружной поверхности бака жидким водородом, подаваемым из водородной емкости 8 клапаном 17 в водородный коллектор 49 через форсунки 50, что обеспечивает стабильный режим термостатирования бака 44 на уровне 20 К - 22 К как в процессе заполнения бака 44 жидким водородом, так и в процессе проведения главного этапа испытаний - это испытание бака 44 на прочность.To accelerate the process of cooling the tank down to hydrogen temperatures, liquid hydrogen is additionally supplied to the hydrogen collector 49 with nozzles 50 by means of valve 17, which is opened, and liquid hydrogen under a pressure of 1.0 MPa from nozzles 50 is sprayed over the entire surface of the tank 44, and the resulting gaseous hydrogen is removed from the internal volume of the cryostat 1 through the pipeline 54, is connected to the flow of gaseous hydrogen coming from the tank 44, and then the total flow is discharged through the valve 30 and the check valve 34 into the candle. In the process of cooling down the hydrogen tank 44, the temperatures of the streams of gaseous hydrogen are constantly monitored by sensors 75 and 76. When a temperature value of about 22 K - 25 K is reached, the process of cooling down the hydrogen tank is considered complete, after which they proceed to filling the hydrogen tank with liquid hydrogen from the storage (not shown in the drawing ). To do this, open the valve 63, open the valve 19 and fill the tank 44 with liquid hydrogen through the open valve 19, controlling the level in the tank 44 with the sensor 71 and the control tank 59 with the sensor 73. To cool down the pump 64 and prepare it for operation, open the valve 62. As soon as the level in the control tank according to the readings of the sensor 73 will be 85-90%, the filling process of the hydrogen tank 44 is stopped by closing the valve 19. In the process of filling the hydrogen tank 44, the outer surface of the tank is periodically sprayed with liquid hydrogen supplied from the hydrogen tank 8 by valve 17 to the hydrogen collector 49 through the nozzles 50, which ensures a stable thermostatting regime of the tank 44 at the level of 20 K - 22 K both in the process of filling the tank 44 with liquid hydrogen and during the main stage of testing - this is the strength test of the tank 44.

Для проведения этого этапа бак 44 отсоединяют от внутреннего объема криостата 1 закрытием клапана 36, а далее открывают клапан 28 и подают жидкий водород в газификатор 39, а регулирующим клапаном 21, поднимают и поддерживают давление в контрольном бачке 59, а следовательно и в водородном баке 44 равным расчетному значению, контролируя при этом давление по датчикам 66 и 68, и выдерживают заданное время. Если испытание бака на прочность проходит без разрушения, то переходят к следующему этапу - перекачиванию жидкого водорода из бака 44 в хранилище с помощью насоса 64. Для этого закрывают клапан 21, открывают клапан 19, открывают клапан 63 и запускают насос 64 в работу. В результате жидкий водород из бака 44 через трубопровод 55, клапан 19 будет перекачиваться насосом 64 через клапан 62 по трубопроводу 61 в хранилище жидкого водорода. В процессе перекачивания клапаном 21 поддерживают в водородном баке 44 за счет наддува газообразного водорода, образующегося в газификаторе 39, давление, обеспечивающее стабильный безкавитационный режим работы насоса 64. Контроль давления производят по датчику 68.To carry out this stage, the tank 44 is disconnected from the internal volume of the cryostat 1 by closing the valve 36, and then the valve 28 is opened and liquid hydrogen is supplied to the gasifier 39, and with the control valve 21, the pressure is raised and maintained in the control tank 59, and therefore in the hydrogen tank 44 equal to the calculated value, while controlling the pressure by sensors 66 and 68, and withstand a given time. If the strength test of the tank passes without destruction, then proceed to the next stage - pumping liquid hydrogen from the tank 44 to the storage using the pump 64. To do this, close the valve 21, open the valve 19, open the valve 63 and start the pump 64 in operation. As a result, liquid hydrogen from tank 44 through conduit 55, valve 19, will be pumped by pump 64 through valve 62 through conduit 61 into the liquid hydrogen storage. During pumping, the valve 21 maintains a pressure in the hydrogen tank 44 due to the pressurization of gaseous hydrogen generated in the gasifier 39, which ensures a stable non-cavitation mode of operation of the pump 64. The pressure is controlled by the sensor 68.

