RU158382U1

RU158382U1 - DEVICE FOR GAS ACCUMULATION INSIDE PIPES

Info

Publication number: RU158382U1
Application number: RU2014124296/06U
Authority: RU
Inventors: Александр Семенович Федоров
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2015-12-27

Abstract

Устройство для аккумулирования газа внутри трубок, содержащее емкость, абсорбент в виде пакета герметизированных трубок, имеющих отверстие сбоку, вблизи конца для ввода/вывода газа, патрубки с клапанами для введения и выведения газа, а также устройство герметизации/разгерметизации данных отверстий, содержащее легкоплавкий материал и систему электрических нагревателей, расположенных на каждой трубке вблизи ее отверстия, отличающееся тем, что содержит сменную крышку.A device for accumulating gas inside the tubes, containing a container, an absorbent in the form of a package of sealed tubes having an opening on the side, near the end for gas input / output, nozzles with valves for introducing and removing gas, and a device for sealing / depressurization of these holes containing fusible material and a system of electric heaters located on each tube near its opening, characterized in that it contains a removable cover.

Description

Полезная модель относится к физико-химическим методам аккумулирования различных газов и позволяет выполнять их аккумулирование внутри полых трубок диаметром от 1 мкм до 40 мм.The utility model relates to physicochemical methods for the accumulation of various gases and allows them to be accumulated inside hollow tubes with a diameter of 1 μm to 40 mm.

Известно устройство для аккумулирования газа [Патент РФ N2228485, МПК F17C 11/00, опубл. 2004.05.10]. Данное устройство состоит из источника подачи газа, емкости для аккумулирования газа, адсорбента, заключенного в данную емкость, газообразной или жидкой среды с температурой замораживания, более высокой, чем соответствующая температура сжижения данного газа, устройства для введения данного газа и данной среды в данную емкость, устройства для выдерживания указанного содержимого данной емкости при низкой температуре, ниже соответствующей температуры сжижения данного газа, а также устройства для выдерживания указанного содержимого данной емкости при температуре более высокой, чем соответствующая температура сжижения адсорбата, но более низкой, чем соответствующая температура замораживания жидкой среды.A device for accumulating gas is known [RF Patent N2228485, IPC F17C 11/00, publ. 2004.05.10]. This device consists of a gas supply source, a gas storage container, an adsorbent enclosed in a given container, a gaseous or liquid medium with a freezing temperature higher than the corresponding liquefaction temperature of this gas, a device for introducing this gas and this medium into this container, a device for maintaining the specified contents of a given container at a low temperature below the corresponding liquefaction temperature of a given gas, and a device for maintaining the specified contents are given second vessel at a temperature higher than the liquefaction temperature of the respective adsorbate, but lower than the corresponding temperature of the freezing fluid.

В указанной выше установке для аккумулирования газа используется 3х стадийный процесс. На первой стадии аккумулируемый газ вводится в адсорбент при температуре ниже температуры сжижения данного адсорбируемого газа, т.е. газ адсорбируется в сжиженном состоянии. На второй стадии в адсорбент вводится промежуточная жидкая или газообразная среда с температурой замораживания более высокой, чем температура сжижения аккумулированного газа. При этом адсорбированный в сжиженном состоянии газ инкапсулируется данной замороженной средой. На третьей стадии температура системы повышается до нормальных значений, при которой адсорбированный газ переходит в газообразное, но инкапсулированное в промежуточной среде состояние.In the above installation, a 3-step process is used for gas storage. In the first stage, the accumulated gas is introduced into the adsorbent at a temperature below the liquefaction temperature of the adsorbed gas, i.e. gas is adsorbed in a liquefied state. At the second stage, an intermediate liquid or gaseous medium with a freezing temperature higher than the liquefaction temperature of the accumulated gas is introduced into the adsorbent. In this case, the gas adsorbed in a liquefied state is encapsulated by this frozen medium. In the third stage, the temperature of the system rises to normal values, at which the adsorbed gas passes into a gaseous, but encapsulated in an intermediate medium state.

Недостатки этого технического решения заключаются в:The disadvantages of this technical solution are:

- необходимости использования очень низких температур (в случае адсорбции водорода - -253°C), что значительно увеличивает энергопотребление процесса и существенно удорожает процесс хранения;- the need to use very low temperatures (in the case of hydrogen adsorption -253 ° C), which significantly increases the energy consumption of the process and significantly increases the cost of the storage process;

- и необходимости использования дополнительного бака для хранения вещества с повышенной температурой замерзания.- and the need to use an additional tank for storing a substance with a high freezing temperature.

