RU141427U1

RU141427U1 - GAS STORAGE BATTERY

Info

Publication number: RU141427U1
Application number: RU2013146668/06U
Authority: RU
Inventors: Александр Федорович Чабак
Original assignee: Александр Федорович Чабак
Priority date: 2013-11-25
Filing date: 2013-11-25
Publication date: 2014-06-10

Abstract

1. Аккумулятор для хранения газа, состоящий из внутреннего герметизирующего лейнера, силовой оболочки и средств для присоединения запорной арматуры, отличающийся тем, что лейнер и силовая оболочка выполнены в виде протяженного гибкого цилиндра - трубопровода, длина которого L много больше его диаметра d, по крайней мере, на одном из концов которого установлено средство для присоединения запорной арматуры.2. Аккумулятор по п.1, отличающийся тем, что он содержит внешнюю дополнительную оболочку.1. A gas storage battery, consisting of an internal sealing liner, a power shell and means for connecting shut-off valves, characterized in that the liner and power shell are made in the form of an extended flexible cylinder — a pipeline whose length L is much greater than its diameter d, at least at least one of the ends of which has means for connecting shutoff valves. 2. The battery according to claim 1, characterized in that it contains an external additional shell.

Description

Полезная модель относится к устройствам, применяемым для аккумулирования и транспорта газов, которые используются в химическом, транспортном машиностроении, в мобильных системах и системах жизнеобеспечения.The utility model relates to devices used for the accumulation and transport of gases, which are used in chemical, transport engineering, mobile systems and life support systems.

Одними из основных параметров характеризующих аккумуляторы газов являются весовое и объемное содержание газов, именно это сочетание определяет применимость аккумулятора.One of the main parameters characterizing gas accumulators is the weight and volume content of gases, it is this combination that determines the applicability of the battery.

Существует ряд аккумуляторов газа в виде баллонов. Основная масса выпускаемых в настоящее время баллонов изготавливается из металла, как правило, углеродистой или нержавеющей стали («Способ изготовления сосудов высокого давления», патент №2257509, регистр. 27.07.2005 г. Федулов С.А.). Эти аккумуляторы обеспечивают невысокое весовое содержание газов. Так аккумуляция газов даже в разработанных в последнее время облегченных армированных алюминиевых баллонах имеют отношение веса баллона к весу аккумулированного газа, например, водорода 45-60 кг/кг H₂ (1,7-2,2% масс), а также емкости из композиционных материалов - 20-30 кг/кг H₂.(3,3-5,0%масс).There are a number of gas accumulators in the form of cylinders. The bulk of the currently produced cylinders are made of metal, usually carbon or stainless steel ("Method for the manufacture of pressure vessels", patent No. 2257509, register. 07.27.2005, Fedulov SA). These batteries provide a low weight content of gases. Thus, gas accumulation, even in recently developed lightweight reinforced aluminum cylinders, has a ratio of the weight of the cylinder to the weight of the accumulated gas, for example, hydrogen 45-60 kg / kg H ₂ (1.7-2.2% of the mass), as well as containers made of composite materials - 20-30 kg / kg H _2. (3.3-5.0% of the mass).

Например, фирма ULLIT (Франция) производит композитные баллоны. Силовая оболочка баллонов фирмы ULLIT изготавливается из композиционного материала на основе углеродных волокон. Особенностью конструкции является наличие специального слоя на границе контакта полимерного лейнера и металлического закладного элемента. Давление газа в таких баллонах ограничивается 350-400 атм.For example, the company ULLIT (France) produces composite cylinders. The power shell of ULLIT cylinders is made of a composite material based on carbon fibers. A design feature is the presence of a special layer at the interface between the polymer liner and the metal embedded element. The gas pressure in such cylinders is limited to 350-400 atm.