При достижении в водородном баке 44 минимального уровня жидкого водорода прекращают работу насоса 64, закрывают клапан 19, открывают клапан 36 и вновь соединяют объемы бака 44 и внутренний объем криостата 1, после чего начинают процесс отогрева бака 44 и криостата 1 от 20 К ÷ 22 К до 300 К. Операцию отогрева выполняют в два этапа. На первом этапе процесс отогрева от 20 К ÷ 22 К до 70 К - 80 К осуществляют газообразным водородом, который получают в газификаторе 39 и через клапан 16 под давлением 1,0 МПа направляют в коллектор 51, где теплый водород через форсунки 52 направляется на поверхность водородного бака 44 и внутренний корпус криостата 1. Одновременно теплый водород поступает и во внутренний объем бака 44 через регулирующий клапан 20, где он дросселируется, понижая давление с 1,0 МПа до (0,11-0,12) МПа. В результате теплообмена температура бака 44 и внутреннего корпуса криостата 1 начнет повышаться и при достижении температуры газообразного водорода порядка 70 К ÷ 80 К, отводимого из внутреннего объема криостата 1 и бака 44 по трубопроводам 58 и 54 и далее через клапан 30 и обратный клапан 34 в свечу. Контроль температуры осуществляют по датчикам 76, 77. На этом первый этап отогрева заканчивают, закрывают клапаны 11, 28, 16 и 20 и тем самым прекращают подачу водорода в бак 44 и криостат 1, а далее переходят ко второму этапу отогрева бака 44 и криостата 1 до 280 К ÷ 290 К помощью газообразного азота. Операцию отогрева осуществляют следующим образом. Открывают клапан 6 на азотной емкости 3, клапан 32 подачи жидкого азота на газификатор 40, и газообразный азот с температурой 290 К ÷ 300 К и давлением 1,0 МПа подают вначале через клапан 26 в коллектор 47, где азот из форсунок 48 попадает на поверхность бака 44 и поверхность внутреннего сосуда криостата 1, а затем открывают клапан 23 и подают также под давлением 1,0 МПа в эжектор 56, с помощью которого за счет увеличения кратности циркуляционного потока внутри бака 44 повышается интенсивность теплоотдачи от азота к внутренней поверхности бака 44. В процессе отогрева оба потока газообразного азота сбрасываются на свечу через клапан 30 и обратный клапан 34, при этом температура потоков контролируется датчиками 76 и 77. При достижении температур, выходящих из бака 44 и криостата 1 потоков порядка 280 К ÷ 290 К процесс отогрева считается завершенным.When the minimum level of liquid hydrogen is reached in the hydrogen tank 44, the pump 64 is stopped, valve 19 is closed, valve 36 is opened and the volumes of the tank 44 and the internal volume of the cryostat 1 are again connected, after which the process of warming up the tank 44 and cryostat 1 from 20 K ÷ 22 K up to 300 K. The heating operation is performed in two stages. At the first stage, the process of warming up from 20 K ÷ 22 K to 70 K - 80 K is carried out with gaseous hydrogen, which is obtained in the gasifier 39 and through the valve 16 under a pressure of 1.0 MPa is directed to the collector 51, where warm hydrogen is directed to the surface through the nozzles 52 hydrogen tank 44 and the inner case of the cryostat 1. At the same time, warm hydrogen enters the inner volume of the tank 44 through the control valve 20, where it is throttled, reducing the pressure from 1.0 MPa to (0.11-0.12) MPa. As a result of heat exchange, the temperature of the tank 44 and the inner housing of the cryostat 1 will begin to increase, and when the temperature of gaseous hydrogen reaches the order of 70 K ÷ 80 K removed from the inner volume of the cryostat 1 and tank 44 through pipelines 58 and 54 and then through valve 30 and check valve 34 into candle. Temperature control is carried out using sensors 76, 77. At this point, the first stage of warming up is completed, valves 11, 28, 16 and 20 are closed and thus the supply of hydrogen to the tank 44 and cryostat 1 is stopped, and then the second stage of warming up the tank 44 and cryostat 1 up to 280 K ÷ 290 K using nitrogen gas. The warming operation is carried out as follows. Valve 6 is opened on nitrogen tank 3, valve 32 for supplying liquid nitrogen to gasifier 40, and gaseous nitrogen with a temperature of 290 K ÷ 300 K and a pressure of 1.0 MPa is first fed through valve 26 into manifold 47, where nitrogen from nozzles 48 enters the surface tank 44 and the surface of the inner vessel of the cryostat 1, and then open the valve 23 and also supply at a pressure of 1.0 MPa to the ejector 56, with which, by increasing the multiplicity of the circulation flow inside the tank 44, the intensity of heat transfer from nitrogen to the inner surface of the tank 44 increases. In the process of warming up, both streams of gaseous nitrogen are discharged to the candle through valve 30 and check valve 34, while the temperature of the streams is controlled by sensors 76 and 77. When the temperatures leaving the tank 44 and cryostat 1 of the streams of the order of 280 K ÷ 290 K are reached, the heating process is considered complete ...

