ЁМКОСТЬ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ КОМПРИМИРОВАННЫХ ГАЗОВ

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к устройствам, позволяющим компактно и безопасно хранить и использовать компримированный (то есть сжатый до высокого давления) газовый теплоноситель, в частности водород, на борту транспортного средства, например автомобиля с электроприводом, получающим электропитание от термоэлементов, преобразующих водород в электрический ток (то есть относится к системам, предназначенным для решения актуальной задачи - использование экологически чистого энергоносителя на транспорте), а также может быть использована как бак, при хранении газа в обычных автомобилях, работающих на газовом топливе.
Уровень техники
Основная проблема, сдерживающая развитие электрического транспорта в настоящее время, заключается в характеристиках и возможностях мощных электро-аккумуляторных батарей - высоковольтные батареи, на которые, пока, вынуждены ориентироваться производители электроприводных транспортных средств (ЭТС), имеют массу равную 40-50% от массы ЭТС.
В результате, как наиболее перспективный накопитель энергии на борту ЭТС будущего, по мнению большинства экспертов, сейчас рассматривается водород.
Системы для хранения жидкого водорода или баков для хранения компримированного газообразного водорода обладают многими недостатками: отсутствием гибкости конфигурации, большой массой, а также повышенной взрывоопасностью в аварийных ситуациях, что делает затруднительным их использование на современных автомобилях при существующих технологиях автомобилестроения.
Известны емкости для хранения водорода, представляющие собой сосуды для содержания компримированного водорода под высоким давлением, например, композитные баки на давление до 400 атмосфер («Баки специального назначения», бак БД-40 (производство Российской фирмы НПО «Поиск» по ТУ 2296-005-03455343- 99).
Н2
К
Н2
К
Недостатком такой емкости является низкое весовое содержание водорода по отношению к массе пустой емкости (т.е. невысокое значение соотношения массы водорода к массе материала емкости при полной ее зарядке на максимальном давлении зарядки), обычно характеризующегося, так называемым, гравиметрическим параметром F=M/M, где: М - масса водорода в емкости; М - масса корпуса) а также взрывоопасность при повреждении ее корпуса и, в результате, быстрой утечки газа из него.
Более безопасным является известный аккумулятор водорода (емкость для хранения водорода), выполненного в виде пучка полых капилляров из стекла или полимера, на торцевых поверхностях пучка таких капилляров выполнено покрытие в виде слоя аккумулирующего материала с высокой проницаемостью для водорода и с низкой температурой плавления, или с низкой температурой деструкции; на уровне этого покрытия расположен нагреватель (патент Российской Федерации №2283454).
Недостатком такой технологии (технического решения) хранения водорода является повышенное энергопотребление на омический нагрев аккумулирующего материала, высокая инерционность процесса освобождения водорода, а также сложность регулирования выхода газа путем нагрева аккумулирующего материала и низким значением гравиметрического параметра F.
Известна также емкость для хранения компримированного газа под давлением, в частности водорода (патент на изобретение РФ №2339870).
Емкость состоит из герметичного цилиндрического 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 коллекторами подачи-выпуска газа. Изобретение обеспечивает безопасное хранение различных газов, необходимых, например, для заправки автомобилей, а также их безопасную транспортировку от места производства к потребителям.
Недостаток этого технического решения заключается в сложной и затратной для производства технологии изготовления емкости с накопителем-аккумулятором газа, выполненном в виде пучка полых капилляров, в требовании высокого давления для зарядки емкости (в варианте водорода - свыше 1000 атм.), а также низкий рабочий расход газа при снижении давления в емкости в конце рабочего цикла (ниже 10-15 атм.).
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой полезной модели является емкость для хранения газа под давлением (WO2005028945A3).
Емкость состоит из герметичного цилиндрического внешнего корпуса, или нескольких цилиндрических корпусов, внутренние полости которых сообщены между собой через отверстия в их корпусах, содержащих внутренние сосуды накопители - аккумуляторы газа, выполненных в форме прямых трубок и размещенные в корпусе параллельно друг другу.
Емкость снабжена технологическими патрубками, в виде коллектора подачи-выпуска газа, размещенных в корпусе и сообщающих внутреннюю полость внешнего корпуса с полостями внутренних сосудов. Емкость содержит также клапан, для избирательного пропуска газа между этими полостями, снабженный мембраной, непроницаемой для газа в заданном температурном диапазоне, и нагревательное устройство, повышающее температуру мембраны до температурного диапазона, при котором газ способен диффундировать через мембрану. Регулирование температуры мембраны позволяет управлять процессом выхода газа из емкости.