Известна установка для аккумулирования газа [Патент РФ N2327078, МПК F17C 11/00, опубл. 27.12.2007]. Данная установка для аккумулирования газа содержит емкость для хранения водорода, состоящая из герметичного корпуса, технологических патрубков и размещенных в корпусе пучка полых капилляров, открытые концы которых выведены в коллектор подачи-выпуска водорода, и нагревателя, расположенного в коллекторе, при этом открытые концы капилляров, расположенные в коллекторе, выполнены сужающимися, свободное пространство коллектора до нагревателя заполнено герметизирующим материалом с высокой проницаемостью для водорода или с более низкой температурой плавления или с температурой деструкции, чем температура плавления материала капилляров.A known installation for the accumulation of gas [RF Patent N2327078, IPC F17C 11/00, publ. 12/27/2007]. This gas storage unit contains a hydrogen storage tank consisting of a sealed housing, process pipes and hollow capillaries located in the beam housing, the open ends of which are brought into the hydrogen supply and exhaust manifold, and a heater located in the collector, while the open ends of the capillaries, located in the collector, made tapering, the free space of the collector to the heater is filled with a sealing material with high permeability to hydrogen or with a lower temperature perature melting or decomposition temperature than the melting temperature of the material of the capillaries.

Недостатки установки заключаются в необходимости заполнения герметизирующим материалом всей области коллектора, что утяжеляет конструкцию и вызывает сложности с локализацией нагрева материала вблизи только одного из капилляров при необходимости извлечения газа только из данного капилляра. Другим недостатком является большая площадь контакта герметизирующего материала с сужающимися концами капилляров. При заполнении капилляра газом при высоком давлении Р0 и нагревании герметизирующего материала выше температуры Т0=100-250°, при которой начинается плавление или эффективная диффузия водорода сквозь материал, весь капилляр будет прогреваться до этой температуры, что будет увеличивать температуру газа в капилляре. При последующем охлаждении капилляров до нормальной температуры Т_хр - температуры хранения газа, рабочее давление газа в капиллярах упадет до величины Р=Р0*Т_хр/Т₀, что существенно уменьшит эффективную абсорбционную емкость данного устройства (в 1.5-2 раза).The disadvantages of the installation are the need to fill the entire collector area with sealing material, which complicates the design and makes it difficult to localize heating of the material near only one of the capillaries if it is necessary to extract gas only from this capillary. Another disadvantage is the large contact area of the sealing material with the tapered ends of the capillaries. When filling the capillary with gas at high pressure P0 and heating the sealing material above a temperature T0 = 100-250 °, at which melting or effective diffusion of hydrogen through the material begins, the entire capillary will be heated to this temperature, which will increase the temperature of the gas in the capillary. Upon subsequent cooling of the capillaries to a normal temperature T _xp — the gas storage temperature, the working pressure of the gas in the capillaries will drop to a value of P = P0 * T _xp / T ₀ , which will significantly reduce the effective absorption capacity of this device (1.5-2 times).

Известно устройство для аккумулирования газов внутри узких трубок [RU 2012114386, МПК F17C 11/00, F17C 11/06, опубл. 20.10.2013 г. (прототип)], содержащее емкость, абсорбент и патрубки с клапанами для введения и выведения газа и нагреватель, при этом в качестве абсорбента используется пакет герметизированных узких трубок, имеющих отверстие сбоку вблизи конца для ввода/вывода газа, а также устройство герметизации/разгерметизации данных отверстий, содержащее легкоплавкий материал и систему электрических нагревателей, расположенных на каждой трубке вблизи ее отверстия.A device for the accumulation of gases inside narrow tubes [RU 2012114386, IPC F17C 11/00, F17C 11/06, publ. October 20, 2013 (prototype)], containing a container, absorbent and nozzles with valves for introducing and removing gas and a heater, while the package of sealed narrow tubes having an opening on the side near the end for gas input / output is used as absorbent, and a device for sealing / depressurization of these holes, containing fusible material and a system of electric heaters located on each tube near its opening.