После отогрева бака 44 и криостата 1 заменяют азот на воздух. Для проведения этой операции закрывают клапаны 23 и 26, прекращая подачу газообразного азота в бак 44 и криостат 1, закрывают клапан 30, открывают клапан 33 и подают газообразный азот давлением 1,0 МПа и температурой 290 К ÷ 300 К на эжектор 42 и затем открывают клапан 31. При достижении давления в общем объеме порядка 100-50 мм рт. ст. закрывают клапан 31 и через клапан 22 напускают воздух в бак 44 и криостат 1. После заполнения воздухом через клапан 35 отбирают пробу на содержание кислорода, если содержание кислорода в пробе более 19%, то закрывают клапан 6 на азотной емкости 3 и клапаны 32 и 33. На этом криогенно-прочностные испытания водородного бака 44 считаются завершенными, бак 44 демонтируют из криостата 1. Перед демонтажом бака 44 снимают крышку 2 криостата 1, отсоединяют от бака 44 съемные участки, вынимают из бака 44 эжекторы 56, 57 и трубопровод 55 заполнения и слива жидкого водорода, после чего бак 44 поднимают из криостата 1 и передают на следующую операцию согласно технологического маршрута.After warming up the tank 44 and the cryostat 1, replace the nitrogen with air. To carry out this operation, valves 23 and 26 are closed, stopping the supply of gaseous nitrogen to tank 44 and cryostat 1, valve 30 is closed, valve 33 is opened and gaseous nitrogen is supplied with a pressure of 1.0 MPa and a temperature of 290 K ÷ 300 K to the ejector 42 and then open valve 31. When the pressure in the total volume is about 100-50 mm Hg. Art. close valve 31 and through valve 22 let air into tank 44 and cryostat 1. After filling with air through valve 35, take a sample for the oxygen content, if the oxygen content in the sample is more than 19%, then close valve 6 on nitrogen tank 3 and valves 32 and 33 At this, the cryogenic-strength tests of the hydrogen tank 44 are considered completed, the tank 44 is dismantled from the cryostat 1. Before dismantling the tank 44, remove the cover 2 of the cryostat 1, disconnect the removable sections from the tank 44, remove the ejectors 56, 57 and the filling line 55 from the tank 44, and drainage of liquid hydrogen, after which the tank 44 is lifted from the cryostat 1 and transferred to the next operation according to the technological route.

