СИСТЕМА ЗАПРАВКИ ЕМКОСТЕЙ ГАЗИФИЦИРОВАННЫМ КРИОАГЕНТОМ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к технике создания высоких давлений газа, получаемых без традиционных компрессоров и без внешних энергозатрат.
Развитие водородной энергетики сопряжено с необходимостью создания сети заправочных станций, обеспечивающих мобильных потребителей газифицированным водородным топливом. При этом из-за чрезвычайно малой плотности водорода и ограниченных габаритов транспортных баков необходимо, чтобы заправляемый в них водород имел достаточно высокое давление.
Известно устройство для заправки топливом транспортных средств (Патент РФ на полезную модель №68647 от 29.05.2007), снабженных топливными криогенными баками, содержащее резервуар для подачи топлива под давлением, теплообменник-испаритель наддува и регулятор давления.
Техническое решение позволяет производить заправку емкостей газифицированным криогенным топливом путем его вытеснения избыточным давлением из резервуара и газификации с заданным давлением. Однако вытеснительная система подачи топлива не позволяет обеспечивать потребителя газом повышенного давления.
Известна система заправки емкостей газифицированным криоагентом (Патент РФ на ПМ №19896 от 13.04.2001), содержащая резервуар для криожидкости, насос, испаритель, трубопроводы, соединяющие насос с резервуаром для криожидкости и испарителем, газ из которого поступает в трубопровод для подачи газа потребителю.
Техническое решение позволяет подавать газ повышенного давления. Однако при этом необходимо иметь источник электроэнергии для привода насоса и величина давления газа ограничена давлением, развиваемым насосом.
Технической задачей заявляемого решения является сжатие и газификация криогенной жидкости с выдачей газа высокого давления, не требующего затраты внешней энергии, при минимальной стоимости.
Поставленная задача решается тем, что система заправки емкостей газифицированным криоагентом высокого давления, содержит резервуар криожидкости, насос, всасывающий и напорный трубопроводы, газификатор, регулятор давления газа и внешний газопровод. Насос входом соединен через всасывающий трубопровод с резервуаром криожидкости, а выходом через напорный трубопровод с входом газификатора.
Новым в полезной модели является то, что система дополнительно содержит накопитель-газификатор, турбину, газопроводы высокого и низкого давления, клапаны заправочный, жидкостной, газовый, дренажный и выходной, при том турбина механически связана с насосом, всасывающий трубопровод содержит клапан жидкостной, регулятор давления газа установлен в газопроводе высокого давления, а клапан газовый - в газопроводе низкого давления, при этом накопитель-газификатор выходом соединен через клапан выходной с внешним газопроводом, а входом, через клапан заправочный - с выходом напорного трубопровода, турбина входом соединена с выходом газопровода высокого давления, а выходом через газопровод низкого давления - с резервуаром криожидкости, клапан дренажный входом соединен с выходом турбины, а выходом - с атмосферой.
Использование накопителя-газификатора позволяет газифицировать жидкость за счет тепла окружающей среды, температура которой существенно выше температуры криожидкости, увеличить ее давление до величины, намного превышающей давление подачи насоса (что позволяет уменьшить габариты и массу накопителя-газификатора, а также снизить его стоимость) и хранить ее в газообразном состоянии.
Использование турбины позволяет обеспечивать привод насоса без использования внешних источников энергии.
Использование газопровода высокого давления позволяет подавать газ в турбину для обеспечения ее функционирования.
Использование газопровода низкого давления позволяет отводить отработавший в турбине газ в резервуар криожидкости для полезного его использования.
Использование клапана заправочного позволяет подавать жидкость, нагнетаемую насосом из резервуара в накопитель-газификатор, только при достаточной раскрутке ротора насоса, обеспечивая тем самым минимальное время процесса запуска и время опорожнения резервуара криожидкости, снижая эксплуатационные затраты.
Использование клапанов жидкостного и газового позволяет отсоединять резервуар криожидкости от остальной части системы, например, при проведении регламентных и ремонтных работ.
Использование клапана дренажного позволяет сбрасывать газ после турбины в атмосферу при запуске системы для обеспечения необходимого перепада давлений газа на турбине для ее раскрутки.
Использование клапана выходного позволяет отключать систему от потребителя при проведении заправки и регламентных работ.
Использование клапана дренажного может позволить сбрасывать газ после турбины в накопитель-газификатор, что исключит потери газа при запуске системы.
Развитие и уточнение приведенной выше совокупности существенных признаков дано далее.
Накопитель-газификатор может быть выполнен в виде двух или более емкостей, сообщающихся между собой. Это позволяет повысить ремонтопригодность системы и удешевить ее изготовление.
Система может дополнительно содержать клапан проходной. Это позволяет сбрасывать криоагент в накопитель-газификатор (вместо выброса в атмосферу), что позволяет уменьшить потери криоагента при работе системы.
