Система заправки емкостей газифицированным криоагентом высокого давления

Система заправки емкостей газифицированным криоагентом высокого давления относится к технике создания высоких давлений газа без традиционных компрессоров. Система содержит резервуар криожидкости, насос, всасывающий и напорный трубопроводы, газификатор, регулятор давления газа и внешний газопровод. Насос входом соединен через всасывающий трубопровод с резервуаром криожидкости, а выходом через напорный трубопровод с входом газификатора. Новым в полезной модели является то, что система дополнительно содержит накопитель-газификатор, турбину, газопроводы высокого и низкого давления, клапаны заправочный, жидкостной, газовый, дренажный и выходной. Турбина механически связана с насосом. Всасывающий трубопровод содержит клапан жидкостной. Газопровод низкого давления содержит клапан газовый. Накопитель-газификатор выходом соединен через клапан выходной с внешним газопроводом, а входом, через клапан заправочный - с выходом напорного трубопровода. Турбина входом соединена с выходом газопровода высокого давления, содержащего регулятор давления газа, а выходом, через газопровод низкого давления с клапаном газовым - с резервуаром криожидкости. Клапан дренажный входом соединен с выходом турбины, а выходом - с атмосферой. Система позволяет заправлять емкости газифицированным криоагентом с давлением, намного превышающем давление жидкости за насосом, без затрат внешней энергии.

Предлагаемая полезная модель относится к технике создания высоких давлений газа, получаемых без традиционных компрессоров и без внешних энергозатрат.

Развитие водородной энергетики сопряжено с необходимостью создания сети заправочных станций, обеспечивающих мобильных потребителей газифицированным водородным топливом. При этом из-за чрезвычайно малой плотности водорода и ограниченных габаритов транспортных баков необходимо, чтобы заправляемый в них водород имел достаточно высокое давление.

Известно устройство для заправки топливом транспортных средств (Патент РФ на полезную модель 68647 от 29.05.2007), снабженных топливными криогенными баками, содержащее резервуар для подачи топлива под давлением, теплообменник-испаритель наддува и регулятор давления.

Техническое решение позволяет производить заправку емкостей газифицированным криогенным топливом путем его вытеснения избыточным давлением из резервуара и газификации с заданным давлением. Однако вытеснительная система подачи топлива не позволяет обеспечивать потребителя газом повышенного давления.

Известна система заправки емкостей газифицированным криоагентом (Патент РФ на ПМ 19896 от 13.04.2001), содержащая резервуар для криожидкости, насос, испаритель, трубопроводы, соединяющие насос с резервуаром для криожидкости и испарителем, газ из которого поступает в трубопровод для подачи газа потребителю.

Техническое решение позволяет подавать газ повышенного давления. Однако при этом необходимо иметь источник электроэнергии для привода насоса и величина давления газа ограничена давлением, развиваемым насосом.

Технической задачей заявляемого решения является сжатие и газификация криогенной жидкости с выдачей газа высокого давления, не требующего затраты внешней энергии, при минимальной стоимости.

Поставленная задача решается тем, что система заправки емкостей газифицированным криоагентом высокого давления, содержит резервуар криожидкости, насос, всасывающий и напорный трубопроводы, газификатор, регулятор давления газа и внешний газопровод. Насос входом соединен через всасывающий трубопровод с резервуаром криожидкости, а выходом через напорный трубопровод с входом газификатора.

Новым в полезной модели является то, что система дополнительно содержит накопитель-газификатор, турбину, газопроводы высокого и низкого давления, клапаны заправочный, жидкостной, газовый, дренажный и выходной, при том турбина механически связана с насосом, всасывающий трубопровод содержит клапан жидкостной, регулятор давления газа установлен в газопроводе высокого давления, а клапан газовый - в газопроводе низкого давления, при этом накопитель-газификатор выходом соединен через клапан выходной с внешним газопроводом, а входом, через клапан заправочный - с выходом напорного трубопровода, турбина входом соединена с выходом газопровода высокого давления, а выходом через газопровод низкого давления - с резервуаром криожидкости, клапан дренажный входом соединен с выходом турбины, а выходом - с атмосферой.