В том случае, если в процессе повышения давления до расчетного значения в баке 44, заполненном жидким водородом, произойдет его разрушение, то в зависимости от места разгерметизации бака 44 часть жидкого водорода заполнит часть внутреннего объема криостата 1, в котором за счет периодической подачи жидкого водорода из емкости 8 с помощью клапана 17 в коллектор 49 под давлением 1,0 МПа и разбрызгивания жидкого водорода через форсунки 50 на поверхность бака 44 и криостата 1 поддерживается температура внутри криостата 1 20 К ÷ 22 К. Поэтому при разрушении конструкции бака 44 в процессе его гидравлических испытаний жидкий водород, поданный из хранилища для заполнения объема бака, сохраняется и возвращается в хранилище с помощью насоса 64 с потерей от 0,5% до 1,5%. Перекачивание жидкого водорода производят следующим образом. Закрывают клапаны 21, 30, открывают клапан 36, закрывают клапан 63, открывают клапан 62 и готовят к работе насос 61. Регулирующим клапаном 21 создают и поддерживают давление в баке 44 и внутреннем объеме криостата 1, которое контролируют датчиками 65, 66, 68, за счет подачи газообразного водорода, обеспечивающее безкавитационный режим работы насоса 61. Откачку жидкого водорода начинают выполнять из того объема, в котором находится большее количество жидкого водорода, которое определяют по датчикам уровня 71 и 72. Если в баке 44 осталось большее количество жидкого водорода, чем в криостате 1, то тогда открывают клапан 19, включают насос 66 и начинают откачивать из бака 44 жидкий водород в хранилище. При достижении минимального уровня жидкого водорода в баке начинают производить откачку жидкого водорода из криостата 1, для чего открывают клапан 15, а клапан 19 закрывают. При достижении, минимального уровня жидкого водорода во внутреннем объеме криостата 1 отключают насос 64, закрывают клапаны 62, 15 и 21, после чего операции по отогреву бака 44 и криостата 1 от 20 К до 300 К и демонтаж бака 44 из криостата 1 проводят идентично операциям для бака 44, прошедшего криогенно-прочностное испытание без разрушения. На случай ошибочных действий оператора или возникновения внештатных ситуаций для защиты бака и криостата установлены предохранительные клапаны 37 и 38.In the event that, in the process of increasing the pressure to the calculated value in the tank 44 filled with liquid hydrogen, its destruction occurs, then, depending on the place of depressurization of the tank 44, part of the liquid hydrogen will fill a part of the internal volume of the cryostat 1, in which due to the periodic supply of liquid hydrogen from tank 8 with the help of valve 17 into collector 49 under a pressure of 1.0 MPa and spraying liquid hydrogen through nozzles 50 onto the surface of tank 44 and cryostat 1, the temperature inside the cryostat 1 is maintained at 20 K ÷ 22 K. Therefore, when the structure of tank 44 is destroyed during its During hydraulic tests, liquid hydrogen supplied from the storage to fill the tank volume is stored and returned to the storage using the pump 64 with a loss of 0.5% to 1.5%. Liquid hydrogen is pumped as follows. The valves 21, 30 are closed, the valve 36 is opened, the valve 63 is closed, the valve 62 is opened and the pump 61 is prepared for operation. The pressure in the tank 44 and the internal volume of the cryostat 1 is created and maintained by the control valve 21, which is controlled by the sensors 65, 66, 68. by supplying gaseous hydrogen, providing a cavitation-free operation of the pump 61. Pumping out of liquid hydrogen begins to be performed from the volume in which there is a larger amount of liquid hydrogen, which is determined by the level sensors 71 and 72. If there is more liquid hydrogen in the tank 44 than in cryostat 1, then valve 19 is opened, pump 66 is turned on and liquid hydrogen is pumped out of tank 44 into storage. When the minimum level of liquid hydrogen in the tank is reached, liquid hydrogen is pumped out of the cryostat 1, for which valve 15 is opened and valve 19 is closed. When the minimum level of liquid hydrogen in the inner volume of the cryostat 1 is reached, pump 64 is turned off, valves 62, 15 and 21 are closed, after which the operations to warm up the tank 44 and cryostat 1 from 20 K to 300 K and dismantle the tank 44 from the cryostat 1 are carried out identically to the operations for tank 44, which has passed the cryogenic strength test without destruction. In case of erroneous actions of the operator or the occurrence of emergency situations, safety valves 37 and 38 are installed to protect the tank and cryostat.

Предложенный способ криогенно-прочностного испытания водородного бака, как видно из описания, существенно упрощает технологию испытаний, повышает их безопасность и надежность, а кроме того, как показали оценочные расчеты, в 10-15 раз сокращает капитальные и эксплуатационные расходы, особенно в том случае, если стендовую криогенную систему создавать на стартовых криогенных заправочных комплексах ракетно-космической техники или на заводах по производству многотоннажного жидкого водорода.The proposed method of cryogenic-strength testing of a hydrogen tank, as can be seen from the description, significantly simplifies the test technology, increases their safety and reliability, and in addition, as shown by the estimated calculations, reduces capital and operating costs by 10-15 times, especially in the case if a bench cryogenic system is created at launch cryogenic filling complexes of rocket and space technology or at factories for the production of large-tonnage liquid hydrogen.

