PL249835B1 - Zasobnik do przechowywania gazów, szczególnie wodoru H2 lub metanu CH4 - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest zasobnik do przechowywania gazów, szczególnie wodoru H2 lub metanu CH4, obejmujący część wymiany energii (1) oraz część roboczą (2), który charakteryzuje się tym, że przez część wymiany energii (1) oraz część roboczą (2) prowadzone są pulsacyjne rurki cieplne (4) wypełnione czynnikiem roboczym (5), przy czym w części roboczej (2) pulsacyjne rurki cieplne (4) są prowadzone przez stos sprasowanych dysków z węgla aktywowanego (3), naprzemiennie rozdzielonych cienkimi metalowymi przekładkami (9), a w części wymiany energii (1) pulsacyjne rurki cieplne (4) są otoczone czynnikiem wymiany energii (6), przy czym część wymiany energii (1) jest połączona króćcami (7) z urządzeniem chłodząco-grzewczym (8), całość układu zasobnika zamknięta jest w naczyniu (10). Zasobnik magazynowy do przechowywania gazów, charakteryzuje się również tym, że sprasowane dyski z węgla aktywowanego (3) posiadają kształt konforemny dostosowany do geometrii naczynia (10). Zasobnik magazynowy do przechowywania gazów, charakteryzuje się również tym, że naczynie (10) wykonane jest z materiału barierowego. Zasobnik magazynowy do przechowywania gazów, charakteryzuje się również tym, że naczynie (10) odizolowane jest termicznie od środowiska zewnętrznego za pomocą materiału izolacyjnego (11). Zasobnik magazynowy do przechowywania gazów, charakteryzuje się również tym, że materiał izolacyjny (11) stanowi korzystnie aerożel krzemowy. Zasobnik magazynowy do przechowywania gazów, charakteryzuje się również tym, że wewnętrzna powierzchnia naczynia (10) pokryta jest materiałem antydyfuzyjnym (12). Zasobnik magazynowy do przechowywania gazów, charakteryzuje się również tym, że w części roboczej (2) zamocowany jest króciec (13) umożliwiający napełnianie i opróżnianie zasobnika gazem. Zasobnik magazynowy do przechowywania gazów, charakteryzuje się również tym, że czynnik wymiany energii (6) otaczający pulsacyjne rurki cieplne (4) umożliwia przekazywanie ciepła pomiędzy urządzeniem chłodząco-grzewczym (8), a rurkami pulsacyjnymi.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotowe rozwiązanie dotyczy konstrukcji zasobnika do przechowywania gazów, w szczególności wodoru (H2) lub metanu (CH4), zawierającej elementy związane z magazynowaniem oraz wymianą ciepła. Konstrukcja zasobnika została opracowana w sposób umożliwiający prowadzenie procesów napełniania i opróżniania gazu. Rozwiązanie znajduje zastosowanie w systemach magazynowania i dystrybucji gazów.

Znane są różne sposoby magazynowania gazów, w szczególności wodoru (H2) i metanu (CH4), Obecnie stosuje się rozwiązania wykorzystujące magazynowanie gazów w postaci sprężonej, skroplonej lub w formie zaadsorbowanej w materiałach porowatych.

Patent P231933 opisuje sposób intensyfikacji wymiany ciepła podczas procesu absorpcji lub desorpcji gazów, takich jak wodór czy metan, w złożu proszkowego sorbentu. Rozwiązanie polega na wymuszonym przemieszczaniu proszku sorbentu w kierunku ścianek zbiornika, co poprawia przewodnictwo cieplne układu i tym samym zwiększa sprawność wymiany ciepła.

W zgłoszeniu patentowym P.432869 przedstawiono zbiornik do magazynowania wodoru lub metanu, wyposażony w co najmniej dwa równoległe zasobniki połączone mechanizmem kół zębatych. Wewnątrz każdego zasobnika zastosowano mieszadła, które wprawiają w ruch proszek sorbentu, intensyfikując wymianę ciepła pomiędzy gazem a złożem sorpcyjnym.

Z kolei europejskie patenty EP1993949B1, EP2024274B1, EP2593401B1, EP2244970B1 oraz EP2235424B1 dotyczą sposobów przechowywania wodoru w oparciu o chemisorpcję w strukturach atomowych. Stosuje się tu dyski metaliczne, wykonane z wodorotlenku magnezu z dodatkiem metali i grafitu, które umożliwiają trwałe i stabilne wiązanie wodoru w niskich ciśnieniach. Rozwiązania te zapewniają dużą pojemność magazynową, jednak wymagają stosunkowo wysokich temperatur do uwalniania zaadsorbowanego gazu, co ogranicza ich praktyczne zastosowanie.

