криогенный бак для транспортного средства

Формула изобретения

1. Криогенный бак для транспортного средства, преимущественно для автотранспорта, работающего на сжиженном природном газе, включающий емкость для заполнения криогенным топливом, в частности сжиженным природным газом, размещенную внутри тепловой изоляции и имеющую трубопроводы для заправки жидким криогенным топливом и для выдачи газообразного топлива, отличающийся тем, что емкость выполнена из условия прочности стенки на давление до критического давления криогенного топлива.

2. Криогенный бак по п.1, отличающийся тем, что тепловая изоляция выполнена из твердого пенопласта, например из пенополиуретана.

3. Криогенный бак по п.1 или 2, отличающийся тем, что емкость выполнена из двух и более емкостей-модулей меньшего диаметра, соединенных между собой коллекторами жидкого и газообразного метана, суммарный объем которых равен объему криогенного бака.

4. Криогенный бак по п.3, отличающийся тем, что емкости-модули выполнены в виде труб, торцы которых обжаты и заварены по обжатой кромке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к топливным бакам и может быть использовано в транспортной технике, в частности, для комплектации автомобилей, применяющих в качестве моторного топлива сжиженный природный газ (СПГ).

Известны преимущества природного газа (метана) на транспорте в сравнении с традиционными видами топлива (бензин, дизельное топливо), основные из которых - минимальное количество вредных выбросов и безопасность.

В описанных топливных системах используется компримированный (сжатый) природный газ, а в качестве топливного бака для транспортных средств используются баллоны высокого давления, в том числе из композитных материалов [1, 2]. К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании таких топливных баков, относится то, что они обладают низкой удельной относительной массой топлива по отношению к массе материала самого топливного бака (толстостенного баллона высокого давления - 150...200 атм, со сжатым метаном). Это обстоятельство значительно снижает потребительские качества транспортных средств, в частности, автомобили на компримированном природном газе имеют недостаточную дальность хода от одной заправки.

Этот недостаток частично устранен при использовании в качестве моторного топлива сжиженного природного газа (СПГ).

Использование СПГ существенно, в 1,5-3,5 раз увеличивает дальность пробега автомобиля при одинаковой емкости топливных баков [3, 4].

Известно, что криогенные баки для СПГ имеют внутренний и наружный сосуды, пространство между которыми заполнено экранно-вакуумной суперизоляцией [5]. Такой криогенный бак для СПГ по совокупности признаков - наличие емкости для заполнения криогенным топливом и теплоизоляции является наиболее близким устройством того же назначения и принят за прототип. Во внутренний сосуд такого криогенного бака заливается СПГ, который хранится в баке при низком давлении - рабочее давление в криогенном баке обычно не превышает 5 атм.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже результата при использовании известного устройства, относится следующее:

- несмотря на лучшие теплоизоляционные свойства суперизоляции и связанную с этим низкую испаряемость криогенного топлива, при длительной стоянке транспорта происходит его полное испарение, т.е. почти полная потеря топлива, а запас остаточного газа в баке при низком давлении практического значения не имеет ввиду его чрезвычайно малого количества, поэтому пробег автомобиля после длительной стоянки составляет не более 1,5-3 км, что чаще всего недостаточно для того, чтобы доехать до ближайшей заправки.

- кроме того, криогенные топливные баки с экранно-вакуумной суперизоляцией сложны в изготовлении и поэтому весьма дороги, их стоимость доходит до 30% стоимости транспортного средства [5], а теплоизоляция с использованием глубокого вакуума имеет известный существенный недостаток - с течением времени происходит потеря вакуума и ухудшение теплоизоляционных свойств.

Все эти вышеперечисленные причины являются основными причинами, сдерживающими широкое внедрение СПГ как транспортного топлива, несмотря на его значительные преимущества. К недостатку следует отнести и то обстоятельство, что известные криогенные баки в традиционном исполнении выполнены в виде двух емкостей, встроенных одна в другую, между которыми размещается теплоизоляция. В результате такой конструкции баки имеют большие габаритные размеры по высоте, что усложняет монтаж криогенного бака на транспортном средстве, а в ряде случае делает это невозможным.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в значительном, в 4-5 раз увеличении пробега транспортного средства после сколь угодно длительного хранения криогенного топлива и полном его испарении. Кроме того, решается задача удобства размещения криогенного бака под удобное для компоновки транспортного средства место.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном криогенном баке для транспортного средства, преимущественно для автотранспорта, работающего на сжиженном природном газе, включающем наружный кожух и внутреннюю емкость для заполнения криогенным топливом, в частности, сжиженным природным газом, размещенную внутри тепловой изоляции и имеющей трубопроводы для заправки жидким криогенным топливом и для выдачи газообразного топлива, особенность заключается в том, что внутренняя емкость выполнена из условия обеспечения прочности стенки при рабочем давлении не менее чем до критического давления криогенного топлива. Для метана это давление составляет Р_кр=46,41 бар.

