Емкость для хранения газов
Емкость состоит из герметичного корпуса, технологических патрубков и размещенных в корпусе коллектора подачи-выпуска газа и накопителя-аккумулятора газа, выполненного в виде пучка полых капилляров, торцы которых соединены с коллектором подачи-выпуска газа. Часть пучка капилляров, обращенная к коллектору, выполнена сужающейся. Изобретение обеспечит безопасное хранение различных газов, необходимых, например, для заправки автомобилей, а так же их безопасную транспортировку от места производства к потребителям. 12 з.п. ф-лы, 6 ил.
Изобретение относится к тем областям науки и техники, где требуется компактное хранение, содержание и транспортировка газов, в частности метана и водорода, которые широко используются в газовой, химической промышленности, энергетике и транспорте. При выполнении емкости из инертного вещества, например стекла или кварца, в ней можно хранить газовые смеси, содержащие агрессивные компоненты.
Основные способы хранения газов - это хранение их в баллонах при высоком давлении в основном до 150 атм или в сжиженном состоянии, как правило, с использованием криогенной техники. В ряде случаев такое хранение обеспечивает потребности потребителя, но с увеличением энергопотребления объектов и потребности в снижении транспортных расходах при перевозке легких газов, а также увеличении пробега автотранспорта при ограниченности объема для установки емкости с газом на борту транспорта, использующего в качестве топлива газ (метан, водород), требуется его высокое удельное содержание и, следовательно, увеличение давления газа при обеспечении безопасности его применения.
В настоящее время для автомобилей, работающих на метане, разработаны баллоны с рабочим давлением метана до 300 атм, для автомобилей, работающих на водороде, разработаны баллоны с давлением до 350 атм и разрабатываются баллоны на давление 700 атм. Созданы небольшие сети заправочных станций автомобилей метаном и водородом. Но заправка одного легкового автомобиля метаном, имеющего два 35-литровых баллона при давлении 220 атм, позволяет проехать 140-150 км. Для этого надо иметь широкую сеть заправочных станций, что экономически не выгодно, или решить проблему обеспечения заправки автомобиля на пробег не менее 500 км. Испытания показали, что на пробег легкового автомобиля в 100 км требуется 10 м3 метана. Таким образом, для обеспечения пробега легкового автомобиля в 500 км в двух 35-литровых баллонах должно быть не менее 50 м3 метана, а это значит, что давление в баллонах должно быть не менее 720 атм. Учитывая, что коэффициент запаса по давлению для гражданских объектов равен 2,3, баллон должен выдерживать не 720 атм, а 720×2,3=1656 атм. Создать баллоны на такое давление - задача не реальная, по крайней мере, в ближайшем будущем из-за прочностных свойств существующих материалов.
Аналогичные проблемы возникают при использовании водорода в качестве топлива автомобилей. Для обеспечения пробега легкового автомобиля в 500 км требуется порядка 7 кг водорода. Применение криогенного способа аккумуляции водорода может обеспечить требуемое количество водорода на борту автомобиля, но это требует совершенных термостатов, которые объемны, кроме того, применение этого способа создает условия для испарения и потерям водорода от 3 до 5% в сутки, что может создать взрывоопасную ситуацию в гараже, а через 20 дней заправленный бак испарится.
Заправка в баллоны автомобилей водорода при высоком давлении в 350 атм осуществляется на ряде специальных заправочных станциях. При этом высока опасность взрыва таких баллонов, и низкая емкость баллонов обеспечивает пробег автомобилей не более 200 км. (Чабак А.Ф. Аккумуляторы водорода на основе микропористых структур. Ж. «Наука и технологии в промышленности», 2005. №2, с.12-16.).
Разработаны емкости с микросферами или капиллярами для хранения водорода при высоком давлении (патент №2267694 от 10.01.2006 г., Чабак А.Ф. Создание аккумуляторов с высоким содержанием водорода и мобильной подачей его к топливным элементам. Ж. «Альтернативная энергетика и экология», 2006, №4, c.11-14). При обеспечении высокого содержания водорода эти емкости имеют и существенные недостатки: 1) высокие энергозатраты, так как при каждом извлечении водорода из микросфер или капилляров необходимо прогревать весь объем емкости для интенсификации процесса диффузии; 2) процесс диффузии - медленный процесс и при определенных режимах работы двигателя трудно обеспечить динамичное изменение извлечения водорода из микросфер или капилляров; 3) в емкости можно хранить только водород, так как диффузионный поток других газов, например метана, через оболочку микросферы или капилляра из стекла или кварца ничтожно мал.
