БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к технике хранения, распределения и транспортировки газов и жидкостей и может быть использована в конструкциях транспортных средств для хранения и распределения компонентов топлива, в химической, автомобильной, авиационной, космической и судостроительной промышленностях, а также при транспортировке газов и жидкостей железнодорожным или морским транспортом.
В основном баллоны подобного типа предназначены для хранения и транспортировки сжиженного газа в бытовых условиях или использования в качестве сменной емкости сжатого газа на транспортных средствах для питания двигателя внутреннего сгорания.
Известен многокамерный резервуар для сжатого газа, содержащий группу трубок, опирающихся на проставочные пластины с параллельными, близко расположенными рядами отверстий, в которых размещены трубки, причем каждая трубка контактирует с соседними трубками и погружена в волокнистую смолу, которая заполняет все промежутки в группе трубок до уровня границ проставочных пластин (см.патент РФ №2286508, по кл. F17C 1/00, 2001).
Недостатками известной конструкции являются:
- низкий коэффициент заполнения газом высокого давления, т.к. объем дополнительно заполнен волокнистой смолой;
02
- отсутствие жесткой (до (σ) связи между трубками, что вызывает перераспределение радиальных напряжений и разрушение отдельных трубок;
- отсутствие состояния предварительного сжатого объема перед закачкой газа, т.к. смола не обладает модулем упругости.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является баллон высокого давления, состоящий из корпуса, в
нижней части которого выполнено дно, а в горловине установлен газоввод, соосно размещенных в нем внутренних герметизирующих оболочек цилиндрической формы, жестко соединенных с корпусом и связанных друг с другом, при этом одни концы оболочек герметизированы и закреплены на дне корпуса, а другие - связаны с газовводом (патент RU 2080502, по кл. F16J 12/00, 1992 г.)
В известном баллоне внутренние оболочки цилиндрической формы, полости которых параллельны, посредством соединительных каналов сообщены с полостью охватывающего их корпуса, а объем, заключенный между соответствующими корпусом и внутренними оболочками, заполнен связующим наполнителем.
Недостатками известной конструкции являются:
- наличие элементов конструкции, усложняющих конструкцию и делающих ее неработоспособной, например, отсечные клапаны. Размещение отсечных клапанов в конструкции баллона на 2кбар водорода (оптимальная емкость для автомашин, работающих на водороде) бессмысленно, т.к. такой обратный клапан не работает даже при 500атм;
- сложность технологического исполнения предлагаемой конструкции не позволяет ее массового производства;
- наличие связующего наполнителя, т.к. при давлении 2 кб он становится «прозрачным » для водорода;
- в случае выполнения связующего наполнителя из материала с открытыми сообщающимися порами, их размер не должен превышать 2А°, что создать пока невозможно;
- наличие микросфер лишь увеличивает «паразитный» объем емкости, что приводит к уменьшению закачиваемого газа;
- при закачке газа сверхвысокого давления происходит «схлопывание» внутренних поверхностей баллона;
- конструкция не является предварительно-напряженной перед заполнением ее газом, что не позволяет обеспечить максимальное давление газа в баллоне.
Задачами, решаемыми предлагаемой полезной моделью, являются создание диссипативного баллона, позволяющего обеспечить максимальное давление в нем газа и имеющего простые конструкцию и технологию сборки.
Технический результат в предлагаемой полезной модели достигают созданием баллона высокого давления, состоящего из корпуса, в нижней части которого выполнено дно, а в горловине установлен газоввод, соосно размещенных в нем внутренних герметизирующих оболочек цилиндрической формы, жестко соединенных с корпусом и связанных друг с другом, при этом одни концы оболочек герметизированы и закреплены на дне корпуса, а другие - связаны с газовводом, в котором, согласно полезной модели, герметизирующие оболочки выполнены одинакового диаметра и жестко связаны друг с другом, при этом корпус и внутренние герметизирующие оболочки находятся в состоянии всестороннего сжатия до наименьшего предела упругости материала одного из элементов (корпуса, оболочек, припоя), из которых они выполнены, а соединение между корпусом и горловиной выполнено в виде эллиптической поверхности.
Предлагаемый баллон является диссипативным. В нем отсутствует при заполнении его газом импульсное разрушение, т.к. заполняемый объем состоит из большого количества оболочек малых объемов.
Выполнение герметизирующих оболочек одинакового диаметра (минимального диаметра), например капилляров, упрощает сборку баллона и расчет максимального давления газа.
Выполнение внутренних герметизирующих оболочек в виде трубок и/или капилляров позволяет закачивать газ сверхвысокого давления, т.к. не происходит «схлопывание» внутренних оболочек баллона.
Соединение всех основных элементов предлагаемого устройства (корпуса, размещенных в нем внутренних герметизирующих оболочек друг с другом) путем пайки позволяет создать состояние всестороннего
сжатия до наименьшего предела упругости материала одного из элементов, причем в качестве припоя пайки используют или оловянный, или серебряный, или никелевый сплавы.
Проведенные патентные исследования показали, что неизвестны технические решения с указанной совокупностью существенных признаков в аналогичных баллонах высокого давления, т.е. предлагаемое решение соответствует критерию «новизна».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления полезной модели.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется нижеследующим описанием предлагаемой полезной модели и чертежами, где
на фиг.1 - показан баллон высокого давления (размер оболочек увеличен);
на фиг.2 - вид А-А на фиг.1.
