Способ подачи потребителю газообразного водорода высокого давления

Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для подготовки и газификации жидкого водорода, хранения и подачи потребителю газообразного водорода высокого давления. Способ может быть применен в авиации, на флоте, в промышленности и медицине.

Проблемой хранения и подачи газообразного водорода высокого давления (70 МПа и более) потребителю является создание способа достижения высокого давления газообразного водорода с уменьшением затрат на подвод тепла к водороду криогенной температуры перед его подачей потребителю.

В частности, в авиации водород сегодня используется при запусках высокоскоростных прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД) и в беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) при их работе на электрохимических генераторах (ЭХГ). В качестве ЭХГ служат преимущественно твердополимерные топливные элементы, работающие на водороде, причем водород высокого давления (70 МПа и выше) и высокой степени очистки хранится, в отличие от применяемого в высокоскоростных ПВРД жидкого водорода, в баллонах. Хранение в жидком состоянии водорода (Н_2ж), используемого в высокоскоростных ПВРД, ограничено по времени и тем самым не годится для БПЛА. Это обусловлено неизбежными потерями из-за его испарения в результате притоков тепла извне и повышения при этом концентрации кислорода в форме твердых кристаллов. Например, транспортная водородная цистерна ЦТВ-25/06 объемом 25 м³ и массой Н_2ж, равной 1500 кг, "теряет" в сутки 1% Н₂, что составляет в пределе 15 кг. По мнению Главного специалиста ПАО "Криогенмаш", кандидата технических наук A.M. Домашенко, длительное, эффективное и безопасное хранение водорода большой массы возможно только в резервуарах высокого давления (70 МПа и более).

Известно термокомпрессионное устройство для регенерации хладагентов (см., например, патент США №5379607), содержащее компрессор, ресивер, емкости высокого давления, теплообменники и магистрали заправки и подачи газа потребителю. Принцип работы термокомпрессионных устройств известен. Основу его составляет емкость (баллон-компрессор), которую вначале охлаждают, желательно до температуры конденсации газа, и заполняют ее газом из стендовых баллонов. Затем стендовые баллоны отключают, емкость нагревают, давление газа в ней растет, и газ перекачивается в заправляемую емкость. Таких циклов всасывание-нагнетание совершается столько, сколько необходимо для достижения заданного давления в заправляемой емкости. Однако наличие в устройствах механических компрессоров, использующих смазку для вращающихся и перемещающихся узлов и деталей, не исключает загрязнения газа парами масла (смазки), что недопустимо при перекачке (заправке) газа в баллоны потребителя и дополнительно требует сложной системы очистки водорода до уровня чистоты 99,99. Это усложняет конструкцию и эксплуатацию устройства, что приводит к большим финансовым затратам. Достаточно упомянуть тот факт, что энергозатраты на компримирование 1 кг/с водорода до давления 100 МПа составляют не менее 50 МВт.

Известен «Испаритель криогенной жидкости» (патент РФ №2239121), содержащий корпус с узлами подвода и выдачи хладагента, камеры жидкого и газообразного хладагента и теплообменный элемент. Устройство подогревает жидкий и выдает потребителям газифицированный хладагент без повышения его давления. Устройство может быть использовано только потребителями газифицированного хладагента низкого давления. Кроме того, для работы устройства необходима тепловая энергия для нагрева теплообменного элемента.

Известен способ хранения и подачи криогенного продукта, основанный на поддержании давления и температуры криогенного продукта в теплоизолированном внутреннем сосуде выше температуры конденсации путем подвода тепла к криогенному продукту при уменьшении его плотности в процессе хранения, который включает изохорический нагрев продукта до температуры, соответствующей однофазному состоянию при докритическом давлении, превышающем давление криогенного продукта у потребителя не менее чем на 1 кг/см², где выдачу продукта выполняют с возрастанием давления до заданного сверхкритического с подводом тепла с корректировкой температуры, что позволяет сократить время подготовки к выдаче продукта (патент РФ №1700988) потребителю.

