практика. 200257_м2-СТЗС-21_2022_5. Отчет по производственной (технологической) практике магистрант 2 курса, группы м2стзс21
 Скачать 81.24 Kb.
|
Индивидуальное заданиеСбор данных об объектах интеллектуальной собственности по теме ВКР магистра Описать несколько патентов по теме своего исследования Композитный баллон высокого давления и способ его изготовленияИзобретение относится к баллонам для хранения и транспортировки газов и жидкостей под давлением и может найти применение в системах жизнеобеспечения, автомобильной промышленности и др. Задача изобретения состояла в увеличении количества рабочих циклов загрузки баллона. Задача решается тем, что предложен композитный баллон высокого давления, содержащий внутренний герметизирующий тонкостенный лейнер из нержавеющей стали, включающий цилиндрическую обечайку и два днища, приваренные к обечайке, в котором лейнер снабжен кольцами из нержавеющей стали, установленными с внутренней и наружной сторон в местах соединения днищ с обечайкой, причем в каждом месте соединения имеются две пары колец, два из которых охватывают с внешней и внутренней сторон края обечайки, а два других охватывают края свариваемого с ней по периметру днища. Предложен также способ изготовления баллона, при котором к цилиндрической тонкостенной (0,3-10 мм) обечайке приваривают по периметру днища и производят намотку волокон композитного материала, пропитанных смолой, с последующей термообработкой, характеризующийся тем, что перед привариванием днищ к обечайке на края обечайки и днищ с внешней и внутренней их сторон напрессовывают кольца из нержавеющей стали, оплавляют торцы краев обечайки и днищ вместе с напрессованными на них кольцами и соединяют днища с обечайкой путем сварки встык. Изобретение относится к баллонам для хранения и транспортировки жидких и газообразных сред высокого давления и, в частности, к композитным баллонам высокого давления, используемым преимущественно в спасательных средствах, а именно в портативных кислородных дыхательных аппаратах, применяемых, например, подводниками, пожарными и др. Известны два типа композитных баллонов высокого давления с металлическим внутренним лейнером. Первый тип характеризуется тем, что силовая оболочка его выполняется из композитного материала, а внутренний тонкостенный герметичный лейнер - из алюминия. Баллон такого типа выдерживает всего около 100 циклов нагрузки, т.е. имеет низкую эксплуатационную надежность. Второй тип композитного баллона высокого давления характеризуется тем, что силовая оболочка его выполняется из композитного материала, а внутренний герметизирующий лейнер - из нержавеющей стали или сплава титана. Этот тип композитного баллона высокого давления характеризуется существенно большим количеством циклов нагрузки. Известен композитный баллон высокого давления, содержащий внутреннюю силовую оболочку из композитного материала. В металлической оболочке, свободно лежащей на штуцере, выполнены разгрузочные отверстия, а силовая оболочка имеет внутренний герметизирующий слой из резины, причем резиновый затвор приклеен одним концом к горловине, а другим - к металлической оболочке. Способ изготовления этого баллона состоит в том, что на внутреннюю металлическую оболочку с выполненными в ней отверстиями, свободно лежащую на штуцере, укладывают резиновый затвор в виде слоя сырой резины, наматывают силовой композитный материал и все вместе полимеризуют в термокамере. (См. патент РФ N 2094696, F 17 C 1/00. 27.10.97 г. Бюл. N 30). Недостатком известного баллона является то, что используемый в нем слой резины в процессе эксплуатации выделяет различные газообразные составляющие, которые поступают во внутренний объем баллона и делают его практически непригодным для использования в системах жизнеобеспечения. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому баллону является композитный баллон высокого давления, содержащий внешнюю силовую оболочку из композитного материала, внутренний тонкостенный герметизирующий лейнер из нержавеющей стали, включающий цилиндрическую обечайку и два днища, сваренных с обечайкой, кольца из нержавеющей стали, установленные с внутренней стороны лейнера в местах соединения цилиндрической обечайки с днищами, и штуцер с фланцем, соединенный с одним из днищ (см. патент РФ N 2077682, F 17 C 1/06, 20.04.97 г. Бюл. N 11). Способ изготовления описанного баллона состоит в том, что предварительно из нержавеющей стали изготавливают цилиндрическую обечайку с толщиной стенок 0,3 - 1,0 мм и два днища с той же толщиной стенок, в одном из днищ выполняют центральное отверстие под штуцер, в которое вставляют кольцевой выступ фланца штуцера, приваривая к нему края отверстия, затем днища приваривают к концам обечайки по периметру и осуществляют намотку на металлическую внутреннюю оболочку нитей армирующего композитного материала, пропитанных смолой, с последующей полимеризацией композитного материала в термокамере (см. там же). Недостатком известного баллона, принятого за прототип, является то, что он не выдерживает большого числа циклов нагрузки и разгрузки, т.