Система может дополнительно содержать клапан перепускной и клапан пусковой. Это позволяет питать турбину газом из накопителя-газификатора, что обеспечивает увеличение расхода криожидкости, поступающей в накопитель-газификатор и сокращает время ее заправки.
Таким образом, решена поставленная в полезной модели задача: сжатие и газификация криогенной жидкости с выдачей газа высокого давления без затраты внешней энергии.
Настоящая полезная модель будет более понятна после рассмотрения последующего описания системы заправки емкостей криогенной жидкостью со ссылкой на прилагаемые схемы на фиг.1 и 2.
Система заправки емкостей газифицированным криоагентом высокого давления (см. фиг.1) содержит резервуар криожидкости 1, насос 2, всасывающий 3 и напорный 4 трубопроводы, газификатор 5, регулятор давления газа 6 и внешний газопровод 7, где насос 2 входом соединен через всасывающий трубопровод 3 с резервуаром криожидкости 1.
В соответствии с полезной моделью система дополнительно включает накопитель-газификатор 8, турбину 9, газопроводы высокого 10 и низкого 11 давления, клапан заправочный 12, клапан жидкостной 13, клапан газовый 14, клапан дренажный 15 и клапан выходной 16. Турбина 9 механически связана с насосом 2. Всасывающий трубопровод 3 содержит клапан жидкостной 13. Регулятор давления газа 6 установлен в газопроводе высокого давления 10. Клапан газовый 14 установлен в газопроводе низкого давления 11. Накопитель-газификатор 8 выходом соединен через клапан выходной 16 с внешним газопроводом 7, а входом, через клапан заправочный 12 - с выходом напорного трубопровода 4. Турбина 9 входом соединена с выходом газопровода высокого давления 10, а выходом через газопровод низкого давления 11 - с резервуаром криожидкости 1. Клапан дренажный 15 входом соединен с выходом турбины 9, а выходом - с атмосферой.
Накопитель-газификатор 8 может быть выполнен в виде двух или более параллельно соединенных емкостей.
Выход турбины 9 через клапан проходной 17 (см. фиг.2) может быть соединен с выходом накопителя-газификатора 8. При этом вход газификатора 5 через клапан перепускной 18 соединен с выходом накопителя-газификатора 8 и через клапан пусковой 19 - с выходом напорного трубопровода 4.
Работа системы осуществляется следующим образом (см. фиг.1). Перед пуском системы резервуар криожидкости 1 заполнен криогенной жидкостью с давлением выше атмосферного и все клапаны системы закрыты.
При запуске системы открывается клапан жидкостной 13 и клапан дренажный 15. Жидкость из резервуара 1 через клапан жидкостной 13 поступает в насос 2 и далее через напорный трубопровод 4 попадает в газификатор 5. В газификаторе 5 жидкость газифицируется и через газопровод высокого давления 10 с регулятором давления газа 6 поступает в турбину 9. В турбине 9 срабатывается перепад давления (избыточное над атмосферным давление в резервуаре криожидкости), образуется крутящий момент и турбина 9 вместе с механически связанным с ней насосом 2 начинает вращаться, что приводит к повышению давления за насосом 2. Из турбины 9 газ, через клапан дренажный 15 сбрасывается в атмосферу.
В процессе запуска происходит непрерывное увеличение частоты вращения насоса 2 и соответствующее увеличение давления за ним. При достижении давления за насосом значения, превышающего на заданную величину давление в накопителе-газификаторе 8 открывается клапан заправочный 12 и криоагент начинает поступать в накопитель-газификатор 8; открывается клапан газовый 14, закрывается клапан дренажный 15 и газ из турбины 9 сбрасывается в резервуар криожидкости 1. При этом жидкость, выходя из напорного трубопровода 4, разделяется на два потока: первый поток проходит через газификатор 5, газопровод высокого давления 10 с регулятором давления газа 6, турбину 9, газопровод низкого давления 11 с клапаном газовым 14 и попадает в резервуар криожидкости 1 и ожижается; второй поток через клапан заправочный 12 поступает в накопитель-газификатор 8, где газифицируется с повышением давления.
Регулятор давления газа 6 ограничивает уровень давления газа перед турбиной в допустимых пределах.
После опорожнения резервуара криожидкости 1 закрываются все клапаны системы, отсекающие резервуар криожидкости 1 и накопитель-газификатор 8 от остальной системы. При этом в накопителе-газификаторе 8 продолжается нагрев от тепла окружающей среды и газификация всей поступившей в него жидкости с соответствующим увеличением давления газа. Газ высокого давления подается потребителям из накопителя-газификатора 8 через клапан выходной 16 и внешний газопровод 7.
Технология запуска по фиг.2 зависит от величины давления в накопителе-газификаторе 8.