Недостатками такого способа хранения криогенного продукта и подачи газа потребителю является то, что подачу криогенного продукта потребителю выполняют с возрастанием давления до заданного сверхкритического с подводом тепла, приводящим к повышенным затратам.

Наиболее близким аналогом того же назначения, что и заявляемое техническое решение является способ подготовки и подачи потребителю газообразного водорода в патенте РФ №2463463 «Комбинированная энергетическая система». Система содержит резервуар жидкого водорода, насос подачи жидкого водорода с приводом, всасывающий и напорный трубопроводы с запорными устройствами, накопитель-газификатор жидкого водорода, выполненный в виде емкости, а также выпускной трубопровод, включающий запорные устройства и редуктор давления. Способ подготовки и подачи потребителю газообразного водорода высокого давления заключается в том, что перед пуском системы подготовки и подачи водорода при открытых запорных устройствах всасывающего и напорного трубопроводов и закрытом запорном устройстве выпускного трубопровода включают привод насоса и из резервуара через всасывающий трубопровод до насоса и напорный трубопровод после насоса с открытыми запорными устройствами трубопроводов подают жидкий водород в накопитель-газификатор. После заполнения накопителя-газификатора закрывают запорные устройства всасывающего и напорного трубопроводов и газифицируют водород от подводимого тепла, далее при достижении в накопителе-газификаторе заданного давления газообразного водорода открывают запорное устройство выпускного трубопровода и через редуктор давления подают водород потребителю.

В основу изобретения положена техническая проблема способа подачи потребителю газообразного водорода высокого давления, который бы обеспечивал снижение энергозатрат при достижении высокого давления водорода, повышение надежности заполнения жидкого водорода накопителя-газификатора и сокращение времени заправки баллонов потребителя.

Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в том, что способ подачи потребителю газообразного водорода высокого давления обеспечивает достижение максимально допустимого давления газообразного водорода за счет использования насоса со сверхкритическими параметрами по давлению и температуре, исключения вибраций потока при максимально полном заполнении внутренней емкости водородом, уменьшения энергозатрат на подвод тепла к водороду, повышения долговечности накопителя-газификатора, увеличения быстродействия заправки баллонов потребителя охлажденным газообразным водородом высокого давления, возможности восстановления высокого давления водорода в емкости после снижения давления в ней до уровня максимального давления.

Техническая проблема решается тем, что способ подачи потребителю газообразного водорода высокого давления заключается в нагнетании насосом по перекрываемому трубопроводу жидкого водорода из резервуара в накопитель-газификатор, который выполнен в виде емкости полного объема V_п. Причем в емкости объема V_п с повышением температуры и давления за счет подводимого тепла жидкий водород превращают в газообразный высокого давления.

Новым в изобретении является то, что емкость с объемом V_п выполнена с расположенной в ней внутренней емкостью объемом V_в, которая с перекрытием соединена с насосом и через сквозные отверстия - с емкостью полного объема V_п. Причем отношение объемов V_в/V_п выбирают в диапазоне от 0,3 до 1,0 в зависимости от допустимо максимального давления водорода при постоянной максимальной температуре емкости объема V_п. При этом наполнение внутренней емкости с объемом V_в за один цикл осуществляют водородом дозированной массы со сверхкритическими значениями давления и температуры. Далее обеспечивают изохорический нагрев водорода теплом окружающей среды до температуры, близкой к температуре окружающей среды, с достижением максимально допустимого давления газообразного водорода перед подачей потребителю. После заправки баллонов потребителя по перекрываемому трубопроводу при снижении давления в емкости V_п полного объема до установленного уровня отключают перекрываемый трубопровод от потребителя и подключают к технологической емкости. Охлаждают оставшийся в емкости V_п полного объема водород жидким азотом по криогенным магистралям из источника и продолжают перепускать водород в технологическую емкость со снижением давления и температуры в емкости V_п полного объема до уровня значения давления водорода на выходе из насоса при его работе. Затем включают насос, добавляют до заданного значения дозированную массу водорода из резервуара жидкого водорода и осуществляют следующий цикл подачи потребителю газообразного азота.

