Баллон высокого давления
Полезная модель относится к сосудам высокого давления для текучей среды, главным образом, для сжатого или сжиженного газа, а более точно - к баллонам высокого давления. В основном баллоны подобного типа предназначены для хранения и транспортировки сжатого или сжиженного газа для бытовых или промышленных нужд или использования в качестве сменной емкости газа на транспортных средствах для питания двигательных установок. Задачей, предлагаемой полезной модели, является создание диссипативного высокоэффективного сосуда, способного надежно воспринимать и нести многоцикловые нагрузки при максимально высоких давлениях без повреждения и разрушения его несущих элементов при значительном увеличении отношения веса газа к весу баллона. Технический результат достигается в предлагаемой полезной модели созданием баллона высокого давления, состоящего из корпуса, в нижней части которого выполнено дно, а в горловине установлен газоввод, соосно размещенной в нем внутренней герметизирующей оболочки из металла (лейнер), причем оболочка связана с газовводом, в которой, согласно, полезной модели, лейнер жестко соединен с корпусом и выполнен в виде продольных трактов, жестко связанных друг с другом, одни концы трактов герметично закреплены на дне корпуса, а другие связаны с газовводом, при этом внутренний диаметр трактов от центра к периферии монотонно уменьшается, а толщина их стенок увеличивается.
Полезная модель относится к сосудам высокого давления для текучей среды, главным образом, для сжатого или сжиженного газа, а более точно -к баллонам высокого давления.
В основном баллоны подобного типа предназначены для хранения и транспортировки сжатого или сжиженного газа для бытовых или промышленных нужд или использования в качестве сменной емкости газа на транспортных средствах для питания двигательных установок.
Известен комбинированный баллон из стеклопластика с тонкостенной герметизирующей металлической оболочкой (лейнером) не несущей внешней нагрузки и способным воспринимать значительные деформации, как в продольном, так и в окружном направлении (см. патент РФ №2094695, по кл. F 17 С 11/00, 1994 г).
В известной конструкции лейнер соединен с газовводами и имеет гофры, расположенные как в продольном, так и в окружном направлении. Полости, образуемые гофрами, расположенными в продольном направлении, на наружной поверхности лейнера заполнены упругим материалом, например, эластомером.
Недостатками известной конструкции являются:
- ограниченная применимость, как по составу используемого газа (водород, гелий, неон и т.д.), так и по применяемому давлению;
- степень диссипативности известной конструкции не соответствует требованиям безопасности для давлений, превышающих 50 МПа.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому решению является конструкция баллона высокого давления, состоящего из корпуса в нижней части которого выполнено дно, а в горловине, соосно размещенной в нем внутренней герметизирующей оболочки из металла (лейнер), установлен газоввод, причем оболочка связана с газовводом (Серенсен С.В. Зайцев Г.П.
«Несущая способность тонкостенных конструкций из армированных пластиков с дефектами» Киев, Наукова думка, 1982, с.261).
В известном баллоне корпус выполнен из стеклопластика, герметизирующий лейнер является несущим элементом, т.е. он принимает участие в восприятии внешней нагрузки от воздействия давления рабочей среды.
При однократном нагружении баллона внутренним давлением газа или сжатого воздуха металлический герметизирующий лейнер имеет определенные преимущества по сравнению с лейнером из неметаллических материалов, т.к. позволяет добиться минимальной диффузии газа, а его проницаемость можно легко контролировать.
При многократных нагружениях баллона (500-1500 циклов) надежность металлического лейнера значительно снижается из-за резкого различия в модулях упругости металла и стеклопластика прочной оболочки баллона.
Под воздействием многоцикловых нагрузок металлический лейнер подвергается усталостной ползучести в виде остаточной деформации и преждевременно выходит из строя, а баллон высокого давления при этом теряет герметичность.
К недостаткам известной конструкции баллона относится и то, что металлический лейнер, являясь несущим элементом, имеет толщину равную 0,4-0,6 толщины стеклопластикового корпуса, т.е. толщину соизмеримую с толщиной корпуса.
Следовательно, металлический лейнер имеет значительную массу, обладает пониженной коррозионной стойкостью в агрессивных средах и высокой скоростью ползучести при повышенной температуре хранения газа.
