Криогенные баки

Криогенный бак — это герметичный резервуар, предназначенный для длительного хранения и транспортировки криогенных жидкостей — сжиженных газов с температурой кипения ниже −150 °C (123 K) при атмосферном давлении. К таким жидкостям относятся жидкий азот, жидкий кислород, жидкий водород, жидкий гелий, жидкий аргон, сжиженный природный газ (метан) и другие. Основное назначение криогенного бака — минимизировать потери вещества за счёт испарения, сохраняя его в жидкой фазе при сверхнизких температурах. Конструктивно криогенный бак представляет собой многослойный сосуд, работающий по принципу сосуда Дьюара.

Конструкция и принцип действия

Ключевой особенностью криогенного бака является его тепловая изоляция, которая многократно превосходит изоляцию обычных термосов. Конструкция включает в себя несколько основных элементов.

Внутренний и внешний сосуды

Основу бака составляют два концентрических сосуда: внутренний (криогенный), непосредственно контактирующий с жидкостью, и внешний (защитный). Внутренний сосуд изготавливается из материалов, устойчивых к низким температурам и не склонных к хрупкому разрушению. Чаще всего используются коррозионно-стойкие стали (например, аустенитные нержавеющие стали типа 12Х18Н10Т) или алюминиевые сплавы. Внешний сосуд может быть выполнен из углеродистой стали или других конструкционных материалов, так как он работает при комнатной температуре. Пространство между сосудами (межстенное пространство) вакуумируется до высокого или сверхвысокого вакуума (10⁻³ — 10⁻⁶ Па), что практически исключает конвективный и кондуктивный перенос тепла через газ.

Тепловая изоляция

Для снижения лучистого теплопереноса межстенное пространство заполняется многослойной вакуумно-порошковой или экранно-вакуумной изоляцией. Экранно-вакуумная изоляция состоит из десятков или сотен чередующихся слоёв тонкого алюминированного полимера (майлара) и стекловолокнистой сетки. Каждый слой отражает до 95% теплового излучения. В некоторых конструкциях, особенно для хранения жидкого гелия, применяется суперизоляция с использованием активных охлаждающих экранов, через которые пропускается пары гелия или азота.

Подвеска и опоры

Внутренний сосуд не должен иметь жёстких тепловых мостиков с внешним корпусом. Для его фиксации используются специальные подвески и опоры из материалов с низкой теплопроводностью — например, из стеклопластика, титановых сплавов или нержавеющих стальных труб малого сечения. Эти элементы должны выдерживать массу заполненного бака, а также динамические нагрузки при транспортировке (в случае мобильных баков) или при запуске ракеты.

Системы безопасности и запорная арматура

Криогенные баки оснащаются рядом обязательных систем:

• Предохранительные клапаны — сбрасывают избыточное давление, возникающее при испарении жидкости (даже при идеальной изоляции часть жидкости неизбежно испаряется — этот процесс называется «отдувкой»).
• Разрывные мембраны — аварийная защита на случай отказа клапанов.
• Дренажные и заправочные штуцеры — для заполнения и слива жидкости.
• Указатели уровня — обычно ёмкостные или дифференциально-манометрические.
• Вакуумная арматура — для откачки и контроля вакуума в межстенном пространстве.

Типы криогенных баков

Криогенные баки классифицируются по нескольким признакам: назначению, объёму, мобильности и типу хранимого продукта.

По объёму и мобильности

• Малые (лабораторные) сосуды Дьюара — объём от 1 до 50 литров. Используются в лабораториях, медицине (криохирургия, хранение биоматериалов), в промышленности для точечного охлаждения. Обычно имеют горловину, через которую происходит испарение, и не имеют внешней запорной арматуры.
• Средние (транспортные) криогенные ёмкости — объём от 50 до 1000 литров. Предназначены для транспортировки криопродуктов автомобильным или железнодорожным транспортом. Часто устанавливаются на шасси или в контейнерах.
• Крупные стационарные резервуары — объём от 1 до 2000 кубических метров и более. Используются на промышленных предприятиях (газовые заводы, химические комбинаты, металлургия), в системах газификации сжиженного природного газа (СПГ), в ракетно-космической отрасли. Могут быть сферическими или цилиндрическими (горизонтальными или вертикальными).
• Ракетные баки — специальные баки для жидкого кислорода, жидкого водорода, жидкого метана, используемые в составе ракет-носителей. Отличаются минимальной массой, высокой прочностью и интеграцией в силовую схему ракеты. Изготавливаются из алюминиевых или алюминиево-литиевых сплавов, иногда с применением композитных материалов.

