Адсорбційний акумулятор природного газу

Адсорбційний акумулятор природного газу, який містить окремі секції, що наповнені адсорбційним матеріалом, виконаним з базальтового волокна, активованим матеріалом, який містить вуглець, а також електронагрівники, керування нагрівом яких здійснюється з одного джерела за допомогою регулятора напруги з датчиком температури і тиску газу в акумуляторі, який відрізняється тим, що волокна адсорбційного матеріалу зібрані в джгути, всередині яких розташовані електронагрівальні елементи, які мають нагріватися від електронагрівника, адсорбційний матеріал кожної секції ущільнений пресуванням, а температурний діапазон нагріву адсорбційного матеріалу перевищує 100 ºС. Винахід, що пропонується, відноситься до областей техніки, що пов'язані з використанням твердих адсорбційних матеріалів, зокрема до автомобілебудування. В теперішній час відома значна кількість різноманітних конструкцій ємностей для зберігання газу метан, який використовується в якості палива для двигунів вн утрішнього згоряння. В основному вони уявляють собою товстостінні, масивні газові балони високого тиску (250 атм). В патенті US №6659303 описана конструкція ємності для газу, яка має секційну структур у. Крім того, в патентах US №5647503 та US №5462193 розглянуті тонкостінні конструкції з різноманітними елементами для зміцнення, наприклад, еластичними нерухомими або елементами, розташованими на поверхні ємності (патент US №4050605). Розроблений та створений паливний бак з безліччю трубок, які розташовані по всій нижній та бокових поверхнях багажного відділення автомобіля (патент US №5310080). Усі описані вище те хнічні пропозиції спрямовані на рішення двох основних завдань: - зменшення маси паливного бака з забезпеченням його достатньої надійності та ємності; - заміна традиційних товстостінних та важких газових балонів, які не уписуються в конструкцію автомобілів, особливо легкових. Але всі ви щезгадані технічні рішення для накопичення достатньої кількості газового палива (метан) припускають заправку газом при високому (250 атм) тиску. Враховуючи, що заповнення балона газом можливе лише на (60-70)% від об'єма самої паливної ємності (визначним це як коефіцієнт заповнення К=0,8 1/атм), об'єм газу, який можливо закачати в паливну ємність, буде приблизно дорівнювати : Vгаза =Vбалона×К×250атм=200Vбалона Тобто при стандартному об'ємі балона (40 60)літрів в нього можна закачати ~ (8000-12000) літрів газу і це забезпечить рух, наприклад легкового автомобіля, на відстань не більш, як (300 350)км. Але, не дивлячись на певні переваги використання газу метан, а саме висока екологічність та (19) UA (11) 85773 (13) (21) a200707584 (22) 05.07.2007 (24) 25.02.2009 (46) 25.02.2009, Бюл.№ 4, 2009 р. (72) РОДІОНОВ ВАЛЕРІЙ ЄВГЕНОВИЧ, UA, ЖДАНКІН АНАТОЛІЙ ПАВЛОВИЧ, U A, ДРЮКОВА КАТЕРИНА ЮРІЇВН А, U A, КАСПЕРОВ ОЛЕКСІЙ ПЕТРОВИЧ, UA, ШВЕД НАТАЛІЯ ЮРІЇВНА, UA, СУХІН ЄВГЕН ІЛЛІЧ, U A, НЕМЧИН ОЛЕКС АНДР ФЕДОРОВИЧ, U A (73) ТОВАРИСТВО З ОБМЕЖЕНОЮ ВІДПОВІДАЛЬНІСТЮ "УКРАЇНСЬКИЙ ЦЕНТР ІННОВАЦІЙ ТА ТЕХНОЛОГІЙ", U A (56) UA 13180 U, 15.03.2006 US 2004089151 A1, 13.05.2004 US 6659303 B2, 09.12.2003 US 2003033930 A1, 20.02.2003 WO 0053971 A1, 14.09.2000 US 6019823, 01.02.2000 C2 1 3 85773 4 низька вартість палива, маються і суттєві недоліки. гранулами (Æ=1-3мм) більш тонким вугільним поДо недоліків можна віднести: рошком (Æ=100-300мкм). вірогідність вибухонебезпеки у зв'язку з тим, Така конструкція дозволяє при об'ємі паливної що газ знаходиться під високим тиском і любий ємності, наприклад 100л, розмістити в ній 100дм 3 його витік або іскра може призвести до вибуху; адсорбційного матеріалу. При цьому за рахунок значна вага газових ємностей і, відповідно, їх великих пор близько 30% (або~30л) адсорбційного висока коштовність; матеріалу залишається не зайнятим адсорбентом. необхідність створення великої мережі газових Це дозволяє при закачуванні газу під тиском від 40 заправок у зв'язку з тим, що автомобілі змушені до 200атм одержувати об'єми газу, які закачуютьчасто заправлятися газом. Це тягне за собою не ся в ємність, згідно наступних розрахунків. тільки витрати на будування мережі заправок, а При К»1,0 також витрати на мережу магістральних газових Vадс орбент а=Vбалона трубопроводів. Ρ=40атм Vгаза=Vбалона×30%×40атм×К+150Vадсорб = В останній час ведуться роботи по створенню =162Vбалона паливних ємностей, заповнених адсорбентом. ВіΡ=100атм Vгаза=Vбалона×30%×100атм×К+ домо, що активоване деревне вугілля адсорбує +220Vадсорб =250Vбалона об'єм газу, який перевищує об'єм