БАЛЛОН ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
HIGH-PRESSURE CYLINDER

Изобретение относится к сосудам высокого давления для текучей среды, корпуса которых изготавливают из композиционного материала. В основном сосуды подобного типа предназначены для хранения и транспортировки газа в бытовых условиях или использования в качестве сменной емкости сжатого газа на транспортных средствах для питания двигателя внутреннего сгорания, топливных элементов, в авиационной и космической технике.
Известен баллон высокого давления из композиционных материалов, содержащий многослойный силовой каркас, выполненный из перекрещивающихся однонаправленных нитей и полимерного связующего, и внутреннюю защитную металлическую оболочку с радиальными гофрами, в котором впадины гофр заполнены несжимаемым пластифицированным веществом, практически несцепляющимся с внешним силовым каркасом, что обеспечивает смещение внутренней оболочки при их растяжении. Заполняющее вещество противостоит выпрямлению гофр на внутренней оболочке и увеличению периферийного расстояния между смежными гребнями при ее растяжении (патент США 3446385, кл. B65D 7/42, 1966).
Однако, как показали результаты испытаний, при такой конструкции баллона в его цилиндрической части создаются высокие напряжения в кольцевом направлении, внутренняя защитная металлическая оболочка не подвержена воздействию осевых нагрузок, и такие конструкции баллонов не пригодны для хранения газов под высоким давлением и циклическими нагрузками до тысячи и более раз по причине не обеспечения совместимости работы внутренних слоев - внутренней защитной металлической оболочки и многослойного силового каркаса из перекрещивающихся однонаправленных нитей и полимерного связующего, приводящей к расслоению между ними и преждевременному разрушению слоев.
Известен баллон высокого давления из композиционных материалов, который включает намотку на защитную металлическую оболочку с радиальными гофрами перекрещивающихся однонаправленных нитей, пропитанных полимерным связующим, с образованием слоев силового каркаса, его термообработку с учетом выбора температурного режима отверждения связующего и отверждение связующего под избыточным давлением рабочей среды в металлической оболочке (В.А.Калиничев, М.С.Макаров. Намотанные стеклопластики, Москва, Химия, 1986, стр.218-224). Это устройство обладает вышеперечисленными недостатками.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является баллон давления из композиционных материалов, содержащий многослойный силовой каркас, выполненный из перекрещивающихся однонаправленных нитей и полимерного связующего, и внутреннюю защитную полимерную оболочку (WO 92/20954 A1, F17C 1/16, 26.10.1992). Недостатками данного баллона являются чрезвычайная сложность его конструкции, а также значительная его масса. Кроме того, хотя в известном баллоне предусмотрены определенные меры по защите его целостности при внешних воздействиях, однако в нем, по существу, отсутствуют средства для предотвращения влияния повышенного внутреннего давления на герметичность баллона. Внутренняя конструкция баллона такова, что при повышенных давлениях не исключается отслоение внутренней герметизирующей оболочки от силового каркаса и, как следствие, нарушение герметичности баллона.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является создание баллонов газов, обеспечивающих высокое массовое и объемное содержание газа, надежность, быструю заправку и извлечение газа.
Для достижения указанного результата предложен баллон высокого давления из композиционных материалов, содержащий многослойный силовой каркас, выполненный из перекрещивающихся однонаправленных элементов и связующего, внутреннюю оболочку, средства для подачи и выпуска газа, при этом каркас выполнен из намотанных на газонепроницаемую оболочку капилляров.
При этом открытые концы капилляров могут быть заведены внутрь оболочки.
Кроме того, средство подачи и выпуска газа установлено на одном конце баллона.
Также, баллон выполнен с двумя средствами подачи и выпуска газа, расположенными с двух противоположных сторон баллона.
Кроме того, одни концы капилляров выполнены открытыми и соединены с узлом подачи и выпуска газа.
Также, внутри оболочки может быть установлен силовой элемент, один из концов которого соединен со средством подачи и выпуска газа, а второй - с оболочкой.