W patencie PL208498B1 opisano zasobnik gazu wypełniony nanokrystalicznym, porowatym materiałem ferroelektrycznym, takim jak jodosiarczek antymonu (SbSI) w formie żelu. Dzięki rozwiniętej powierzchni właściwej możliwe jest magazynowanie wodoru w porach struktury materiału. Rozwiązanie to oferuje korzystne parametry sorpcyjne, jednak nie rozwiązuje problemu skutecznego odprowadzania lub dostarczania ciepła do złoża.

Z kolei patent PL239810B1 dotyczy podziemnych zbiorników gazu, w szczególności wodoru i metanu, lokalizowanych w likwidowanych kopalniach lub specjalnie przygotowanych kawernach. Dzięki szczelnemu obudowaniu warstwami materiałów o niskiej przepuszczalności, takich jak sól kamienna, polipropylen czy aluminium, ogranicza się zjawisko ulatniania gazu. Rozwiązanie to znajduje zastosowanie w dużych, stacjonarnych instalacjach, jednak nie nadaje się do zastosowań mobilnych, gdzie konieczne jest stosowanie zasobników kompaktowych i konforemnych.

Podsumowując, znane ze stanu techniki rozwiązania nie zapewniają wystarczająco skutecznej i wydajnej wymiany ciepła w zwartym złożu sorpcyjnym, a w wielu przypadkach wymagają stosowania elementów ruchomych lub ograniczają możliwości miniaturyzacji i konforemnego kształtowania zbiornika. Istnieje zatem potrzeba opracowania zasobnika gazu, który umożliwiłby efektywne magazynowanie wodoru lub metanu w materiale sorpcyjnym przy jednoczesnym zapewnieniu intensywnej i równomiernej wymiany ciepła w całej objętości złoża, bez konieczności stosowania układów mechaniczn ych.

Celem rozwiązania jest opracowanie zasobnika do magazynowania gazów, w szczególności wodoru (H2) lub metanu (CH4), który umożliwia zwiększenie pojemności sorpcyjnej poprzez wykorzystanie węgla aktywowanego, a jednocześnie zapewnia efektywną wymianę ciepła podczas procesów adsorpcji i desorpcji.

Kolejnym celem rozwiązania jest wyeliminowanie konieczności stosowania elementów mechanicznych, takich jak mieszadła czy systemy przemieszczania sorbentu, poprzez zastosowanie pasywnych elementów transportujących energię cieplną.

Ważnym zadaniem rozwiązania jest również umożliwienie uzyskania konstrukcji o kształcie konforemnym, co pozwala na dopasowanie zasobnika do ograniczonej przestrzeni zabudowy, np. w pojazdach drogowych, statkach powietrznych lub jednostkach pływających, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej sprawności energetycznej i bezpieczeństwa eksploatacji.

Dodatkowym celem jest ograniczenie strat energii związanych z procesami chłodzenia i ogrzewania złoża oraz zapewnienie wysokiej niezawodności działania poprzez zastosowanie materiałów odpornych na korozję i przenikanie gazu.

Istota rozwiązania

Zasobnik do przechowywania gazów, szczególnie wodoru H2 lub metanu CH4, obejmujący część wymiany energii oraz część roboczą, charakteryzuje się tym, że przez część wymiany energii oraz część roboczą prowadzone są pulsacyjne rurki cieplne wypełnione czynnikiem roboczym, w części roboczej pulsacyjne rurki cieplne są prowadzone przez stos sprasowanych dysków z węgla aktywowanego, naprzemiennie rozdzielonych cienkimi metalowymi przekładkami, w części wymiany energii pulsacyjne rurki cieplne są otoczone czynnikiem wymiany energii, przy czym część wymiany energii jest połączona króćcami z urządzeniem chłodząco-grzewczym, całość układu zasobnika zamknięta jest w naczyniu.

Korzystne jest, że sprasowane dyski z węgla aktywowanego posiadają kształt konforemny dostosowany do geometrii naczynia.

Korzystne jest, że naczynie zasobnika magazynowego do przechowywania gazów, wykonane jest z materiału o właściwościach barierowych.

Korzystne jest, że naczynie zasobnika magazynowego odizolowane jest termicznie od środowiska zewnętrznego za pomocą materiału izolacyjnego.

Korzystne jest, że materiał izolacyjny naczynie zasobnika magazynowego stanowi aerożel krzemowy.