Недостаток данного устройства заключается в необходимости расположения специальной ванны для расплавления легкоплавкого металла в едином корпусе устройства, что значительно утяжеляет конструкцию.The disadvantage of this device is the need for a special bath for melting low-melting metal in a single device, which greatly complicates the design.

Технический результат полезной модели заключается в упрощении процесса абсорбирования газа без использования низких температур.The technical result of the utility model is to simplify the process of gas absorption without using low temperatures.

На Фиг. представлена конструкция установки для аккумулирования газа.In FIG. The design of a gas storage unit is presented.

ПРИМЕР:EXAMPLE:

Устройство для аккумулирования газа состоит из объединенной емкости 1, состоящей из двух частей (I+II), которая рассчитана с целью безопасности на относительно небольшое рабочее избыточное давление Р_изб (1-20 бар) аккумулируемого газа внутри. Аккумулируемыми газами могут быть различные газы, например - водород, азот, гелий, углекислый газ, кислород, а также их смеси. Главным требованием, которому должен удовлетворять газ, является отсутствие химических взаимодействий между газом и материалом трубок, а также легкоплавким материалом (металлом или материалом на основе углеводородов с небольшой температурой расплавления) при нагревании его до температуры плавления. На стадии аккумулирования газ подается внутрь емкости через впускной патрубок 2, снабженный входным вентилем 2а и впускным клапаном 2б. На стадии расходования газ отбирается из емкости через выпускной патрубок 3, снабженный электрически управляемым выходным вентилем 3а, и выпускным клапаном 3б, рассчитанным на давление срабатывания Р_изб. Внутри верхней части емкости I, вдоль всей длины, располагается пакет из большого числа одинаковых трубок 4 с диаметром D=2-4 мм, замкнутых с обоих торцов. При этом трубки имеют отверстие 4а сбоку на одном конце, предназначенном для ввода/вывода газа. При абсорбировании водорода в качестве материала трубок может использоваться аустенитная нержавеющея сталь или другой материал, совместимый с водородом в условиях высокого давления. При абсорбировании других газов может использоваться легированная сталь обычных марок. Трубки фиксируются и отделяются друг от друга тонкими тефлоновыми кольцами толщиной ~1 мм, надетыми на трубки. Все трубки имеют стенки с толщиной 1 мм, обеспечивающей возможность хранения внутри газа с рабочим давлением 800 бар. Ввод/вывод газа обеспечивается образованием или расплавлением легкоплавких металлических пробок, образующихся в концевой части каждой трубки со стороны отверстия 4а. Данные легкоплавкие пробки состоят из легкоплавкого сплава на основе свинца, висмута, олова, индия, цинка и других металлов. При этом пробки образуются путем затекания расплавленного металла в трубки сквозь отверстие 4а в конце стадии абсорбирования газа и дальнейшего естественного охлаждения. Для расплавления пробок путем локального индивидуального нагрева концов трубок на их концах закреплены индивидуальные электрические нагреватели 5, состоящие из нихромовой спирали, отделенной от материала трубки тонкой слюдяной прокладкой. Каждый нагреватель проводами соединен с электронным блоком 6, позволяющим в нужный момент выполнять нагрев конца каждой трубки. Данный блок также соединен с датчиком давления газа 7 внутри емкости и вентилем 3а. Блок позволяет при заборе газа из емкости через периодически открываемый вентиль 3а и детектировании снижения давления газа в емкости с помощью датчика поочередно включать нагрев конца каждой трубки, содержащей газ под высоким давлением.The device for gas storage consists of a combined tank 1, consisting of two parts (I + II), which is designed with a view to safety at a relatively small working overpressure P _huts (1-20 bar) of the accumulated gas inside. The accumulated gases can be various gases, for example, hydrogen, nitrogen, helium, carbon dioxide, oxygen, and also mixtures thereof. The main requirement that the gas must satisfy is the absence of chemical interactions between the gas and the tube material, as well as a low-melting material (metal or hydrocarbon-based material with a low melting point) when it is heated to its melting temperature. At the stage of accumulation of gas is supplied into the tank through the inlet pipe 2, equipped with an inlet valve 2A and an inlet valve 2b. At the stage of consumption, gas is taken from the tank through the exhaust pipe 3, equipped with an electrically controlled outlet valve 3A, and an exhaust valve 3b, designed for the pressure of operation R _huts . Inside the upper part of the tank I, along the entire length, there is a packet of a large number of identical tubes 4 with a diameter of D = 2-4 mm, closed at both ends. In this case, the tubes have an opening 4a on the side at one end, intended for gas inlet / outlet. In the absorption of hydrogen, austenitic stainless steel or other material compatible with hydrogen under high pressure conditions may be used as the tube material. When absorbing other gases, alloyed steel of conventional grades can be used. The tubes are fixed and separated from each other by thin Teflon rings ~ 1 mm thick, worn on the tubes. All tubes have walls with a thickness of 1 mm, which makes it possible to store gas inside with a working pressure of 800 bar. The gas inlet / outlet is provided by the formation or melting of fusible metal plugs formed in the end part of each tube from the side of the hole 4a. These fusible plugs consist of a fusible alloy based on lead, bismuth, tin, indium, zinc and other metals. In this case, plugs are formed by flowing molten metal into the tubes through the hole 4a at the end of the stage of gas absorption and further natural cooling. To melt the plugs by local individual heating of the ends of the tubes, individual electric heaters 5 are fixed at their ends, consisting of a nichrome spiral, separated from the tube material by a thin mica pad. Each heater is connected by wires to an electronic unit 6, which allows heating the end of each tube at the right time. This unit is also connected to a gas pressure sensor 7 inside the tank and valve 3a. The unit allows, when taking gas from the tank through the periodically opened valve 3a and detecting a decrease in gas pressure in the tank using the sensor, the heating of the end of each tube containing gas under high pressure be switched on in turn.