Внутри оболочки может быть установлен силовой элемент, оба конца которого соединены со средствами подачи и выпуска газа.
Кроме того, силовой элемент выполнен в виде трубки или перфорированной трубки или стержня.
Такой баллон позволяет хранить газ (газы) во внутренней полости баллона, образованной намотанными капиллярами и непосредственно в капиллярах, образующих многослойный каркас.
На фиг.1 и 3 представлена принципиальная схема выполнения баллона высокого давления для хранения газов, на фиг.2 и 4 - сечения по В-В на фигурах 1 и 3.
Обозначения позиций:
1 - многослойный силовой каркас, образованный намотанными капиллярами на газонепроницаемую оболочку 2;
2 - внутренняя газонепроницаемая оболочка;
3 - система герметизации и соединения капилляров с металлическим патрубком;
4 - средство подачи и выпуска газа из капилляров;
5 - узел присоединения к трубопроводу средства подачи и выпуска газа из капилляров к потребителю;
6 - система герметизации и соединения внутренней газонепроницаемой оболочки к средству подачи и выпуска газа;
7 - средство подачи и выпуска газа из газонепроницаемой оболочки,
8 - узел присоединения к трубопроводу средства подачи и выпуска газа из внутренней оболочки к потребителю;
9 - открытые концы капилляров, введенных во внутреннюю газонепроницаемую оболочку баллона;
10 - силовой элемент.
Баллон высокого давления представляет собой газонепроницаемую оболочку 2, на которую намотаны высокопрочные капилляры (прочность на растяжение не менее 1,0 ГПа), со связующим в виде полимерных смол или клея, или силикатных и других клееподобных композиций, создающие многослойный силовой каркас 1. Газ в баллоне хранится как в газонепроницаемой оболочке 2, так и в капиллярах многослойного силового каркаса 1. Заполнение и извлечение газа в оболочку и капилляры может осуществляться как раздельно, так и совместно через средства подачи и выпуска газа, в которые входят: 3 - система герметизации и соединения капилляров с металлическим патрубком; 4 - средство подачи и выпуска газа из капилляров; 5 - узел присоединения к трубопроводу средства подачи и выпуска газа из капилляров к потребителю; 6 - система герметизации и соединения внутренней газонепроницаемой оболочки к средству подачи и выпуска газа; 7 - средство подачи и выпуска газа из газонепроницаемой оболочки.
В первом случае (фиг.1 и 2) заправка и извлечение газа из внутренней оболочки осуществляется с помощью средства подачи и выпуска газа 7, а заправка и извлечение газа из капилляров осуществляется с помощью средства подачи и выпуска газа 4. При этом во внутренней оболочке и в капиллярах можно хранить разные газы или один и тот же. Давление газа во внутренней оболочке и в капиллярах могут быть разными.
Газ из внутренней оболочки 2 подается на средство подачи и выпуска газа через систему герметизации и соединения с внутренней газонепроницаемой оболочки 6, которая соединена силовым элементом 10 с оболочкой. Если средства подачи и выпуска газа расположены с двух противоположных сторон баллона, то они соединяются силовым элементом. Необходимость наличия силового элемента связано с большими усилиями газа высокого давления, воздействующими на системы 6 и 7, и герметизирующий слой может не выдержать таких нагрузок. Так, при давлении газа 1000 атм усилие на системы 6,7, при их диаметре 5 мм, равно 196 кг, а при 2000 атм соответственно 392 кг. С помощью силового элемента усилия газа, воздействующие на средства подачи и выпуска с одной стороны, компенсируются эквивалентными усилиями газа на средства подачи и выпуска, расположенными с другой стороны. Силовой элемент выполняется из высокопрочного материала металла, полимера, силиката (с пределом прочности на разрыв не менее 300 МПа), выполненного в виде перфорированной трубки, стержней, полос, проволоки и других видов соединений, которые обеспечивают доступ газа из внутренней оболочки к средству подачи и выпуска газа из газонепроницаемой оболочки 7.