Korzystne jest, że wewnętrzna powierzchnia naczynia pokryta jest materiałem antydyfuzyjnym.

Korzystne jest, że naczynie w części roboczej wyposażone jest w króciec umożliwiający napełnianie i opróżnianie zasobnika gazem.

Korzystne jest, że czynnik wymiany energii otaczający pulsacyjne rurki cieplne w części wymiany energii umożliwia przekazywanie ciepła pomiędzy urządzeniem chłodząco-grzewczym a rurkami pulsacyjnymi.

Zasobnik według wynalazku charakteryzuje się szeregiem zalet w porównaniu do rozwiązań znanych ze stanu techniki. Dzięki zastosowaniu węgla aktywowanego o dużej powierzchni właściwej możliwe jest zgromadzenie znacznych ilości wodoru lub metanu w procesie adsorpcji fizycznej. Efektywną wymianę ciepła zapewniają pulsacyjne rurki cieplne, które umożliwiają szybki i równomierny transport energii pomiędzy częścią wymiany energii a częścią roboczą zasobnika, co zwiększa wydajność procesów adsorpcji i desorpcji. Konstrukcja nie wymaga stosowania elementów ruchomych, takich jak mieszadła czy systemy przemieszczania sorbentu, co upraszcza budowę, zmniejsza zapotrzebowanie energetyczne i zwiększa niezawodność. Zaletą wynalazku jest również możliwość nadania zasobnikowi kształtu konforemnego, co pozwala na dopasowanie go do dostępnej przestrzeni montażowej w pojazdach, statkach powietrznych czy jednostkach pływających. Rozwiązanie to ogranicza straty energetyczne związane z wymianą ciepła, zwiększa bezpieczeństwo eksploatacji poprzez eliminację ryzyka gwałtownego wzrostu ciśnienia lub zjawiska odparowania „boil-off” oraz zapewnia wysoką trwałość materiałową dzięki zastosowaniu elementów wykonanych z materiałów przewodzących ciepło i odpornych na korozję.

Rozwiązanie pokazane jest na rysunkach gdzie:

FIG. 1 - przedstawia przekrój zasobnika do przechowywania gazów, szczególnie wodoru H2 lub metanu CH4.

Przykładowa realizacja wynalazku przedstawiona została na FIG. 1 w przekroju wzdłuż osi pionowej B-B. Zasobnik składa się z dwóch funkcjonalnych części: części wymiany energii 1 oraz części roboczej 2, w której magazynowany jest gaz w postaci zaadsorbowanej na powierzchni węgla aktywowanego.

Część robocza 2 wypełniona jest szeregiem sprasowanych dysków z węgla aktywowanego 3, które charakteryzują się bardzo rozwiniętą powierzchnią właściwą, umożliwiającą skuteczne wiązanie cząsteczek wodoru (H2) lub metanu (CH4) na drodze adsorpcji fizycznej, szczególnie w temperaturach kriogenicznych. Dyski te są ciasno osadzone jeden na drugim, tworząc zwarty stos wypełniający część roboczą 2 zasobnika. W celu zwiększenia efektywności wymiany ciepła, poszczególne sprasowane dyski z węgla aktywowanego 3 są naprzemiennie oddzielone cienkimi przekładkami metalowymi 9, które ściśle przylegają do ich powierzchni i rozprowadzają energię cieplną w całym stosie. Korzystnie przekładki 9, podobnie jak pulsacyjne rurki cieplne 4, wykonane są z tego samego materiału (np. z miedzi), co zapewnia wysoką przewodność cieplną i eliminuje ryzyko korozji galwanicznej.

Przez środek stosu dysków przebiegają pulsacyjne rurki cieplne 4, wypełnione czynnikiem roboczym 5, np. cieczą niskowrzącą. Rurki te funkcjonują na zasadzie cyklicznej pracy cieczy i pary w warunkach zmiennej temperatury. W obszarach o podwyższonej temperaturze czynnik roboczy odparowuje, powodując lokalny wzrost ciśnienia, a para przemieszcza się ku chłodniejszym rejonom rurek, gdzie ulega skropleniu. Proces ten zachodzi samoczynnie dzięki różnicom ciśnienia i temperatury, wywołując pulsacje przepływu cieczy i pary wewnątrz rurek. W wyniku tego energia cieplna jest transportowana bardzo szybko i równomiernie pomiędzy częścią wymiany energii 1 a częścią roboczą 2 zasobnika, niezależnie od orientacji przestrzennej rurek, co stanowi przewagę nad tradycyjnymi rurkami cieplnymi zależnymi od grawitacji.