е. заполнения баллона газом под давлением и стравливания (выдачи) газа потребителю. Испытания этих баллонов показали, что максимальное число рабочих циклов для них достигает 250 циклов. Это ограничивает срок эксплуатации таких баллонов. Задача изобретения состояла в создании такой конструкции композитного баллона высокого давления и способа его изготовления, которые обеспечивают повышенное число циклов загрузки и разгрузки. Указанная задача решается тем, что предложен композитный баллон высокого давления, содержащий внешнюю силовую оболочку из композитного материала, внутренний тонкостенный герметизирующий лейнер из нержавеющей стали, включающий цилиндрическую обечайку и два днища, приваренных к обечайке, кольца из нержавеющей стали, установленные с внутренней стороны лейнера в местах соединения цилиндрической обечайки с днищами, штуцер с фланцем, соединенный с одним из днищ, который согласно изобретению снабжен дополнительными кольцами из нержавеющей стали, установленными с наружной стороны лейнера в местах соединения цилиндрической обечайки с днищами, причем в каждом месте соединения имеются две пары колец, два из которых охватывают с внешней и внутренней сторон края цилиндрической обечайки, а два других охватывают края свариваемого с ней по торцу днища. Другим отличием предлагаемого баллона является то, что фланец штуцера имеет кольцевой выступ, входящий в отверстие в центре днища, причем форма поверхности фланца, обращенной к днищу, повторяет форму поверхности днища и края отверстия днища приварены к кольцевому выступу фланца штуцера. Еще одним отличием предлагаемого баллона является то, что диаметр отверстия в днище, в которое вставлен кольцевой выступ фланца штуцера, составляет 0,15-0,2 диаметра лейнера. Это обеспечивает снижение напряжения в месте соединения штуцера и внутренней оболочки (лейнера). В числе отличий предлагаемого баллона следует отметить то, что на внешней стороне фланца штуцера, контактирующей с силовой оболочкой баллона, выполнен выступ, имеющий форму многогранника. Это повышает сцепление внешней силовой оболочки со штуцером и таким образом способствует повышению срока службы баллона. Задача решается также тем, что предложен способ изготовления композитного баллона высокого давления, при котором предварительно из нержавеющей стали изготавливают цилиндрическую обечайку с толщиной стенок 0,3-1,0 мм и два днища с той же толщиной стенок, в одном из днищ выполняют центральное отверстие под штуцер, в которое вставляют кольцевой выступ фланца штуцера, приваривая к нему края отверстия, затем днища приваривают к концам обечайки по периметру и осуществляют намотку на металлическую внутреннюю оболочку армирующих нитей композитного материала, пропитанных смолой, с последующей полимеризацией композитного материала в термокамере, в котором согласно изобретению перед привариванием днищ к обечайке на края обечайки и днищ с внешней и внутренней их сторон напрессовывают кольца из нержавеющей стали толщиной, соизмеримой с толщиной стенки обечайки, оплавляют торцы краев обечайки и днищ вместе с напрессованными на них кольцами и соединяют днища с обечайкой путем сварки встык. Провести исследования (натурные испытания) по теме ВКР магистра. Описать проведенные исследования по теме ВКР магистра. Определение коэффициента теплопередачи стенки баллона В связи с тем, что исследования по теплообмену сосудов с жидкостью и газом с окружающей средой в основном сосредоточены на теплообмене сосудов высокого давления и трубопроводов из металла. Это не позволяет с достаточной степенью уверенности применять известные зависимости при рассмотрении процессов теплообмена через стенку композитного сосуда. Проведенные исследования позволили получить значения коэффициента теплоотдачи стенки баллона из композитного материала для двух наиболее часто используемых типоразмеров типовых баллонов объемом 24,5 и 47 литров с учетом динамического характера изменение уровня заполнения жидкой газовой фазы в диапазоне  . Значения коэффициента теплоотдачи представлены в таблице 1.
Для определения количества отпарного газа в емкости необходимо рассмотреть режим регазификации с учетом периодов хранения и потребления газа с учетом коэффициента [14]. Исходные данные для расчетов были взяты следующие: - отношение периода потребления газа в часах к сроку хранения газа в судне в часах: 1/23, 2/22, 4/20, 8/16, 12/12, 16/8, 24/0; - уровни заполнения емкости жидкой фазой - 85%, 50% и 10%. - объем сосуда 24,5 л и 47 л. Результаты расчета представлены в таблице 2.
Количество отпарного газа зависит от объема и времени непрерывного расхода. Когда период потребления газа составляет менее 4 часов, количество отпарного газа резко увеличивается и колеблется от 0,16 кг до 0,21 кг в час для емкости объемом 24,5 литра и от 0,25 кг в час до 0,4 кг в час для емкости объемом 24,5 литра. 47 литров при уровне заполнения емкости 85%. Количество отпарного газа уменьшается с уменьшением уровня жидкой фазы в емкости и колеблется от 0,05 кг в час до 0,09 кг в час при минимальном уровне заполнения. Увеличение периода потребления газа приводит к уменьшению количества отпарного газа в емкости. Максимальное количество отпарного газа наблюдается при продолжительности непрерывного потребления 2 часа. Удельное количество отпарного газа на единицу массы жидкой газовой фазы при периоде потребления 2 часа представлено в таблице 3.
