УСТРОЙСТВО ДЛЯ ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТИРОВКИ ГАЗА ПОД ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2003 года по МПК F17C1/00 

Изобретение относится к производству сосудов высокого давления для хранения и транспортировки газа и может быть использовано в различных областях промышленности, в частности в химической, нефтехимической и автомобильной.

Для обеспечения сжатым газом транспортных средств, нестационарных установок, бытовых и промышленных потребителей, удаленных от магистральных газопроводов, используют специальные мобильные емкости.

Известен комбинированный баллон для хранения и подачи жидких и газообразных сред высокого давления [1].

Этот баллон содержит внутренний металлический слой и наружный композиционный слой. При этом композиционный слой в 5-10 раз толще металлического слоя.

Недостатком известного баллона являются большой вес металлического слоя с двумя обечайками и сложность изготовления баллона, с одной стороны, из-за необходимости вводить во внутреннюю полость оболочки сыпучий материал до полного заполнения и уплотнения, с последующим удалением, а с другой стороны, из-за затруднении намотки ленты композиционного слоя на изгибах баллона и последующей тепловой обработки в термокамере для полимеризации композиционного материала.

Известно также устройство для транспортировки и хранения природных трудносжимаемых газов [2], выбранное за прототип.

Известное устройство содержит несколько емкостей, каждая из которых выполнена в виде системы замкнутых и уложенных по спирали или в виде змеевика цилиндрических труб круглого сечения диаметром до 100-150 мм. Трубы каждой емкости разделены на секции, которые через запорные клапанные устройства сообщены с коллекторами для приемки и выдачи газа. Все оборудование размещено в защитном кожухе.

Недостатками данного устройства являются большая толщина стенок труб для выдерживания давления газа (свыше 400 кгс/см²) с достаточным запасом прочности и, соответственно, большой вес всего устройства и его высокая себестоимость.

Кроме того, наличие каких-либо дефектов в стенках труб, в том числе возникших в результате постоянных циклических нагрузок в ходе эксплуатации данного устройства, может привести к повреждению труб и опасности взрыва.

В основу настоящего изобретения поставлена задача создания устройства для хранения и транспортировки газа под давлением, в котором путем изменения конструкции и материала емкости для газа обеспечивается минимальный вес и низкая себестоимости устройства, безопасность и удобство эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве для хранения и транспортировки газа под давлением, содержащем емкость в виде системы соединенных между собой труб, размещенных в кожухе, согласно изобретению на поверхности труб и/или в межтрубном пространстве расположены армирующие волокна (в форме мононитей, рубленых и комплексных нитей, жгутов) и/или ткани на их основе, при этом все трубы с армирующим материалом залиты полимерным компаундом.

Благодаря тому что трубы армированы и залиты компаундом, устройство превратилось в монолитный блок, в котором газ при высоком давлении удерживается не за счет прочности стенок труб, а за счет прочности армированного компаунда. Вследствие этого толщина стенок металлических труб будет значительно меньше, нежели у прототипа, соответственно, меньше будет вес устройства и его себестоимость. При этом трубы в предлагаемом устройстве могут быть использованы не металлические, а изготовленные из полимерных материалов (например, полиамидные, поликарбонатные и др.), более легких в 3-4 раза по сравнению с металлическими и более дешевых.

В результате вес заявляемого устройства и его себестоимость с учетом веса и стоимости компаунда будут ниже по сравнению с прототипом в 2-2,5 раза.

Трубы практически не испытывают нагрузки на растяжение, так как давление газа внутри труб уравновешивается противодействующим давлением армированного компаунда, что резко снижает вероятность их повреждения, в том числе и при воздействии многократной циклической нагрузки. Дополнительно к этому, поскольку компаунд имеет низкую газовую проницаемость (например, компаунды на основе эпоксидной, фенолоформальдегидной и др. смол), даже в случае наличия или образования какого-либо дефекта в герметичности труб, это обеспечит герметичность всего устройства. Данные свойства устройства значительно повышают безопасность по сравнению как с аналогом, так и с прототипом.

Трубы можно располагать по заранее заданным параметрам устройства, обеспечивая удобство его эксплуатации. Суммарная длина труб выбирается из условий заданного объема газа, подлежащего хранению и/или транспортировке.

В качестве армирующих волокон приемлемы для использования стекловолокно- полиамидные (капрон, нейлон), полиэфирные (лавсан) и др. волокна (в форме мононитей, рубленых и комплексных нитей, жгутов) и/или ткани на их основе.

При поиске по патентной и научно-технической литературе не выявлена совокупность признаков, аналогичная заявляемой, которая не является очевидной из уровня техники, на основании чего можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критерию "новизна" и "изобретательский уровень".

Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежом, на котором показан поперечный разрез устройства.

Устройство содержит емкость для газа в виде труб 1, соединенных между собой. Трубы 1 могут быть соединены последовательно в один трубопровод и/или параллельно с коллекторами на концах труб. Трубы 1 выполнены, например, из поликарбоната с сечением в виде шестигранника. Трубы 1 могут быть выполнены из различных металлов или синтетических материалов и в сечении иметь окружность, овал, многоугольник и т.п. Материал трубы 1 выбирается из условия обеспечения герметичности и нейтральности по отношению к хранимому газу при максимальных для устройства давлениях и температурах.