Наиболее близкой к предлагаемому техническому решению является емкость для хранения водорода, состоящая из герметичного корпуса, коллектора подачи и выпуска водорода, нагревателя и накопителя-аккумулятора водорода, выполненного в виде пучка полых капилляров и размещенного в корпусе. Торцы капилляров соединены с коллектором подачи и выпуска водорода, на торцы нанесен слой материала с высокой проницаемостью для водорода или с низкой температурой плавления, или с низкой температурой деструкции. Нагреватель расположен на уровне вышеуказанного слоя. На остальную часть поверхности капилляров нанесено водородонепроницаемое покрытие (патент РФ №2283454, оп. 10.09.2006 г.). В такой емкости можно хранить не только водород, но и другие газы, т.к. извлечение и заправка газа в капилляры в случае герметизации торцев капилляров, например, материалом с низкой температурой плавления происходит не по диффузионному механизму, а за счет открытия и или герметизации торцев капилляров этим материалом. Недостатками емкости является сложность при изготовлении и эксплуатации - нагреватели требуют наличия системы контроля и управления, высокого энергопотребления, что приводит к удорожанию и снижению потребительских свойств.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является упрощение и удешевление емкости для хранения газа как в процессе изготовления, так и при эксплуатации, при сохранении взрывобезопасности и высокого удельного содержания газа в емкости, что приведет к улучшению потребительских свойств.
Для этого предложена емкость для хранения газов, состоящая из герметичного корпуса, технологических патрубков и размещенных в корпусе коллектора подачи-выпуска газа и накопителя-аккумулятора газа, выполненного в виде пучка полых капилляров, торцы которых соединены с коллектором подачи-выпуска газа, при этом часть пучка капилляров, обращенная к коллектору, выполнена сужающейся.
При этом отношение толщины оболочки капилляра к его радиусу в сужающейся части пучка постоянно.
Сужающаяся часть пучка капилляров может быть вытянута на конус.
Сужающаяся часть пучка капилляров, заведенная в коллектор, может быть выполнена из параллельных капилляров.
Часть коллектора со стороны капилляров может быть заполнена герметизирующим материалом с коэффициентом температурного расширения, близким к коэффициенту температурного расширения материала капилляров и материала коллектора, при этом торцы капилляров расположены в свободном объеме коллектора.
Кроме того, капилляры могут быть заполнены пористым материалом.
Капилляры выполнены из стекла или кварца, или металла, или полимерных материалов, или композитных материалов.
На внешнюю поверхность пучка нанесено покрытие из материала с низкой проницаемостью для газа.
В корпусе могут быть расположены более одного накопителя-аккумулятора газа, соединенного со своим коллектором подачи-выпуска газа.
Кроме того, коллекторы расположены по обе стороны пучка капилляров.
Накопитель-аккумулятор газа может быть выполнен из капилляров разного диаметра, при этом диаметр внешних капилляров меньше диаметра внутренних капилляров.
Накопитель-аккумулятор газа выполнен в виде намотанного на оправку пучка капилляров.
При этом оправка выполнена в виде пучка параллельных капилляров.
На фиг.1. схематично представлен общий вид емкости для хранения газов,
1 - герметичный корпус;
2 - пучок параллельных капилляров;
3 - сужающаяся часть пучка капилляров;
4 - коллектор подачи-выпуска газа;
5 - запорный вентиль;
6 - герметизирующий материал.
В этом варианте выполнения пучок параллельных капилляров 2 вытянут на конус 3, открытые концы капилляров заведены в коллектор 4, часть которого заполнена герметизирующим материалом 6, так чтобы торцы капилляров были открыты. Уровень герметизирующего материала может быть и ниже торцевой поверхности пучка капилляров.
На фиг.2 схематично представлен общий вид емкости для хранения газов, где пучок параллельных капилляров 2 вытянут на конус 3, а заканчивается параллельно расположенными капиллярами постоянного диаметра 7, открытые концы капилляров также заведены в коллектор 4, часть которого заполнена герметизирующим материалом 6, так чтобы торцы капилляров были открыты.
На фиг.3 схематично представлен общий вид емкости для хранения газов, аналогичной представленной на фиг.1, при этом коллекторы подачи-выпуска газа 4 и запорные вентили 5 расположены с противоположных концов корпуса емкости 1, что позволяет использовать оба коллектора для заправки или подачи газа к потребителю, либо использовать один коллектор для заправки газа, а другой для извлечения газа из емкости.