Задачей, предлагаемой полезной модели, является создание диссипативного высокоэффективного баллона, способного надежно воспринимать и нести многоцикловые нагрузки при максимально высоких давлениях без повреждения и разрушения его несущих элементов при
значительном увеличении отношения веса газа к весу баллона.
Технический результат достигается в предлагаемой полезной модели созданием баллона высокого давления, состоящего из корпуса, в нижней части которого выполнено дно, а в горловине установлен газоввод, соосно размещенной в нем внутренней герметизирующей оболочки из металла (лейнер), причем оболочка связана с газовводом, в которой, согласно, предлагаемой полезной модели, лейнер жестко соединен с корпусом и выполнен в виде продольных трактов, жестко связанных друг с другом, одни концы трактов герметично закреплены на дне корпуса, а другие связаны с газовводом, при этом внутренний диаметр трактов от центра к периферии монотонно уменьшается, а толщина их стенок увеличивается.
Полезная модель характеризуется также тем, что лейнер имеет зону, прилегающую к внутренней стенке корпуса, размер которой равен 1/5-1/20 внешнего диаметра сосуда и в которой от центра к периферии диаметр трактов уменьшается, а толщина стенок увеличивается по формуле:
1/3D,
где D -наружный диаметр тракта,
- толщина стенки тракта при пределе упругости материала лейнера не менее 200 кг/мм2.
Это позволяет использовать баллон для ионизированных газов с малым атомным радиусом, размещаемых в баллоне под высоким давлением (с высокой плотностью).
Выполнение несущих элементов (лейнера и корпуса) металлическими и многократно диссипативными позволяет существенно повысить безопасность хранения и транспортировки газов.
Выполнение трактов в виде трубок и/или капилляров позволяет снизить радиальное напряжение в стенках корпуса и как следствие предотвратить внезапное его разрушение.
Предлагаемая конструкция баллона позволяет получить оптимальное отношение веса заполняемого газа к весу сосуда за счет возможности его
эксплуатации при высоких давлениях.
Снабжение корпуса, внешних и внутренних поверхностей трактов защитным от проникновения в них диффузионно активных газов покрытием предохраняет предлагаемую конструкцию от разрушения путем межкристаллитной и интеркристаллитной коррозии.
Заполнение продольных трактов сорбционным материалом обеспечивает дополнительную защиту корпуса от разрыва вследствие растворимости газа в кристаллической решетке сорбента.
Предлагаемая полезная модель поясняется нижеследующим описанием и чертежами, где
На фиг.1 показана конструкция предлагаемого баллона;
На фиг.2 - сечение А-А фиг.1
На фиг.3 увеличено вид Б
На фиг.4 увеличено вид В;
На фиг.5 показана разница внутренних диаметров d, внешних диаметров D и толщин стенок трактов, расположенных в центре баллона.
На фиг 6 - разница внутренних диаметров d, внешних диаметров D и толщин стенок трактов, расположенных в середине радиуса внутри корпуса баллона.
На фиг.7 показана разница внутренних диаметров d, внешних диаметров D и толщин стенок трактов, расположенных на периферии от центра баллона.
Баллон высокого давления, состоит из корпуса 1, в нижней части которого выполнено дно 2, а в горловине 3 установлен газоввод 4, соосно размещенной в нем внутренней герметизирующей оболочки из металла (лейнера).
Лейнер выполнен в виде продольных трактов 5, в качестве которых могут быть использованы трубки и/или капилляры, жестко связанных друг с другом, например, с помощью диффузионной сварки.
Одни концы 6 трактов герметично закреплены на дне 2 корпуса, а другие открытые концы 7 связаны с газовводом 4. Газоввод связан с
торцами концов 7 трактов методом притирки или шлифовки.
Лейнер жестко соединен с корпусом 1, например, с помощью диффузионной сварки. При этом корпус 1, в случае использования баллона для хранения или транспортировки ионизированных газов с малым атомным радиусом, может быть выполнен металлическим.
Увеличенные участки поперечного сечения А-А баллона на фиг.5, фиг.6, фиг.7 показывают разницу внутренних диаметров d, внешних диаметров D и толщин стенок трактов, расположенных на разных расстояниях от центра баллона.