При величине давления в накопителе-газификаторе 8 меньшей давления в резервуаре криожидкости 1 при запуске системы открываются клапаны проходной 17, пусковой 19 и жидкостной 13. Жидкость из резервуара 1 через клапан жидкостной 13 поступает в насос 2 и далее через напорный трубопровод 4 с клапаном пусковым 19 попадает в газификатор 5. В газификаторе 5 жидкость газифицируется и через газопровод высокого давления 10 с регулятором давления газа 6 поступает в турбину 9. В турбине 9 срабатывается перепад давления, образуется крутящий момент и турбина 9, вместе с механически связанным с ней насосом 2 начинает вращаться, что приводит к повышению давления за насосом 2. Из турбины 9 газ, через клапан проходной 17 сбрасывается в накопитель-газификатор.
При достижении давления за насосом значения, превышающего на заданную величину давление в накопителе-газификаторе 8 открываются клапаны заправочный 12 и перепускной 18, закрывается клапан пусковой 19 и криоагент начинает поступать в накопитель-газификатор 8; открывается клапан газовый 14, закрывается клапан дренажный 15 и газ из турбины 9 сбрасывается в резервуар криожидкости 1.
При величине давления в накопителе-газификаторе 8 большей давления в резервуаре криожидкости 1 (дозаправка накопителя-газификатора 8) процесс запуска осуществляется при закрытых клапанах проходном 17 и перепускном 18 и открытом клапане 19 так же, как и в схеме по фиг.1. При достижении давления за насосом 2 значения, превышающего на заданную величину давление в накопителе-газификаторе 8 клапаны пусковой 19 и дренажный 15 закрываются, а клапаны заправочный 12, перепускной 18 и газовый 14 открываются. Криожидкость из насоса 2 через клапан заправочный 12 подается в накопитель-газификатор. Холодный газ из накопителя-газификатора 8 через клапан перепускной 18 поступает в газификатор 5, где он подогревается до температуры, близкой к температуре окружающей среды и через регулятор давления газа 6 поступает в турбину 9, откуда газ через клапан газовый 14 поступает в резервуар криожидкости 1.
Все возрастающие требования улучшения экологии окружающей среды, в том числе и требования по чистоте выхлопных газов автомобилей заставляют искать новые технические решения, в частности, использование водорода в качестве топлива, сгорание которого дает практически экологически чистый выхлопной газ.
Рассмотрим возможность использования предложенной полезной модели для систем заправки автомобилей газообразным водородом.
3
В качестве резервуара криожидкости используется стандартная транспортная емкость объемом 25 м (ЦТВ 25/06) с жидким водородом при температуре около 22 К и соответствующем ей давлении 0.15 МПа.
3
Накопитель-газификатор выполнен в виде трех одинаковых параллельно задействованных газовых емкостей с рабочим давлением до 100 Мпа и суммарным объемом 30 м, позволяющим вместить все топливо из резервуара криожидкости в газообразном состоянии при рабочем давлении. При этом емкости не снабжены специальной теплоизоляцией.
Насос, подающий жидкий водород - центробежный одноступенчатый - обеспечивает на выходе давление 7 МПа и расход 3.5 кг/с. Эти параметры позволяют обеспечивать подачу жидкого водорода в накопитель-газификатор существенно быстрее, чем происходит газификация жидкости из-за теплоемкости стенок и внешнего теплоподвода из окружающей среды через стенки, благодаря чему в конце работы системы не менее половины объема накопителя-газификатора будет находиться еще в жидком состоянии. При этом окружная скорость центробежного колеса насоса не превысит 380-400 м/с, частота вращения колеса 50000 об/мин и потребная мощность для привода насоса не более 500 кВт при величине его к.п.д. 70%.
Турбина - осевая двухступенчатая, имеет степень понижения полного давления равную 3, что позволяет ей отдавать требуемую мощность при величине к.п.д. 76% и расходе газообразного водорода (с температурой перед турбиной 260-310 К) в количестве не более 17% от расхода жидкого водорода через насос; окружная скорость на среднем диаметре колес турбины равна 440 м/с. Внешние диаметральные габариты насоса и турбины близки и составляют примерно 200 мм.
Заправка пустых емкостей накопителя-газификатора жидким водородом при указанных параметрах системы занимает не более 10-15 минут, при этом давление газа в конце заправки не превышает 6 МПа.
Повышение давления газа до расчетной величины осуществляется путем естественного внешнего нагрева емкостей теплом окружающей среды.
Система обеспечивает заправку емкостей потребителя криогазом с давлением 5 МПа.
Таким образом, использование предлагаемой системы позволяет без привлечения внешних источников энергии осуществлять подачу криожидкости в накопитель-газификатор, газифицировать ее и повысить давление до сверх высокого значения, обеспечивающего компактность накопителя-газификатора.