Claims (1)

Способ криогенно-прочностного испытания водородного бака, включающий замену в баке воздуха на азот, захолаживание бака от 300 К до 80 К жидким азотом, заполнение и слив жидкого азота из бака, замену азотной среды на гелиевую, захолаживание бака от 80 К до 20 К ÷ 22 К с помощью гелиевого рефрижератора, повышение давления гелия в баке до расчетного при температуре криостатирования 20 К ÷ 22 К, отогрев бака до 300 К и компримирование гелия из бака в хранилище, замену гелия на воздух, отличающийся тем, что испытание бака проводят в криостате, при этом до начала испытаний объем бака соединяют с внутренним объемом криостата, после чего заменяют воздух на азот, проводят захолаживание жидким азотом бака и внутреннего сосуда криостата от 300 К до 90 К ÷ 85 К, затем заменяют азот на водород и производят захолаживание жидким водородом бака и внутреннего сосуда криостата от 90 К ÷ 85 К до 20 К ÷ 22 К, после чего заполняют бак жидким водородом и отсоединяют объем бака от внутреннего объема криостата, а затем повышают давление в баке до расчетного значения и в случае целостности бака удаляют жидкий водород из бака, после чего вновь соединяют объем бака с внутренним объемом криостата и проводят отогрев бака и внутреннего сосуда криостата от 20 К ÷ 22 К до 70 К ÷ 80 К газообразным водородом, а затем до 300 К - газообразным азотом, после чего меняют азот на воздух, а при разрушении конструкции бака в процессе повышения давления жидкого водорода объем бака соединяют с внутренним объемом криостата и удаляют жидкий водород из обоих объемов, но в первую очередь из объема с большей массой жидкого водорода, а далее бак и внутренний сосуд криостата отогревают от 20 К ÷ 22 К до 70 К ÷ 80 К газообразным водородом, а затем до 280 К ÷ 290 К - азотом, после чего производят замену азота на воздух.A method of cryogenic-strength testing of a hydrogen tank, including replacing air in the tank with nitrogen, cooling the tank from 300 K to 80 K with liquid nitrogen, filling and draining liquid nitrogen from the tank, replacing the nitrogen medium with helium, cooling the tank from 80 K to 20 K h 22 K with the help of a helium refrigerator, increasing the helium pressure in the tank to the calculated one at a cryostatting temperature of 20 K ÷ 22 K, heating the tank to 300 K and compressing helium from the tank into the storage, replacing helium with air, characterized in that the tank is tested in a cryostat , at the same time, before the start of the tests, the volume of the tank is connected to the inner volume of the cryostat, after which the air is replaced with nitrogen, the tank and the inner vessel of the cryostat are cooled down with liquid nitrogen from 300 K to 90 K ÷ 85 K, then the nitrogen is replaced with hydrogen and cooled down with liquid hydrogen the tank and the inner vessel of the cryostat from 90 K ÷ 85 K to 20 K ÷ 22 K, after which the tank is filled with liquid hydrogen and the volume of the tank is disconnected from the inner volume of the cryostat a, and then the pressure in the tank is increased to the calculated value and in the case of the integrity of the tank, liquid hydrogen is removed from the tank, after which the volume of the tank is again connected to the internal volume of the cryostat and the tank and the inner vessel of the cryostat are warmed up from 20 K ÷ 22 K to 70 K ÷ 80 K with gaseous hydrogen, and then up to 300 K with gaseous nitrogen, after which the nitrogen is changed to air, and when the tank structure is destroyed during the pressure increase of liquid hydrogen, the tank volume is connected to the inner volume of the cryostat and liquid hydrogen is removed from both volumes, but in the first a turn from a volume with a larger mass of liquid hydrogen, and then the tank and the inner vessel of the cryostat are heated from 20 K ÷ 22 K to 70 K ÷ 80 K with gaseous hydrogen, and then up to 280 K ÷ 290 K with nitrogen, after which the nitrogen is replaced by air ...
RU2020106026A 2020-02-07 2020-02-07 Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank RU2730129C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020106026A RU2730129C1 (en) 2020-02-07 2020-02-07 Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020106026A RU2730129C1 (en) 2020-02-07 2020-02-07 Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2730129C1 true RU2730129C1 (en) 2020-08-17