От центра к периферии тракты размещены так, что их внутренний диаметр монотонно уменьшается.
Это означает, что внутренний диаметр периферийного тракта, расположенного у внутренней стенки корпуса меньше внутреннего диаметра тракта, расположенного в центре баллона, а все промежуточные тракты, размещенные на одном радиусе от центрального тракта до периферийного имеют монотонно уменьшающийся от центра внутренний диаметр.
Выбранное соотношение экспериментально подтверждено на давлениях в баллоне до 1500 МПа.
Лейнер имеет зону 8, прилегающую к внутренней стенке корпуса, ширина В которой равна от 1/5 до 1/20 внешнего диаметра баллона и в которой от центра к периферии внутренний диаметр трактов уменьшается, а толщина стенок увеличивается по формуле 5>1/3D.
На практике доказано, что только выбранные значения ширины зоны позволяют создать конструкцию баллона с заданными техническими свойствами.
Зона 8 несет основные радиальные напряжения, предотвращая корпус баллона от разрушения.
Закономерность уменьшения внутреннего диаметра тракта и толщины его стенки от центра к периферии сохраняют " при оформлении горловины
сосуда, при этом вид трактов5 и межтрактовых каналов 9 приобретает бутылочную форму.
В предлагаемой конструкции корпус, внешние и внутренние поверхности трактов могут быть снабжены защитным от проникновения в них диффузионно активных газов покрытием 10.
В предлагаемой полезной модели может быть использован и сорбирующий материал 11, размещенный в каналах трактов 5, а также в межтрактовых каналах 9.
Заполнение предлагаемого баллона высокого давления осуществляется следующим образом:
Предварительно перед компримированием газа в баллон его подвергают вакуумированию (до lO -2 тopp.), затем закачивают газ и баллон герметизируют с помощью запорного вентиля 12.
Закаченный в баллон газ размещается в каналах трактов 5 и межтрактовых каналах 9. В случае, если конструкция баллона предусматривает использование сорбента, в этом случае закаченный в сосуд газ размещается в сорбенте.
В случае заполнения каналов трактов и межтрактовых каналов сорбентом, введение сорбента в каналы осуществляют после их вакуумирования. Сорбент вводят в каналы один раз перед первой заправкой газом.
Открытые концы трактов 7, а также межтрактовые каналы 9 лейнера связаны с газзоводом 4, который обеспечивает перетекание газа из лейнера к газовводу и далее при открытом вентиле 12 газ выходит через отверстие 13.
Были проведены эксперименты и полученные результаты показали, что предлагаемая конструкция баллона позволяет получить максимальное отношение веса газа высокой плотности к весу баллона для давления газа (гелий, водород) до 1500 МПА равным четыре к одному для объема баллона не более 500см 3.
1. Баллон высокого давления, состоящий из корпуса, в нижней части которого выполнено дно, а в горловине установлен газоввод, соосно размещенной в нем внутренней герметизирующей оболочки из металла (лейнера), причем оболочка связана с газовводом, отличающийся тем, что лейнер жестко соединен с корпусом и выполнен в виде продольных трактов, жестко связанных друг с другом, при этом одни концы трактов герметично закреплены на дне корпуса, а другие - связаны с газовводом, причем внутренний диаметр трактов монотонно уменьшается от центра к перифирии, а толщина их стенок увеличивается.
2. Баллон по п.1, отличающийся тем, что лейнер имеет зону, прилегающую к внутренней стенке корпуса, размер которой равен от 1/5 до 1/20 внешнего диаметра баллона и в которой от центра к периферии внутренний диаметр трактов уменьшается, а толщина стенок увеличивается по формуле:
>1/3·D,
где D - наружный диаметр тракта;
- толщина стенки тракта при пределе упругости материала лейнера не менее 200 кг/мм2.
3. Баллон по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен металлическим.
4. Баллон по п.4, отличающийся тем, что тракты выполнены в виде трубок и/или капилляров.
5. Баллон по пп.1 и 4, отличающийся тем, что корпус, внешние и внутренние поверхности трактов снабжены защитным от проникновения в них диффузионо активных газов покрытием.
6. Баллон по п.1 отличающийся тем, что каналы трактов и межтрактовые каналы заполнены сорбционным материалом.