Использование накопителя-газификатора позволяет газифицировать жидкость за счет тепла окружающей среды, температура которой существенно выше температуры криожидкости, увеличить ее давление до величины, намного превышающей давление подачи насоса (что позволяет уменьшить габариты и массу накопителя-газификатора, а также снизить его стоимость) и хранить ее в газообразном состоянии.

Использование турбины позволяет обеспечивать привод насоса без использования внешних источников энергии.

Использование газопровода высокого давления позволяет подавать газ в турбину для обеспечения ее функционирования.

Использование газопровода низкого давления позволяет отводить отработавший в турбине газ в резервуар криожидкости для полезного его использования.

Использование клапана заправочного позволяет подавать жидкость, нагнетаемую насосом из резервуара в накопитель-газификатор, только при достаточной раскрутке ротора насоса, обеспечивая тем самым минимальное время процесса запуска и время опорожнения резервуара криожидкости, снижая эксплуатационные затраты.

Использование клапанов жидкостного и газового позволяет отсоединять резервуар криожидкости от остальной части системы, например, при проведении регламентных и ремонтных работ.

Использование клапана дренажного позволяет сбрасывать газ после турбины в атмосферу при запуске системы для обеспечения необходимого перепада давлений газа на турбине для ее раскрутки.

Использование клапана выходного позволяет отключать систему от потребителя при проведении заправки и регламентных работ.

Использование клапана дренажного может позволить сбрасывать газ после турбины в накопитель-газификатор, что исключит потери газа при запуске системы.

Развитие и уточнение приведенной выше совокупности существенных признаков дано далее.

Накопитель-газификатор может быть выполнен в виде двух или более емкостей, сообщающихся между собой. Это позволяет повысить ремонтопригодность системы и удешевить ее изготовление.

Система может дополнительно содержать клапан проходной. Это позволяет сбрасывать криоагент в накопитель-газификатор (вместо выброса в атмосферу), что позволяет уменьшить потери криоагента при работе системы.

Система может дополнительно содержать клапан перепускной и клапан пусковой. Это позволяет питать турбину газом из накопителя-газификатора, что обеспечивает увеличение расхода криожидкости, поступающей в накопитель-газификатор и сокращает время ее заправки.

Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача: сжатие и газификация криогенной жидкости с выдачей газа высокого давления без затраты внешней энергии.

Настоящая полезная модель будет более понятна после рассмотрения последующего описания системы заправки емкостей криогенной жидкостью со ссылкой на прилагаемые схемы на фиг.1 и 2.

Система заправки емкостей газифицированным криоагентом высокого давления (см. фиг.1) содержит резервуар криожидкости 1, насос 2, всасывающий 3 и напорный 4 трубопроводы, газификатор 5, регулятор давления газа 6 и внешний газопровод 7, где насос 2 входом соединен через всасывающий трубопровод 3 с резервуаром криожидкости 1.

В соответствии с полезной моделью система дополнительно включает накопитель-газификатор 8, турбину 9, газопроводы высокого 10 и низкого 11 давления, клапан заправочный 12, клапан жидкостной 13, клапан газовый 14, клапан дренажный 15 и клапан выходной 16. Турбина 9 механически связана с насосом 2. Всасывающий трубопровод 3 содержит клапан жидкостной 13. Регулятор давления газа 6 установлен в газопроводе высокого давления 10. Клапан газовый 14 установлен в газопроводе низкого давления 11. Накопитель-газификатор 8 выходом соединен через клапан выходной 16 с внешним газопроводом 7, а входом, через клапан заправочный 12 - с выходом напорного трубопровода 4. Турбина 9 входом соединена с выходом газопровода высокого давления 10, а выходом через газопровод низкого давления 11 - с резервуаром криожидкости 1. Клапан дренажный 15 входом соединен с выходом турбины 9, а выходом - с атмосферой.

Накопитель-газификатор 8 может быть выполнен в виде двух или более параллельно соединенных емкостей.

Выход турбины 9 через клапан проходной 17 (см. фиг.2) может быть соединен с выходом накопителя-газификатора 8. При этом вход газификатора 5 через клапан перепускной 18 соединен с выходом накопителя-газификатора 8 и через клапан пусковой 19 - с выходом напорного трубопровода 4.

Работа системы осуществляется следующим образом (см. фиг.1). Перед пуском системы резервуар криожидкости 1 заполнен криогенной жидкостью с давлением выше атмосферного и все клапаны системы закрыты.