Известен патент РФ №100809, в котором заявлен металлокомпозитный баллон с запорной арматурой, содержащий лейнер с армирующей намоткой.Known RF patent No. 100809, in which a metal composite cylinder with shutoff valves is declared, comprising a liner with reinforcing winding.

Известны решения, направленные на придание рациональной геометрической формы баллонам высокого давления, см. патент РФ №2482380. В таком сосуде высокогодавления, имеющем сферическую форму и состоящем из внутренней герметичной оболочки и внешней силовой оболочки из композиционного материала, внутренняя герметичная тонкостенная оболочка (лейнер) выполнена цельнометаллической из алюминиевого сплава без использования сварных или иных соединений ее частей, а внешняя оболочка выполнена из органопластика на основе органических волокон марки Армос с многозонной геодезической укладкой по сферической поверхности. Недостатком решения является сложность технологической реализации.Known solutions aimed at giving a rational geometric shape to high-pressure cylinders, see RF patent No. 2482380. In such a pressure vessel having a spherical shape and consisting of an internal airtight shell and an external power shell made of composite material, the internal sealed thin-walled shell (liner) is made of all-metal aluminum alloy without the use of welded or other joints of its parts, and the outer shell is made of organoplastic on based on organic fibers of the Armos brand with multi-zone geodetic laying on a spherical surface. The disadvantage of this solution is the complexity of the technological implementation.

Также, известен патент на полезную модель РФ №69610 (прототип), представляющий собой композитный баллон высокого давления, содержащий внешнюю силовую оболочку из композиционного материала и внутренний тонкостенный герметизирующий лейнер, отличающийся тем, что силовая оболочка выполнена намоткой из внутреннего и наружного слоев, при этом внутренний слой выполнен базальтовым ровингом по всей поверхности баллона и содержит несколько слоев, а наружный слой выполнен стеклоровингом и содержит, по крайней мере, два слоя, при этом, между внутренним и наружным слоями силовой оболочки установлена этикетка-паспорт баллона. Недостатком является также традиционная форма выполнения, не позволяющая варьировать объемом для хранения газа.Also, the patent for utility model of the Russian Federation No. 69610 (prototype) is known, which is a composite high-pressure balloon containing an external power shell made of composite material and an internal thin-walled sealing liner, characterized in that the power shell is wound from the inner and outer layers, the inner layer is made of basalt roving over the entire surface of the container and contains several layers, and the outer layer is made of glass roving and contains at least two layers, while between he and the outer layers of the power shell installed label passport of the cylinder. The disadvantage is the traditional form of execution, not allowing you to vary the volume for storing gas.

Основные способы хранения газов - это хранение их в баллонах при высоком давлении в основном до 150 атм или в сжиженном состоянии, как правило, с использованием криогенной техники. В ряде случаев такое хранение обеспечивает потребности потребителя, но с увеличением энергопотребления объектов и потребности в снижении транспортных расходов при перевозке легких газов, а также увеличении пробега автотранспорта при ограниченности объема для установки емкости с газом на борту транспорта, использующего в качестве топлива газ (метан, водород), требуется его высокое удельное содержание, и, следовательно, увеличение давления газа при обеспечении безопасности его применения. Кроме этого, традиционные баллоны, имея фиксированную цилиндрическую форму, создают трудности в их размещении на мобильных транспортных средствах, выбор мест их размещения весьма ограничен.The main methods for storing gases are storing them in cylinders at high pressures, mainly up to 150 atm or in a liquefied state, usually using cryogenic techniques. In some cases, such storage meets the needs of the consumer, but with an increase in the energy consumption of facilities and the need to reduce transportation costs for the transportation of light gases, as well as an increase in the mileage of vehicles with limited space for installing a gas tank on board a vehicle using gas (methane, hydrogen), its high specific content is required, and therefore, an increase in gas pressure while ensuring the safety of its use. In addition, traditional cylinders, having a fixed cylindrical shape, create difficulties in their placement on mobile vehicles, the choice of their placement is very limited.

