Термодесорбционная установка с использованием гидридов металлов

 

Изобретение относится к технике высоких давлений, созданию давления водорода в определенном объеме ≥ 1000 МПа с последующим изучением водородной прочности материала. Установка содержит баллон с гидридом металла, соединенный трубопроводом с сосудом высокого давления, системы охлаждения и нагревания, расположенные соответственно на сосуде высокого давления и под ним, в установку введена дополнительная нагревательная камера, в нее помещен баллон, причем отношение погруженной в камеру части баллона к высоте камеры должно быть не менее или равно 1:2. Техническим результатом изобретения является возможность получения давления водорода ≥ 1000 МПа при сокращении стоимости и габаритов установки. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к технике высоких давлений, получению в определенном объеме давления водорода ≥ 1000 МПа с последующим изучением водородной прочности материалов, уточнением уравнения состояния водорода, определением кинетических параметров диффузии водорода в металлах при высоких давлениях ≥ 1000 МПа.

Термодесорбционная установка для получения давления водорода с использованием гидрида ванадия описана в [1]. Установка содержит ампулу, заполненную тритидом ванадия, электропечь для разогреве ампулы, трубопроводы с вентилями, приборы для измерения давления и систему вакуумирования. Достигнутые на этой установке давления составляют всего лишь 140 МПа. При этом используется для получения высокого давления нагревание водорода, полученного в результате термодесорбции гидрида ванадия.

В качестве прототипа выбрано изобретение "Способ создания гидростатического давления" [2]. Изобретение относится к области получения давлений в области низких температур. В качестве рабочего тела используют поликристалл отвердевшего газа, нагреванием которого получают давления в объеме до ~ 450 МПа (3739 атм на кристаллическом аргоне при температуре минус 113,7^oC). Гидростатичность давления обусловлена высокой пластичностью твердого газа. Устройство, реализующее способ, содержит сосуд высокого давления, капилляр, вентиль, манометр, баллон с газом, расположенные на сосуде нагреватели и криостат.

Прототип обладает рядом недостатков: 1. В качестве рабочего тела используют поликристалл газа, уже само применение поликристалла газа требует низких температур.

2. Достигнутые давления не превышают ~ 400 МПа. Задачей изобретения является обоснование и разработка термодесорбционной установки с использованием гидридов металлов для получения давлений водорода ≥ 1000 МПа (~ 1000 атм.) и экспериментально-расчетное обоснование работоспособности макета установки высокого давления.

Получение давлений водорода ≥ 1000 МПа задача очень сложная. Обычно применяются установки на базе компрессора до 300 МПа и различного рода дожимателей (мультипликаторов) до 500-1000 МПа [3]. Оборудование это сложное, громоздкое, для размещения требует специального помещения.

Указанная задача достигается тем, что в термодесорбционной установке, содержащей источник газа, соединенный трубопроводом с сосудом высокого давления, системы охлаждения и нагревания сосуда высокого давления, элемент перекрытия трубопровода и манометр, источник газа выполнен в виде баллона с гидридом металла. В установку введена дополнительная нагревательная камера, в которую помещен баллон, причем отношение погруженной в камеру части баллона к высоте камеры должно быть не менее или равно 1: 2. Система охлаждения расположена на сосуде высокого давления, а системы нагревания под дном сосуда.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема термодесорбционной установки для получения давления водорода ≥ 1000 МПа, где 1 - стакан с гидридом металла, 2 - электрическая печь, 3 - трубопровод, 4 - ампула высокого давления водорода, 5 - система охлаждения, 6 - клапаны нормально открытые, 7 - дополнительная электрическая печь,
8 - измеритель давления.

Ниже описывается схема экспериментальной установки и расчеты, позволяющие на их основе создать термодесорбционную установку с использованием гидридов металлов для получения давления водорода ≥ 1000 МПа.

Установка работает следующим образом:
при нагревании электропечью (2) гидрид металла в ампуле диссоциирует и выделяющийся водород создает высокое давление водорода, который по трубопроводу (3) через клапан заполняет ампулу до давления P₄ = P₁,
где P₁ - давление в ампуле (1),
P₄ - давление в ампуле (4).