С целью улучшения весовых характеристик устройства ниже пакета из трубок верхняя часть емкости I герметично закрывается сменной крышкой 11 на этапе хранения или отбора газа. На первом этапе заполнения емкости газом на специальной станции заправки данная сменная крышка временно удаляется, а к верхней части емкости I присоединяется дополнительная нижняя часть II, служащая для создания легкоплавких пробок в концах трубок. Данная нижняя часть II содержит специальную ванну 10, перемещающуюся по высоте с помощью электрического привода 9а, в которой легкоплавкий металл может быть расплавлен с помощью электрического нагревателя 9.In order to improve the weight characteristics of the device below the tube package, the upper part of the container I is hermetically closed by a removable lid 11 at the stage of gas storage or extraction. At the first stage of filling the tank with gas at a special filling station, this replaceable cover is temporarily removed, and an additional lower part II is attached to the upper part of the tank I, which serves to create fusible plugs at the ends of the tubes. This lower part II contains a special bath 10 that moves in height using an electric drive 9a, in which the low-melting metal can be melted using an electric heater 9.

Работает установка в три стадии, следующим образом:The installation works in three stages, as follows:

На первой стадии (заполнения) устройство в виде верхней части I емкости, герметично закрытой сменной крышкой 11, с низким давлением газа внутри и с открытыми концами трубок отправляется на станцию заправки, где оно с помощью механизма шлюзования помещается в камеру наполнения с высоким давлением газа (например - водорода) ~400-800 бар. При этом входной вентиль 2а открывается, а внешние контакты 8 электронного блока 6 соединяются с внешней схемой управления. После выравнивания давления газа внутри и снаружи емкости сменная крышка 11 удаляется, а к верхней части I емкости присоединяется дополнительная нижняя часть II, содержащая ванну 10, в которой находится расплавленный с помощью электрического нагревателя 9 легкоплавкий металл. Ванна перемещается вверх с помощью электрического привода 9а до тех пор, пока нижние концы трубок с отверстиями не закроются расплавленным металлом. Далее давление газа в камере наполнения и емкости слегка повышается, приводя к частичному заполнению жидким металлом концов трубок через отверстия. После этого ванна 10 с помощью электрического привода 9а опять опускается в исходное положение. Жидкий металл остается в концах трубок за счет избыточного давления газа и после естественного остывания металла в концах трубок все трубки оказываются запертыми легкоплавкими пробками, содержащими газ внутри под рабочим давлением ~400-800 бар.At the first stage (filling), the device in the form of the upper part of I container, hermetically sealed with a replaceable cap 11, with a low gas pressure inside and with open ends of the tubes is sent to the filling station, where it is placed using the lock mechanism in the filling chamber with a high gas pressure ( for example, hydrogen) ~ 400-800 bar. In this case, the inlet valve 2a opens, and the external contacts 8 of the electronic unit 6 are connected to an external control circuit. After equalizing the gas pressure inside and outside the tank, the replaceable lid 11 is removed, and an additional lower part II is attached to the upper part I of the tank, containing a bath 10 in which the low-melting metal melted by means of an electric heater 9 is located. The bath moves upward with an electric actuator 9a until the lower ends of the tubes with holes are closed by molten metal. Further, the gas pressure in the filling chamber and capacity slightly increases, leading to partial filling of the ends of the tubes with liquid metal through the holes. After that, the bath 10 with the help of an electric actuator 9a is again lowered to its original position. Liquid metal remains at the ends of the tubes due to excess gas pressure, and after naturally cooling the metal at the ends of the tubes, all the tubes turn out to be locked fusible plugs containing gas inside at a working pressure of ~ 400-800 bar.

