Емкость для хранения газов

Полезная модель обеспечит безопасное хранение и транспортировку различных газов, необходимых для заправки автомобилей. Емкость состоит из герметичного корпуса, технологических патрубков, и размещенных в корпусе коллектора подачи-выпуска газа и пучка полых капилляров, торцы которых соединены с коллектором подачи-выпуска газа, при этом на все внешние поверхности капилляров, за исключением торцов капилляров, соединенных с коллектором, нанесено покрытие из материала с большей пластичностью, чем материал капилляров. В качестве пластичного материала покрытия может быть нанесен клей, или полимерные материалы, или металл. Пучок капилляров может быть намотан на оправку в виде бобины. Пучок капилляров может быть выполнен в виде отдельных секций, каждая из которых соединена со своим коллектором подачи-выпуска газа. 1 нез.п. ф-лы, 5 зав.п. ф-лы, 4 ил.

Полезная модель относится к тем областям науки и техники, где требуется компактное хранение, содержание и транспортировка газов, в частности, метана, гелия 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 давление 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-ти 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-ти 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 РФ №2267694, опубл. 30.05.2006 г., Чабак А.Ф. Создание аккумуляторов с высоким содержанием водорода и мобильной подачей его к топливным элементам. Ж. «Альтернативная энергетика и экология. 2006, №4, с.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.

Первым шагом к заправке аккумуляторов водорода без использования диффузионного механизма является емкость для хранения водорода, состоящая из герметичного корпуса, коллектора подачи и выпуска водорода, нагревателя и наполнителя-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 выше указанного слоя. На остальную часть поверхности капилляров нанесено водородонепроницаемое покрытие (Чабак А.Ф., патент РФ №2283454

oп. 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 торцов капилляров, например, материалом с низкой температурой плавления происходит не по диффузионному механизму, а за счет открытия и или герметизации торцов 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.

Наиболее близким решением к заявляемому является 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. (Чабак А.Ф. заявка №2007109238/06, oп. 20.09.2008).

Недостатком изложенных выше решений является возможность хрупкого разрушения капилляров при возникновении высоких локальных уровней напряжения.

Техническим результатом, на которое направлена полезная модель является упрощение и удешевление емкости для хранения газа, как в процессе изготовления, так и при эксплуатации, при повышении взрывобезопасности и высокого удельного содержания газа в емкости, что приведет к улучшению потребительских свойств.

Для этого предложена емкость для хранения газов, состоящая из корпуса, технологических патрубков, и размещенных в корпусе коллектора подачи-выпуска газа и пучка полых капилляров, торцы которых соединены с коллектором подачи-выпуска газа, при этом на все внешние поверхности капилляров, за исключением торцов капилляров, соединенных с коллектором, нанесено покрытие из материала с большей пластичностью, чем материал капилляров.

На поверхность капилляров в качестве пластичного материала покрытия может быть нанесен клей, или полимерные материалы, или металл.

Кроме того, пучок капилляров может быть намотан на оправку в виде бобины. Пучок капилляров может быть выполнен в виде отдельных секций, каждая из которых соединена со своим коллектором подачи-выпуска газа.

Пластичные материалы более надежны в работе, т.к. для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения.

Как известно, пластичность - способность материала получать большие остаточные деформации, не разрушаясь. Мерой пластичности является удлинение при разрыве. Чем больше , тем более пластичным считается материал. К числу весьма пластичных

материалов относятся отожженная медь, алюминий, латунь, малоуглеродистая сталь, многие полимеры и др. Менее пластичными являются дюраль и бронза. К числу слабо пластичных материалов относятся многие легированные стали. Противоположным свойству пластичности является свойство хрупкости, т.е. способность материала разрушаться без образования заметных остаточных деформаций. Материалы, обладающие этим свойством, называются хрупкими. Для таких материалов величина удлинения при разрыве не превышает 2-5%, а в ряде случаев измеряется долями процента. К хрупким материалам относятся чугун, высокоуглеродистая инструментальная сталь, стекло, керамика и др.

Нанесение на поверхность капилляров пластичного покрытия предохраняет их от хрупкого разрушения в случае внешнего воздействия, а так же пластичное покрытие компенсирует напряжения внутри пучков капилляров, возникающие в процессе их создания или эксплуатации (изменяющиеся напряжения и деформации в процессах создания высокого давления газа в капиллярах и при сбросах давления при извлечении газа из капилляров).

В настоящее время капилляры изготавливаются из стекла или кварца. Как стекло, так и кварц подвержены хрупкому разрушению при превышении нагрузки выше предельно допустимой. При создании пучков из капилляров в технологических процессах возможны отклонения от идеальных форм капилляров. Как правило, исходные трубки из которых делают капилляры круглые (допускается незначительная эллипсность в соответствии со стандартом на изделие). Получаемые, путем перетягивания разогретой размягченной стеклянной (кварцевой, базальтовой) трубки, капилляры собирают в пучки и эти пучки снова перетягивают. Затем капилляров спекают с образованием пучков капилляров. Между капиллярами возникает сложно-напряженное состояние, которое усугубляется возникновением дополнительных напряжений при заполнении пучка капилляров газом высокого давления, что в жесткой структуре хрупкого материала может привести к разрушению. Капилляр превращается в мелкодисперсную стеклянную пыль. Разрушение (взрыв) одного капилляра приводит к последовательному разрушению соседних капилляров и этот процесс протекает практически мгновенно.

