Емкость высокого давления для хранения и транспортировки взрывоопасных газов и жидкостей
HIGH PRESSURE VESSEL FOR STORAGE AND TRANSPORTATION OF EXPLOSIVE GASES AND LIQUIDS

Данное изобретение относится к емкостям для аккумулирования, хранения и высвобождения взрывоопасных газов или жидкостей, в частности, водорода для использования в транспортных и стационарных энергетических установках и может применяться в летательных аппаратах, автомобилях, или бытовой технике.
Водород представляют собой экологически чистый универсальный энергоноситель, характеризующийся гибкостью и эффективностью процессов преобразования энергии с его участием.
В качестве энергоносителя водород имеет широкий спектр применения, например, его можно применять, в автомобильной промышленности, а также в стационарных энергетических установках или в качестве одного из компонентов топлива ракетных двигателей и т.д.
Одной из проблем, с которой в настоящее время сталкиваются инженеры, является безопасное и надежное хранение водорода, а также других взрывоопасных газов или жидкостей, поскольку указанные вещества при наличии утечки из емкости образуют крайне взрывоопасную смесь с кислородом, содержащимся в воздухе. Подобную утечку достаточно тяжело обнаружить, не применяя дорогостоящие устройства, поскольку водород и большинство взрывоопасных газов и жидкостей не обладают цветом и запахом. Также необходимо минимизировать вероятность мгновенного распространения пламени при возгорании в случае повреждения емкости.
Соответственно, надежное, безопасное хранение и высвобождение взрывоопасных газов и жидкостей представляет собой достаточно сложную задачу.
В настоящее время ведутся активные разработки емкостей, в первую очередь предназначенных для безопасного хранения водорода.
Одним из решений вышеуказанных проблем является разделение емкости для хранения на множество изолированных друг от друга микрообъемов.
В научном журнале CHEMICAL PROBLEMS № 4 (16) за 2018 год, стр. 453–483, издающемся на русском языке, в статье «Проблемы аккумулирования и хранения водорода» авторов В.Н. Фатеева и др., рассмотрены  емкости для хранения газообразного водорода в  мультикапиллярных структурах из стекла, кварца, базальта и ряда других материалов.
Капилляры представляют собой систему цилиндрических трубок, один конец которых закрыт, а другой – соединен с запорной арматурой. Перед сборкой на поверхность торца этой капиллярной системы наносится слой металла для ее герметизации.
Для создания капиллярных микроструктур используются материалы, имеющие высокие прочностные характеристики и низкий удельный вес. Это, прежде всего, полимеры, кварцевые и стеклянные волокна.
Принцип разбиения на микрообъемы (капилляры) исключает мгновенное распространение пламени в объеме резервуара. Например, при повреждении целостности конструкции происходит постепенное (растянутое во времени) истечение водорода из поврежденных капилляров. Поэтому такие системы хранения более взрывобезопасны, чем стандартные баллоны высокого давления.
Недостатками известных мультикапиллярных структур для хранения водорода является высокая стоимость изделия при массовом производстве, высокая трудоемкость изготовления компонентов, сложность получения надежного герметичного металлического покрытия и обеспечения плотного прилегания металлического покрытия к поверхности капилляров, а также невозможность применения для хранения жидкостей и газов, отличных от водорода.
Наиболее близкой к заявленному изобретению является «Емкость для хранения водорода» (патент RU 2267694, МПК F17C11/00 (2006.01), опубл. 10.01.2006 г.), содержащая герметичный корпус, в котором расположены полые микросферы, скрепленные между собой в единую жесткую структуру, сформированную послойно из микросфер разного диаметра. Диаметр микросфер уменьшается от центрального слоя к периферийному.
Микросферы выполнены из стали, или сплава титана и стали, или лантана, или никеля, или циркония, или сплава на основе этих металлов, или графита, или композиции на основе графита, с покрытием, эффективно поглощающим водород. Водородом наполнены как сами микросферы, так и пространство между ними.
