УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

Полезная модель относится к системам хранения и подачи газообразного топлива, например, водорода, при использовании его в качестве топлива, в частности, на транспортных средствах, например, автомобилях. Данное устройство может использоваться самостоятельно или как модуль в конструкции устройств более емких по газообразному топливу.
В настоящее время известен ряд конструкций для хранения водорода в химически или физически связанном состоянии, таких как различные гидридные источники водорода для лабораторий [1, 2]. Типовая конструкция подобных источников водорода следующая. В корпусе, обычно цилиндрической формы, размещается сорбент - порошок гидридообразующего металла. Подвод и отвод газа осуществляется с торцов корпуса. Система подогрева и охлаждения монтируется снаружи на корпусе или выполнена в виде системы трубок, расположенных в массиве сорбента и содержащих электронагреватели и/или теплоноситель. Такая схема конструкции приемлема для источников водорода малой емкости. Источники большой емкости по водороду, выполненные по такой схеме или набранные из описанных источников, будут обладать рядом недостатков: снижаются удельные характеристики - появляется массивный внешний корпус, способный выдержать давление или появляется неиспользованный объем между отдельными источниками, в случае использования множества источников малой емкости; ухудшается технологичность изготовления; возникают проблемы с охлаждением при заправке.
Более технологичной является модульная конструкция, например [3]. Такая конструкция предусматривает корпус произвольной формы, внутрь которого помещены модули, обычно цилиндрической формы, заполненные сорбентом. Конструкция имеет газовые коллекторы для подачи и отвода газообразного топлива. Охлаждение или нагрев осуществляются теплоносителем, циркулирующим между модулями внутри корпуса.
Эффективность такой конструкции определяется размерами и характеристиками использованных модулей. Низкая теплопроводность и низкая газопроницаемость многих существующих сорбентов определяет малые размеры модулей, что ведет к усложнению конструкции и снижает ее технологичность. Оригинальная конструкция модулей позволяет снизить влияние характеристик сорбентов на размеры и характеристики модулей.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является конструкция отдельного модуля установки для получения сверхчистого водорода [4]. Устройство содержит цилиндрический корпус, внутри которого проходит трубка для подачи водорода, соединенная с патрубком и фильтром. На этой трубке соосно расположены порции интерметаллида, способного поглощать водород с образованием металлогидрида, разделенные перегородками. Это техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является недостаточно эффективная передача тепла от сорбента на корпус устройства, что ухудшает характеристики: емкость по водороду и скорость заправки.
Задачей изобретения является улучшение технических характеристик устройства, в частности, уменьшение времени заправки и обеспечение эффективной работы с сорбентами, имеющими высокое тепловыделение, за счет улучшения теплопроводности и газопроницаемости внутри устройства.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в следующем:
- сокращение времени заправки устройства газообразным топливом;
- обеспечение более высокой скорости отдачи газообразного топлива потребителям;
- обеспечение более высокого содержания газообразного топлива ввиду более равномерной и более полной сорбции.
Появляется возможность создания эффективных устройств большего размера, что позволяет увеличить емкость по водороду и добиться большей технологичности при изготовлении сборок заданной емкости по водороду из таких устройств. Достигнута большая эффективность работы с сорбентами, имеющими низкую теплопроводность и высокое тепловыделение в реакции сорбции газообразного топлива в сочетании с высокой поглощающей способностью, что позволяет, при использовании таких сорбентов существенно увеличить удельную емкость по водороду.
Указанная задача и технический результат достигаются тем, что в известном устройстве для хранения и подачи газообразного топлива, содержащем корпус с патрубком, в котором установлены фильтр и, по крайней мере, одна проницаемая для газа трубка, соединенная с патрубком, с расположенными на трубке порциями сорбента, способного поглощать газообразное топливо, разделенными перегородками из материала с теплопроводностью, превышающей теплопроводность сорбента, согласно полезной модели:
- перегородки выполнены с отбортовкой, по крайней мере, по внешнему контуру, контактирующей с внутренней поверхностью корпуса;
- порции сорбента выполнены в виде прессованных таблеток;
- перегородки могут быть выполнены с отверстиями для улучшения циркуляции газа или из материала с газопроницаемостью, превышающей газопроницаемость сорбента;
- в контакте с перегородками может быть установлена дополнительная перегородка из материала с газопроницаемостью, превышающей газопроницаемость сорбента;
- фильтр установлен внутри или снаружи трубки или между патрубком и трубкой и выполнен в виде колец, или таблеток, или волокон, или стержня;
- устройство снабжено дополнительным патрубком, расположенным с противоположной стороны от основного патрубка, соединенным с внутренней трубкой для подачи газа.
