Емкость для хранения газа Российский патент 2004 года по МПК F17C5/04 F17C1/12 

Изобретение относится к хранению газов в емкостях преимущественно на транспортных средствах, например к хранению водорода на борту автомобиля с энергоустановкой на основе электрохимического генератора.

Известно принятое за аналог устройство для хранения газа при высоком давлении (см. Перевод с англ. под ред. Д.Х.Бронтмана. Пилотируемые космические корабли. - М.: Машиностроение, 1968, стр. 317, рис. 23.1), содержащее емкость для хранения газа и трубу наполнения-опорожнения с запорным вентилем.

Недостатком аналога является то, что при хранении газа в емкости при высоком давлении существует проблема быстрой заправки емкости, что особенно важно на транспорте, где это связано с длительным простоем транспортного средства при заправке. Расход газа при заправке ограничивается разогревом емкости вследствие сжатия газа, так как разогрев емкости ведет к снижению ее прочности и уменьшению количества заправляемого газа.

Известна также емкость для хранения газа, выбранная в качестве прототипа (см. А.М.Архаров и др. Криогенные системы. - М.: Машиностроение, 1987, стр. 500, рис. 7.11), для хранения газа в жидком состоянии. Емкость состоит из наружного кожуха, внутреннего сосуда с трубой заполнения-опорожнения, содержащей запорный вентиль и трубой газосброса с запорным вентилем. Пространство между наружным кожухом и внутренним сосудом вакуумируется и заполняется теплоизоляцией.

Недостатком прототипа является ограниченное время хранения газа из-за его испарения в процессе хранения. В больших емкостях потери при хранении превышают 0,5% в сутки и увеличиваются с уменьшением размеров емкости. Сброс газа из емкости при хранении требует применения специальных средств для его утилизации с целью обеспечения безопасного хранения, например отвода за пределы помещения, в котором находится емкость, или его дожигания. Указанные недостатки делают применение таких емкостей, например на транспортных средствах, сложным и неудобным.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение времени заправки емкости, обеспечение длительного времени хранения газа и исключение потерь газа из емкости в процессе хранения.

Задача решается тем, что в емкости для хранения газа, включающей герметичный кожух, внутренний сосуд, трубу наполнения-опорожнения с запорным вентилем, трубу газосброса с запорным вентилем, вокруг внутреннего сосуда установлен экран с трубопроводом, в верхней части внутреннего сосуда и экрана выполнены отверстия, сообщающие их полости с полостью герметичного кожуха, кроме того, один конец трубопровода экрана соединен с трубой газосброса, а другой его конец введен в полость внутреннего сосуда, при этом отношение объема внутреннего сосуда V_B к объему герметичного кожуха V_H определяют соотношением

где P - давление газа в емкости при хранении, Па;

ρ - плотность заправляемого во внутренний сосуд жидкого газа, кг/м³;

R - газовая постоянная заправляемого газа, Дж/(кг·К);

Т - температура газа в емкости при хранении, К,

массу Мс внутреннего сосуда определяют соотношением

где Mв - расход газа на захолаживание внутреннего сосуда, кг;

r - теплота испарения газа, Дж/кг;

С_p - теплоемкость материала внутреннего сосуда, Дж/(кг·К);

Т₀ - начальная температура внутреннего сосуда, К;

Т_Ж - температура заправляемого жидкого газа, К.

На чертеже изображен общий вид емкости для хранения газа.

Емкость содержит герметичный кожух 1, внутренний сосуд 2, имеющий в верхней части отверстие 3. Вокруг внутреннего сосуда 2 установлен экран 4 с трубопроводом 5 и отверстием 6 в его верхней части. Емкость также содержит трубу наполнения-опорожнения 7 с запорным вентилем 8, трубу газосброса 9 с запорным вентилем 10 и датчиком температуры 11. Внутренний сосуд 2 и экран 4 установлены внутри герметичного кожуха 1 с помощью опор 12. Трубопровод 5 экрана 4 одним концом 13 введен в полость внутреннего сосуда 2, а другим концом 14 соединен с трубой газосброса 9. Отверстие 3 внутреннего сосуда 2 и отверстие 6 экрана 4 сообщают полости внутреннего сосуда 2 и экрана 4 с полостью герметичного кожуха 1.

Емкость работает следующим образом. При открытом запорном вентиле 10 на трубе газосброса 9 открывают запорный вентиль 8 на трубе заполнения-опорожнения 7 и производят заполнение внутреннего сосуда 2 жидким газом, например водородом. В процессе заполнения часть жидкого газа испаряется вследствие охлаждения внутреннего сосуда 2. Испарившийся газ через отверстие 3 во внутреннем сосуде 2 и отверстие 6 в экране 4 заполняет полость кожуха 1, и одновременно поступает в трубопровод 5 экрана 4 через его конец 13 и далее через конец 14 трубопровода 5 поступает в трубу газосброса 9. Проходя через трубопровод 5 экрана 4, испарившийся газ охлаждает экран 4 и тем самым уменьшает тепловые потоки от герметичного кожуха 1 к внутреннему сосуду 2 и количество испарившегося во внутреннем сосуде 2 жидкого газа.

Заполнение емкости заканчивают при появлении жидкого газа в трубопроводе 5 экрана 4, что фиксируется датчиком температуры 11 по скачку температуры трубы газосброса 9. С окончанием заполнения внутреннего сосуда 2 одновременно закрывают запорные вентили 8 и 10. Вследствие теплопритоков к емкости из окружающей среды, жидкий газ, находящийся во внутреннем сосуде 2, испаряется, переходит в газообразное состояние и давление в емкости растет. Рост давления прекращается, когда температура газа в емкости сравняется с температурой окружающей среды.