W części wymiany energii 1 pulsacyjne rurki cieplne 4 zanurzone są w czynniku wymiany energii 6 i część wymiany energii 1 połączona jest z urządzeniem chłodząco-grzewczym 8 poprzez króćce 7. Urządzenie to, np. chiller, umożliwia zarówno odbiór ciepła ze złoża węgla aktywowanego podczas procesu adsorpcji gazu, jak i dostarczanie energii cieplnej podczas desorpcji. W czasie napełniania zasobnika gazem konieczne jest schłodzenie złoża do temperatur kriogenicznych, co zwiększa zdolność adsorpcyjną węgla aktywowanego, natomiast w czasie opróżniania zasobnika gaz musi zostać uwolniony poprzez kontrolowane podgrzewanie złoża.

Całość układu zbiornika zamknięta jest w naczyniu 10, które w korzystnym przykładzie wykonane jest z materiału barierowego. Zewnętrzna część naczynia 10 pokryta jest warstwą izolacyjną 11, korzystnie w postaci aerożelu krzemowego, który zapewnia bardzo dobre właściwości termoizolacyjne i minimalizuje straty energii przy pracy w zakresie temperatur kriogenicznych. Wnętrze naczynia 10 pokryte jest powłoką antydyfuzyjną 12, ograniczającą przenikanie przechowywanego gazu przez ścianki zasobnika. Część robocza naczynia wyposażona jest w króciec 13, służący do napełniania i opróżniania zasobnika w warunkach kontrolowanych.

Dzięki opisanej konstrukcji możliwe jest uzyskanie kompaktowego i konforemnego zasobnika o wysokiej pojemności magazynowej, który zapewnia efektywną wymianę ciepła w całym zakresie procesów pracy, tj. od schładzania do temperatur kriogenicznych podczas adsorpcji przechowywanego czynnika w złożu węgla aktywowanego po kontrolowane podgrzewanie podczas jego desorpcji.

Legenda oznaczeń

- część wymiany energii zasobnika

- część robocza zasobnika

- sprasowane dyski z węgla aktywowanego

- pulsacyjne rurki cieplne (PHP)

- czynnik roboczy rurek cieplnych

- czynnik wymiany energii

- króćce połączeniowe

- urządzenie chłodząco-grzewcze (np. chiller)

- przekładki metalowe rozprowadzające ciepło

- naczynie zasobnika

- warstwa izolacyjna (np. aerożel krzemowy)

- powłoka antydyfuzyjna

- króciec do napełniania/opróżniania zasobnika

Claims (8)

1. Zasobnik do przechowywania gazów, szczególnie wodoru H2 lub metanu CH4, obejmujący część wymiany energii (1) oraz część roboczą (2), znamienny tym, że przez część wymiany energii (1) oraz część roboczą (2) prowadzone są pulsacyjne rurki cieplne (4) wypełnione czynnikiem roboczym (5), przy czym w części roboczej (2) pulsacyjne rurki cieplne (4) są prowadzone przez stos sprasowanych dysków z węgla aktywowanego (3), naprzemiennie rozdzielonych cienkimi metalowymi przekładkami (9), a w części wymiany energii (1) pulsacyjne rurki cieplne (4) są otoczone czynnikiem wymiany energii (6), przy czym część wymiany energii (1) jest połączona króćcami (7) z urządzeniem chłodząco-grzewczym (8), całość układu zasobnika zamknięta jest w naczyniu (10).

2. Zasobnik według zastrz. 1, znamienny tym, że sprasowane dyski z węgla aktywowanego (3) posiadają kształt konforemny dostosowany do geometrii naczynia (10).

3. Zasobnik według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że naczynie (10) wykonane jest z materiału barierowego.

4. Zasobnik według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że naczynie (10) odizolowane jest termicznie od środowiska zewnętrznego za pomocą materiału izolacyjnego (11).

5. Zasobnik według zastrz. 4, znamienny tym, że materiał izolacyjny (11) stanowi korzystnie aerożel krzemowy.

6. Zasobnik według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że wewnętrzna powierzchnia naczynia (10) pokryta jest materiałem antydyfuzyjnym (12).

7. Zasobnik według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że w części roboczej (2) zamocowany jest króciec (13) umożliwiający napełnianie i opróżnianie zasobnika gazem.

8. Zasobnik według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń, znamienny tym, że czynnik wymiany energii (6) otaczający pulsacyjne rurki cieplne (4) umożliwia przekazywanie ciepła pomiędzy urządzeniem chłodząco-grzewczym (8) a rurkami pulsacyjnymi.