Такая конструкция позволяет компенсировать низкую теплопроводность и газопроницаемость сорбента, что в итоге позволяет обеспечить указанный технический результат.
Улучшение характеристик устройства достигается благодаря использованию перегородок из материалов с высокой теплопроводностью и обеспечению хорошего теплового контакта (контакт с низким тепловым сопротивлением) с другими элементами конструкции, в частности, с корпусом, благодаря наличию отбортовки на перегородках. В случае использования в качестве сорбента интерметаллида в процессе его гидрирования происходит дополнительное поджатие отбортовки перегородок к корпусу, что позволяет обеспечить лучший тепловой контакт между деталями. Прессование порций сорбента позволяет добиться: технологичности при изготовлении; уменьшения пористости порций сорбента, и, как следствие, более высокого весового процента по водороду; значительного повышения теплопроводности в силу обеспечения лучшего теплового контакта между частицами сорбента. Использование в качестве материала перегородок металлических материалов с высокой газопроницаемостью (пористая нержавеющая сталь или «металлорезина») отдельно или совместно с обычными перегородками с отверстиями из материалов с высокой теплопроводностью позволяет обеспечить не только отвод тепла на корпус устройства, но и обеспечить хороший подвод газообразного топлива к прессованным порциям сорбента и перераспределение газообразного топлива внутри устройства. Расположение фильтра внутри трубки позволяет более эффективно использовать внутреннее пространство. Использование нескольких трубок для подачи газообразного топлива, дополнительных патрубков, а также указанных выше особенностей конструкции позволяет увеличить размеры устройства, и, как следствие, увеличить его емкость по водороду, с одновременным улучшением его технических характеристик.
На фиг.1 показана схема конструкции полезной модели.
На фиг.2 показана порция сорбента вместе с вариантами перегородок.
Устройство, изображенное на фиг.1, 2, включает:
- корпус 1 с патрубком 2;
- центральную трубку 3 для подачи газообразного топлива;
- фильтр 4;
- порции сорбента 5 в виде прессованных таблеток;
- перегородки 6 с отбортовкой 7.
Рассмотрим типичный вариант конструкции, показанный на фиг.1.
Корпус 1 устройства выполняется преимущественно цилиндрической формы. Внутрь корпуса 1 помещается центральная трубка 3, на которой установлены порции прессованного сорбента 5 и разделенные теплопроводящими перегородками 6 с отбортовкой 7. Перегородки 6 формируются из листового материала с нужными теплофизическими свойствами (теплопроводность значительно выше теплопроводности сорбента) путем штамповки (прессования). Перегородки 6 могут быть выполнены из материала с высокой теплопроводностью сплошными или с отверстиями (фиг.2г), а также из газопроницаемого материала (фиг.2а). Возможна установка дополнительных перегородок 8 из газопроницаемого материала, с газопроницаемостью превышающей газопроницаемость сорбента (фиг.2б, 2в). Порции сорбента 5 прессуются до некоторой оптимальной пористости, обеспечивающей компенсацию изменения объема сорбента в процессе работы в среде газообразного топлива и достаточно хорошую газопроницаемость. Порции сорбента 5 на стадии прессования могут впрессовываться в подготовленные перегородки 6 с отбортовкой 7. Фильтр 4 располагается между центральной трубкой 3 и патрубком 2 (возможно также его расположение внутри или снаружи центральной трубки 3), так, чтобы входящее и выходящее из устройства газообразное топливо проходило через него. С торцов устройство закрывается крышками, в одной из крышек располагается патрубок 2 для подачи и отвода газообразного топлива. В случае расположения патрубков в обеих крышках, фильтры устанавливаются с обоих торцов центральной трубки или внутри или снаружи центральной трубки. Крышки закрепляются на торцах корпуса 1, например, с помощью сварки.