самого адсорбеΡ=250атм Vгаза=Vбалона×30%×250атм×К+ нту в 25 разів. При цьому незаповненим залиша+150Vадсорб =350Vбалона ється до 40% загального об'єму адсорбента. ТаТакі результати досить прогресивні, тому щоким чином, якщо паливну ємність заповнити при високому тиску (100-250)атм перевищують адсорбентом, наприклад вугіллям, то об'єм газу в об'єм газу при аналогічному тиску, який закачуєтьємності буде дорівнювати при тиску 250атм ся у порожню паливну ємність, а при тиску десь Vгаза = 250×К×Vбалона×40%+ 40атм перевищують об'єм газу, який закачується, +Vадс орб ×25 =80×Vбалона+25×Vбалона=105×Vбалона в декілька разів. Де Vбалона~Vадсорбента Але навіть таке рішення має свої недоліки. К=0,8 - коефіцієнт заповнення паливної ємнос1. Необхідність заправки паливних ємностей ті газом, який пов'язаний з температурою нагрігазом під високим тиском (250атм), що потребує вання газа при його закачуванні в балон під тисспеціальних автозаправних станцій. ком. 2. Необхідність використання товстостінних і,. Таким чином, розрахунок показує, що застосувідповідно, важких балонів. вання паливних ємностей з газом при високому 3. Висока вибухонебезпека. тиску та використання адсорбенту з деревного 4. Завдяки недосконалості системи реадсорбвугілля не призводить до позитивного результату. ції не менш як десять об'ємів адсорбованого газу В патентах US 6019823 та US 6660063 в палине видобувається з балона, що зменшує його ковних ємностях використовувались адсорбенти, рисну ємність. причому в другому випадку на активованому вугі5. Ускладнення конструкції балона за рахунок льному порошку був одержаний коефіцієнт адсорвведення теплових труб та системи їх підігріву. бції, рівний 50 (коефіцієнт адсорбції це є відноВ якості прототипу нами було обрано Патент шення адсорбованого газу до об'єму адсорбента). України №13180 «Газовий адсорбційний акумуляЗ приватних відомостей на рекламних сайтах тор», в якому завдяки використанню сучасного фірми "Angstore", a також з публікацій Міжнародної адсорбційного матеріалу та автоматизації керуконференції по адсорбції, яка відбувалась у Мінсьвання параметрів акумулятора, забезпечується ку у 2000 році, відоме технічне рішення, описане в оптимальна робота автомобільного двигуна, тобто статті "A new method of metane storage and transпідвищується ефективність використання газу, а portation " авторів Л.Л. Васильєв та інші. також збільшується об'єм газу, який можливо раКонструкція такого технічного рішення предзово закачати в ємність акумулятора, і за рахунок ставлена на Фіг.1,2 і призначена для акумулюванвсього цього збільшується відстань, що пройде ня газу метан під тиском 250атм. На Фіг.1 в переріавтомобіль на його одноразовій заправці газом. зі видно конструкцію акумулятора газу, що Технічне рішення складається в наступному. В складається з багатьох секцій, що мають товстоадсорбційному акумуляторі природного газу, який стінну структур у (1а), в яких розміщені спресовані містить окремі секції з адсорбційним елементом, адсорбційні елементи (3) з вугілля кокосових волощо розміщені в загальному зовнішньому корпусі, кон, які в свою чергу розміщені в легкі сітчасті корта нагрівальні елементи, згідно винаходу в якості пуси (2). адсорбента використовується базальтове волокНа Фіг.2 представлена таж сама конструкція, но, активоване матеріалом, що містить вуглець, а але ускладнена додатковим загальним корпусом нагрівальні елементи виконані з електронагріва(1b) з проміжком (4) між корпусами та елементами льного матеріалу і розміщені в кожному адсорбпідігріву у вигляді теплових тр уб (5), які забезпеційному елементі,, причому керування їх нагрівом чують регулюєму та доста тньо повну (до 10 виконується за допомогою регулятора напруги, Vбалона) реадсорбцію. пов'язаного з датчиком тиску газа в акумуляторі. Дана конструкція за рахунок достатньо товстих Для зберігання високої надійності корпуса і секціонованих корпусів надійна, а також передбаакумулятора використовується конструкція корпучає можливість регулювання реадсорбції. В якості са, яка була описана в попередньому аналозі. адсорбційного матеріалу використовується суміш Але, розміщуючи в секціях акумулятора' адсорбактивованого деревного вугілля з кокосових волоційні елементи, передбачається відмова від рідко кон у вигляді гранул з заповненням простору між розташованих теплових труб. В даному випадку 5 85773 6 використовується матеріал, який електрично на2. Крім того, як показали експериментальні вигрівається, знаходиться усередині кожного адсорпробування, використання нагрівачів при темперабційного