На фиг.4 представлена емкость для хранения газов, где пучок капилляров 2 намотан в виде бобины на оправку, концы капилляров 3 также вытянуты сначала на конус, а заканчиваются параллельно расположенными капиллярами постоянного диаметра 7, заведенными в коллектор 4.
На фиг.5 представлена емкость для хранения газов, а на фиг.6 - сечение по А-А, где пучок капилляров 2 намотан в виде бобины на оправку, роль которой играет пучок параллельных капилляров.
Такая конструкция емкости для хранения газов позволяет использовать разработанные и реализованные технологические решения при создании капиллярных структур. Так, например, пучок капилляров диаметром 50 мм, состоящий из капилляров с диаметром каждого капилляра 100 мкм, содержит 250000 капилляров. В результате вытягивания его торцевой части происходит пропорциональное уменьшение диаметров и соответственно утонение стенок капилляров, технологически возможно получить диаметр каждого капилляра равным 1-2 мкм. При этом диаметр торцевой части пучка капилляров сужается с 50 мм до 0,5 мм. Такой торец капилляров соединяется с коллектором подачи-выпуска газа 4, диаметр которого может быть 1,0-1,5 мм. В качестве коллектора может использоваться, например, капилляр из нержавеющей стали с диаметром 1,0 мм и толщиной стенки 1,0 мм. Герметизация капилляров из стекла и стального коллектора может осуществляться герметизирующим материалом 6, например «платинитом» - сталью с содержанием 0,15% С и 46% Ni, которая имеет такой же коэффициент температурного расширения, как и стекло. Уровень растягивающих напряжений в таком капилляре даже при давлении в нем газа, равного 300 МПа (3000 атм), составляет 15 кг/мм2, а предел прочности нержавеющей стали при растяжении равен 55 кг/мм2, что обеспечивает запас прочности более чем в 2,3 раза, 55 кг/мм2: 2,3=23,9 55 кг/мм2 >15 кг/мм2. Для регулировки подачи газа и герметизации его в таких стальных капиллярах существуют стандартные запорные вентили 5.
Конусная часть капилляров 3 характеризуется тем, что при уменьшении радиуса капилляра R уменьшается и толщина δ, при этом отношение δ/R на всей длине капилляра (и цилиндрической и конической) остается постоянным. Сохранение постоянного значения отношения δ/R обеспечивает постоянство значения уровня напряжений в любой части капилляра и при давлении газа внутри капилляра, равного Р, растягивающее напряжение будет равно σ=PR/δ.
С целью снижения уровня напряжений в конической части капилляра, особенно в зоне соединения конусной части капилляров 3 с коллектором 4, коническая часть капилляра выполняется с большим соотношением δ/R, что может быть реализовано, например, нанесением покрытия из стекла, пластика, металла.
Для снижения скорости истечения газа из капилляров в случае их разрушения капилляры можно заполнить пористым материалом, сцепленным с внутренней поверхностью капилляра. Для этого капилляры заполняют, например, высоко дисперсным полимерным материалом, например полиамидом с добавками газообразующих соединений (например, углекислого аммония). Температура плавления этого материала должна быть ниже температуры плавления материала капилляра. При нагревании до температуры, близкой к температуре плавления полимерного материала, полимерный материал и газы, выделяющиеся при разложении газообразующего соединения, образуют высокопористую структуру внутри капилляра.
Для снижения потерь газа через боковую поверхность пучка капилляров, особенно в случае полимерных капилляров, на боковую поверхность пучка наносят защитное непроницаемое для хранящихся газов покрытие.
Накопитель-аккумулятор газа работает при высоких давлениях газа, и поэтому его геометрические размеры оптимизированы для обеспечения эффективной и безопасной работы. В том случае, когда объема газа, заправленного в один накопитель-аккумулятор, мал для обеспечения работы потребителя в течение требуемого периода времени, то в емкость устанавливают несколько накопителей-аккумуляторов.
В зависимости от конкретных задач, а именно используемого при хранении газа, мобильного или стационарного хранения газа, его химической агрессивности и других специальных требований, капилляры могут изготавливаться из стекла либо из кварца, либо полимера, например арамидов, наноциркония, поликарбосилана, либо композитного материала, например оксинитрида алюминия, ситаллов, стеклопластика, стеклоуглерода, либо металла.
Для обеспечения лучшей герметизации часть коллектора 4 заполняют материалом 6, имеющим значение коэффициента температурного расширения, близкое к коэффициенту температурного расширения материала капилляров и материала коллекторов 4, при этом торец пучка капилляров выходит в свободную часть коллектора 4.