Кроме того, тепловая изоляция выполнена из твердого пенопласта, например, из пенополиуретана, наружная поверхность которой не имеет кожуха.

Кроме того, внутренняя емкость выполнена из двух и более емкостей-модулей меньшего диаметра, суммарный объем которых равен требуемому объему криогенного бака.

Кроме того, емкости-модули выполнены в виде труб, торцы которых обжаты и заварены по обжатой кромке.

При исследовании отличительных признаков описываемого криогенного бака не выявлено каких-либо аналогичных известных решений, касающихся использования криогенного бака для транспортного средства с выполнением толщины стенки внутренней емкости из условия обеспечения ее прочности при рабочем давлении не менее чем до критического давления криогенного топлива, что обеспечило бы значительное увеличение пробега транспортного средства после сколь угодно длительного хранения криогенного топлива.

Такое решение в сравнении с прототипом обеспечивает значительное увеличение количества топлива в газообразном состоянии даже после полного испарения СПГ в криогенном баке при длительной стоянке транспортного средства, а следовательно, обеспечивает и длительный его пробег после стоянки. Так, по расчетам, пробег автомобиля с баком такой конструкции увеличивается после сколь угодно долгой стоянки по меньшей мере в 4-5 раз. Например, запас оставшегося газа после полного испарения в баке прототипа автомобиля "Газель" [5] объемом 90 л при рабочем давлении 5 бар составляет: (905)-(901,5)=315 л, или 0,3 м³, где 1,5 бар - минимальное остаточное давление в баке, которое нельзя использовать.

В предлагаемом баке запас оставшегося газа после полного испарения СПГ составляет: (9046,41)-(901,5)=4041 л 4 м³, т.е. почти в 13 раз больше.

На фиг.1 представлены расчетные графические зависимости запаса хода автомобиля "Газель" на остаточном газе при полном испарении СПГ при температуре окружающей среды Т_о.с=300 К(+27С) и средней скорости передвижения 60 км/ч для различной температуры газа внутри криогенного бака T₁, T₂ и Т₃, где T₁ - температура насыщенного пара; T₂ - температура 240 К; Т₃ - температура 300 К.

Кроме того, известно [6], что с повышением давления во внутреннем сосуде криогенного бака существенно снижается его испаряемость ввиду того, что теплоприток Q к криогенной жидкости в баке через изоляцию прямо пропорционален разности температур T между температурой окружающей среды Т_о.с и температурой жидкости в холодной полости Т_ж, т.е. Q=f(T), где T=Т_о.с-Т_ж.

Поскольку Т в предлагаемом решении значительно ниже, чем в прототипе (так как метан хранится в жидком виде вплоть до критической температуры Т_кр=190,55 К, соответствующей критическому давлению, равному 46,41 бар), то очевидно, что время бездренажного хранения СПГ в предлагаемом криогенном баке будет значительно выше.

На фиг.2 приведены расчетные кривые зависимости времени бездренажного хранения СПГ в криогенном баке для различных температур при изменении давления в баке до критического (Р_кр).

С целью снижения стоимости криобака, учитывая, что, как указывалось выше, испаряемость предлагаемого бака становится не столь критична (т.к. автомобиль может проехать значительное расстояние на оставшемся в баке газе аналогично газобаллонному варианту (см. аналог), предлагаемый криогенный бак может и не иметь наружного металлического кожуха, а емкость с СПГ изолируется при этом от теплопритоков окружающей среды только слоем дешевого теплоизоляционного материала, например, из вспененного пенополиуретана.

По другому варианту, емкость для наполнения СПГ криогенного бака выполнена не в виде одного сосуда, а из 2-х и более емкостей меньшего диаметра, образуя пакет малых емкостей (модулей), суммарная емкость которых по СПГ равна требуемой для конкретного транспортного средства. Такое конструктивное решение криогенного бака (назовем такой бак - криобак "кассетного типа") позволит, маневрируя диаметром, длиной и количеством модулей, обеспечивать удобство компоновки бака и его размещения под любое конкретное транспортное средство, делать его максимально плоским, вытянутым в длину и т.д. и т.п.

