АККУМУЛЯТОР ДЛЯ ХРАНЕНИЯ ГАЗА

Полезная модель относится к устройствам, применяемым для аккумулирования и транспорта газов, которые используются в химическом, транспортном машиностроении, в мобильных системах и системах жизнеобеспечения.
Одними из основных параметров характеризующих аккумуляторы газов являются весовое и объемное содержание газов, именно это сочетание определяет применимость аккумулятора.
2
2
Существует ряд аккумуляторов газа в виде баллонов. Основная масса выпускаемых в настоящее время баллонов изготавливается из металла, как правило, углеродистой или нержавеющей стали («Способ изготовления сосудов высокого давления», патент №2257509, регистр. 27.07.2005 г. Федулов С.А.). Эти аккумуляторы обеспечивают невысокое весовое содержание газов. Так аккумуляция газов даже в разработанных в последнее время облегченных армированных алюминиевых баллонах имеют отношение веса баллона к весу аккумулированного газа, например, водорода 45-60 кг/кг H (1,7-2,2% масс), а также емкости из композиционных материалов - 20-30 кг/кг H.(3,3-5,0%масс).
Например, фирма ULLIT (Франция) производит композитные баллоны. Силовая оболочка баллонов фирмы ULLIT изготавливается из композиционного материала на основе углеродных волокон. Особенностью конструкции является наличие специального слоя на границе контакта полимерного лейнера и металлического закладного элемента. Давление газа в таких баллонах ограничивается 350-400 атм.
Известен патент РФ №100809, в котором заявлен металлокомпозитный баллон с запорной арматурой, содержащий лейнер с армирующей намоткой.
Известны решения, направленные на придание рациональной геометрической формы баллонам высокого давления, см. патент РФ №2482380. В таком сосуде высокогодавления, имеющем сферическую форму и состоящем из внутренней герметичной оболочки и внешней силовой оболочки из композиционного материала, внутренняя герметичная тонкостенная оболочка (лейнер) выполнена цельнометаллической из алюминиевого сплава без использования сварных или иных соединений ее частей, а внешняя оболочка выполнена из органопластика на основе органических волокон марки Армос с многозонной геодезической укладкой по сферической поверхности. Недостатком решения является сложность технологической реализации.
Также, известен патент на полезную модель РФ №69610 (прототип), представляющий собой композитный баллон высокого давления, содержащий внешнюю силовую оболочку из композиционного материала и внутренний тонкостенный герметизирующий лейнер, отличающийся тем, что силовая оболочка выполнена намоткой из внутреннего и наружного слоев, при этом внутренний слой выполнен базальтовым ровингом по всей поверхности баллона и содержит несколько слоев, а наружный слой выполнен стеклоровингом и содержит, по крайней мере, два слоя, при этом, между внутренним и наружным слоями силовой оболочки установлена этикетка-паспорт баллона. Недостатком является также традиционная форма выполнения, не позволяющая варьировать объемом для хранения газа.
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 расходов 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. Кроме этого, традиционные баллоны, имея фиксированную цилиндрическую форму, создают трудности в их размещении на мобильных транспортных средствах, выбор мест их размещения весьма ограничен.
3
3
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 м метана. Таким образом, для обеспечения пробега легкового автомобиля в 500 км в двух 35-ти литровых баллонах должно быть не менее 50 м 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 трудная, 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 5 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.)
Техническим результатом, на который направлена полезная модель, является создание аккумулятора газа рациональной геометрической формы, обеспечивающего высокое массовое и объемное содержание газа, надежность, быструю заправку и извлечение газа.
Для достижения указанного результата предложен аккумулятор для хранения газа, состоящий из внутреннего герметизирующего лейнера, силовой оболочки и средств для присоединения запорной арматуры, при этом лейнер и силовая оболочка выполнены в виде протяженного гибкого цилиндра - трубопровода, длина которого L много больше его диаметра d, по крайней мере, на одном из концов которого установлено средство для присоединения запорной арматуры.
Кроме того, аккумулятор содержит внешнюю дополнительную оболочку.
Такой аккумулятор имеет возможность аккумулировать газ во внутренней трубчатой полости аккумулятора, образованной гибкой одно- или многослойной структурой. Внутренняя оболочка - лейнер и силовая оболочка выполнены в виде протяженного гибкого цилиндра - трубопровода. При этом внутренняя оболочка является газоплотной для удержания газа внутри аккумулятора, следующие оболочки выполняют силовую функцию и выполняются из высокопрочных материалов на основе полимеров, например, оплетки полимеров класса арамидов, полиимидов, либо из металла, композита, углерода, либо из других высокопрочных материалов. Помимо этого при необходимости для декоративных и защитных целей от атмосферных либо других воздействий используется дополнительная оболочка.
Внутренние газоплотные трубы, выполняющие роль лейнера, могут формоваться как с возможностью заправки и извлечения газа с обоих торцов, так и с одного. В последнем случае один из торцов герметизируется.
Такие аккумуляторы газа можно создавать под конкретные мобильные или стационарные установки с учетом их дизайна и конструкции.
На фигурах 1 и 2 представлена одна из разновидностей такого аккумулятор газа с многослойной оболочкой и металлическим фитингом для подсоединения к потребителю, либо для подсоединения к коллектору, объединяющему несколько таких аккумуляторов, где:
1 - внутренний герметизирующийо лейнер - газоплотная оболочка,
2 - силовая оболочка,
3 - внешняя дополнительная оболочка,
4 - разъемно-присоединительное устройство для присоединения запорной арматуры.
Гибкие трубчатые аккумуляторы могут иметь различную форму, например, спирали, кольца, изгибающихся профилированных цилиндров, сочетания пучка цилиндрических аккумуляторов с намотанным на них спиралевидным аккумулятором и объединенных коллектором из металла и т.п. Такие аккумуляторы, в отличие от традиционных баллонов, можно располагать в автомобиле или другом мобильном средстве в любой части их конструкции - в полостях крыши, крыльев, стоек, рамы, багажника, запасного колеса, прикрепляемому на ряде легковых автомобилей к задней двери и т.д.
3
2
Для 500 км пробега автомобиля, например, «Газели» требуется 500 м метана. Для хранения такого объема метана в трубчатых аккумуляторах с внутренним диаметром 25,4 мм в случае размещения их на/в крыше с использованием площади 4 м потребуется увеличение высоты крыши на 12 см.
3
При хранении метана при давлении 600 атм„ когда плотность этого газа равна 295,7 г/л, в 60 мм трубчатых аккумуляторах для хранения 500 м потребуется 43,15 метра аккумулятора, которые не сложно разместить, например, в автомобиле. При этом 43,15 м аккумулятора размещаются в различных полостях автомобиля и объединяются с помощью коллектора или коллекторов.
В случае хранения водорода при этом же давлении 600 атм, когда плотность водорода равна 35,44 г/л для хранения 5 кг водорода, которого достаточно для 500 км пробега автомобиля с топливными элементами, потребуется 50,4 метра такого аккумулятора (с внутренним диаметром 60 мм).
Давление 600 атм не является предельным, возможно создание таких аккумуляторов с большим давлением. Плотность при этом газа возрастает и длина (объем) аккумулятора уменьшается. Так, например, при давлении 800 атм плотность водорода равна 43,1 г/л и тогда длина аккумулятора снизится с 50,4 до 41,6 метров.