С целью обеспечения надежной герметизации концы сужающихся капилляров 3, уменьшенные до необходимого размера (фиг.2), переходят в параллельный пучок капилляров малого диаметра 7 и в коллекторе 4 также герметизируются специальными материалами 6.
Капилляры накопителя-аккумулятора могут быть расположены параллельно оси емкости, при этом с обоих концов емкости находятся коллекторы подачи-выпуска газа 4, к которым подсоединены конусообразные части пучка капилляров 3 (фиг.3).
Пучок капилляров накопителя-аккумулятора может быть намотан в виде цилиндрических бобин (фиг.4). Концы капилляров, обращенные к коллектору подачи-выпуска газа 4, сужаются и соединяются с коллектором. Пучок суженных капилляров может заканчиваться параллельными капиллярами 7, герметизированными материалом 6 в коллекторе 4.
При этом коллектора 4 и вентили 5 могут располагаться с одной стороны корпуса емкости 1 или с двух сторон.
Капилляры накопителя-аккумулятора в виде цилиндрических бобин 2 (фиг.5, 6) намотаны на капилляры, расположенные вдоль оси емкости. Концы намотанных капилляров и капилляров, расположенных параллельно оси емкости, сужаются 3 и соединяются с коллекторам газа 4.
В этом случае коллекторы также могут располагаться с двух сторон корпуса емкости. Капилляры накопителя-аккумулятора в виде цилиндрических бобин, намотанные на капилляры, расположенные вдоль оси емкости, могут быть многослойными - слой капилляров, расположенных вдоль оси емкости, слой капилляров, намотанных в виде цилиндрической бобины, затем снова слой капилляров, расположенных вдоль оси емкости, на которые наматываются капилляры в виде цилиндрической бобины и т.д.
Накопитель-аккумулятор газа может быть выполнен из капилляров разного диаметра, при этом для обеспечения большей прочности капиллярного пучка диаметр внешних капилляров меньше диаметра внутренних капилляров.
Емкость или накопитель-аккумулятор газа могут быть выполнены в картриджном или стационарном варианте. В первом случае емкости снимаются, например, с автомобиля и заряжаются на специализированных станциях, а в автомобиль ставится уже заряженная газом емкость. Во втором случае на заправочной станции газ под давлением заправляется через коллектор.
Перечисленные конструктивные решения не охватывают все варианты выполнения емкости.
Таким образом, такая емкость для хранения газа обеспечит безопасное хранение различных газов, необходимых, например, для заправки автомобилей, а так же их безопасную транспортировку от места производства к потребителям.
1. Емкость для хранения газов, состоящая из герметичного корпуса, технологических патрубков и размещенных в корпусе коллектора подачи-выпуска газа и накопителя-аккумулятора газа, выполненного в виде пучка полых капилляров, торцы которых соединены с коллектором подачи-выпуска газа, отличающаяся тем, что часть пучка капилляров, обращенная к коллектору, выполнена сужающейся.
2. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что отношение толщины оболочки капилляра к его радиусу в сужающейся части постоянно.
3. Емкость по п.1 или 2, отличающаяся тем, что сужающаяся часть пучка капилляров вытянута на конус.
4. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что сужающаяся часть пучка капилляров, заведенная в коллектор, выполнена из параллельных капилляров.
5. Емкость по п.1, отличающаяся тем, часть коллектора со стороны капилляров заполнена герметизирующим материалом с коэффициентом температурного расширения, близким к коэффициенту температурного расширения материала капилляров и материала коллектора, при этом торцы капилляров расположены в свободном объеме коллектора.
6. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что капилляры заполнены пористым материалом.
7. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что капилляры выполнены из стекла, или кварца, или металла, или полимерных материалов, или композитных материалов.
8. Емкость по п.7, отличающаяся тем, что на внешнюю поверхность пучка капилляров нанесено покрытие из материала с низкой проницаемостью для газа.
9. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что в корпусе расположены более одного накопителя-аккумулятора, соединенного со своим коллектором подачи-выпуска газа.
10. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что коллекторы расположены по обе стороны пучка капилляров.
11. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что накопитель-аккумулятор газа выполнен из капилляров разного диаметра, при этом диаметр внешних капилляров меньше диаметра внутренних капилляров.
12. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что, накопитель-аккумулятор газа выполнен в виде намотанного на оправку пучка капилляров.
13. Емкость по п.12, отличающаяся тем, что оправка выполнена в виде пучка параллельных капилляров.