При запуске системы открывается клапан жидкостной 13 и клапан дренажный 15. Жидкость из резервуара 1 через клапан жидкостной 13 поступает в насос 2 и далее через напорный трубопровод 4 попадает в газификатор 5. В газификаторе 5 жидкость газифицируется и через газопровод высокого давления 10 с регулятором давления газа 6 поступает в турбину 9. В турбине 9 срабатывается перепад давления (избыточное над атмосферным давление в резервуаре криожидкости), образуется крутящий момент и турбина 9 вместе с механически связанным с ней насосом 2 начинает вращаться, что приводит к повышению давления за насосом 2. Из турбины 9 газ, через клапан дренажный 15 сбрасывается в атмосферу.

В процессе запуска происходит непрерывное увеличение частоты вращения насоса 2 и соответствующее увеличение давления за ним. При достижении давления за насосом значения, превышающего на заданную величину давление в накопителе-газификаторе 8 открывается клапан заправочный 12 и криоагент начинает поступать в накопитель-газификатор 8; открывается клапан газовый 14, закрывается клапан дренажный 15 и газ из турбины 9 сбрасывается в резервуар криожидкости 1. При этом жидкость, выходя из напорного трубопровода 4, разделяется на два потока: первый поток проходит через газификатор 5, газопровод высокого давления 10 с регулятором давления газа 6, турбину 9, газопровод низкого давления 11 с клапаном газовым 14 и попадает в резервуар криожидкости 1 и ожижается; второй поток через клапан заправочный 12 поступает в накопитель-газификатор 8, где газифицируется с повышением давления.

Регулятор давления газа 6 ограничивает уровень давления газа перед турбиной в допустимых пределах.

После опорожнения резервуара криожидкости 1 закрываются все клапаны системы, отсекающие резервуар криожидкости 1 и накопитель-газификатор 8 от остальной системы. При этом в накопителе-газификаторе 8 продолжается нагрев от тепла окружающей среды и газификация всей поступившей в него жидкости с соответствующим увеличением давления газа. Газ высокого давления подается потребителям из накопителя-газификатора 8 через клапан выходной 16 и внешний газопровод 7.

Технология запуска по фиг.2 зависит от величины давления в накопителе-газификаторе 8.

При величине давления в накопителе-газификаторе 8 меньшей давления в резервуаре криожидкости 1 при запуске системы открываются клапаны проходной 17, пусковой 19 и жидкостной 13. Жидкость из резервуара 1 через клапан жидкостной 13 поступает в насос 2 и далее через напорный трубопровод 4 с клапаном пусковым 19 попадает в газификатор 5. В газификаторе 5 жидкость газифицируется и через газопровод высокого давления 10 с регулятором давления газа 6 поступает в турбину 9. В турбине 9 срабатывается перепад давления, образуется крутящий момент и турбина 9, вместе с механически связанным с ней насосом 2 начинает вращаться, что приводит к повышению давления за насосом 2. Из турбины 9 газ, через клапан проходной 17 сбрасывается в накопитель-газификатор.

При достижении давления за насосом значения, превышающего на заданную величину давление в накопителе-газификаторе 8 открываются клапаны заправочный 12 и перепускной 18, закрывается клапан пусковой 19 и криоагент начинает поступать в накопитель-газификатор 8; открывается клапан газовый 14, закрывается клапан дренажный 15 и газ из турбины 9 сбрасывается в резервуар криожидкости 1.

При величине давления в накопителе-газификаторе 8 большей давления в резервуаре криожидкости 1 (дозаправка накопителя-газификатора 8) процесс запуска осуществляется при закрытых клапанах проходном 17 и перепускном 18 и открытом клапане 19 так же, как и в схеме по фиг.1. При достижении давления за насосом 2 значения, превышающего на заданную величину давление в накопителе-газификаторе 8 клапаны пусковой 19 и дренажный 15 закрываются, а клапаны заправочный 12, перепускной 18 и газовый 14 открываются. Криожидкость из насоса 2 через клапан заправочный 12 подается в накопитель-газификатор. Холодный газ из накопителя-газификатора 8 через клапан перепускной 18 поступает в газификатор 5, где он подогревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды и через регулятор давления газа 6 поступает в турбину 9, откуда газ через клапан газовый 14 поступает в резервуар криожидкости 1.