При таком способе подачи потребителю газообразного водорода высокого давления:

- выполнение емкости полного объема V_п с расположенной в ней внутренней емкостью объемом V_в, которая с перекрытием соединена с насосом и через сквозные отверстия - с емкостью полного объема V_п, обеспечивает при выборе отношения объемов V_в/V_п в диапазоне от 0,3 до 1,0 в зависимости от допустимо максимального давления водорода при постоянной максимальной температуре в емкости полного объема V_п наибольшую заполняемость внутренней емкости V_в дозированной массой водорода. Представленный диапазон отношения V_в/V_п охватывает всю совокупность значений относительного объема V_в/V_п в зависимости от назначенного допустимо максимального уровня давления при постоянной максимальной температуре водорода в емкости V_п с учетом его реальных свойств. Каждому назначенному значению допустимо максимального давления отвечает конкретное значение относительного объема V_в/V_п (проиллюстрировано далее), ниже которого будет недобор по дозированной массе жидкого водорода, полностью заполнившего «недоразмеренную» внутреннюю емкость V_в, из-за чего не будет достигнут назначенный уровень давления при достижении максимальной температуры при нагреве водорода в емкости V_п. И, напротив, при превышении конкретного значения отношения V_в/V_п дозированная масса водорода в емкости V_в окажется в избытке из-за ее «переразмеренного» объема внутренней емкости V_в при постоянном объеме емкости V_п, что может привести к ее разрушению из-за превышения уровня допустимого максимального давления при достижении максимальной температуры водорода в емкости объемом V_п;

- осуществление заполнения внутренней емкости объемом V_в за один цикл водородом дозированной массы со сверхкритическими значениями давления и температуры обеспечивает достижение максимально допустимого давления водорода, подчиняющемуся уравнению состояния реального газа, в емкости полного объема V_п при изохорическом нагреве до температуры, близкой к температуре окружающей среды;

- отключение перекрываемого трубопровода после заправки баллонов потребителя по перекрываемому трубопроводу при снижении давления в емкости полного объема V_п до установленного уровня и подключение перекрываемого трубопровода к технологической емкости обеспечивает наряду с подключением в работу криогенных магистралей с жидким азотом снижение температуры и давления в емкости полного объема до уровня давления, достигаемого работой насоса;

- охлаждение оставшегося в емкости полного объема V_п водорода жидким азотом по криогенным магистралям из источника и продолжение перепуска водорода в технологическую емкость со снижением давления и температуры в емкости полного объема V_п до уровня значения давления водорода на выходе из насоса с критическими параметрами по давлению и температуре при работе обеспечивает надежное функционирование насоса и стабильное (без вибраций) заполнение внутренней емкости объемом V_в жидким водородом;

- добавление до заданного значения дозированной массы водорода из резервуара жидкого водорода включением насоса позволяет осуществлять следующие циклы подачи потребителю газообразного азота.

Таким образом, решена поставленная в изобретении техническая проблема способа подачи потребителю газообразного водорода высокого давления, который обеспечивает снижение энергозатрат при достижении высокого давления водорода, повышение надежности заполнения внутренней емкости водородом криогенной температуры, сокращение времени заправки баллонов потребителя.

Настоящее изобретение поясняется последующим описанием способа подачи потребителю газообразного водорода высокого давления со ссылкой на чертеж.