В настоящее время для автомобилей, работающих на метане, разработаны баллоны с рабочим давлением метана до 300 атм, для автомобилей, работающих на водороде, разработаны баллоны с давление до 350 атм и разрабатываются баллоны на давление 700 атм. Созданы небольшие сети заправочных станций автомобилей метаном и водородом. Но заправка одного легкового автомобиля метаном, имеющего два 35-ти литровых баллона при давлении 220 атм, позволяет проехать 140-150 км. Для этого надо иметь широкую сеть заправочных станций, что экономически не выгодно, или решить проблему обеспечения заправки автомобиля на пробег не менее 500 км. Испытания показали, что на пробег легкового автомобиля в 100 км требуется 10 м³ метана. Таким образом, для обеспечения пробега легкового автомобиля в 500 км в двух 35-ти литровых баллонах должно быть не менее 50 м³ метана, а это значит, что давление в баллонах должно быть не менее 720 атм. Учитывая, что коэффициент запаса по давлению для гражданских объектов равен 2,3, баллон должен выдерживать не 720 атм., а 720×2,3=1656 атм. Создать баллоны на такое давление - задача трудная, по крайней мере, в ближайшем будущем из-за прочностных свойств существующих материалов.At present, for automobiles operating on methane, cylinders with a working pressure of methane up to 300 atm have been developed, for automobiles operating on hydrogen, cylinders with a pressure of up to 350 atm have been developed and cylinders for a pressure of 700 atm are being developed. Small networks of gas stations for cars with methane and hydrogen have been created. But refueling one passenger car with methane, which has two 35-liter cylinders at a pressure of 220 atm, allows you to drive 140-150 km. To do this, you need to have a wide network of gas stations, which is not economically profitable, or to solve the problem of ensuring that the car refuel for a distance of at least 500 km. Tests have shown that a car mileage of 100 km requires 10 m ^{3 of} methane. Thus, to ensure a car’s mileage of 500 km, two 35-liter cylinders should have at least 50 m ^{3 of} methane, which means that the pressure in the cylinders should be at least 720 atm. Given that the pressure safety factor for civilian objects is 2.3, the cylinder should not withstand 720 atm, but 720 × 2.3 = 1656 atm. To create cylinders for such pressure is a difficult task, at least in the near future due to the strength properties of existing materials.

Аналогичные проблемы возникают при использовании водорода в качестве топлива автомобилей. Для обеспечения пробега легкового автомобиля в 500 км. требуется порядка 5 кг. водорода. Применение криогенного способа аккумуляции водорода может обеспечить требуемое количество водорода на борту автомобиля, но это требует совершенных термостатов, которые объемны, кроме того, применение этого способа создает условия для испарения и потерям водорода от 3 до 5% в сутки, что может создать взрывоопасную ситуацию в гараже, а через 20 дней заправленный бак испарится.Similar problems arise when using hydrogen as a vehicle fuel. To ensure a car mileage of 500 km. about 5 kg is required. hydrogen. The use of the cryogenic method of hydrogen accumulation can provide the required amount of hydrogen on board the car, but this requires perfect thermostats that are voluminous, in addition, the use of this method creates conditions for evaporation and hydrogen losses from 3 to 5% per day, which can create an explosive situation in garage, and after 20 days, the refilled tank will evaporate.

Заправка в баллоны автомобилей водорода при высоком давлении в 350 атм осуществляется на ряде специальных заправочных станциях. При этом высока опасность взрыва таких баллонов, и низкая емкость баллонов обеспечивает пробег автомобилей не более 200 км. (Чабак А.Ф. Аккумуляторы водорода на основе микропористых структур. Ж «Наука и технологии в промышленности», 2005. №2, с.12-16.)Refueling hydrogen cylinders at high pressures of 350 atm is carried out at a number of special gas stations. At the same time, the danger of explosion of such cylinders is high, and the low capacity of the cylinders ensures the mileage of cars no more than 200 km. (AF Chabak. Hydrogen accumulators based on microporous structures. F “Science and technology in industry”, 2005. No. 2, pp. 12-16.)