На второй стадии верхняя часть емкости I снизу опять герметично закрывается сменной крышкой 11 и с помощью механизма шлюзования вынимается из камеры наполнения. При этом по мере уменьшения давления в шлюзе выпускной клапан 3б стравливает лишнее давление газа из емкости, поддерживая давление внутри емкости на уровне Р_изб. Входной вентиль устройства закрывается. Этап зарядки устройства закончен и далее устройство позволяет хранить газ неограниченно долго.In the second stage, the upper part of the container I from below is again hermetically closed by a removable lid 11 and is removed from the filling chamber using the locking mechanism. Moreover, as the pressure in the gateway decreases, the exhaust valve 3b relieves excess gas pressure from the tank, maintaining the pressure inside the tank at the level of P _h . The inlet valve of the device closes. The charging stage of the device is completed and then the device allows you to store gas for an unlimited time.

На третьей стадии (использования) устройство, содержащее газ в трубках в загерметизированной крышкой 11 верхней части I под рабочим давлением используется для постепенного извлечения газа. Для этого электронный блок выдает по заданной программе команды на электрический нагреватель 5 одной из трубок 4. Конец данной трубки нагревается, легкоплавкая пробка в ней расплавляется, и под действием высокого давления газа внутри материал пробки истекает через отверстие 4а наружу вместе с газом. Легкоплавкий металл собирается на сменной крышке и затвердевает.Ввиду малого объема трубки давление газа внутри емкости 1 повышается незначительно, что способствует безопасной работе устройства. Далее, по мере необходимости газ подается наружу через выпускной вентиль 3а, открываемый с помощью подаваемых электрических импульсов открытия. По мере расходования газа в емкости процесс выпуска газа из трубок повторяется.In the third stage (use), a device containing gas in the tubes in the sealed cap 11 of the upper part I under operating pressure is used for the gradual extraction of gas. For this, the electronic unit gives commands to the electric heater 5 of one of the tubes 4 according to a predetermined program. The end of this tube heats up, the fusible plug in it melts, and under the action of high gas pressure inside the tube material flows out through the opening 4a with the gas. Fusible metal is collected on a removable lid and hardens. Due to the small volume of the tube, the gas pressure inside the tank 1 increases slightly, which contributes to the safe operation of the device. Further, as necessary, gas is supplied outward through the outlet valve 3a, which is opened by means of supplied electrical opening pulses. As the gas is consumed in the tank, the process of discharging gas from the tubes is repeated.

К преимуществам данного устройства относятся:The advantages of this device include:

- высокая степень абсорбции газа;- high degree of gas absorption;

- высокая безопасность хранения газа, так как использование узких трубок, ввиду их малого диаметра, не приводит к разрушению емкости и значительному повышению газа в нем при взрывном раскрытии одной или нескольких трубок.- high safety of gas storage, since the use of narrow tubes, due to their small diameter, does not lead to the destruction of the tank and a significant increase in gas in it during the explosive opening of one or more tubes.

- отсутствие необходимости использования низких температур;- no need to use low temperatures;

- возможность абсорбирования различных газов или их смесей, с различными физико-химическими свойствами.- the ability to absorb various gases or mixtures thereof, with different physico-chemical properties.

Claims

A device for accumulating gas inside the tubes, containing a container, an absorbent in the form of a package of sealed tubes having an opening on the side, near the end for gas input / output, nozzles with valves for introducing and removing gas, and a device for sealing / depressurization of these holes containing fusible material and a system of electric heaters located on each tube near its opening, characterized in that it contains a removable cover.