УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ПОДАЧИ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА

ПМ (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.
Существуют разные подходы к хранению водорода: в газообразном виде под давлением [1], в жидком состоянии [2] при низких температурах [3], в химически или физически связанном состоянии. Каждый из способов обладает рядом достоинств и недостатков. С точки зрения безопасности хранения одним из наиболее перспективных способов является способ хранения водорода в химически или физически связанном состоянии. В качестве сорбентов могут использоваться различные материалы, в частности: порошки гидридообразующих металлов, позволяющие хранить водород в химически связанном состоянии в виде металлогидрида; углеродные наноматериалы, использующие физическую адсорбцию для хранения водорода или метана. Такой способ хранения имеет ряд недостатков, таких как: низкое отношение массы хранимого водорода к массе конструкции и сорбента, относительно большие времена заправки, в случае металлогидридов - высокие рабочие давления и температуры, большие выделения энергии при заправке, малые коэффициенты теплопроводности сорбентов. Часть этих недостатков можно устранить только улучшением характеристик сорбентов, другая часть недостатков может быть компенсирована конструктивными решениями.
В настоящее время известен ряд конструкций для хранения водорода в химически или физически связанном состоянии, таких как различные гидридные источники водорода для лабораторий [4, 5, 6]. 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 выполнена в виде трубок, расположенных в массиве сорбента и содержащих электронагреватели и/или теплоноситель. Такая схема конструкции приемлема для источников водорода малой емкости. Конструкции большой емкости по водороду, выполненные по такой схеме или набранные из описанных источников, будут обладать рядом недостатков: худшие удельные характеристики - появляется толстый внешний корпус, способный выдержать давление, или неиспользованный объем между отдельными источниками; теряется технологичность изготовления; возникают проблемы с охлаждением при заправке.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому устройству является система хранения и подачи водорода с использованием углеродных материалов [7]. Она содержит корпус, внутренний объем которого разделен металлическими перегородками на секции, заполненные сорбентом, содержащим водород в связанном состоянии. На внутренней поверхности секций выполнены каналы для подачи и отвода газа, а в местах пересечения перегородок расположены тепловые трубы для подачи и отвода теплоносителя. Это наиболее близкое конструктивное решение, которое выбрано в качестве прототипа. Данное устройство имеет объем 60 литров и массу без сорбента 109 кг, вмещает 23 кг углеродного сорбента и позволяет запасать до 0.7 кг водорода при давлении 70 бар и температуре 195К.
Недостатками прототипа являются низкие удельные характеристики, в частности, отношение массы хранимого водорода к массе конструкции без сорбента составляет
~0.64%; невозможность замены поврежденных секций; отсутствие технологичности при производстве - необходимость изготавливать сложный корпус с перегородками, тепловыми трубами, каналами для газа, что, как следствие, приводит к сложности ремонта.
Задачей ПМ является повышение удельных характеристик устройства с одновременным улучшением технологичности, эксплуатационных и технических характеристик.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой ПМ, заключается в следующем:
- существенно улучшены по сравнению с известными устройствами удельные характеристики, в частности, отношение массы хранимого водорода к массе конструкции без сорбента составляет 9-15% при использовании титановых сплавов и 2-3% при использовании нержавеющих сталей;
- достигнута большая эффективность работы с сорбентами, имеющими низкую теплопроводность и высокие равновесные давления;
- достигнута модульность и масштабируемость, которые позволяют легко создавать устройства разной формы и емкости по водороду из стандартных сменных секций или блоков секций;
- достигнута большая технологичность производства и ремонта.
Указанная задача и технический результат достигаются тем, что в известном устройстве для хранения и подачи газообразного топлива, содержащем корпус, в котором в секциях расположен сорбент, способный поглощать газ, систему подачи и отвода газа, сообщенную с секциями, систему подачи и отвода теплоносителя, согласно ПМ:
- секции выполнены в виде самостоятельных емкостей, установленных в корпусе с возможностью циркулирования теплоносителя между секциями;
- секции установлены с возможностью их замены;
- секции выполнены в виде емкостей любой формы одинакового размера, преимущественно цилиндрической формы;
- секции выполнены в виде емкостей любой формы разных размеров, преимущественно цилиндрической формы;
- секции могут быть объединены в блоки;
- система подачи и отвода газа расположена в корпусе и/или в крышке корпуса или установлена в виде отдельного блока;
- система подачи и отвода теплоносителя расположена в корпусе и/или в крышке корпуса или установлена в виде отдельного блока;
- содержит фильтры для очистки газа;
- при установке секций с возможностью замены, секции сообщены с системой подачи и отвода газа посредством разъемов;
- по обе стороны разъемов, соединяющих секции или блоки секций с системой подачи и отвода газа, установлены запорные устройства.