Техническим результатом, на который направлена полезная модель, является создание аккумулятора газа рациональной геометрической формы, обеспечивающего высокое массовое и объемное содержание газа, надежность, быструю заправку и извлечение газа.The technical result, which is directed to a utility model, is the creation of a gas accumulator of a rational geometric shape, providing a high mass and volumetric gas content, reliability, quick gas filling and gas recovery.

Для достижения указанного результата предложен аккумулятор для хранения газа, состоящий из внутреннего герметизирующего лейнера, силовой оболочки и средств для присоединения запорной арматуры, при этом лейнер и силовая оболочка выполнены в виде протяженного гибкого цилиндра - трубопровода, длина которого L много больше его диаметра d, по крайней мере, на одном из концов которого установлено средство для присоединения запорной арматуры.To achieve this result, a gas storage battery is proposed, consisting of an internal sealing liner, a power shell and means for connecting shutoff valves, while the liner and power shell are made in the form of an extended flexible cylinder — a pipeline whose length L is much greater than its diameter d, along at least one of the ends of which has a means for connecting shutoff valves.

Кроме того, аккумулятор содержит внешнюю дополнительную оболочку.In addition, the battery contains an external additional shell.

Такой аккумулятор имеет возможность аккумулировать газ во внутренней трубчатой полости аккумулятора, образованной гибкой одно- или многослойной структурой. Внутренняя оболочка - лейнер и силовая оболочка выполнены в виде протяженного гибкого цилиндра - трубопровода. При этом внутренняя оболочка является газоплотной для удержания газа внутри аккумулятора, следующие оболочки выполняют силовую функцию и выполняются из высокопрочных материалов на основе полимеров, например, оплетки полимеров класса арамидов, полиимидов, либо из металла, композита, углерода, либо из других высокопрочных материалов. Помимо этого при необходимости для декоративных и защитных целей от атмосферных либо других воздействий используется дополнительная оболочка.Such a battery has the ability to accumulate gas in the inner tubular cavity of the battery formed by a flexible single or multi-layer structure. The inner shell - the liner and the power shell are made in the form of an extended flexible cylinder - a pipeline. In this case, the inner shell is gas tight to retain gas inside the battery, the following shells perform a power function and are made of high-strength materials based on polymers, for example, braids of polymers of the aramid, polyimide, or metal, composite, carbon, or other high-strength materials. In addition, if necessary, an additional shell is used for decorative and protective purposes from atmospheric or other influences.

Внутренние газоплотные трубы, выполняющие роль лейнера, могут формоваться как с возможностью заправки и извлечения газа с обоих торцов, так и с одного. В последнем случае один из торцов герметизируется.Internal gas-tight pipes acting as a liner can be molded both with the possibility of filling and extracting gas from both ends, and from one. In the latter case, one of the ends is sealed.

Такие аккумуляторы газа можно создавать под конкретные мобильные или стационарные установки с учетом их дизайна и конструкции.Such gas accumulators can be created for specific mobile or stationary installations, taking into account their design and construction.

На фигурах 1 и 2 представлена одна из разновидностей такого аккумулятор газа с многослойной оболочкой и металлическим фитингом для подсоединения к потребителю, либо для подсоединения к коллектору, объединяющему несколько таких аккумуляторов, где:In figures 1 and 2 presents one of the varieties of such a gas accumulator with a multilayer shell and a metal fitting for connecting to a consumer, or for connecting to a collector that combines several of these batteries, where:

1 - внутренний герметизирующийо лейнер - газоплотная оболочка,1 - internal sealing liner - gas tight shell,

2 - силовая оболочка,2 - power shell

3 - внешняя дополнительная оболочка,3 - external additional shell,

4 - разъемно-присоединительное устройство для присоединения запорной арматуры.4 - detachable connecting device for connecting shutoff valves.

