Криогенные системы

Криогенные системы для имитаторов космического пространства

Для имитации космического пространства в вакуумной камере помимо давления необходимо создать область, где отсутствуют фоновые тепловые потоки. Таким образом имитируется «холодное» космическое пространство. Для создания такого фона вокруг испытуемого изделия в камере располагаются теплозащитные экраны, которые захолаживаются криогенными теплоносителями.

В качестве недорогого и удобного теплоносителя применяется жидкий азот с температурой кипения -196 °С (77 К) при атмосферном давлении. Азот может либо просто заливаться в экраны – так называемые заливные системы, а может циркулировать через экраны, соответственно – циркуляционные системы. Циркуляционная система обеспечивает либо принудительную циркуляцию жидкого азота через криоэкраны с помощью насосов, либо естественную циркуляцию азота за счет эффекта «парлифта».

В циркуляционной системе охлаждения с эффектом «парлифта» жидкий азот из емкостей хранения подается в промежуточный резервуар-сепаратор азота, расположенный на возвышении относительно вакуумной камеры. Далее уже из сепаратора жидкий азот по трубопроводам поступает самотеком в криоэкраны внутри вакуумной камеры, где начинает кипеть, и образовавшаяся парогазовая смесь возвращается в сепаратор. В сепараторе жидкая фракция отделяется и подается обратно в систему, а газообразный азот сбрасывается. Подобные системы отличаются повышенной экономией жидкого азота в отличие от систем с прямым питанием экранов из емкостей без сепаратора.

Также прокачка жидкого азота через экраны может осуществляться принудительно, для чего подобные системы оснащаются циркуляционными насосами жидкого азота. Питание насосов азотом, а также выход азота из экранов также осуществляется через сепаратор. Подобный подход позволяет увеличить циркуляцию теплоносителя в экранах и обеспечить высокую холодильную мощность и равномерность температур, особенно при больших тепловых нагрузках.

Система хранения и выдачи жидкого азота представляет собой одну или более криогенных емкостей со всей необходимой арматурой, трубопроводной обвязкой, а также испарителями самонаддува, для повышения давления азота в емкостях. Емкости располагаются на улице и могут быть довольно сильно удалены от вакуумной камеры. Для выдачи жидкого азота из емкости используется либо его передавливание за счет повышения давления в сосуде, либо можно использовать насос жидкого азота. Узел заправки емкостей обычно располагают непосредственно возле сосудов хранения. Жидкий азот привозится в автомобильной или железнодорожной цистерне, которая криогенным металл-рукавом подключается к узлу заправки и производится перелив азота из привозной емкости в стационарные сосуды хранения.

Подача жидкого азота по системе осуществляется системой жестких и гибких трубопроводов с экранно-вакуумной изоляцией, которые минимизируют теплопритоки к жидкому азоту. Конструктивно представляют собой трубу, установленную через термоизолирующие проставки в другой трубе, пространство между которыми вакуумируется.

Захолаживание установки производится после вакуумной откачки камеры, чтобы на элементах криогенной системы не осаждалась атмосферная влага. При этом продуваются все криогенные магистрали и арматура чтобы избежать конденсации воды внутри и образования ледяных пробок.

После завершения работ в камере систему необходимо отогреть до комнатной температуры прежде, чем начать ее разгерметизацию. Для этого трубопроводы, экраны и арматуру необходимо продуть теплым газообразным азотом или осушенным воздухом. Для продувки системы используется тот же жидкий азот из емкостей хранения. Сначала он подается на атмосферный испаритель для предварительного прогрева и газификации за счет атмосферного тепла. Далее полученный газообразный азот подается в электронагреватель и затем в магистрали системы.

Управление процессами в криогенной системе можно осуществлять как в ручном режиме, так и в полностью автоматическом. На криогенных емкостях обычно устанавливается ручная криогенная арматура, т. к. это удобнее при заправке. Остальная часть системы комплектуется специальной арматурой с электромеханическими приводами, что позволяет автоматизировать все процессы и в то же время имеет возможность принудительного ручного переключения.

При необходимости системы криогенного обеспечения могут комплектоваться дополнительными элементами, например – система заправки сосудов Дьюара, что позволяет переливать азот, хранящийся в криогенных емкостях в небольшие портативные сосуды Дьюара заказчика.