Кроме того, переход от моноблока к баку "кассетного типа" имеет дополнительные преимущества. Во-первых, переход на модули меньшего диаметра позволяет перейти от традиционной конструкции [5] емкости для наполнения сжиженным газом, состоящей из обечайки 1 (фиг.3а) с продольным швом 2 и приваренных с двух сторон кольцевым швом 3 штампованных днищ 4 - к модулю, выполненному в виде трубы 1 (фиг.3б), концы 2 которой обжаты и заварены поперечным швом 3. Несложный расчет показывает, что при этом сокращается длина шва, а значит и снижаются затраты на электрическую сварку и рентген-контроль сварного шва, а также и затраты собственно электроэнергии при производстве сварки за счет значительно более тонкой стенки модуля.

Так, для монобака с объемом емкости 90 л диаметром 340 мм и L=1100 мм общая длина сварного шва составляет 2,9 м при сварке металла толщиной 8 мм, а суммарная длина сварного шва 90-литровой емкости из 6-ти трубчатых модулей составляет 2,46 м при сварке металла толщиной 2,5 мм.

Во-вторых, за счет сокращения лишних запасов прочности на толщине стенок кассетного бака в сравнении с моноблочным существенно снижается суммарная масса криогенного бака. Поясним это положение на примере.

Известно, что шаг изменения размеров сортамента металла (толщины листов, труб) уменьшается с уменьшением толщины. Например, по ГОСТ 9941-81 на трубы из стали 12Х18Н10Т при толщине труб от 0,6 до 3,5 мм шаг изменения толщины составляет 0,2 мм (т.е. толщина стенки равна 0,6; 0,8; 1,0 и т.д.), при толщине более 3,5 мм шаг составляет 0,5 мм (3,5; 4,0; 4,5 и т.д.). По ГОСТ 19903-74 на сталь листовую горячекатаную толщина стенки меняется через 0,1 мм - для толщины листа от 1,2 до 1,6 мм; через 0,2-0,3 мм - при толщине от 1,6 до 4 мм, при толщине от 4 до 5 мм - через 0,5 мм и т.д.

Расчетная толщина стенки для монобака (фиг.3а) по предложенному решению составляет 6,5 мм. Конструктивно принимается ближайший по сортаменту лист толщиной 8 мм, т.е. бак будет переразмерен по толщине почти на 25%. Увеличение диаметра бака с целью снижения этого "лишнего запаса" недопустимо ввиду ограничений по габаритным размерам бака.

Расчетная толщина стенки трубчатого модуля (фиг.36) составляет 2,49 мм. Ближайшая по сортаменту труба - 1302,5 - 12Х18Н10Т ГОСТ 9941-81 имеет толщину 2,5 мм. Несложные расчеты показывают, что масса криогенного бака объемом 90 л в моноблочном исполнении по предлагаемому решению (без наружного кожуха с пенопластовой изоляцией) даже с излишним запасом по толщине стенки внутренней емкости составляет 76 кг, что почти на 20% меньше аналога - 90 кг [5, 7], а масса "кассетного" исполнения бака составляет 60 кг, т.е. в полтора раза меньше прототипа.

При патентном исследовании отличительных признаков описываемого криогенного бака для транспортных средств не выявлено каких-либо аналогичных известных решений.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным, рекламным и научно-техническим источникам информации и выявление других источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружит аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства.

Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. В частности, заявленным изобретением не предусматривается следующее преобразование: создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертежах представлены:

- на фиг.4 - криогенный бак в моноблочном исполнении с экранно-вакуумной изоляцией и наружным металлическим кожухом;

- на фиг.5 - криогенный бак в моноблочном исполнении с пенопластовой (например, пенополиуретановой) теплоизоляцией и без наружного металлического кожуха;

- на фиг.6 - разрез А-А на фиг.5;

- на фиг.7 - криогенный бак "кассетного типа" с пенопластовой (например, пенополиуретановой) изоляцией;

- на фиг.8 - разрез А-А на фиг.7.