Баллон высокого давления состоит из корпуса 1, в нижней части которого выполнено дно 2, а в горловине 3 установлен газоввод 4, соосно размещенных в нем внутренних герметизирующих оболочек 5 цилиндрической формы и одинакового диаметра.
Внутренние герметизирующие оболочки 5 жестко соединены с корпусом 1 и связаны друг с другом, например, спайкой. В качестве припоя 6 спайки могут быть использованы или оловянный, или серебряный, или никелевый сплавы.
В зависимости от технологических условий и от закачки определенного количества газа оболочки могут быть выполнены или в виде трубок или капилляров. Количество оболочек может быть любым, причем чем меньше диаметр оболочек (множество малых объемов), тем больше проявляется диссипативность предлагаемого баллона.
Одни концы оболочек герметизированы и закреплены на дне 2 корпуса, а другие - связаны с газовводом 4.
При этом корпус 1 и внутренние герметизирующие оболочки
находятся в состоянии всестороннего сжатия до наименьшего предела упругости материала одного из элементов (корпуса, оболочек, припоя), из которых они выполнены. Это необходимо для обеспечения максимального давлении закачиваемого газа, т.к., во-первых, при кристаллизации припоя он уменьшается в объеме, создавая наряженное состояние всестороннего сжатия.
Во-вторых, при закачке газа внутрь баллона максимально допустимое давление газа зависит от предела упругости предварительного сжатия, возникающего за счет усадки элементов при кристаллизации припоя.
Соединение между корпусом 1 и горловиной выполнено в виде эллиптической поверхности 7 и выполняет роль в предлагаемой конструкции структурного предохранительного клапана. Клапан обеспечивает плавное снижение давления, не превышающее 1000 атм в мин, и не дает закачивать газ при давлении выше критического. Эллиптическую поверхность 7 получают при механической расточке стенки корпуса в его горловине 4.
Предлагаемый баллон высокого давления изготавливают следующим образом:
Применяемые для сборки режимы плакирования и пайки обычные для применяемых материалов, из которых изготовлены элементы конструкции и припоя, поэтому заявитель не претендует на их новизну.
Корпус в предлагаемом изобретении может быть выполнен любым из известных способов, в котором корпус выполняют металлическим, например, см
1) патент RU №2246371, по кл F17C 1/00, 2003 г) и имеющим плавные, с радиусными (эллиптическими) переходами;
2) см. сайт http:/www.progress.ua/ «Информация об автомобильных баллонах» 13.07.2005 г).
Сначала производят плакирование внутренних герметизирующих оболочек 5 припоем 6. В зависимости от технологических требований,
предъявляемых к конструкции баллона, т.е. на какое давление он рассчитан, это могут быть или оловянный или серебряный, или никелевый сплавы (см.таб.1).
Затем плакированные оболочки спаивают и устанавливают в предварительно плакированный корпус.
Последней операцией производят спайку внутренней оболочки с корпусом.
Было изготовлено несколько опытных образцов диссипативных баллонов высокого давления с разными припоями, и данные по их испытаниям приведены в табл.1. Указанные данные в таблице 1 - это усредненные значения 3-х испытаний.
Корпус предлагаемого диссипативного баллона высокого давления был изготовлен из стали 1Х18Н10Т и заполнен тонкими капиллярами из той же стали, т.е. отвечающими требованиям взрывобезопасности - диссипативности при наполнении их газами, жидкостями сверхвысокого давления и т.д.
нар.
Капилляры были изготовлены из стали 1Х18Н10Т, имели три размера, но наружному диаметру и толщине стенок: d=2 мм, 1,2 мм, 0,8 мм.; Н=0,3 мм, 0,15 мм, 0,1 мм соответственно.
3
Толщина стенок корпуса была постоянной и не превышала 1 мм при объеме баллона 6 см.
Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Таблица 1.
№
Предел упругости материала
Предел прочности
1
Пустые баллоны
σ<sub>02</sub>=175 атм
σ<sub>в</sub>=210 атм
2
Баллон с капиллярами ⌀2 мм, пайка оловом
σ<sub>02</sub>=4800 атм
σ<sub>в</sub>=4050 атм
3
Баллон с капиллярами ⌀1 мм, пайка оловом
σ<sub>02</sub>=5100 атм
σ<sub>в</sub>=5400 атм
4
Баллон с капиллярами ⌀0.8 мм, пайка серебром
σ<sub>в</sub>=10100 атм плавное снижение давления
5
Баллон с капиллярами ⌀1,2 мм и ⌀ 0.8 мм, пайка серебром
σ<sub>в</sub>=9850 атм плавное снижение давления
Скорость закачки азота не превышала 100 атм в минуту.
Данные по испытаниям отдельных капилляров монотонно возрастают с уменьшением внешнего диаметра: ⌀2 мм - 2000 атм., ⌀1 мм - 2750 атм., ⌀0,8 мм - 3500 атм, все капилляры разрушились мгновенно, также как пустые баллоны и баллоны, заполненные спаянными оловом капиллярами.
Только баллоны, заполненные капиллярами, спаянные серебром, плавно снижают давление газа при достижении критического значения давления после прекращения нагнетания еще в течение 3-5 секунд.
Пример 5 доказывает, что при заполнении баллона капиллярами разных диаметров, а именно, ⌀1,2 мм и ⌀0.8 мм, даже при пайке серебром предел прочности уменьшается. Это доказывает, что только при заполнении баллона капиллярами одинакового диаметра достигают максимальный предел прочности.
Из приведенных выше данных видно, что предлагаемый баллон высокого давления можно использовать как баллон для сверхвысокого давления.