Н2
К
Н2
К
Недостаток этого технического решения заключается в затратной и сложной для производства технологии изготовления емкости с накопителем аккумулятором газа, в низких эксплуатационных характеристиках из-за сложности регулирования процесса выхода газа, связанной с наличием нагревательного устройства и необходимостью одновременного управления выпускным клапаном газа из емкости и температурой мембраны при не надежной работе самой мембраны, и в не высоком значении удельного соотношения массы водорода к массе материала емкости при полной ее зарядке на максимальном давлении зарядки, т.е. в низком значении гравиметрического параметра F=M/M, где: F - гравиметрический параметр; М, - масса водорода в емкости; М - масса корпуса.
Технической проблемой, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является достижение низкого значения гравиметрического параметра F.
Раскрытие сущности полезной модели
Техническим результатом заявляемой полезной модели является обеспечение безопасного хранения компримированных газов при сохранении низкой взрывоопасности в аварийных ситуациях.
Для достижения технического результата предложена емкость для хранения компримированных газов, содержащая внутри корпуса накопитель-аккумулятор газа, при этом корпус емкости имеет форму сферы, внутри которого расположен накопитель-аккумулятор газа, представляющий собой пустотелые шары, на наружной стенке которых выполнены отверстия, сообщающие внутренние полости шаров между собой и с межшаровой полостью емкости.
Кроме того, корпус емкости и стенки шаров выполнены из прочноплотных композитных материалов на основе алюминиевых сплавов или неметаллических материалов на основе базальта или инновационного сплава «Scalmalloy».
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана конструктивная схема емкости для хранения газов,
где 1 - сферический корпус;
2 - шары;
3 - межшаровые полости;
4 - наружные стенки шаров;
5 - отверстия в шарах;
6 - впускной канал для газа;
7 - выпускной канал.
На фиг. 2 показана емкость из трех гирлянд, с четырьмя сферическими корпусами 1 в каждой гирлянде, где:
8 - отверстия в сферическом корпусе I.
Осуществление полезной модели
Главное преимущество предлагаемой емкости по сравнению с аналогами и прототипом основано на сферической форме ее корпуса, что увеличивает относительное весовое содержание водорода по отношению к массе емкости (гравиметрического параметра F), так как по условиям прочности толщина стенки в сферическом корпусе может быть в два раза меньше, чем в цилиндрическом корпусе (с тем же рабочим объемом для газа и при том же давлении) и, тем самым достигается технический результат заявляемой полезной модели.
Возможность совместить конструктивную схему емкости с несущими элементами, например, электроприводного транспортного средства, работающего на водороде (ЭСВТ), позволяет дополнительно выиграть в итоговых массогабаритных характеристиках ЭСВТ не только за счет хороших энергетических удельных параметров емкости, аккумулированных в содержавшемся в ней водороде (3-4 квт.час/кг), но и за счет возможности использовать ее в качестве конструктивного элемента ЭСВТ. Например, в беспилотном летающем аппарате (БПЛА) это может быть панель рабочей платформы аппарата, или в электро-автомобиле элемент днища и/или элементом рамы для внедорожника.
Емкость для хранения газов, схема которой показана на фиг. 1 состоит из корпуса 1, имеющего форму сферы, внутри которого расположен накопитель-аккумулятор газа, состоящий из семи пустотелых шаров 2, на наружной стенке 4 которых выполнены отверстия 5, сообщающие внутренние полости шаров 2 между собой и с межшаровой полостью 3 емкости.
Устройство работает следующим образом. Через впускные каналы для газа 6, расположенные в сферическом корпусе 1, газ подается внутрь этого корпуса, т.е. в межшаровые полости 3, а из них в шары 2 через отверстия 5 в наружных стенках шаров 4.
Заправка емкости производится на водородной зарядной станции при давлении зарядки 600 - 700 атм.
Корпус 1 емкости и внутренние пустотелые шары 2 изготовлены из прочноплотных композитных материалов на основе алюминиевых сплавов или неметаллических материалов, например, стеклобазальтопластика по ГОСТ Р 55068-2012 или инновационного сплава «Scalmalloy» (сплав алюминия, магния и скандия).
H2
К
При этом достигаются более высокие значения относительного весового содержания водорода (гравиметрического параметра F=M/M) по отношению к массе пустых корпусов емкости, по сравнению с прототипом и аналогами.
Эти значения достигаются за счет того, что по условиям прочности толщина стенки в сферическом корпусе в два раза меньше, чем в цилиндрическом корпусе прототипа и аналогов с тем же рабочим объемом для газа и при том же давлении.
Расчетные характеристики СКХВ позволяют получить удельную емкость водорода 8-11% при давлении водорода во время зарядки «бака» максимальным давлением. В случае изготовления СКХВ из высокопрочного инновационного композитного материла на основе базальта, стеклобазальто-пластика или инновационного сплава «Scalmalloy» достигаются рекордные значения гравиметрического параметра до 15-18%.
