BG4196U1 - Бутилка за газ - Google Patents

Abstract

Бутилка за газ представляваща високоефективен съд, предназначен за съхранение и транспорт на природен газ (течен, компресиран), азот, кислород за химически и фармацевтични производители, водород за горивни клетки или редки газове като криптон, неон или ксенон за осветление и други криогенни течности.Тя се състои от отделни мантинели (5.1, 5.2, 5.3) свързани помежду си неподвижно чрез заваряване и върху които са разположени изолации от нишки на въглеродни влакна (3), юта (10), и стъклени нишки (4) в матрица от смола.

Description

Област на техниката

Настоящето изобретение се отнася до бутилка за газ, представляваща високоефективен съд, предназначен за съхранение на течности под налягане, транспорт и съхранение на криогенни течности и намират приложение в самолетите и по специално в космически кораби. Те имат метална облицовка която е тънка в сравнение с обема на съда. Композитните високоефективни съдове, предназначени за съхранение на течности под налягане, обикновено са проектирани чрез разделяне на функциите на херметичност и механична устойчивост на налягане. Приложими са при транспорт на природен газ (течен, компресиран), азот, кислород за химически и фармацевтични производители, водород за горивни клетки или редки газове като криптон, неон или ксенон за осветление и др.

Предшестващо състояние на техниката

Известен е патентът US 6401963 бутилка за газ, при който съдържането на флуида, херметичността и/или защитата на стената, е изработена от метал или полимер, обикновено тънка стена, наречена „облицовка“, а устойчивостта на налягането на течността, съдържаща се в съда, се осигурява от намотка от композитни влакна, покрити със смола. Композитните влакна (влакна и смола) се отлагат върху облицовката чрез намотка на нишки. Бутилката за газ състояща се най-малко от една цилиндрична част съединена неподвижно чрез заваряване с предно и задно дъно с елипсовидна форма, със съответен преден и заден капак. Върху външната повърхност са положени изолация от въглеродно влакно и от стъклени нишки в матрица от смола. Стената е тънка, тъй като няма механична функция и целта е да се намали масата на бутилка за газ. В допълнение към функцията си на херметичност, облицовката има и функцията да издържа на силите, индуцирани от отлагането на влакна, по време, на които облицовката функционира, като дорник за намотката и осигурява референтната повърхност за депозираната композитна структура. Тази функция за поддържане на вторичната намотка, изпълнявана от облицовката, поражда нужда от механична устойчивост и/или твърдост на облицовката. Това изисква облицовката да бъде достатъчно дебела, в зависимост от свойствата на материала и геометрията на детайла. Силите на навиване се появяват, като локално компресиране върху облицовката е приблизително 3 bar и следователно се появяват, като увеличена маса на готовия съд. Това може да бъде особен проблем за големи по размер съдове с размер от няколко метра, при които масата на облицовката става значителна или когато материалът на облицовката е пластичен и/или има ниска граница на еластичност и/или ниска механична устойчивост, това е случаят например, за облицовка изработена от алуминий с висока чистота, или като цяло, когато за да се намали значително масата на облицовката, дебелината е по-малка от 1 mm за съдове с размери в метри.

Характерно за бутилката за газ, е че топлината от околната температура повишава налягането в контейнера и се предизвикват сили на усукване и разтягане, които действат на заварките и намаляват циклите на пълнене и изпразване, като се намалява срока на експлоатация. Те не могат да се използват за транспортиране на газове с повишено налягане.

Бутилката за течен природен газ има изолирана структура от легирана стомана за транспортиране на втечнен газ при 20.7 bar и температура -62°С.

Бутилката за криогенна течност обикновено имат вакуумно затворена двустранна конструкция от неръждаема стомана и може безопасно да съдържа криогенна течност при налягане 3.45 bar и -200°С

И двете бутилки имат изолация за да ограничат загубата от теглото на транспортирания продукт, но за криогенните бутилки изолацията е от особено значение.

Техническа същност на полезния модел

Задачата на полезния модел е да се създаде бутилка за транспортиране поотделно на газове с повишено налягане, течни газове или криогенни течности при продължителна експлоатация и намалено влияние на околната температура, която е лека, бърза и лесна за производство, продължителна експлоатация и с ниска себестойност.