Микросферы из металла соединены между собой диффузионной сваркой.
Недостатками описанной в патенте RU 2267694 емкости, являются сложность и высокая стоимость изготовления жесткой структуры из микросфер, так как выполнение микросфер различного диаметра и их соединение в жесткую структуру представляет собой достаточно сложную и трудоемкую технологическую задачу.
Принцип разбиения на микрообъемы исключает мгновенное распространение пламени в объеме резервуара. Например, при повреждении целостности конструкции происходит постепенное истечение взрывоопасного вещества из пучка поврежденных ячеек. Поэтому такие системы хранения более взрывобезопасны, чем стандартные баллоны высокого давления.
Главной идеей использования микроячеистой структуры емкости для хранения стал принцип разбиения всего геометрического объема системы хранения на множество микрообъемов. Для создания микроструктуры используются материалы, имеющие высокие прочностные и жесткостные характеристики  и низкий удельный вес.
Целью предлагаемого изобретения является повышение, по сравнению с существующими, надежности и безопасности эксплуатации емкостей высокого давления, снижение стоимости при массовом производстве за счет использования традиционных материалов и технологий, сохраняя при этом высокий уровень удельного содержания водорода при минимальном весе баллона.
Технический результат состоит в снижении стоимости и трудоемкости изготовления за счет использования традиционных материалов, например металлов, угле- и стекловолокон, и технологий, например сварки, пайки, склеивания, штамповки.
Разработанная емкость с микроячеистой структурой заполнителя обладает высокой удельной вместимостью для газообразного водорода высокого давления, высокой надежностью работы системы высвобождения и зарядки водородом, способностью длительного хранения при высоком давлении без потерь на испарение, высокой взрывобезопасностью при повреждении баллона за счет постепенного истечения водорода из поврежденных ячеек.
Заявленный технический результат достигается тем, что в известной емкости для  взрывоопасных газов и жидкостей, состоящей из корпуса, в котором размещен микроячеистый заполнитель, согласно заявляемому изобретению, заполнитель выполнен в виде последовательно наложенных друг на друга вдоль оси емкости по всей ее длине слоев, соединенных между собой и с корпусом, слой заполнителя представляет собой набор ячеек, выполненных в виде выпуклой и расположенной по нормали к срединной поверхности слоя куполообразной оболочки вращения с прямолинейной образующей в виде усеченного конуса или криволинейной образующей в виде либо полуволны синусоиды, либо – в виде четверти окружности, при этом ячейки в слое расположены в шахматном порядке, причем в каждом слое вершина ячейки и вершины граничащих с ней ячеек противоположно направлены, кроме того, по меньшей мере в одной ячейке слоя выполнено микроотверстие, образующее канал сообщения для газа или жидкости между слоями; слои заполнителя установлены друг относительно друга так, что каждый последующий слой является зеркальным отражением предыдущего слоя.
Соединение слоев может осуществляться по областям контакта ячейки одного слоя заполнителя с соответствующей областью контакта ячейки следующего слоя заполнителя посредством сварки, пайки или склеивания.
Соединение заполнителя с корпусом может быть произведено с помощью сварки, пайки или склеивания по контуру.
Корпус может быть выполнен из лейнера с намоткой из композиционного материала, например, из стекло-, угле- или базальтоволокна.
Корпус может быть выполнен из металла.
Слои заполнителя могут быть изготовлены методом выкладки с последующей полимеризацией из полимерных материалов, обладающих газонепроницаемыми свойствами.
Слои заполнителя могут быть изготовлены из композитных материалов, обладающих газонепроницаемыми свойствами.
Слои заполнителя могут быть изготовлены из металла.
Слои заполнителя и корпус могут быть снабжены средствами позиционирования друг относительно друга.
Слои заполнителя могут быть снабжены плоской отбортовкой.