Возможность совместить конструктивную схему емкости с несущими элементами электроприводного транспортного средства, работающего на водороде (ЭСВТ), позволяет дополнительно выиграть в итоговых массо-габаритных характеристиках ЭСВТ не только за счет хороших энергетических удельных параметров емкости (3-4 квт.час/кг), но и за счет возможности использовать ее в качестве конструктивного элемента ЭСВТ. Например, в беспилотном летающем аппарате (БПЛА) это может быть панель рабочей платформы аппарата, или в электро-автомобиле - элемент днища и/или элементы рамы для внедорожника.
ВН
Объединив такие емкости в батарею можно получить «бак» с запасом водорода любой необходимой мощности. Сейчас разработана конструкция емкости с внутренним диаметром Д=12 см с запасом водорода при Р=600 атм. (стандартное давление для разрабатываемых на Западе заправочных водородных станций), примерно, 1,1 кг в одном сферическом корпусе.
Электро-водородный автомобиль максимальной мощностью 120 квт с такой емкостью проедет в режиме скоростной трассы около 1200 км без подзарядки.
При расчетной оценке предполагалось, что автомобиль будет двигаться по трассе со средней мощностью 60 квт.
На фиг. 2 представлен пример реализации емкости, состоящей из трех гирлянд сферических корпусов 1, сообщенных между собой отверстиями 8 в местах контакта корпусов 1 в каждой гирлянде и с корпусами соседней гирлянды.
В таком варианте, когда корпус емкости состоит из большого количества сферических корпусов 1 (в нашем случае не менее 3-х), он может выполнять функцию накопителя аккумулятора газа без установки внутри пустотелых шаров. В аварийной ситуации будет достаточно того, что критическое истечение возникнет в отверстиях, соединяющих внутренние полости сферических корпусов.
В этом случае упрощается технология ее изготовления. Сферические корпуса емкости могут быть изготовлены цельноштампованными (исключается сварка двух половин сферы) или методами аддитивных технологий.
На фиг. 2 представлен вариант емкости, состоящей из трех гирлянд, каждая из которых содержит по четыре сферических корпуса 1 с внутренним диаметром 386 мм. Сферические корпуса 1 сварены из полусфер, изготовленных штамповкой.
В местах соединения между собой сферические корпуса 1 сварены, образуя общие «пятачки» диаметром 10 мм. «Пятачки» имеют отверстия 8 диаметром 3-5 мм, которые сообщают между собой межшаровые полости 3 сферических корпусов 1.
Эти отверстия 8 или просверлены в сферических корпусах 1 после их сварки между собой (с последующей заваркой технологического отверстия в корпусе для прохода сверла), или сформированы в корпусах до соединения их в батарею.
Таким образом, в этом варианте емкость представляет собой «ковер», размером 1200×1600×400 мм, который может быть, например, вмонтирован в багажник, электро-водородного автомобиля. При зарядке давлением 600 атм. такой «бак» будет содержать около 13 кг водорода. Автомобиль с максимальной мощностью 120 кВт в загородном режиме эксплуатации, в варианте с двигателем, работающем на органическом топливе (бензине) при расходе бензина 6 л/100 км. проедет 600 км. А в случае перехода на водородный двигатель с термоэлементами, с одной заправкой предлагаемого «бака» проедет 1200 км (т.е. в два раза больше, чем автомобиль на органическом топливе со стандартным баком на 60 л).
О
О
В аварийной ситуации при образовании трещины или иного повреждения в корпусе 1, утечка газа через это повреждение будет происходить гораздо медленнее, чем из обычного баллона, в связи с тем, что он будет выходить через маленькие отверстия 5 из каждого шара 2 и из межшаровых полостей 3. В этих отверстиях возникают условия критического истечения газа. В этом случае, критическое соотношение давлений Ркр/Р ≈ 0,5 (где: Р - текущее давление перед отверстием), что будет значительно снижать скорость аварийного истечения газа.
В предлагаемых вариантах конструкции емкости в зависимости от места ее повреждения критическое истечение будет возникать как в отверстиях оболочек шаров 5, так и в отверстиях 6 и 7, диам. 10 мм, сообщающих сферические корпуса 1 между собой. Снижение скорости истечения водорода в аварийной ситуации при этом будет в каждом отверстии (βкр=Рср/Рвх, где: Рср - давление окружающей среды; Рвх - давление газа перед отверстием (Дейч М.Е. Техническая газодинамика, изд. 2-е, переработ. М. - Госэнергиздат, 1961 г). Так как, вероятнее всего, на пути выхода водорода в авариной ситуации будут находиться несколько отверстий с параметрами критического истечения, то в большинстве возможных аварийных ситуаций расход аварийного истечения по сравнению со свободным в окружающую среду, снизиться больше, чем в 20 раз.