Такая конструкция позволяет достичь существенно лучших удельных характеристик. В частности, увеличить отношение массы хранимого водорода к массе конструкции с сорбентом и достаточно эффективно работать с сорбентами, имеющими низкую теплопроводность и высокие равновесные давления. Рассматриваемая конструкция обладает модульностью, легко масштабируется, является технологичной при производстве, проста при эксплуатации и ремонте.
Получить лучшие удельные характеристики, независимо от использованных материалов, стало возможным благодаря использованию секций, преимущественно цилиндрической формы, устанавливаемых с полостями для циркуляции теплоносителя. Это обусловлено тем, что цилиндрическая форма хорошо держит внутреннее давление и
при этом является одной из наиболее экономичных форм по материалу по сравнению с другими формами. Конструктивной особенностью секций может быть наличие: ребер снаружи для лучшего теплообмена с теплоносителем; радиаторов внутри для лучшего распределения и отвода тепла; газовых каналов внутри секций для лучшей подачи и распределения газа. Установка секций с полостями между ними позволяет использовать полости для циркуляции теплоносителя, что позволяет сэкономить на материале стенок каналов теплоносителя и, как следствие, улучшить удельные характеристики. Использование материалов с высокой удельной прочностью, таких как титановые сплавы, позволяют дополнительно улучшить удельные характеристики, но даже при использовании распространенных и более дешевых нержавеющих сталей удельные характеристики оказываются выше, чем у прототипа. Использование секций небольших поперечных размеров обеспечивает малые расстояния между центрами тепловыделяющих зон и стенками корпусов секций, охлаждаемых теплоносителем, что позволяет достаточно эффективно отводить тепло при относительно небольших теплопроводностях сорбентов и достаточно высоком тепловыделении. Модульность, масштабируемость и технологичность также достигаются за счет использования секций. Из одинаковых сменных секций легко конструировать устройства хранения газа практически любых форм и емкостей, переработки требуют только корпус и системы подачи и отвода газа и теплоносителя, но при этом используются типовые детали: запорные устройства, разъемы, фильтры. Технологичность обеспечивается благодаря наличию серийного выпуска большого ассортимента трубок различной формы и размеров из различных материалов. Трубки позволяют легко прессовать в них сорбент или размещать в них уже спрессованные в виде таблеток порции сорбентов. В случае, если конструкция выполнена с использованием сменных секций, то также упрощается обслуживание устройства в целом - неисправные или выработавшие ресурс секции или блоки секций меняются на
новые. Также отметим, что расширить диапазон рабочих температур, реализовать работу конструкции при различных температурах окружающей среды, позволяет использование в рамках одного устройства секций, заполненных сорбентами с различными характеристиками.
На фиг.1 показана схема варианта конструкции «проточного типа», в которой используются сменные секции.
На фиг.2 показана схема варианта конструкции «проточного типа», в которой используются сменные блоки секций.
На фиг.3 показана схема варианта конструкции «проточного типа», в которой используются не съемные секции.
На фиг.4 показана схема одного из вариантов конструкции для хранения водорода, ее составные части, схема компоновки.
На фиг.5 показаны варианты (а, б, в, г) компоновки сменных секций цилиндрической формы различных диаметров и блоков секций.
На фиг.6 показаны газовые схемы некоторых вариантов конструкции со сменными секциями и сменными блоками секций.
На фиг.7 показаны газовые схемы некоторых вариантов конструкции с не съемными секциями и блоками секций.