Задачата е решена чрез бутилка състояща се най-малко от една цилиндрична част, съединена неподвижно чрез заваряване с предно и задно дъно с елипсовидна форма, със съответен преден и заден капак. Върху външната повърхност са положени изолация от въглеродно влакно и от стъклени нишки в матрица от смола. Бутилката се отличава от известните по това, че цилиндричната част е съставена най малко от една мантинела, дължината на които се отнася към диаметъра както 3:1. В цилиндрична част неподвижно чрез заварка са монтирани вертикални плоскости с възможност за ограничаване на движението на течността. В първия капак на предното дъно с елипсовидна форма има щуцер, като външната челна част има резба, а задната вътрешна част е свързана с тръба другия край на която е разположена на дъното на бутилката. Върху въглеродното влакно в матрица от смола е положена многослойна изолация от юта в матрица от смола. Върху изолацията от юта е положена изолация от стъклени нишки в матрица от смола със стъклени сфери напълнени с материал променящ фазата при нагряване.

Пояснение на приложените фигури

Фигура 1 представлява общ вид на бутилката в надлъжен разрез;

Фигура 2 - частичен напречен разрез на външната изолация;

Фигура 3-първата вертикална плоскост до входа на бутилката;

Фигура 4 - втората и третата вертикална плоскост в средата на бутилката

Фигура 5 - последната вертикална плоскост до изхода на бутилката.

Пример за изпълнение на полезния модел

По-конкретно и както е показано на фигура 1, бутилката включва цилиндрична част 1, която е свързана с предно 2.1 и задно 2.2 дъно със съответен преден 7.1 рес. заден 7.2 капак. Върху външната повърхност на бутилката са разположени изолационни слоя от въглеродно влакно 3 и стъклени нишки 4. Цилиндричната част 1 е съставена от най малко една мантинела 5.1, 5.2, 5.3 с вертикални плоскости 6.1, 6,2, 6.3. Бутилката за газ има оформени затварящи преден 7.1, заден 7.2 капаци. В предният капак 7.1 на предното дъно 2.1 има щуцер 8, като външната челна част има резба, на която е монтиран кран не показан на фигурата, а задната вътрешна част на щуцера 8 е свързана с тръба 9 другия край, на която е разположен на дъното на цилиндричната част 1 на бутилката. Върху въглеродното влакно 3 в матрица от смола е положена многослойна изолация от юта 10 в матрица от смола. Върху изолацията от юта 10 е положена изолацията от стъклени нишки 4 в матрица от смола със стъклени сфери 11 напълнени с материал променящ фазата при нагряване. Задният капак 7.2 е запечатан за постоянно съгласно правилата за безопастност, а предния капак 7.1 за достъп до вътрешността на двата края на бутилката. Цилиндричната част 1 представляваща външен защитен, осигурява защита от износване и корозия на подлежащите конструкции. Цилиндрична част 1 има номинална дебелина 1.5-3 mm и може да бъде тънък метален слой, като неръждаема стомана 12Х18Р10Т с дебелина 1.25 mm или композитен материал, като фибростъкло. За предпочитане е цилиндрична част 1 да е с малко тегло, за да не допринася съществено за общото тегло на бутилката и товара.

Изолацията от въглеродно влакно 3 е основен композитен структурен слой на съда и се състои от слоеве от въглеродни влакна 3 в смолиста матрица. Могат да се използват и други влакна, като базалт, полиетилен, кевлар и др., известни на специалистите в областта. За повечето системи композитния структурен слой от въглеродно влакно 3 ще има номинална дебелина 6,5-7.5 mm. Композитният слой от въглеродно влакно 3 за предпочитане се състои от подслоеве от импрегнирани със смола влакна, навити с различна ориентация, за да осигурят многоосна структурна якост на съда, включително разрушаване, въртящ момент и якост на огъване. Например, обвитите по периферията влакна се използват за осигуряване на структурна якост в радиална посока по отношение на хоризонталната/надлъжната ос на бутилката (т. е. на якост на разрушаване), докато надлъжно или спирално увити влакна (или влакна, увити под по-малки ъгли спрямо хоризонтална/надлъжна ос на бутилката) обикновено осигуряват здравина по напречната ос на бутилката. Комбинацията от двата слоя осигурява сила на огъване/въртящ момент. Композитният структурен слой от въглеродно влакно 3 също така осигурява допълнителна топлинна бариера към вътрешността на съда.