Способ подачи потребителю газообразного водорода высокого давления заключается в нагнетании насосом 1 по перекрываемому трубопроводу 2 жидкого водорода из резервуара 3 в накопитель-газификатор 4, выполненный в виде емкости 5 полного объема V_п, где с повышением температуры и давления за счет подводимого тепла водород с криогенной температурой превращают в газообразный высокого давления и температурой окружающей среды. Емкость 5 с объемом V_п выполнена с расположенной в ней внутренней емкостью 6 объемом V_в, которая с перекрытием 7 соединена с насосом 1 и через сквозные отверстия 8 - с емкостью 5 полного объема V_п. Отношение объемов V_в/V_п выбирают в диапазоне от 0,3 до 1,0 в зависимости от максимального давления водорода при постоянной максимальной температуре емкости объема V_п. При этом заполнение внутренней емкости 6 объемом V_в осуществляют за один цикл водородом дозированной массы со сверхкритическими значениями давления и температуры. Далее изохорический нагрев водорода обеспечивают теплом окружающей среды до температуры, близкой к температуре окружающей среды, с достижением максимально допустимого давления газообразного водорода перед подачей потребителю. После заправки баллонов потребителя (см. чертеж) по перекрываемому трубопроводу 9 при снижении давления в емкости 5 полного объема до установленного уровня отключают перекрываемый трубопровод 9 от потребителя и подключают к технологической емкости 10. Охлаждают оставшийся в емкости 5 полного объема водород жидким азотом по криогенным магистралям 11 из источника 12 и продолжают перепускать водород в технологическую емкость 10 со снижением давления и температуры в емкости 5 полного объема до уровня значения давления водорода на выходе из насоса 1 при работе. Затем включают насос 1, добавляют до заданного значения дозирования массу жидкого водорода из резервуара 3 и осуществляют следующий цикл подачи потребителю газообразного водорода высокого давления.

Предложенное техническое решение входит в практику бескомпрессорного способа повышения (при малых энергозатратах) давления газа с использованием криогенных жидкостей. Применительно к жидкому кислороду такой способ освоен в КБХА (г. Воронеж) в соответствии с техническим решением по патенту на изобретение РФ №2445503. Целесообразно подчеркнуть, что применительно к водороду способ «криогенной заправки» емкостей является во много раз эффективнее из-за гораздо меньшей плотности водорода по отношению к кислороду при нормальных условиях. В настоящее время водород находит применение в автомобильной промышленности с давлением 70 МПа. Известен седан «Mirai» фирмы «Toyota», работающий на водородном топливе. Водород хранится в 2-х емкостях объемом по 60 литров с давлением 70 МПа.

Следует особо отметить, что одной из особенностей предлагаемого способа является возможность выполнять заправку баллонов потребителя охлажденным водородом из емкости с учетом неизбежного нагрева водорода при заправке. Такой нагрев обусловлен совершением работы сжатия при заправке. Очевидно, что повышение температуры заправляемого водорода приводит к снижению полноты заправки баллона при достижении максимально допустимого давления в нем. Заправку охлажденным водородом можно осуществлять в процессе нагрева водорода в емкости полного объема V_п, причем достижение требуемого давления в баллонах потребителя обеспечивается его изохорическим нагревом теплом окружающей среды.

Результаты расчета отношения объемов V_в/V_п с учетом реальных свойств водорода показывают, что при постоянной максимальной температуре водорода в емкости объемом V_п, равной 300 К, относительный объем V_в/V_п изменяется в зависимости от допустимо максимальных значений давления, равных 26, 50 и 85 МПа, соответственно как 0,3; 0,39 и 0,53. То есть с повышением давления отношение V_в/V_п повышается, что только качественно (с ошибкой 20-25%) отражается и известным уравнением Ван-дер-Ваальса.

Расчет эффективности охлаждения водорода с помощью криогенных магистралей, для примера выполненных в виде 4-х труб 12×3 и размещенных в емкости V_п вокруг внутренней емкости V_в, показывает следующее: при изменении в процессе теплообмена температуры азота (с суммарным расходом 2 кг/с и с давлением 0,2 МПа) от 77 К до 90 К потребное время охлаждения водорода (массой 160 кг с температуры 300 К до 250 К) составляет не более 25 минут.

Предлагаемое техническое решение может найти широкое применение не только применительно к водороду в качестве топлива в авиации и автотранспорте, но и применительно к сжиженному природному газу при его использовании в автомобилях.