Все возрастающие требования улучшения экологии окружающей среды, в том числе и требования по чистоте выхлопных газов автомобилей заставляют искать новые технические решения, в частности, использование водорода в качестве топлива, сгорание которого дает практически экологически чистый выхлопной газ.

Рассмотрим возможность использования предложенной полезной модели для систем заправки автомобилей газообразным водородом.

В качестве резервуара криожидкости используется стандартная транспортная емкость объемом 25 м³ (ЦТВ 25/06) с жидким водородом при температуре около 22 К и соответствующем ей давлении 0.15 МПа.

Накопитель-газификатор выполнен в виде трех одинаковых параллельно задействованных газовых емкостей с рабочим давлением до 100 Мпа и суммарным объемом 30 м³, позволяющим вместить все топливо из резервуара криожидкости в газообразном состоянии при рабочем давлении. При этом емкости не снабжены специальной теплоизоляцией.

Насос, подающий жидкий водород - центробежный одноступенчатый - обеспечивает на выходе давление 7 МПа и расход 3.5 кг/с. Эти параметры позволяют обеспечивать подачу жидкого водорода в накопитель-газификатор существенно быстрее, чем происходит газификация жидкости из-за теплоемкости стенок и внешнего теплоподвода из окружающей среды через стенки, благодаря чему в конце работы системы не менее половины объема накопителя-газификатора будет находиться еще в жидком состоянии. При этом окружная скорость центробежного колеса насоса не превысит 380-400 м/с, частота вращения колеса 50000 об/мин и потребная мощность для привода насоса не более 500 кВт при величине его к.п.д. 70%.

Турбина - осевая двухступенчатая, имеет степень понижения полного давления равную 3, что позволяет ей отдавать требуемую мощность при величине к.п.д. 76% и расходе газообразного водорода (с температурой перед турбиной 260-310 К) в количестве не более 17% от расхода жидкого водорода через насос; окружная скорость на среднем диаметре колес турбины равна 440 м/с. Внешние диаметральные габариты насоса и турбины близки и составляют примерно 200 мм.

Заправка пустых емкостей накопителя-газификатора жидким водородом при указанных параметрах системы занимает не более 10-15 минут, при этом давление газа в конце заправки не превышает 6 МПа.

Повышение давления газа до расчетной величины осуществляется путем естественного внешнего нагрева емкостей теплом окружающей среды.

Система обеспечивает заправку емкостей потребителя криогазом с давлением 5 МПа.

Таким образом, использование предлагаемой системы позволяет без привлечения внешних источников энергии осуществлять подачу криожидкости в накопитель-газификатор, газифицировать ее и повысить давление до сверх высокого значения, обеспечивающего компактность накопителя-газификатора.

1. Система заправки емкостей газифицированным криоагентом высокого давления, содержащая резервуар криожидкости, насос, всасывающий и напорный трубопроводы, газификатор, регулятор давления газа и внешний газопровод, где насос входом соединен через всасывающий трубопровод с резервуаром криожидкости, а выходом через напорный трубопровод - с входом газификатора, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит накопитель-газификатор, турбину, газопроводы высокого и низкого давления, клапаны заправочный, жидкостной, газовый, дренажный и выходной, при том турбина механически связана с насосом, всасывающий трубопровод содержит клапан жидкостной, регулятор давления газа установлен в газопроводе высокого давления, а клапан газовый - в газопроводе низкого давления, при этом накопитель-газификатор выходом соединен через клапан выходной с внешним газопроводом, а входом через клапан заправочный - с выходом напорного трубопровода, турбина входом соединена с выходом газопровода высокого давления, а выходом через газопровод низкого давления - с резервуаром криожидкости, клапан дренажный входом соединен с выходом турбины, а выходом - с атмосферой.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что накопитель-газификатор выполнен в виде двух или более емкостей, сообщающихся между собой.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит клапаны проходной, перепускной и пусковой, при этом выход турбины через клапан проходной соединен с выходом накопителя-газификатора, вход газификатора через клапан перепускной соединен с выходом накопителя-газификатора и через клапан пусковой - с выходом напорного трубопровода.