МЕТОД НАПОЛНЕНИЯ БАЛЛОНОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ОСОБО ЧИСТЫМ ВОДОРОДОМ И КИСЛОРОДОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2002 года по МПК F17C5/06 

Область техники
Изобретение имеет общепромышленное значение и, в частности, относится к водородной энергетике, обеспечению промышленных и исследовательских установок особо чистыми сжатыми водородом (99,995%) и кислородом (99,6%) и др.

Уровень техники
Заправка стандартных баллонов сжатым до 150 атм водородом и кислородом обычно осуществляется на электролизных заводах, оборудованных сложной и небезопасной компрессорной техникой, позволяющей, в основном, получать технические сжатые газы, не обладающие высокой чистотой.

Задачей изобретения является создание безопасных надежных условий для компремирования без загрязнения различными примесями водорода и кислорода, снижения стоимости этих работ и приближение их к самому широкому потребителю.

В основу изобретения положен принцип экологически чистого гидростатического компремирования с использованием морских глубин.

Известны принципы конструирования батискафов, изложенные в книге О. Пикара "На глубину морей в батискафе" (перевод с французского, Судпромгиз., 1961) и некоторые конструкции скважинных насосных установок, имеющих эластичные элементы (Ахмедзянов, заявка 93001844/29, 1993). Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является патент России 1691657 А1, 15.11.1991 (Фролов А. М. и др.) "Способ зарядки баллонов сжатым газом и устройство для его осуществления".

Сущность изобретения
Способ наполнения баллонов высокого давления особо чистым водородом и кислородом заключается в следующем.

Всю работу проводят на борту специализированного судна или морской платформы, оборудованных электролизером высокого давления для получения водорода и кислорода, специальными лебедками и глубоководными средствами гидростатического компремирования, когда заданный объем водорода и кислорода в эластичных емкостях погружают на глубину, при этом эластичные емкости сжимают и вытесняют водород и кислород в стандартные баллоны высокого давления.

Для получения давления 150 атм емкости с баллонами и пневмогидравлической автоматикой опускают на глубину 1500 метров. При полном перетекании водорода и кислорода из эластичных емкостей в баллоны высокого давления, пневмогидравлические клапаны герметизируют баллоны, и их с помощью лебедок поднимают на борт для передачи потребителям.

Технический результат заключается в том, что в течение суток один небольшой морской корабль при наличии на борту электролизера обеспечивает заправку 300 баллонов высокого давления (200 водородных и 100 кислородных).

Коммерческая выгода состоит в следующем.

Сегодня на мировом рынке 1 г особо чистого водорода стоит 50$, а 1 г особо чистого кислорода - 3$.

В одном стандартном водородном баллоне (85 литров, 150 атм) содержится 1 кг особо чистого водорода, стоимость которого составляет 50 тыс. $. В одном такого же типа кислородном баллоне содержится 16 кг особо чистого кислорода, стоимость которого составляет 48 тыс. $. Учитывая указанную выше производительность специализированного корабля, общий суточный доход от продажи особо чистых водорода и кислорода без учета стоимости баллонов, являющихся возвратными, будет составлять до 15 млн. $.

Устройство для реализации способа показано на рисунке.

Все операции осуществляются с использованием средств гидростатического компремирования на корабле водоизмещением около 1000 тонн, оборудованном, кроме штатных средств, электролизером 1, мотор-электрогенератором 2, лебедками 3 для спуска и подъема глубоководных аппаратов 4 и контейнерами для хранения пустых и заправленных баллонов высокого давления.

Электролизер 1 предназначен для получения газообразного особо чистого водорода и кислорода из морской воды при давлении 20 атм. Такие установки различной производительности выпускаются промышленностью.

Электролизер электрически связан с мотор-электрогенератором 2 и пневматически - с лебедками 5 для опускания шлангов 10 предварительного наддува эластичных емкостей 6 водородом и кислородом до давления 20 атм.

Глубоководный аппарат 4 состоит из пневмоблока автоматики 7 подачи сжатого в электролизере до 20 атм газа, эластичной емкости 6, блока автоматики заправки и отключения 8 баллона высокого давления 13. Глубоководный аппарат 4 опускается и поднимается на тросе с помощью электрической лебедки 3.

Реализация способа применительно к стандартным баллонам высокого давления (150 атм, объем 50-85 литров) осуществляется следующим образом.

Берут указанный стандартный баллон и подключают его к блоку автоматики 8, опускают глубоководный аппарат на тросе 9 на глубину 200 м, при этом шланг 10 также опускают с помощью лебедки 5. Включают электролизер 1 и наполняют водородом и кислородом эластичные емкости 6 до давления 20 атм.

При этом каждая емкость принимает форму шара емкостью до 640 литров.

Шланг 10 автоматически отсоединяют при помощи байонетного разъема 11 и одновременно автоматически подключают пycтой баллон высокого давления к эластичной емкости 6.

Начинают медленный спуск глубоководного аппарата 4 на глубину 1500 метров. Для соблюдения закона Архимеда в составе глубоководного аппарата имеется грузило 12 массой 800 кг.

Спуск и подъем осуществляют с помощью стального троса ⊘5 мм, масса которого составляет 230 кг, т.о., грузоподъемность лебедки 3 с учетом массы эластичной емкости и блоков автоматики на режиме подъема должна составлять 1200 кг. На режиме спуска заполненная газом эластичная емкость выполняет роль противовеса.