Family

ID=72086363

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020106026A RU2730129C1 (en) 2020-02-07 2020-02-07 Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2730129C1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2756169C1 (en) * 2020-11-24 2021-09-28 Юрий Иванович Духанин Method for cryogenic strength testing of hydrogen tank in cryostat
CN113820098A (en) * 2021-08-31 2021-12-21 北京宇航系统工程研究所 Liquid nitrogen cavitation test verification system and bubble generation process observation method
CN113984292A (en) * 2021-09-30 2022-01-28 北京航天试验技术研究所 Liquid hydrogen valve leakage detection device and method
US11280695B2 (en) * 2018-11-27 2022-03-22 West Pharmaceutical Services, Inc. System and method for testing closure integrity of a sealed container at cryogenic temperatures
CN116256259A (en) * 2023-05-15 2023-06-13 江阴常春藤科技有限公司 Method and system for testing hydraulic fatigue of gas cylinder in ultralow temperature environment
WO2023185939A1 (en) * 2022-04-02 2023-10-05 华东理工大学 Low-temperature liquid hydrogen environment material fatigue performance test system
RU2808942C1 (en) * 2023-01-30 2023-12-05 Юрий Иванович Духанин Method for cryogenic strength testing of tank in cryostat

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100055163A (en) * 2008-11-17 2010-05-26 삼성중공업 주식회사 Method for airtight test of cargo tank
RU2488790C1 (en) * 2012-01-19 2013-07-27 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс") Cryogenic tank check test method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20100055163A (en) * 2008-11-17 2010-05-26 삼성중공업 주식회사 Method for airtight test of cargo tank
RU2488790C1 (en) * 2012-01-19 2013-07-27 Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс") Cryogenic tank check test method

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Васюкова Д.А., Колозезный А.Э., Юранев О.А., " ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРИОГЕННОЙ ГЕЛИЕВОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИМИТАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ТЕМПЕРАТУР ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ПРОЧНОСТЬ БАКОВ ЖИДКОГО ВОДОРОДА ПЕРСПЕКТИВНЫХ СРЕДСТВ ВЫВЕДЕНИЯ", КОСМОНАВТИКА И РАКЕТОСТРОЕНИЕ, Номер: 2 (67), 2012, С. 179-186. *
Васюкова Д.А., Колозезный А.Э., Юранев О.А., "Квалификация способов расчета захолаживания крупногабаритной испытательной сборки "криогенного" топливного бака РКН при свободной конвекции газообразного хладагента", Полет, 2015, номер 7, C. 18-24. *
Васюкова Д.А., Колозезный А.Э., Юранев О.А., "Эффективный подход к проведению зачетных прочностных испытаний криогенных баков перспективных средств выведения", Авиакосмическая техника и технология, 2013, номер 1, C. 23-25. *
Юранев О.А., "Исследования различных способов захолаживания криогенных топливных баков изделий ракетно-космической техники", Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, Серия "Машиностроение", 2018, номер 3, С. 50-57. *
Юранев О.А., "Исследования различных способов захолаживания криогенных топливных баков изделий ракетно-космической техники", Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана, Серия "Машиностроение", 2018, номер 3, С. 50-57. Васюкова Д.А., Колозезный А.Э., Юранев О.А., " ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КРИОГЕННОЙ ГЕЛИЕВОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИМИТАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ТЕМПЕРАТУР ПРИ ИСПЫТАНИЯХ НА ПРОЧНОСТЬ БАКОВ ЖИДКОГО ВОДОРОДА ПЕРСПЕКТИВНЫХ СРЕДСТВ ВЫВЕДЕНИЯ", КОСМОНАВТИКА И РАКЕТОСТРОЕНИЕ, Номер: 2 (67), 2012, С. 179-186. Васюкова Д.А., Колозезный А.Э., Юранев О.А., "Квалификация способов расчета захолаживания крупногабаритной испытательной сборки "криогенного" топливного бака РКН при свободной конвекции газообразного хладагента", Полет, 2015, номер 7, C. 18-24. Васюкова Д.А., Колозезный А.Э., Юранев О.А., "Эффективный подход к проведению зачетных прочностных испытаний криогенных баков перспективных средств выведения", Авиакосмическая техника и технология, 2013, номер 1, C. 23-25. *