Использование цилиндрической формы трубок представляется наиболее перспективной, поскольку позволяет выдерживать высокие внутренние давления - в сотни бар при меньшем расходе материала, это также является более технологичным при производстве, поскольку цилиндрические трубки различных диаметров с разной толщиной стенки из различных материалов выпускаются серийно, что позволяет удешевить конструкцию. В качестве сорбента могут быть использованы порошки гидридообразующих металлов или углеродные наноматериалы. В дальнейшем, в примере конструкции будем рассматривать использование в качестве сорбента порошки гидридообразующих металлов. Внешний диаметр устройства определяется с учетом: теплопроводности водородосорбирующего материала и теплопроводящих перегородок; энергии, выделяющейся или поглощаемой в сорбенте на моль поглощаемого или выделяемого водорода при работе; степени прессования и газопроницаемости сорбента; требованиями к времени работы данной конструкции. Расчеты позволяют рекомендовать при теплопроводности сорбента ~0.5-5 Вт/(м*К), при использовании медных или алюминиевых теплопроводящих перегородок и толщины прессованных порций сорбента ~10 мм применять цилиндрические трубки диаметром ~40-90 мм из различных материалов. Корпус трубки выполняет несущую функцию - выдерживает высокие рабочие внутренние давления - до нескольких сотен бар и функцию теплоотвода - на него по теплопроводящим перегородкам сбрасывается тепло, выделяющееся в процессе взаимодействия сорбента с газообразным топливом, которое затем передается хладагенту. В случае использования углеродных наноматериалов, для эффективного удержания сорбированного газа требующих поддержания температуры в узком интервале, корпус и теплопроводящие перегородки позволяют быстро достичь в начале работы и позже поддерживать нужную температуру. В качестве материала корпуса лучше использовать материалы с высокой удельной прочностью, что позволяет снизить вес и достичь высоких удельных характеристик устройства. В частности, можно использовать металлический корпус усиленный специальной намоткой, металлопласты. Теплопроводность корпуса менее важна ввиду малой толщины стенок корпуса, расчеты показывают, что теплопроводность корпуса должна быть выше 10-15 Вт/(м*К). При выборе трубок больших диаметров области сорбента, прилегающие к центральной трубке, достаточно быстро насыщаются, что ведет к увеличению объема сорбента и уменьшению пористости прессованных порций сорбента, что в итоге приводит к ухудшению подачи газообразного топлива в области сорбента, находящиеся у стенки корпуса. Для обеспечения подачи газообразного топлива в эти области могут быть использованы перегородки, которые должны быть выполнены из пористых материалов с высокой газопроницаемостью при условии высокой теплопроводности или теплопроводящие негазопроницаемые перегородки с отбортовкой могут быть дополнены перегородками из газопроницаемого материала.
Сборка устройства, показанного на фиг.1, осуществляется следующим образом. В корпус 1 помещается центральная трубка 3, на которой располагаются порции сорбента 5 с перегородками 6. После размещения всех порций сорбента устанавливается фильтр 4 (в случае расположения фильтра внутри или снаружи центральной трубки 3, фильтр устанавливается до начала сборки внутри или снаружи центральной трубки 3) и устанавливаются торцевые крышки с патрубками 2.
Устройство работает в двух режимах - заправки газом и подачи газа потребителю. В режиме заправки требуется интенсивно охлаждать устройство для обеспечения необходимого температурного режима, т.к. процесс сорбции газообразного топлива в течение короткого времени сопровождается высоким тепловыделением. Для этого требуется обеспечение интенсивного охлаждения, например, прокачкой хладагента с омыванием наружной поверхности корпуса. В режиме подачи газа потребителю работа устройства, в зависимости от применяемого сорбента, может осуществляться за счет выделения газа из сорбента до равновесных давлений, либо путем подогрева металлогидрида посредством подогретого хладагента, омывающего наружную поверхность корпуса. Во всех случаях газ в устройство или из устройства подается или отводится через один или два патрубка, расположенных с торцов в крышках устройства. В случае использования в качестве сорбентов углеродных наноматериалов хладагент используется для поддержания необходимых температур.
Литература.
1. A.N.Golubkov, A.A.Kononenko, A.A.Yukhimchuk "Thermodesorption of vanadium-hydride-based hydrogen isotope sources" / Fusion Science and Technology, an International Journal of the American Nuclear Society, vol.48, №1, 2005. Pp.527-533.
2. Лотоцкий М.В., Савенко А.Ф., Щур Д.В., Пишук В.К., Яртысь В.А., Мухачев А.П. «Металлогидридный накопитель/нагнетатель водорода» / Hydrogen materials science and chemistry of carbon nanomaterials (Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов), Book of Abstracts of the 9 International Conference ICHMS'05 (Sevastopol, Ukraine, September 5-11, 2005), Kiev: AHEU, 2005. Pp.822-823 (eng.), 824-825 (rus.).
3. Патент РФ №75708. Опубликован 20.08.2008. Бюл. №23. Юхимчук А.А., Попов В.В., Балуев В.В., Гришечкин С.К., Scott Jorgensen «Устройство для хранения и подачи газообразного топлива».
4. О.Bernauer, С.Halene "Properties of metal hydrides for use in industrial applications" / Journal of the Less Common Metals, 131. 1987. Pp.213-224.