Сущность изобретения поясняется фигурами, на которых показаны:
Фиг. 1 – емкость для хранения водорода или взрывоопасного газа или жидкости с расположенным внутри нее многослойным заполнителем, вид в перспективе;
Фиг. 2 – слой  заполнителя с куполообразными ячейками;
Фиг. 3 – элементарная ячейка слоя заполнителя, показанного на фиг. 2;
Фиг.4 – элементарная ячейка слоя заполнителя; вид в разрезе;
Фиг. 5 – элементарная ячейка слоя заполнителя, показанного на фиг. 2 с выполненными в ее вершине микроотверстиями;
Фиг.6 – элементарная ячейка слоя заполнителя с выполненными в ее вершине микроотверстиями, вид в разрезе;
Фиг.7 – слой заполнителя с куполообразными ячейками и плоской отбортовкой по краю.
Емкость состоит из металлического или композитного корпуса, в котором расположен многослойный микроячеистый заполнитель и, по меньшей мере, один патрубок для заправки и отдачи газа или жидкости. На внутренней поверхности композитного корпуса, выполненного из стекло-, угле- или базальтоволокна, располагается герметизирующий металлический лейнер. В случае цельнометаллического корпуса, лейнер отсутствует. В этом случае роль лейнера выполняет корпус.
Соединение указанной микроячеистой конструкции с лейнером или цельнометаллическим корпусом произведено с помощью сварки или пайки по плоскому контуру отбортовки микроячеистых слоев.
Слои заполнителя представляют собой структуру, состоящую из куполообразных ячеек, имеющих вид оболочек вращения относительно осей, нормальных к срединной плоскости слоя поочередно направленных вверх или вниз по отношению к ней, с прямо- или криволинейной формой образующей, расположенных в шахматном порядке.
Слои заполнителя последовательно размещают в корпусе емкости по всей ее длине и соединяются между собой по вершинам куполообразных ячеек. Слои установлены друг относительно друга так, что каждый последующий слой является зеркальным отражением предыдущего слоя.
Каждая ячейка заполнителя выполняются в виде выпуклой куполообразной фигуры с прямолинейной образующей в виде усеченного конуса или криволинейной образующей в виде либо полуволны синусоиды, либо – в виде четверти окружности и расположенной по нормали к срединной поверхности слоя. Число и материал слоев, количество, высота и шаг ячеек заполнителя выбираются, исходя из формы, внутреннего объема, а также условий эксплуатации и допустимого веса емкости.
Соединение слоев между собой по вершинам ячеек и соединение слоев по контуру с корпусом производится с помощью точечной сварки, пайки или склеивания. После соединения между слоями образуются межслоевые объемы, предназначенные для хранения водорода.
Для связи межслоевых объемов при освобождении и заправке емкости, в вершинах некоторых ячеек, например, через одну, выполняются микроотверстия. Количество микроотверстий может быть обусловлено различными факторами, например, скоростью заправки баллона.
Слои заполнителя могут быть изготовлены из полимерных материалов, обладающих газонепроницающими свойствами или из металлической фольги (предпочтительно - титан). Полимерные слои выполняются методом выкладки с последующей полимеризацией и, если есть необходимость, напылением герметизирующего металлического покрытия.
Металлические слои заполнителя выполняются методом штамповки и соединяются по вершинам ячеек методом точечной сварки, пайки или склеивания.
Композитные слои соединяются в вершинах ячеек методом склейки.
В случае изготовления слоев из металла, можно использовать метод штамповки, при этом в качестве материала могут использоваться алюминий, сталь, титан или его сплавы.
При этом, независимо от вариантов изготовления, слои и металлический корпус (или лейнер, если корпус – композитный) могут оснащаться средствами позиционирования друг относительно друга, например, регулярно расположенными по линии контакта точечными опорами, для облегчения процесса сборки емкости.