Трубы 1 армированы, например, следующим образом. На поверхность груб 1 намотаны волокна 2 в один или несколько слоев. В межтрубном пространстве вдоль труб уложены армирующие волокна 3 в виде комплексной нити и или жгута.

Армирование может происходить как непрерывными волокнами, например мононить, комплексная крученая нити, жгут и/или сетка и ткань на их основе, так и рублеными.

Способ и материал армирования, наполнитель, направления укладки волокон и прочие параметры производства армированного компаунда выбираются из условия обеспечения прочности и герметичности устройства (в том числе при долговременных и/или циклических нагрузках) и технологичности производства.

Волокна 2, 3 в данном примере выполнены из комплексной крученой нити стекловолокна.

Трубы 1 с армирующими волокнами 2 и 3 помещены в кожух 4 и залиты полимерным компаундом 5, например эпоксидной смолой с наполнителем, модификатором и отвердителем.

Кожух 4 сверху закрыт крышкой 6, защищая устройство от внешнего воздействия.

Кожух 4 и крышка могут быть выполнены из металла и/или полимерного материала. Кожух и/или крышка могут либо полностью отсутствовать либо быть заменены каким-либо защитным покрытием, а несущую функцию корпуса может выполнять рама. В этом случае трубы с армирующими волокнами могут укладываться непосредственно на несущую раму. В случае, если защитные устройства (защитное покрытие и/или кожух с крышкой или без крышки) выполнены из прочного материала (в т.ч. композиционного), они дополнительно способствуют повышению герметичности и прочности, а также могут нести нагрузку для обеспечения требуемой формы у всего устройства и/или труб.

Устройство может иметь практически любую форму, удобную для эксплуатации.

Размеры и длину труб 1, а соответственно, и размеры устройств выбирают в зависимости от количества газа, подлежащего хранению и/или транспортировке. Из этих же условий, а также условий технологичности и прочности конструкции выбирают диаметр труб, который может быть до 250 мм и более.

После изготовления устройство подвергают гидравлическим и/или пневматическим испытаниям.

Используют устройство следующим образом.

Через открытую запорную арматуру и патрубок (на чертеже не показаны), соединенный с трубами 1, устройство наполняют газом, например метаном, до требуемого давления и закрывают запорную арматуру. При этом давление газа воздействует на стенки труб 1 с определенной силой, а снаружи труб 1 возникает равная ей по величине и обратная по направлению сила противодействия компаунда 5 армированного волокном 2 и 3. Поэтому стенки труб 1 практически не нагружены на растяжение, в отличие от прототипа, и это обеспечивает повышенную безопасность при эксплуатации устройства.

Кожух 4 и крышка 6 защищают компаунд 5 с трубами 1 от внешнего воздействия, такого как физические удары, попадание агрессивных жидкостей и т. п.

При транспортировке устройство устанавливают на транспортное средство. За счет наличия возможности придания устройству практически любой заранее заданной формы предлагаемое устройство удобно размещать на любом транспорте.

При потреблении газа устройство через редукционный клапан (на чертеже не показан) подключают к потребителю.

В настоящее время на автомобилях, работающих на сжатом газе, обычно устанавливают 10-12 стальных баллонов общим весом 600-700 кг или чугунных баллонов общим весом около тонны. При замене двенадцати баллонов одним или двумя предлагаемыми устройствами общий вес их составит около 300 кг при этом же объеме и давлении газа, но с большей степенью безопасности и удобства размещения.

Заявляемое устройство можно изготавливать различного объема под различное давление и вид газа, в т.ч. в модульном исполнении. Устройство можно использовать для хранения, транспортировки и использования газа для бытовых нужд, для доставки газа от месторождения или производства до потребителей, для газобаллонных автомобилей и др. промышленных нужд.

Источники информации
1. Патент Российской Федерации 2058507, кл.F 17 С 1 /00, 1996.

2. Патент Российской Федерации 2047812, кл.F 17 С 1/00, 1995 - прототип.

Устройство содержит емкость для газа в виде системы соединенных между собой труб, размещенных в кожухе. На поверхности труб и/или в межтрубном пространстве расположены армирующие волокна из стекловолокна, капрона, нейлона, лавсана (в форме мононитей, рубленых и комплексных нитей, жгутов) и/или ткани на их основе. Трубы с армирующим материалом в кожухе залиты полимерным компаундом. Использование изобретения позволит значительно снизить вес и себестоимость устройства, повысить безопасность и удобство в эксплуатации. 1 ил.

Устройство для хранения и транспортировки газа под давлением, включающее емкость в виде системы соединенных между собой труб, размещенных в кожухе, отличающееся тем, что на поверхности труб и/или в межтрубном пространстве расположены армирующие волокна (в форме мононитей, рубленых и комплексных нитей, жгутов) и/или ткани на их основе, при этом все трубы с армирующими волокнами залиты полимерным компаундом.