При известном объеме герметичного кожуха 1 V_H, давлении P и температуре Т газа в емкости при хранении масса газа в емкости определяется из соотношения

где R - газовая постоянная заправляемого газа.

Объем внутреннего сосуда 2 V_B определяется из соотношения

где ρ - плотность заправляемого жидкого газа.

Из соотношений (1) и (2) находится отношение объемов внутреннего сосуда 2 и герметичного кожуха 1

Емкость для хранения водорода при давлении 40 МПа и температуре 300 К, заполняемая жидким водородом с плотностью 65 кг/м³, должна иметь отношение V_B/V_H=0,49. Таким образом, емкость с объемом герметичного кожуха 100 л, при указанных параметрах заполнения и хранения, должна иметь внутренний сосуд объемом 49 л, а масса заправляемого водорода составит 3,2 кг.

Время заполнения емкости определяется расходом подаваемого жидкого газа. При заправке указанных 3,2 кг водорода в течение 1 мин падение давления на трубе заполнения-опорожнения 7 длиной 5 м и диаметром 20 мм составит ≈ 1 кПа, а максимальное падение давления на трубопроводе 5 экрана 4 длиной 10 м и диаметром 25 мм составит ≈ 100 кПа. Обеспечение указанных параметров заполнения емкости не представляет технических трудностей.

Масса газа, сбрасываемого через трубу газосброса 9 при заполнении емкости, определяется расходом газа на захолаживание внутреннего сосуда 2, теплопритоками к внутреннему сосуду 2 от герметичного кожуха 1 и временем заполнения емкости. Расход газа на захолаживание внутреннего сосуда 2 М_В, масса внутреннего сосуда 2 М_С, теплоемкость материала внутреннего сосуда 2 С_P и теплота испарения жидкого газа r связаны соотношением

M_C·C_P·(T₀-Т_Ж)=М_В·r,

где Т₀ - температура внутреннего сосуда 2 перед заполнением газом;

Т_Ж - температура жидкого газа.

Поэтому для уменьшения расхода жидкого газа на захолаживание внутреннего сосуда 2 он должен быть выполнен из материала с малой теплоемкостью и иметь малую массу. Так при расходе 0,25 кг водорода на захолаживание внутреннего сосуда 2, изготовленного из стали 03Х20Н16АГ6, имеющей теплоемкость 450 Дж/(кг·К), масса внутреннего сосуда 2 составит 1 кг. Толщина стенки внутреннего сосуда 2 для 3,2 кг жидкого водорода составит ≈ 0,15 мм. Этой толщины стенки вполне достаточно, т.к. внутренний сосуд 2 испытывает незначительные механические нагрузки в процессе заполнения емкости, а после испарения газа он нагружается только собственным весом.

Испарившийся и сброшенный из емкости в процессе заправки газ может быть собран в специальную емкость и снова ожижен или использован в газообразном состоянии.

Таким образом, совокупность новых признаков, отсутствующих в известных технических решениях, позволяет достичь нового технического результата: сократить время заправки емкости и исключить потери газа из емкости в процессе хранения.

Емкость предназначена для хранения газов преимущественно на транспортных средствах, например хранения водорода на борту автомобиля с энергоустановкой на основе электрохимического генератора. Емкость для хранения газа содержит герметичный кожух, внутренний сосуд, трубу наполнения-опорожнения с запорным вентилем, трубу газосброса с запорным вентилем, при этом в емкости установлен вокруг внутреннего сосуда экран с трубопроводом, в верхней части внутреннего сосуда и экрана выполнены отверстия, сообщающие их полости с полостью герметичного кожуха, кроме того, один конец трубопровода экрана соединен с трубой газосброса, а другой его конец введен в полость внутреннего сосуда, при этом отношение объема внутреннего сосуда V_B к объему герметичного кожуха V_H определяют соотношением

где P - давление газа в емкости при хранении, Па;

ρ - плотность заправляемого во внутренний сосуд жидкого газа, кг/м³;

R - газовая постоянная заправляемого газа, Дж/(кг·К);

Т - температура газа в емкости при хранении, К,

а массу М_C внутреннего сосуда определяют соотношением

где М_B - расход газа на захолаживание внутреннего сосуда, кг;

r - теплота испарения газа, Дж/кг;

С_P - теплоемкость материала внутреннего сосуда, Дж/(кг·К);

Т₀ - начальная температура внутреннего сосуда, К;

T_Ж - температура заправляемого жидкого газа, К.

Технический результат – сокращение время заправки, исключение потерь газа. 1 ил.

Емкость для хранения газа, включающая герметичный кожух, внутренний сосуд, трубу наполнения-опорожнения с запорным вентилем, трубу газосброса с запорным вентилем, отличающаяся тем, что в емкости установлен вокруг внутреннего сосуда экран с трубопроводом, в верхней части внутреннего сосуда и экрана выполнены отверстия, сообщающие их полости с полостью герметичного кожуха, кроме того, один конец трубопровода экрана соединен с трубой газосброса, а другой его конец введен в полость внутреннего сосуда, при этом отношение объема внутреннего сосуда V_B к объему герметичного кожуха V_H определяют соотношением

где P - давление газа в емкости при хранении, Па;

ρ - плотность заправляемого во внутренний сосуд жидкого газа, кг/м³;

R - газовая постоянная заправляемого газа, Дж/(кг·К);

Т - температура газа в емкости при хранении, К,

а массу М_C внутреннего сосуда определяют соотношением

где М_B - расход газа на захолаживание внутреннего сосуда, кг;

r - теплота испарения газа, Дж/кг;

С_P - теплоемкость материала внутреннего сосуда, Дж/(кг·К);

Т₀ - начальная температура внутреннего сосуда, К;

T_Ж - температура заправляемого жидкого газа, К.