Устройство изображенное на фиг.1-7, включает:
- корпус 1;
- крышку корпуса 2;
- сменные секции 3, выполненные в виде отдельных емкостей цилиндрической или другой формы или блоков 4 из двух и более таких секций, причем каждая секция 3
включает в себя (фиг.4): запорное устройство 6, служащее для герметизации секций в снятом состоянии; фильтр 5, служащий для удаления из газа перед подачей потребителю мелких частиц сорбента; часть разъема 7, служащую для подключения секции 3 или блока секций 4 к системе подачи и отвода газа 8;
- систему подачи и отвода теплоносителя 9, которая может быть выполнена совместно или отдельно от корпуса 1 или крышки корпуса 2, но таким образом, что циркуляция теплоносителя происходит в полостях между сменными секциями 3 или блоками секций 4;
- систему подачи и отвода газа 8, которая может быть выполнена совместно или отдельно от корпуса 1 или крышки корпуса 2, и включает в себя: запорные устройства 10, служащие для герметизации системы подачи и отвода газа 8 в случае снятых секций 3 или блоков секций 4; части разъемов 11 для подсоединения к частям разъемов 7 сменных секций 3 или блоков секций 4.
Ввиду разнообразия вариантов компоновки устройства, несущественно отличающихся друг от друга, рассмотрим один из возможных вариантов, в частности со сменными секциями, показанный на фиг.4.
Сменные секции 3 или блоки секций 4 выполняются из цилиндрических трубок или трубок иной формы малого поперечного размера, стандартно выпускаемых и используемых в технике. Цилиндрическая форма трубок представляется наиболее перспективной, позволяет выдерживать высокие внутренние давления в сотни бар при меньшем расходе материала за счет более равномерного распределения нагрузок, поэтому в примере конструкции использована именно такая форма сменных секций. Также такой выбор продиктован технологичностью при производстве, поскольку цилиндрические трубки различных диаметров с разной толщиной стенки из различных материалов выпускаются серийно, что позволяет удешевить конструкцию. Такие трубки могут быть
легко заполнены спрессованными порциями порошков гидридообразующих металлов или углеродного наноматериала. В дальнейшем, в примере конструкции будем рассматривать использование в качестве сорбента порошков гидридообразующих металлов. Диаметр трубок определяется, в основном, теплопроводностью водородосорбирующего материала, энергией, выделяющейся или поглощаемой на моль поглощаемого или выделяемого водорода при работе, а также временными требованиями к работе данной конструкции. Расчеты позволяют рекомендовать при теплопроводности сорбента ~0.5-5 Вт/(м К) использовать цилиндрические трубки стандартных диаметров в диапазоне ~20-40 мм из алюминиевых или титановых сплавов, нержавеющих сталей, в зависимости от рабочих давлений и необходимых массогабаритных характеристик. Возможно использование также и других материалов, например, широко применяемых в технике металлопластов. Сменные секции позволяют легко ремонтировать емкость, неисправная или выработавшая свой ресурс секция или блок секций заменяются новыми. Поэтому необходимо, чтобы каждая сменная секция 3 или блок сменных секций 4 имели запорные устройства 6, служащие для герметизации сменной секции или блока секций в снятом состоянии; фильтры 5, предотвращающие попадание мелких частиц сорбента в систему подачи и отвода газа; части разъема 7 для подсоединения к системе подачи и отвода газа 8 посредством ответных частей разъемов 11. Отметим, что устройство может дополнительно оснащаться фильтрами 5, размещенными в системе подачи и отвода газа 8.
Возможные варианты расположения цилиндрических сменных секций приведены на фиг.5. Сотовая компоновка дает более плотную упаковку при использовании сменных секций одного диаметра, в то время как при использовании секций двух диаметров предпочтительной оказывается упаковка с расположением крупных секций в вершинах квадрата и более мелких секций между ними. Закрепление секций 3 или блоков секций 4 внутри устройства осуществляется посредством разъемов, состоящих из частей 7, 11
(фиг.6). Для обеспечения большей прочности соединений и для предотвращения перемещения секций 3 или блоков секций 4 внутри устройства могут использоваться дополнительные крепления, предотвращающие перемещения секций в процессе движения транспортного средства.
Следует отметить, что конструкция может быть существенно упрощена за счет отказа от использования сменных секций или сменных блоков секций и использованием вместо них не съемных секций. В этом случае отпадает необходимость иметь для каждой секции запорные устройства 6, 10, фильтры 5 и части разъемов 7, 11. Фильтры 5 для очистки газа от частиц сорбента и запорные устройства 6 для герметизации системы подачи и отвода газа 8 могут быть выполнены для всего устройства в целом (фиг.7). В этой ситуации конструкция становится более простой и дешевой, но в случае выхода из строя одной секции должен быть заменен весь бак. Также отметим, что конструкция может оснащаться предохранительными клапанами, манометрами и другим дополнительным газовым оборудованием.