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11280695B2 (en) * 2018-11-27 2022-03-22 West Pharmaceutical Services, Inc. System and method for testing closure integrity of a sealed container at cryogenic temperatures
RU2756169C1 (en) * 2020-11-24 2021-09-28 Юрий Иванович Духанин Method for cryogenic strength testing of hydrogen tank in cryostat
CN113820098A (en) * 2021-08-31 2021-12-21 北京宇航系统工程研究所 Liquid nitrogen cavitation test verification system and bubble generation process observation method
CN113820098B (en) * 2021-08-31 2024-03-15 北京宇航系统工程研究所 Liquid nitrogen cavitation test verification system and bubble generation process observation method
CN113984292A (en) * 2021-09-30 2022-01-28 北京航天试验技术研究所 Liquid hydrogen valve leakage detection device and method
CN113984292B (en) * 2021-09-30 2024-02-09 北京航天试验技术研究所 Liquid hydrogen valve leakage detection device and method
WO2023185939A1 (en) * 2022-04-02 2023-10-05 华东理工大学 Low-temperature liquid hydrogen environment material fatigue performance test system
RU2808942C1 (en) * 2023-01-30 2023-12-05 Юрий Иванович Духанин Method for cryogenic strength testing of tank in cryostat
CN116256259A (en) * 2023-05-15 2023-06-13 江阴常春藤科技有限公司 Method and system for testing hydraulic fatigue of gas cylinder in ultralow temperature environment
CN116256259B (en) * 2023-05-15 2023-08-04 江阴常春藤科技有限公司 Method and system for testing hydraulic fatigue of gas cylinder in ultralow temperature environment

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2730129C1 (en) Method for cryogenic-strength test of hydrogen tank
JP6688583B2 (en) Gas supply device and gas supply method
US4032337A (en) Method and apparatus for pressurizing hot-isostatic pressure vessels
US5327732A (en) Apparatus for supplying cryogenic fluid, namely nitrogen, to extinguish fires
CN112228769B (en) Liquid methane deep supercooling and filling system and method based on anti-freezing control
KR20210118811A (en) Method and system for dispensing liquefied gas
NL1037030C2 (en) Method and filling installation for filling a hydrogen gas into a vessel.
US3210953A (en) Volatile liquid or liquefied gas storage, refrigeration, and unloading process and system
CN105909493A (en) Cryopump system, cryopump controller, and cryopump regeneration method
CN105864639A (en) Pipeline pressure-stabilizing system and method used after liquefied petroleum gas out-conveying pipeline stops conveying
CN114739055B (en) Liquid oxygen/liquid methane comprehensive supercooling system and method based on liquid oxygen refrigeration capacity
US20140157823A1 (en) Systems and methods for distributed production of liquified natural gas
CN111148931A (en) Apparatus and method for filling a mobile refrigerant tank with cryogenic refrigerant
NO323121B1 (en) Method and apparatus for securing a vessel's cargo area against overpressure
KR20210122390A (en) Hydrogen liquefaction system
RU2386890C2 (en) Spacecraft cryogenic refueling system
RU2756169C1 (en) Method for cryogenic strength testing of hydrogen tank in cryostat
CN114352502B (en) Gas supercharging device and supercharging system
CN109668924A (en) Submerged gas liquefaction deep cooling experimental provision and its experimental method
JP2024525059A (en) Equipment and method for liquefying hydrogen
CN220995222U (en) Liquid carbon dioxide filling system
EP3769003B1 (en) Pressurized container for liquefied gas and consumer connection
RU2300062C2 (en) Method and device for drying gas pipelines
JP2000074557A (en) Sulfur hexafluoride
CN110080965B (en) Multistage gas compression system for supercritical carbon dioxide and operation method