По типу хранимого продукта

• Баки для жидкого азота — наиболее распространённый тип. Азот инертен, не горюч, его температура кипения −196 °C. Такие баки широко используются в промышленности, медицине и науке.
• Баки для жидкого кислорода — температура кипения −183 °C. Кислород является сильным окислителем, поэтому баки требуют особой чистоты и исключения контакта с маслами и органическими веществами.
• Баки для жидкого водорода — температура кипения −253 °C. Водород обладает самой низкой плотностью среди жидкостей (около 70 г/л) и высокой взрывопожароопасностью. Конструкция таких баков наиболее сложна из-за необходимости сверхвысокого вакуума и использования специальных материалов (например, для предотвращения диффузии водорода через стенки).
• Баки для жидкого гелия — температура кипения −269 °C (4,2 K). Требуют самых совершенных систем изоляции, часто с дополнительным охлаждением жидким азотом или гелиевыми криокулерами.

Применение

Криогенные баки находят применение в самых разных отраслях.

Промышленность и энергетика

• Металлургия — хранение и подача жидкого аргона для продувки стали, жидкого азота для создания инертной атмосферы.
• Химическая промышленность — хранение жидкого кислорода для окислительных процессов, жидкого азота для азотирования.
• Газификация — хранение сжиженного природного газа (СПГ) в крупных резервуарах с последующей регазификацией и подачей в газораспределительные сети.
• Криоэнергетика — использование жидкого азота и гелия в системах сверхпроводящих накопителей энергии и трансформаторов.

Медицина и биология

• Криоконсервация — хранение биологических образцов (кровь, костный мозг, сперма, эмбрионы, стволовые клетки) в жидком азоте в специальных криогенных банках.
• Криохирургия — использование жидкого азота для разрушения патологических тканей (криодеструкция).
• Магнитно-резонансная томография (МРТ) — охлаждение сверхпроводящих магнитов до температуры жидкого гелия.

Ракетно-космическая техника

Криогенные баки являются неотъемлемой частью большинства современных ракет-носителей, использующих жидкое топливо. В России и СССР криогенные компоненты (жидкий кислород, керосин) применялись с первых ракет (Р-7). Современные российские ракеты, такие как «Союз-2» и «Ангара», используют жидкий кислород. Ракета «Протон» использует азотный тетраоксид и несимметричный диметилгидразин (не криогенные компоненты). В мире криогенные баки применяются в ракетах Falcon 9 (жидкий кислород + керосин), Starship (жидкий кислород + жидкий метан), Ariane 5 (жидкий водород + жидкий кислород). Крупнейшие в мире криогенные баки для жидкого водорода (объёмом 4700 м³) установлены на стартовом комплексе космического центра NASA имени Кеннеди для программы Space Shuttle (ныне не используется).

Эксплуатация и безопасность

Эксплуатация криогенных баков связана с рядом опасностей:

• Криогенные ожоги — при контакте незащищённой кожи с жидкостью или холодными поверхностями.
• Удушье — испаряющиеся газы (азот, аргон, гелий) вытесняют кислород, что может привести к гипоксии в замкнутых помещениях.
• Взрывопожароопасность — жидкий водород и жидкий метан образуют взрывоопасные смеси с воздухом; жидкий кислород резко усиливает горение.
• Повышение давления — при закупорке предохранительных клапанов или при быстром испарении (например, при попадании тёплого предмета) бак может разрушиться.

Для минимизации рисков персонал проходит специальное обучение, помещения оборудуются датчиками кислорода и газоанализаторами, а баки проходят регулярные гидравлические испытания и проверки вакуума.

Интересные факты

• Первый сосуд Дьюара был создан в 1892 году шотландским физиком и химиком Джеймсом Дьюаром для хранения жидких газов. Изначально он представлял собой стеклянную колбу с посеребрёнными стенками и вакуумной рубашкой.
• Крупнейшие в мире криогенные резервуары для хранения сжиженного природного газа имеют объём до 200 000 м³ (сферические резервуары на терминалах СПГ).
• В ракете «Сатурн-5» (США) бак для жидкого водорода второй ступени имел длину около 27 метров и диаметр 10 метров — это был крупнейший криогенный бак среди когда-либо созданных для ракетной техники.
• Криогенные баки для жидкого гелия могут сохранять гелий без существенных потерь в течение нескольких лет, если их регулярно дозаправлять жидким азотом для охлаждения внешнего экрана.

Источники

• ГОСТ Р 55892-2013 «Сосуды криогенные. Общие технические условия».
• Баранов А.Ю., Ковалёв А.В. «Криогенная техника: учебное пособие». — М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018.
• Фастовский В.Г., Ровинский А.Е., Петровский Ю.В. «Криогенная техника». — М.: Энергия, 1974.
• Материалы ПАО «Криогенмаш» (г. Балашиха) — ведущего российского производителя криогенного оборудования.
• Справочник «Properties of Cryogenic Fluids» (NIST, США).