Криогенный бак 1 (фиг.4) в моноблочном исполнении состоит из внутренней емкости 2 с СПГ 3, с толщиной стенки, рассчитанной из условия рабочего давления, равному критическому давлению метана, экранно-вакуумной изоляции 4 и арматурного блока 5. Изоляция 4 размещена в полости между емкостью 2 и наружным кожухом. Арматурный блок 5 связан с емкостью 2 трубопроводом подачи газа (испарившегося метана) 6 в топливную систему транспортного средства и трубопроводом 7 заправки емкости 2 жидким метаном. Криогенный бак 1 (фиг.5) в моноблочном исполнении отличается от бака на фиг.4 отсутствием наружного металлического кожуха и пенопластовой теплоизоляцией 9 вместо экранно-вакуумной. Наружная поверхность 8 пенопластовой изоляции грунтуется и красится. Емкость 2 имеет лапы 10 (фиг.6), которыми через опоры 11 из теплоизоляционного материала и шпильки 12 бак крепится на транспортное средство. Шпильки 12 соединены с лентой 13, которая охватывает емкость, прижимая опоры 11 к лапам 10 емкости 2. Между лентой 13 и емкостью 2 установлены прокладки 14 из теплоизоляционного материала. Криогенный бак "кассетного" типа, представленный на фиг.7, состоит из набора модулей-емкостей 15, которые рассчитаны из условия рабочего давления, равного критическому давлению метана. Емкости 15 соединены между собой коллекторами жидкого 16 и газообразного 17 метана, а в один из модулей введены трубопроводы заправки 18 жидким метаном и выдачи газа 19, связанные с арматурным блоком 20. Модули размещены в теплоизоляции 21, например, на основе заливки пенополиуретаном с образованием собственно криогенного бака. Бак имеет шпильки 22 для его крепления на транспортном средстве. Модули изготовлены из труб, концы 23 которых сплющены и заварены. Внутрь моделей 15 заливается СПГ 24.

Криогенный бак работает следующим образом.

Жидкий метан (СПГ) 3, 24 фиг.5, 7 через штуцер заправки по трубопроводу 7, 18 подается в емкость 2, 15. Испарившийся в результате теплопритоков метан из паровой полости емкости 2, 15 по трубопроводу подачи газа 6, 19 через арматурный блок 5, 20 подается в топливную систему транспортного средства.

В случае, когда не требуется подача газа, например, выключен двигатель или автомобиль поставлен на длительную стоянку, арматурный блок 5, 20 перекрывает подачу газа в топливную систему и давление в емкости 2, 15 за счет испарения СПГ постепенно растет вплоть до критического, после чего избыток газа сбрасывается в атмосферу предохранительным клапаном арматурного блока 5, 20. Сброс избытка газа происходит практически до полного испарения жидкого метана. При этом минимальное количество оставшегося в емкости 2, 15 газа, сколько бы бак не находился в режиме хранения, будет значительно больше за счет повышенного до критического давления хранения оставшегося газа, что всегда обеспечит последующий проезд автомобиля до ближайшей автозаправки после длительной стоянки.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в автомобилестроении на предприятиях, производящих топливные криогенные баки для автотранспорта;

- для заявленного устройства, в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Преимущество изобретения состоит в том, что в отличие от криобаков-аналогов данная конструкция криогенного бака позволяет иметь в нем значительный запас топлива после сколько угодно длительного хранения, позволяет изготавливать криогенный бак различной конфигурации под любой имеющийся на транспортном средстве топливный отсек, а также уменьшает его стоимость и вес.

Из всего вышеперечисленного можно сделать вывод, что заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Источники информации

1. Гриценко А.И. и др. Природный газ в качестве моторного топлива// Газовая промышленность. - 1997. - №2. - С.46-48.

2. Седых АД., Родянский В.М. Политика Газпрома в области использования природного газа в качестве моторного топлива// Газовая промышленность. - 1999. - №10. - С.8-9.

3. Грезин А.К. и др. Использование сжиженного природного газа в качестве энергоносителя - задача государственной важности// Холодильная техника. - 1999. - №9. - С.6-8.

4. Бакиров Ю.А., Карпов Е.В. СПГ: технология производства и использования//Газовая промышленность. - 1999. - №10. - С.27.

5. Амамчан Р.Г. и др. Топливная СПГ-система грузового автомобиля "Газель"// Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 1999. - №9. - С.28-29.

6. Архаров А.М. и др. Криогенные системы. - М.: Машиностроение. - 1987. - 536 с.

7. Цфасман Г.Ю. и др. Криогенное оборудование топливных систем// Холодильная техника. - 1998. - №2. - С.32.