На фиг. 1 показана емкость для хранения водорода или взрывоопасных газа или жидкости, содержащая корпус 1, выполненный из композитного материала, лейнер 2, патрубок 3 и многослойный заполнитель 4.
Однако, как вариант можно использовать в качестве основного материала корпуса металл. В этом случае, лейнер 2 отсутствует.
Материалом лейнера 2 может быть любой конструкционный материал (чаще всего – металл), обладающий герметизирующими свойствами по отношению к хранящемуся в емкости газу или жидкости и соответствующий условиям эксплуатации емкости.
Корпус 1 емкости имеет цилиндрическую, сферическую или торообразную форму, наиболее целесообразную для хранения газов под высоким давлением.
В стенке корпуса 1 располагается по меньшей мере один патрубок 3 для заправки и/или подачи газа или жидкости к потребителю.
Во внутренней полости корпуса 1 расположен микроячеистый заполнитель 4 (фиг.1), образованный наложенными друг на друга слоями 5. Каждый слой 5 представляет собой набор взаимосвязанных куполообразных ячеек 6 (фиг. 2). Ячейки выгнутой и вогнутой формы располагаются поочередно, в шахматном порядке. Другими словами, вершина 7 одной ячейки направлена вверх, а вершины граничащих с ней ячеек – вниз или наоборот. Слои могут иметь различную форму и размеры, отвечающие форме поперечного сечения емкости.
На фиг. 3-4 показана элементарная куполообразная ячейка 6 слоя 5. Ячейка 6 представляет собой выпуклую, расположенную по нормали к срединной поверхности слоя куполообразную оболочку вращения с прямолинейной образующей в виде усеченного конуса или криволинейной образующей в виде либо полуволны синусоиды, либо – в виде четверти окружности. В вершине 7 ячейки 6 имеется область контакта 8, в которой слои 5 соединяются друг с другом.
В области контакта 8 некоторых ячеек 6 выполнены микроотверстия 9, предназначенные для связи между собой объемов, ограниченных соседними слоями 5 (фиг. 5-6). Количество ячеек 6 с микроотверстиями 9 зависит от заданной скорости, с которой газ должен покидать или поступать в емкость.
Слои 5 установлены друг относительно друга таким образом, что каждый последующий слой является зеркальным отражением предыдущего слоя.
Соединение слоев 5 образует микроячеистую пространственную конструкцию заполнителя 4 (фиг. 7).
Количество и высота куполообразных ячеек выбирается, исходя из формы и  объема, а также  условий эксплуатации  емкости.
При необходимости для корректной установки слоев друг относительно друга, а также относительно корпуса 1 на лейнере 2 могут быть выполнены средства позиционирования, например, пазы или выступы, а на слоях заполнителя - ответные части, соответствующие форме выступа или паза на лейнере 2.
Слои 5 могут быть изготовлены из полимерных или композитных материалов, обладающих газонепроницающими свойствами или из металлической фольги.
Композитные слои 5 микроячеистой структуры заполнителя 4 выполняются методом выкладки с последующей полимеризацией и (если есть необходимость) напылением герметизирующего металлического покрытия.
Соединение слоев 5 между собой и с лейнером 2 производится с помощью сварки, пайки или склеивания. При необходимости облегчения процесса соединения слоев 5 и лейнера 2 на слое 5 выполняется плоская отбортовка 10 (Фиг.8). Внешняя композитная намотка корпуса 1 выполнена из стекло-, угле- или базальтоволокна.
В случае, если корпус и микроячеистая структура заполнителя (без лейнера) выполнены из одного материала (металла), возможно выполнение емкости в одну технологическую операцию с помощью аддитивных технологий.
Если слои заполнителя выполнены из композитного материала по технологии 3D-печати, то полученная таким образом пространственная композитная микроячеистая структура помещается затем во внешний металлический герметизирующий лейнер, на поверхности которого затем выполняется  силовой корпус из волокнистого композиционного материала методом намотки.