Для подавления процесса разрушения капилляров предложено нанесение на их поверхности более пластичного материала, чем материал капилляров.

На фиг.1 схематично представлен общий вид емкости для хранения газов, где

1 - корпус;

2 - пучок параллельных капилляров;

3 - покрытие из пластичного материала;

4 - коллектор подачи-выпуска газа;

5 - запорный вентиль;

6 - капилляр;

7 - оправка.

На фиг.2 дано сечение А-А фигуры 1.

На фиг.3 схематично представлен общий вид емкости для хранения газов в случае когда пучок параллельных капилляров намотан на оправку в виде бобины.

На фиг.4 дано сечение В-В фигуры 3.

Емкость представляет собой корпус 1, (фиг.1) в который помещен пучок параллельных полых капилляров 2, их открытые торцы заведены в коллектор подачи-выпуска газа 4, регулирование подачи и выпуска газа из емкости регулируется запорным клапаном 5. На все поверхности каждого капилляра 6, (фиг.2) за исключением его открытого торца, нанесено покрытие из пластичного материала 3. Пучок капилляров 2 может быть намотан на оправку 7 в виде бобины (фиг.3 и 4), и также помещен в корпус 1. Пучок капилляров 2 может быть выполнен из отдельных секций, каждая из которых соединена со своим коллектором подачи-выпуска газа 4. (на фигуре не показаны).

Технологически изготовление капилляров с покрытием не усложняет процесс производства капилляров. После стандартного процесса размягчения стекла и вытягивания из него капилляра он проходит через слой (ванну) расплавленного (растворенного) материала более пластичного, чем материал капилляра.

Эта технология была специально реализована в нескольких вариантах на действующей установке по производству капилляров. В качестве расплава пластичного материала использовались сплавы Розе, Вуда, полиэтилен, в качестве раствора пластичного материала (спиртового раствора или раствора на основе органического растворителя) различные клеи: БФ, «Момент» и др.

Были проведены эксперименты по определению характера разрушения капилляров покрытых пластичным материалом.

Пример 1. Пучок капилляров из стекла (без слоя пластичного материала) длиной 400 мм, диаметром 1 мм, содержащий 3957 капилляров с диаметром 14 мкм, толщина стенки 0,8 мкм был нагружен давлением газа 110 атм. После выдержки в течение 5 минут открыт клапан, соединенный с атмосферой. От гидродинамического удара пучок капилляров разрушился, образовав мелкодисперсную пыль.

Пример 2. Пучок капилляров из стекла (со слоем пластичного материала - сплав Вуда, толщина слоя 20 мкм) длиной 400 мм, диаметром 1 мм, содержащий 3957 капилляров с диаметром 14 мкм, толщина стенки 0,8 мкм. был нагружена давлением газа

110 атм. После выдержки в течение 5 минут открыт клапан, соединенный с атмосферой. Пучок не разрушился.

Пример 3. Капилляр из кварца (без слоя пластичного материала) длиной 600 мм, диаметр 100 мкм, толщина стенки 12,5 мкм. Давление газа в капилляре 1500 атм. Специальным устройством (типа ножниц) по центру капилляра проводилось разрушение (разрез), капилляр разрушился полностью.

Пример 4. Капилляр из кварца (со слоем пластичного материала - полиэтилена, толщина слоя 10 мкм.) длиной 600 мм, диаметр 100 мкм, толщина стенки 12,5 мкм. Давление газа в капилляре 1500 атм. Специальным устройством (типа ножниц) по центру капилляра проводилось разрушение (разрез), обе части капилляра не разрушены.

Пример 5. Капилляр из кварца (со слоем пластичного материала - клей «Момент» нанесен из спиртового раствора, толщина слоя 5 мкм.) длиной 2000 мм, диаметр 100 мкм, толщина стенки 12,5 мкм. Капилляр намотан на бобину с диаметром 100 мм. Давление газа в капилляре 1500 атм. Специальным устройством (типа ножниц) по центру капилляра проводилось разрушение (разрез), обе части капилляра не разрушены.

Перечисленные конструктивные решения не охватывают все варианты выполнения емкости.

Таким образом, такое выполнение емкости для хранения газов позволит использовать ее для хранения, содержания и транспортировки метана, гелия и водорода с высокой степенью безопасности при высоком удельном содержании газа, возможностью быстрого заполнения и извлечения газа, что повышает потребительские свойства таких устройств.

1. Емкость для хранения газов, состоящая из корпуса, технологических патрубков, и размещенных в корпусе коллектора подачи-выпуска газа и пучка полых капилляров, торцы которых соединены с коллектором подачи-выпуска газа, отличающаяся тем, что на все внешние поверхности капилляров, за исключением торцов капилляров, соединенных с коллектором, нанесено покрытие из материала с большей пластичностью, чем материал капилляров.

2. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что в качестве материала покрытия нанесен клей.

3. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что в качестве материала покрытия нанесены полимерные материалы.

4. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что в качестве материала покрытия нанесен металл.

5. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что пучок капилляров намотан на оправку в виде бобины.

6. Емкость по п.1, отличающаяся тем, что пучок капилляров выполнен в виде отдельных секций, каждая из которых соединена со своим коллектором подачи-выпуска газа.