Охладитель (5), охлаждая водород, уплотняет его. При достижении равновесия клапан (6) перекрывает магистраль, а охлажденный водород при последующем нагревании ампулы (4) (в том числе и электропечью), позволяют получить давление водорода ≥ 1000 МПа.

Таким образом, обоснована работоспособность термодесорбционной установки с использованием гидридов металлов для получения давлений водорода ≥ 1000 МПа, включающей стакан с гидридом металла (1), газопровод (3), ампулу для водорода (4), системы охлаждения (5) и нагревания (7) ампулы (4), системы предварительного вакуумирования и измерения давления, отличающейся тем, что в установке применяется для получения высокого давления водорода последовательные охлаждение и нагрев ампулы (4). Количество выделенного водорода из гидрида металла и свободные объемы в установке должны иметь отношение > 10³, а отношение погруженной в печь части ампулы (1) к общей длине должно быть равным 1: 2 и вследствии этого место герметизации должно отстоять от торца печи (В) на расстоянии 0,5 L,
где L- длина ампулы
При практическом исполнении использовались:
1) стакан с гидридом ванадия VH_1,5 объемом 18,7³ см и массой равной 52,5 г (плотность VH_1,5 ρ равнялась 3,57 г/см³);
2) электропечь; 3) трубопровод с внутренним диаметром 2 мм и длиной ~ 1 м вместе с измерителем давления служил ампулой высокого давления, объемом 3,7 см³.

При температуре печи (2) 773 К получено давление в ампуле 400 МПа, температура в ампуле (4) 293 К.

Расчеты с использованием уравнения состояния показывают, что при охлаждении водорода в ампуле (4) до 90 К можно достичь плотности водорода 0,12 г/см³. Нагреванием водорода с ρ = 0,12 г/см² в замкнутом объеме ампулы можно получить давления приведенные в таблице 1.

Для обеспечения прочности и герметичности ампул при давлениях ≥ 1000 МПа и температурах ≥ 700^oК необходимо использовать специальные сплавы, при T ~ 600 К задача решается с применением водородостойких, жаропрочных сталей типа ЭИ787ВД.

Современные установки высокого давления водорода ≅ 1000 МПа созданы на базе компрессоров Hofer-3000 и специальных дожимателей (мультипликаторов) имеют большие габариты (габариты Hofer-3000 - 2850 x 1200 x 1250 мм), занимают помещение площадью ~ 20 м², дорогостоящи при закупке и изготовлении. Термодесорбционная установка высокого давления с использованием гидрида металлов и системы охлаждения и нагревания сосуда высокого давления имеет небольшие габариты (располагается на лабораторном столе) и значительно меньшую стоимость (~ 100 раз).
Источники информации
1. Carsents D. H.W., David W.D., Metal-hydrogen systems Proc. of Miami Jntem. Symposium on Metal-Hydrogen Systems, April 13-15, 1981, Pergamon Press, 1982, p-p 667-675 &.

2. Описание изобретения 717481 Гаврилко В.Г. и Бондаренко А.И. "Способ создания гидростатического давления" приоритет 18. 07. 77 БИ N 77, 1980 г.

3. Циклис Д.С. Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях. Издательство "Химия", Москва, 1965 г.

Формула изобретения

Термодесорбционная установка с использованием гидридов металлов для получения давлений водорода ≥ 1000 МПа, содержащая источник газа, соединенный трубопроводом с ампулой высокого давления, системы охлаждения и нагревания ампулы высокого давления, элемент перекрытия трубопровода и манометр, отличающаяся тем, что источник газа выполнен в виде стакана с гидридом металла, в установку введена дополнительная нагревательная камера, в которую помещен стакан, причем отношение погруженной в камеру части стакана к общей высоте стакана должно быть не менее или равно 1:2, система охлаждения расположена на ампуле высокого давления, а система нагревания - под дном ампулы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2