Газ из открытых концов намотанных капилляров с помощью системы герметизации и соединения капилляров с металлическим патрубком 3 подается в средство подачи и выпуска газа из капилляров 4, а затем через узел присоединения к трубопроводу средства подачи и выпуска газа из капилляров к потребителю 5.
Во втором случае (фиг.3 и 4) открытые концы намотанных капилляров введены во внутреннюю оболочку баллона, объем внутренней оболочки и капилляров объединены. Заправка и извлечение газа из оболочки и капилляров осуществляется с помощью средства подачи и выпуска газа 7 через узел присоединения к трубопроводу средства подачи и выпуска газа из капилляров к потребителю 8.
Для создания многослойного силового каркаса намотка капилляров, выполненных из стекла, базальта, кварца, полимерных соединений и других материалов, осуществляется на внутреннюю газонепроницаемую оболочку 2 с системой герметизации и соединения внутренней газонепроницаемой оболочки к средству подачи и выпуска газа 6 и силовым элементом. При этом капилляры перед намоткой смачиваются в специальном связующем, в качестве которого могут быть использованы полимерные смолы, клеевидные композиции, силикатные и другие композиции. Перед намоткой открытые концы капилляров 9 вводятся во внутреннюю газонепроницаемую оболочку 2, место ввода герметизируется. Второй конец капилляра либо герметизируется, или также вводится во внутреннюю газонепроницаемую оболочку. Затем баллон сушится (или греется) до затвердевания связующего.
Такой баллон имеет принципиальное отличие от прототипа. В прототипе газ содержится только во внутренней газонепроницаемой оболочке. Для увеличения содержания газа в ней необходимо повышение давления газа, а это требует увеличение толщины многослойного силового каркаса, что приводит к увеличению веса баллона. Например, в таких баллонах массовое содержание газа (водорода) составляет 2-5% массовых (процентное отношение веса газа к весу баллона).
В предлагаемом варианте баллона газ содержится как во внутренней оболочке, так и в капиллярах. Аналогичное увеличение толщины силового каркаса для увеличения давления газа во внутренней оболочке приводит, в отличие от прототипа, к увеличению содержания капилляров в силовом каркасе, а следовательно, к увеличению объема газа и в капиллярах. Таким образом, в этом случае происходит не только увеличение веса баллона как в прототипе, но и увеличение объема газа в капиллярах.
Другим преимуществом предлагаемого баллона в сравнении с прототипом (при одинаковых внешних геометрических размерах) является возможность вариаций соотношения объемов внутренней оболочки и капилляров, а следовательно, толщины силового каркаса и диаметра внутренней оболочки, что позволяет обеспечить высокое давление газа в баллоне (недопустимое в прототипе), а следовательно, и его содержание.
Пример. Сравним характеристики баллонов прототипа из композиционных материалов и предлагаемого с капиллярами диаметром 100 мкм. Внешние размеры баллонов одинаковые. Диаметр внутренней оболочки прототипа 300 мм. Давление водорода в этом баллоне 40МПа. Уровень растягивающих напряжений в нем составляет 550 МПа.
При таком же уровне растягивающих напряжений при давлении 100 МПа диаметр внутренней оболочки предлагаемого баллона составляет 260 мм. Сравнительные характеристики баллонов приведены в таблице.
Таблица
№
Высота, мм
Диаметр, мм
Объем баллона, л
Газовый объем баллона, л
Вес пустого баллона, кг
Отношение весов баллонов
1
2
3
4
5
6
1
1590
322,6
117
90
47,7
1
2
1590
322,6
117
93,4
42
0,88
№
Давление водорода, МПа
Плотность водорода, г/л
Весовое содержание водорода, г
Объемное содержание водорода, м<sup>3</sup>
Отношение содержания водорода в баллонах
7
8
9
10
11
1
40
26,1
2349
26,3
1
2
100
49,6
4714
52,8
2
Таким образом, заявленное изобретение позволит улучшить функциональные характеристики баллонов высокого давления: повысить содержание газа в баллоне при снижении веса баллона, повысить надежность конструкции, что важно для реальных условий эксплуатации в промышленности.