По-конкретно, в едно изпълнение, композитният структурен слой от въглеродно влакно 3 са слоеве от навити влакна, които са навити под различни ъгли (както в едната посока така и в обратната посока) спрямо хоризонталната ос на съда. За да се увеличи максималната якост между съседните слоеве, се редуват последователни слоеве, както в спирално, така и в периферно увити слоеве. Например, първият слой може да съдържа два слоя от спирално навити въглеродни влакна 3, навити под ъгъл приблизително 14° до 19° спрямо хоризонталната ос. Съотношение на диаметъра на отвора към радиуса на края на купола на предното 2.1 и задното 2.2 дъно е 18,7° може да бъде предпочитан ъгъл на навиване, както при положителен, така и при отрицателен ъгъл на навиване. По-голямото съотношение обикновено изисква по-голям ъгъл на навиване. Втори слой може да съдържа въглеродни влакна, навити по периферията, под ъгъл между 83° и 88° спрямо хоризонталната ос (навити, както в права посока, така и в обратна). След това всеки от първия и втория слой може да се редува по желание или в съответствие с друга последователност, за да се образува съда с желано съотношение непреки навити спрямо спираловидно навит. В едно изпълнение съдът ще включва приблизително 12 слоя напряко навити, разпръснати с 6 спирални слоя, което води до обща номинална дебелина приблизително 6 mm.

Цилиндричната част 1 осигурява, както защита от замърсители на полезния товар, така и допълнителна топлинна бариера към вътрешността на съда. Цилиндричната част 1 има номинална дебелина 1.25 mm и може да се състои от подходящ полимерен материал, като полиетилен, епокси, дициклопентадиен и/или уретан с ниска порьозност. Неръждаема стомана 12Х18Р10Т се използва, като цилиндричната част 1 представляваща вътрешен защитен слой.

Бутилката за газ, също така за предпочитане ще включва вертикални плоскости,6.1, 6.2 и 6.3 за да се сведе до минимум изместването на продукта по време на транспортиране. В предпочитано изпълнение вертикални плоскости 6.1, 6.2 и 6.3 са метални, заварени към вътрешността на цилиндрична част 1 по време на сглобяване на бутилката за газ. Като вертикалната плоскост 6.2 е идентична на следващата но обърната на 180° с възможност отворите да не са разположени един срещу друг.

Предното 2.1 и задното 2.2 дъно имат елипсовидна форма и имат три основни функции.

Първата е да се осигури полярен фитинг с краен радиус в края на предното 2.1 и задното 2.2 дъно с елипсовидна форма. Радиусът на всеки полюсен краен отвор ще зависи от диаметъра на бутилката за газ и спиралния ъгъл за навиван, използван в процеса на навиване на изолацията. Втората функция на предното 2.1 и задното 2.2 дъно с елипсовидна форма е да предават сили, действащи върху цилиндричната част 1 и предния 7.1, задния 7.2 капак от течността под налягане вътре в бутилката за газ, към съдовите конструкции.

Третата функция на предното 2.1 и задното 2.2 дъно с елипсовидна форма е да осигури врата за измерване, поддръжка на вътрешни компоненти или каквато и да е друга цел.

Функцията на предното 2.1 и задното 2.2 дъно с елипсовидна форма, проникващи в цилиндричната стена на мантинелата 5.1 съответно 5.3, ще варира в зависимост от целта на отвора. Типичните цели включват входове или изходи за течности, отвори за измервателни уреди или ревизионни отвори, например. Размерът и формата на предното 2.1 и задното 2.2 с елипсовидна форма ще зависят от тяхната функция и местоположение на бутилката за газ, както и от геометрията на бутилката за газ и други фактори. Всеки от предното 2.1 и задното 2.2 дъно с елипсовидна форма може да бъде изработено от метал, полимер, керамика, стъкло, композит или други материали, известни на специалистите в областта.