Гибкие трубчатые аккумуляторы могут иметь различную форму, например, спирали, кольца, изгибающихся профилированных цилиндров, сочетания пучка цилиндрических аккумуляторов с намотанным на них спиралевидным аккумулятором и объединенных коллектором из металла и т.п. Такие аккумуляторы, в отличие от традиционных баллонов, можно располагать в автомобиле или другом мобильном средстве в любой части их конструкции - в полостях крыши, крыльев, стоек, рамы, багажника, запасного колеса, прикрепляемому на ряде легковых автомобилей к задней двери и т.д.Flexible tubular accumulators can have various shapes, for example, spirals, rings, bending shaped cylinders, a combination of a cylindrical battery bundle with a spiral-shaped battery wound around them and combined by a metal collector, etc. Such batteries, unlike traditional cylinders, can be placed in a car or other mobile vehicle in any part of their design - in the cavities of the roof, wings, racks, frame, trunk, spare wheel, attached to a number of cars to the rear door, etc. .

Для 500 км пробега автомобиля, например, «Газели» требуется 500 м³ метана. Для хранения такого объема метана в трубчатых аккумуляторах с внутренним диаметром 25,4 мм в случае размещения их на/в крыше с использованием площади 4 м² потребуется увеличение высоты крыши на 12 см.For 500 km of a vehicle, for example, Gazelles, 500 m ^{3 of} methane is required. For the storage of such a volume of methane in tubular batteries with an inner diameter of 25.4 mm in the case of placing them on / in the roof using area 4 m ² would require increasing the height of the roof 12 cm.

При хранении метана при давлении 600 атм„ когда плотность этого газа равна 295,7 г/л, в 60 мм трубчатых аккумуляторах для хранения 500 м³ потребуется 43,15 метра аккумулятора, которые не сложно разместить, например, в автомобиле. При этом 43,15 м аккумулятора размещаются в различных полостях автомобиля и объединяются с помощью коллектора или коллекторов.When storing methane at a pressure of 600 bar, when the density of this gas is 295.7 g / l, in 60 mm tubular batteries for storage of 500 m ^3, 43.15 meters of battery will be needed, which are not difficult to place, for example, in a car. At the same time, 43.15 m of battery are located in various cavities of the car and are combined using a collector or collectors.

В случае хранения водорода при этом же давлении 600 атм, когда плотность водорода равна 35,44 г/л для хранения 5 кг водорода, которого достаточно для 500 км пробега автомобиля с топливными элементами, потребуется 50,4 метра такого аккумулятора (с внутренним диаметром 60 мм).In the case of storing hydrogen at the same pressure of 600 atm, when the hydrogen density is 35.44 g / l for storing 5 kg of hydrogen, which is enough for 500 km of a vehicle with fuel cells, it will take 50.4 meters of such a battery (with an inner diameter of 60 mm).

Давление 600 атм не является предельным, возможно создание таких аккумуляторов с большим давлением. Плотность при этом газа возрастает и длина (объем) аккумулятора уменьшается. Так, например, при давлении 800 атм плотность водорода равна 43,1 г/л и тогда длина аккумулятора снизится с 50,4 до 41,6 метров.The pressure of 600 atm is not extreme, it is possible to create such batteries with high pressure. The density of the gas increases and the length (volume) of the battery decreases. So, for example, at a pressure of 800 atm, the density of hydrogen is 43.1 g / l and then the battery length will decrease from 50.4 to 41.6 meters.

Claims

1. A gas storage battery, consisting of an internal sealing liner, a power shell and means for connecting shut-off valves, characterized in that the liner and power shell are made in the form of an extended flexible cylinder — a pipeline whose length L is much greater than its diameter d, at least at least one of the ends of which has means for connecting the shutoff valves.

2. The battery according to claim 1, characterized in that it contains an external additional shell.