На фиг.6, 7 изображены основные варианты газовых схем конструкции. Фиг.6 отображает структуру газовых схем для устройств, имеющих сменные секции и сменные блоки секций, а на фиг.7 изображены газовые схемы для конструкций с не съемными секциями. Фигуры отображают структуру системы подачи и отвода газа 8 вместе с секциями 3 и блоками секций 4. Варианты, показанные на фиг.6, предусматривают использование одиночных сменных секций 3 или блоков из двух и большего числа сменных секций 4, соединенных между собой, при этом система подвода и отвода газа 8 может быть выполнена с одной или с двух сторон сменных секций 3 или блоков секций 4 так, чтобы обеспечивать «проточный» вариант заправки с проходом газа через секции или «тупиковый» вариант заправки без прохода газа. «Проточный» вариант позволяет уменьшить время заправки, сделать заправку более равномерной по объему сорбента,
перераспределить и отвести часть тепла, выделяющегося при заправке. «Тупиковый» вариант лишен этих достоинств, но зато является более простым по конструктивному исполнению.
Крышка корпуса 2 является частью корпуса 1 устройства для хранения и подачи газообразного топлива и служит для герметизации корпуса. Система подачи и отвода газа 8 может быть вмонтирована в корпус 1 или в крышку корпуса 2. При этом система подачи и отвода газа может быть разделена на несколько частей и выполнена как в виде отдельных деталей, так и монтироваться внутри корпуса 1 или внутри крышки корпуса 2. В случае конструкции со сменными секциями и блоками секций, система подачи и отвода газа 8 включает в себя: запорные устройства 10 для герметизации системы при снятых секциях 3 или блоках секций 4; ответные части разъемов 11 для подсоединения секций 3 или блоков секций 4. Данная система соединяет газовые каналы отдельных сменных секций 3 или блоков секций 4 в единую газовую магистраль, служащую для подачи и отвода газа. Газовая магистраль может оснащаться фильтром 5 или системой фильтров для очистки водорода от мелких частиц сорбента. Для конструкции с не съемными секциями, система подачи и отвода газа 8, также включает в себя запорные устройства 6 и фильтры 5, но выполненные для всей конструкции.
Охлаждение и нагрев осуществляется за счет теплоносителя, который циркулирует в корпусе 1 в полостях между секциями 3 или блоками секций 4. Теплоноситель подается и отводится через систему подачи и отвода теплоносителя 9, которая может быть вмонтирована в корпус 1 и/или крышку корпуса 2 и позволяет подавать и отводить теплоноситель в разных частях корпуса таким образом, чтобы обеспечить для всех секций равномерное по всей длине их корпуса охлаждение или равномерный нагрев. Поскольку давление теплоносителя в системе будет невелико, по оценкам, до 2 бар в зависимости от скорости прокачки теплоносителя, то корпус 1 и крышку корпуса 2 возможно выполнять
различной формы из различных материалов. Такая конструкция устройства, использующая для циркуляции теплоносителя полости между сменными секциями, способствует снижению массы устройства. В качестве теплоносителя можно использовать различные жидкости, применяющиеся серийно в технике в качестве теплоносителей и хладагентов, например тосол.
Сборка конструкции, показанной на фиг.4, осуществляется следующим образом. Сменные секции 3 или блоки секций 4 подсоединяются к системе подачи и отвода газа 8, которая может быть вмонтирована в крышку корпуса 2, после чего такая сборка помещается в корпус 1 и закрепляется креплениями, если такие крепления предусмотрены. Если система подачи и отвода газа 8 была выполнена независимо от крышки корпуса 2, то корпус 1 с помещенными внутрь секциями 3 или блоками секций 4, соединенными с системой подвода и отвода газа 8, закрывается крышкой корпуса 2. Крышка корпуса 2 крепится к корпусу 1, герметизируя при этом систему подвода и отвода теплоносителя 9. Для конструкций с не съемными секциями, секции крепятся к системе подвода и отвода газа, после чего вся сборка помещается в корпус и герметизируется.