Както е показано, предното 2.1 и задното 2.2 дъно с елипсовидна форма, така и изолацията от въглеродно влакно 3, от стъклени нишки 4 и от юта 10 включват подходящи конуси, за да се увеличи максимума на здравината на връзката цилиндрична част 1/изолация. Максималната дебелина, както на изолационния слой, така и предното 2.1 и задното 2.2 дъно с елипсовидна форма включена най-близо до отвора, за да се увеличи максимално здравината на съда, съседен на и около отвора. Тоест, изолационния слой ще се стеснява до номиналната дебелина на изолационния слой далеч от отвора й, по подобен начин, куполообразни форма също ще се стеснява от по-голяма дебелина, съседна на отвора на предния 7.1 и задния 7.2 капак, до тесен край, далеч от отвора на предния 7.1 и задния 7.2 капак.

Всеки слой между структурната изолация от въглеродно влакно 3, от стъклени нишки 4 и от юта 10 и цилиндричната част 1 образуват предното 2.1 и задното 2.2 дъно с елипсовидна форма за входящи или за изходни течности и друг. Предният капак 7.1, който може да бъде конфигуриран за други цели. Например, измервателният порт не показан на чертежа ще бъде запечатан с капак, който има характеристики, необходими за закрепване на определен преобразувател и за предаване на сигнала на преобразувателя от вътрешната страна на резервоара към външната.

Предният капак, 7.1 на предното дъно 2.1 с елипсовидна форма, може да бъде направен практически от всеки твърд материал. В предпочитано изпълнение предния и задния капак 7.1, рес. 7.2 ще бъдат направени от компресиран формован от въглеродни влакна с хидроформована облицовка от неръждаема стомана или алуминий. Тъй като изолационния материал може да бъде порест, металната облицовка ще предотврати проникването на течност в изолацията, което може да доведе до набъбване на изолационния материал или отслабване на микроструктурата.

Предният капак 7.1 е свързан подвижно чрез резбова връзка и запечата предното дъно 2.1 с елипсовидна форма, използвайки подходяща система за заключване и уплътнение.

Задният капак 7.2 запечатва задното дъно 2.2 използвайки подходяща система за заключване и уплътнение.

Необходимият работен диапазон за параметрите на налягането и температурата, за да може бутилката за газ безопасно да съдържа, както течен въглероден диоксид, така и течен азотен товар, са посочени по долу.

Параметри на бутилката са:

Диапазон налягане 0 - 24.1 bar

Температура 60°С до -160°С

Други характеристики/спецификация на бутилката за газ за ремарке са подробно описани:

Индикатор за нивото на течността не показан на схемата - точно посочва количеството течност в ± 1% измервателна система на бутилката за газ.

Индикатор за налягане (регулатор) не показан на схемата, точно посочва и регулира налягането на измервателната система ± 1% на течността в на бутилката за газ.

Клапан и тръбна система улесняват товаренето и разтоварването на бутилката за газ с помощта на една помпа за намаляване на теглото също не показани.

Контролируем, променлив изход позволява течността да бъде изпомпвана от на бутилката за газ с регулируема скорост на системата за дебит.

Максимална степен на загуби на продукта са 02% за период от 24 часа в резултат на пренос на топлина освобождаване на налягането.

Температурен диапазон на околната среда + 50°С до -50°С.

Максимално допустимо работно налягане 13.8 bar (налягане до 68.95 bar Maximum allowable working pressure- MAWP- максималното работно налягане) - проектното налягане на съда, което бутилката трябва да достигне и това налягане винаги е равно или по-малко от MAWP.

Основно освобождаващо налягане 22.1 bar.

Вторично освобождаващо налягане 34.5 bar.

Минимален дебит на помпата 1,2 m³/min.

Минимален полезен товар на бутилката за газ е 5,600 kg.

Максимална дължина на бутилката за газ е 4,17 m.

Максимална ширина на бутилката за газ е 0.78 m.

Диаметър на цилиндричното тяло на бутилката за газ е 51 cm

Минимална дизайн на експлоатация на бутилката за газ е 25 години.

Температурен диапазон за течност - 220°С < Т < -196°С азот.