По мере спуска на глубину газ из эластичной емкости выдавливают под действием внешнего давления в баллон высокого давления 3 и на глубине 1500 метров давление в баллоне 13 увеличивают до 150 атм, а эластичную емкость 6 сплющивают, т.е. полностью лишают ее газа.

В этот момент с помощью блока автоматики 8 перекрывают пневматическую связь баллона высокого давления 3 с эластичной емкостью 6 и начинают подъем глубоководного аппарата с заправленным баллоном высокого давления 13 на борт корабля или морской платформы.

Блоки автоматики не требуют электрической связи с кораблем и срабатывают автоматически при достижении соответствующей глубины (гидростатического давления).

Заправленные баллоны высокого давления устанавливают в соответствующие раздельные контейнеры 14 и 15 для водорода и кислорода.

Таким образом, способ наполнения баллонов высокого давления особо чистым водородом и кислородом предусматривает последовательное проведение следующих операций:
Морскую воду с помощью электролизера разлагают на водород и кислород при давлении 20 атм и наполняют этими газами эластичные емкости, предварительно опущенные на глубину 200 м с помощью лебедок, затем с помощью блоков автоматики и байонетных разъемов отсоединяют от эластичных емкостей шланги для подачи водорода и кислорода и одновременно подсоединяют пустые баллоны высокого давления к эластичной емкости, затем опускают эластичные емкости с подсоединенными к ним пустыми баллонами высокого давления на глубину до 1500 м, при этом давление особо чистых газов в этих баллонах увеличивают до 150 атм, а эластичные емкости под действием гидростатического давления сплющивают и с помощью блока автоматики перекрывают пневматическую связь баллонов высокого давления с эластичными емкостями, затем все оборудование вместе с баллонами со сжатым до 150 атм водородом и кислородом поднимают с помощью лебедок на борт корабля или морской платформы и заправленные баллоны устанавливают в соответствующие раздельные контейнеры.

Далее описанный процесс повторяют.

Способ и устройство предназначены для наполнения баллонов высокого давления особо чистым водородом и кислородом. Способ заключается в том, что морскую воду с помощью электролизера разлагают на водород и кислород при давлении 20 атм и наполняют этими газами эластичные емкости, предварительно опущенные на глубину 200 м с помощью лебедок, затем с помощью блоков автоматики и байонетных разъемов отсоединяют от эластичных емкостей шланги для подачи водорода и кислорода и одновременно подсоединяют пустые баллоны высокого давления к эластичной емкости, затем опускают эластичные емкости с подсоединенными к ним пустыми баллонами на глубину до 1500 м и с помощью блока автоматики перекрывают пневматическую связь баллонов с эластичными емкостями, затем все оборудование вместе с баллонами со сжатым до 150 атм водородом и кислородом поднимают с помощью лебедок на борт корабля и заправленные баллоны устанавливают в соответствующие раздельные контейнеры. Устройство состоит из специализированного судна, на борту которого установлены электролизеры, мотор-электрогенератор, лебедки грузоподъемностью 1200 кг и глубоководные аппараты для гидростатического компремирования электролизного водорода и кислорода, состоящие из следующих элементов: эластичных емкостей для водорода и кислорода, пустых баллонов высокого до 150 атм давления емкостью до 85 л, грузил с массой, позволяющей осуществлять спуск наполненных газами эластичных емкостей на глубину 1500 м, стальных тросов и пневмоблока автоматики подачи сжатого в электролизере газа в эластичные емкости и блока автоматики заправки и отключения баллонов. Технический результат - повышение надежности. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ наполнения баллонов высокого давления особо чистым водородом и кислородом, включающий наполнение баллонов высокого давления, отличающийся тем, что морскую воду с помощью электролизера разлагают на водород и кислород при давлении 20 атм и наполняют этими газами эластичные емкости, предварительно опущенные на глубину 200 м с помощью лебедок, затем с помощью блоков автоматики и байонетных разъемов отсоединяют от эластичных емкостей шланги для подачи водорода и кислорода и одновременно подсоединяют пустые баллоны высокого давления к эластичной емкости, затем опускают эластичные емкости с подсоединенными к ним пустыми баллонами высокого давления на глубину до 1500 м, при этом давление особо чистых газов в этих баллонах увеличивают до 150 атм, а эластичные емкости под действием гидростатического давления сплющивают и с помощью блока автоматики перекрывают пневматическую связь баллонов высокого давления с эластичными емкостями, затем все оборудование вместе с баллонами со сжатым до 150 атм водородом и кислородом поднимают с помощью лебедок на борт корабля или морской платформы и заправленные баллоны устанавливают в соответствующие раздельные контейнеры. 2. Устройство для его осуществления, содержащее баллоны высокого давления, отличающееся тем, что оно состоит из оборудования специализированного судна или морской платформы, на борту которых установлены электролизеры для получения водорода и кислорода при давлении 20 атм, мотор-электрогенератор, лебедки грузоподъемностью 1200 кг и глубоководные аппараты для гидростатического компремирования электролизного водорода и кислорода, состоящие из следующих элементов: эластичных емкостей для водорода и кислорода, пустых баллонов высокого до 150 атм давления емкостью до 85 л, грузил с массой, позволяющей осуществлять спуск наполненных газами эластичных емкостей на глубину 1500 м, стальных тросов и пневмоблока автоматики подачи сжатого в электролизере газа в эластичные емкости и блока автоматики заправки и отключения баллонов высокого давления, причем блоки не имеют электрической связи с кораблем и срабатывают автоматически при достижении соответствующего гидростатического давления.