Устройство работает в двух режимах - заправки газом и отдачи газа потребителю. В режиме заправки требуется интенсивно охлаждать устройство для обеспечения необходимого температурного режима при высоком тепловыделении в результате реакции гидрирования в течение короткого времени. Для этого требуется прокачивать теплоноситель через устройство во время заправки газом посредством системы подачи и отвода теплоносителя 9. В режиме подачи газа потребителю работа устройства, в зависимости от применяемого сорбента, может осуществляться за счет выделения газа из сорбента до равновесных давлений, либо с прокачкой теплоносителя с целью нагрева металлогидрида до требуемой температуры для обеспечения необходимой степени и кинетики реакции дегидрирования. Во всех случаях газ в устройство или из устройства
подается или отводится системой подачи и отвода газа 8. В случае использования в качестве сорбентов углеродных наноматериалов теплоноситель используется для поддержания необходимых температурных режимов.
Для сравнения данной конструкции с другими были произведены расчетные оценки ее характеристик. Характеристики сорбента брались следующие: тепловыделение 23 кДж на моль поглощенного водорода; плотность 4.5 грамма на кубический сантиметр при пористости 0.8; максимальная поглотительная способность 2.2 весовых процента водорода. Объем конструкции 168 литров. Конструкция рассчитывалась на работу при давлении до 420 бар. Время заправки выбиралось равным 15 минутам. В качестве материалов для сменных цилиндрических секций рассматривались алюминий, титан, нержавеющая сталь. В результате были получены следующие оценочные характеристики, приведенные в таблице 1.
Таблица 1
Оценочные характеристики устройства.
Наименование
Материал корпуса
Алюминий
Титан
Нержавеющая сталь
Незанятый объем между секциями, заполненный теплоносителем
8-12%
8-12%
8-12%
Масса хранимого в сорбенте водорода
5.6-6.7 кг
9-10.5 кг
7.2-8.7 кг
Отношение массы водорода к массе конструкции с сорбентом
1.17-1.25%
1.6-1.75%
1.05-1.15%
Отношение массы водорода к массе конструкции без сорбента
3-4%
9-15%
2-3%
Отношение массы конструкции к массе сорбента
50-70%
15-20%
70-90%
Существующие в настоящее время конструкции, в частности прототип [7], позволяют достичь более скромных результатов при лучших характеристиках используемых сорбентов. В частности прототип [7] позволяет запасти 0.7 кг водорода в конструкции объемом 60 литров и массой 109 кг без сорбента. Конструкция рассчитана на максимальное рабочее давление 70 бар. В прототипе используется 23 кг сорбента с максимальной емкостью в 3 весовых процента. Т.е. выполненная по такой технологии емкость объемом 168 литров будет запасать около 2 кг водорода, соответственно все удельные характеристики будут значительно хуже.
Как видно из таблицы, при использовании титановых сплавов в предложенной конструкции, возможно получить наилучшие удельные характеристики, которые могут быть значительно улучшены при использовании более совершенных сорбентов.
Литература.
1. Патент РФ №2222749, опубликованный 27.01.2004, F17C 5/04.
2. Патент РФ №2270788, опубликованный 27.02.2006, B64D 37/02.
3. Патент США №6755219, опубликованный 29.01.2004, В65В 1/04.
4. Golubkov A.N., Kononenko A.A., Yukhimchuk A.A. "Thennodesorption 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.
5. Голубков А.Н., Гришечкин С.К., Юхимчук A.A., Лобанов В.Н. «Источники изотопов водорода высокого давления на основе гидрида ванадия» / Сборник докладов международного семинара «Потенциал Российских Ядерных Центров и МНТЦ в тритиевых технологиях» (Саров, 17-21 мая 1999), Саров, 2000. Стр. 120-123.
6. 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.).
7. Канончик Л.Е., Бабенко В.А., Васильев Л.Л. «Терморегулируемая система хранения водорода с использованием углеродных материалов» / Hydrogen materials science and chemistry of carbon nanomaterials (Водородное материаловедение и химия углеродных наноматериалов). Book of abstracts of the 10 International Conference ICHMS'07 (Sudak, Ukraine, September 22-28, 2007), Kiev: AHEU, 2007. Pp.1066-1067 (eng.), 1068-1069 (rus.).