Температурен диапазон за течност -55,0°С < Т < -46,0°С с въглероден диоксид.

Максимално комбинирано тегло от 43 500 kg ремарке и полезен товар.

Диаметър на входящата тръба 2.

Диаметър на изходната тръба 2.

Диаметър на тръбата за освобождаване на парата 2.

Освен това системата за бутилки/контейнери транспортирани върху ремарке включва отделения за поместване на подходящи маркучи инструменти, обикновено необходими за свързване на системите за подаване на течност (помпа и тръбопроводи) към външно оборудване, като подходящ клапан, тръбопроводи и отвори, свързани към или, като част от съда.

Освен това системата от бутилката за газ и ремарке обикновено отговаря на изискванията за превозите на опасни товари на територията на Република България или от територията на Република България до друга държава - член на Европейския съюз, и/или между Република България и трети страни, при които се извършват превози и се спазват изискванията на Европейската спогодба за международен превоз на опасни товари по шосе (ADR) (обн., ДВ, бр. 73 от 1995 г., ратифицирана със закон, обн., ДВ, бр. 28 от 1995 г. Нова ДВ, бр. 16 от 2010 г., в сила от 30.06.2009 г.).

Въпреки че няма конкретни разпоредби, уреждащи критериите за проектиране на такава система на бутилки за газ/ремаркета, разбира се, че системата ще бъде проектирана да отговаря на основните критерии за цялост, безопасност и изпитване, както се изисква от BG стандартите. По-конкретно, предвижда се дизайнът на бутилката за газ и процедурите за изпитване за целостта на резервоара да са в съответствие с Наредба № 40 от 14.01.2004 г. за условията и реда за извършване на автомобилен превоз на опасни товари Автомагистрали и преносими цистерни за превоз на опасни товари.

Предимства на полезния модел

Бутилката за газ, както е описана тук, осигурява следните предимства:

- увеличен обемен капацитет (полезен товар) на системата на ремаркето;

- намалено тегло на бутилката за газ, ремаркето и помощните компоненти.

Освен това системата осигурява икономически предимства пред конвенционалните системи за бутилки за газ. Преди всичко, като позволява приблизително 20% увеличаване на товарния капацитет за дадено общо максимално тегло на натоварено ремарке, доставчикът на втечнен продукт може ефективно да достави 20% повече товари за еквивалентна система бутилки за газ.

Освен това, когато спедиторът получава продукт от редица географски разпределени газови централи, способността на настоящата система за бутилки да побира различни товари може да се използва за оптимизиране на разполагането на група камиони в различни газови централи и клиенти. Тоест, въз основа на търсенето на клиента, местоположението на клиента и местоположението на бензиностанцията, може да бъде разположена обща група камиони, за да се гарантира, че всеки камион изминава минимално разстояние между клиент и бензиностанция въз основа на текущото търсене. Важно е, че ако камионите не е задължително да се връщат към определен тип газова централа, разстоянието, което камионът може да измине, за да получи нов товар, може да бъде сведено до минимум.

Claims (1)

1. Бутилка за газ състояща се от една цилиндрична част съединена неподвижно чрез заваряване с предно и задно дъно с елипсовидна форма, със съответен преден и заден капак, като върху външната повърхност са положени изолация от въглеродно влакно и от стъклени нишки в матрици от смола, характеризираща се с това, че цилиндричната част (1) е съставена най-малко от една мантинела (5,1, 52, 5.3) и дължината, на които се отнася към диаметъра както 3:1, като в мантинела (5,1, 52, 5.3) неподвижно чрез заварка са монтирани вертикални плоскости (6.1, 6.2, 6.3) с възможност за ограничаване на движението на течността, като в предния капак (7.1) на предното дъно (2.1) има щуцер (8), като външната челна част има резба, а задната вътрешна част е свързана с тръба (9), другия край на която е разположен на дъното на цилиндричната част (1) на бутилката, като върху изолацията (3)от въглеродното влакно в матрица от смола е положена многослойна изолация (10) от юта в матрица от смола, като върху изолацията (10) от юта е положена изолация от стъклени нишки (4) в матрица от смола със стъклени сфери (11) напълнени с материал променящ фазата при нагряване