елемента, пов'язаний з загальним живтурі нагріву 60-70°С не забезпечують повну реадленням та з датчиком надмірного тиску в ємності сорбцію газу. газу і використовується для регулювання темпераВ основу винаходу поставлено завдання ствотури, яка у будь-якому випадку не перевищує (60рення адсорбційного акумулятора природного га70)°С. Таким чином, при зниженні надмірного тисзу, в якому завдяки конструктивним змінам забезку газу до установленої критичної позначки, напечується температура нагріву адсорбційного приклад 10атм або 5атм (це значення вибирають з матеріалу вища за 100°С та завдяки цьому - більш вимог роботи двигуна), подається відповідна поповна реадсорбція газу. тужність, адсорбційний елемент нагрівається і Поставлене завдання вирішується тим, що адстимулює реадсорбцію та підвищення надмірного сорбційний аккумулятор природного газу, який тиску газ у. При досягненні максимально допустимістить окремі секції, що наповнені адсорбційним мої температури нагріву, яка обирається із міркуматеріалом виконаним з базальтового волокна, вань безпеки, подається перший сигнал про необактивуючим матеріалом, який вміщує вуглець, а хідність дозаправки, а також зниження тиску до також електронагрівачі, управління їх нагрівом позначки, що установлена як критична. Далі приздійснюється з одного джерела за допомогою рестрій передає другий сигнал про необхідність тергулятора напруги з датчиком температури і тиску мінової заправки. При цьому, коли надходить пегазу в акумуляторі, згідно винаходу, волокна адсорший' сигнал, в акумуляторі зберігається запас рбційного матеріалу зібрані в жгути, в середині газу, достатній для проходження автомобілем (50 яких розташовані електронагрівальні елементи, які 70)км, а при надходженні другого сигналу - (20мають грітися від електронагрівача, при цьому, 30)Км. адсорбційний матеріал кожної секції ущільнюється Використання в якості матеріалу адсорбційнопресуванням, а температурний діапазон нагріву го елемента базальтових волокон діаметром адсорбційного матеріалу перевищує 100°С. ~2мкм, активованих по поверхні вуглецем, наприМаючи на меті усунення недоліків які мали міклад ацетиленовою сажею, дозволяє при тиску сце в прототипі адсорбційний матеріал - базальтозаправки не більш як 40атм одержати наступні ву нитку, покриту вуглецем збирають у пучки, в параметри: середині кожного з яких розміщують нагрівальний При К»1,0 елемент (наприклад - металевий дріт), який має Vадс орбент а=Vбалона контакт з електронагрівачем кожного адсорбційного елемента, який пов'язаний в свою чергу загальΡ=40атм; Vгаза=40атм×Vбалона×30%×К+400Vадсорб = =410Vбалона ним електроживленням, датчиком температури і надлишкового тиску в адсорбційному акумуляторі. Де 40атм×Vбалона×30%×К - складова від величиВикористовуючи більшу кількість нагрівальних ни надмірного тиску у вільному об'ємі газу; елементів в об'ємі адсорбенту, одержуємо більш 400Vадсорб - адсорбційна складова. рівномірний нагрів і більш повну реадсорбцію газу. З приведених результатів випливає, що при При зниженні тиску і в момент первинного ввіоднаковому об'ємі ємності аккумулятора природмкнення сигнала про дозаправлення [див. Патент ного газу при наявності адсорбента можливо закаУкраїни “13180 – прототип”] нагрівальні елементи чати газу при тиску 40атм більше, ніж при тиску забезпечують температуру нагріву адсорбенту 250атм в прототипі. Таким чином, при тиску 40атм об'єм газу в вище 100°С (зазвичай 110-20°С); даний нагрів з акумуляторі з використанням адсорбента на 15% врахуванням незначної кількості залишкового газу більше, ніж без адсорбента при тиску 250атм. не може призвести до небезпечних наслідків, одНе дивлячись на всі позитивні результати, які нак вода, що знаходиться при цьому в газовому були отримані в технічному рішенні Патенту Украбалоні випаровується та у вигляді суміші парів їни №13180, там мають місце наступні недоліки. води та метану надходить у двигун, де спалюєть1. В природному газі, яким заправляють газося. Таким чином періодично забезпечується чивий балон, завжди знаходиться відсоток водяної щення балону від вологи. Рівень включення підпари (конденсат, або природна вода з місценаровищеної температури може бути обрано і більш дженя газу). При багаторазових заправках в газоранішній, наприклад, при падінні тиску газу внутрі вому балоні ця пара переходить у рідкий стан балону до 20-30 атмосфер. воду і скраплюється в балоні, при цьому погіршуючи характеристики адсорбенту. 7 Комп’ютерна в ерстка А. Крижанівський 85773 8 Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601