Расчеты показали (таблица 3), что количество отпарного газа зависит от разницы температур между резервуаром и окружающей средой, а также от уровня наполнения резервуара газом. Максимальное количество газовой фазы образуется в первые 2 часа работы емкости. Проработка главы магистерской ВКР на основе научно-методического анализа проведенных исследований Баллонные установки остаются главным элементом в цепочке снабжения потребителей сжиженным углеводородным газом. Чтобы обеспечить необходимый запас газа, принято использовать баллоны различных объемов. Газовые баллоны представляют собой емкости, позволяющие хранить, транспортировать и использовать сжатые и сжиженные газы с наибольшей эффективностью и удобством. Зачастую они используются для приготовления пищи, движения транспортных средств, в роли автономных источников энергии для обогрева. Баллоны выполнены из металла и полимеров. Они применяются при изготовлении емкостей под хранение определенных видов газа. Несмотря на их широкую применимость, они имеют и достоинства, и недостатки в области надежности, стоимость и т.п. Металлические емкости изготавливают из легированной или малоуглеродистой стали. Их вместимость варьируется от 5 до 50 литров. Баллоны с большим объемом должны храниться в отдельных металлических шкафах и быть защищены от прямых солнечных лучей, поскольку для них недопустимо нагревание свыше 50 градусов. Композитные баллоны, также евробаллоны, изготавливают из стекловолокна, намотанного на оправку и пропитанного эпоксидной смолой. Готовое изделие устанавливают в полимерный кожух с ручкой, что делает их очень удобными для транспортировки. Они подходят для газовых приборов, рассчитанных на стандартные устройства для подачи газа. В таких баллонах сжиженный газ можно транспортировать, использовать в бытовых целях или в походах, а также хранить сжиженный углеводородный газ долгое время. Полимерные баллоны наиболее удобны в качестве хранения. Их можно ставить друг на друга, тем самым экономя пространство. А вот металлические емкости приходится хранить в отдельные ячейки стеллажа с крепежным ремнем. При этом высота стеллажа не может превышать 1,5 метра. Для вертикального хранения металлические баллоны должны быть уложены в отдельные ячейки и закреплены. Композитные баллоны имеют вес до 12,5 кг, в то время, когда металлические устройства могут весить от 4 до 22,5 кг без газа, но по прочности они не уступают друг другу. Зато легкий вес позволяет транспортировать и устанавливать их с наибольшей эффективностью. Потребители указывают на удобство использования композитных устройств благодаря специальной ручке. Легкий баллон с ручкой сможет погрузить или заменить даже хрупкая женщина. У композитных баллонов имеется неоспоримое преимущество – большой ассортимент: представлен большой выбор форм и объемов. При этом они выглядят стильно, современно и выполнены в разных цветах. К тому же они немного прозрачные, благодаря чему можно увидеть уровень сжиженного газа внутри и произвести своевременную замену и заправку. При этом прозрачность баллона сохраняется долгое время, внешнее воздействие на нем почти не сказывается. Полимерным баллонам не страшна коррозия. Такое изделие выдерживает нагрев температуры до 100 градусов. Композитные баллоны для сжиженного углеводородного газа имеют гарантию в два года, но при этом срок эксплуатации достигает 30 лет в худшем случае, а при бережном обращении еще дольше. Колба композитного баллона защищена сверху специальным кожухом из пластика, что увеличивает прочность устройства. При падении баллона именно кожух берет на себя все силовое воздействие. Если он повредится, колба останется целой, что предотвратит выливание опасного содержимого. При этом кожух легко заменяется новым, эта процедура стоит намного дешевле, нежели покупать новый баллон. Многокомпонентные материалы при ударе не искрят, что практически исключает опасность взрыва. Статическое электричество такому устройству также не грозит, что показали многочисленные проверки и исследования. Появление случайных искр, возгорание и взрыв по этой причине исключено. Стоит отметить, что евробаллоны можно проверять раз в 10 лет, хотя металлические баллоны требуют проверки каждые 5 лет. Многочисленные испытания и наблюдения показали, что композитные устройства имеют высокую устойчивость к статистической усталости при температуре 70 градусов. Что касается теплообменных способностей композитных конструкций, то при температуре до -15 градусов они показывают такие же характеристики, как и их металлические аналоги. При этом скорость испарения варьируется в пределах 300 г/ч. В случаях, когда евробаллон нужно использовать в более низких температурах или при иной скорости испарения сжиженного углеводородного газа, нужно тщательно рассмотреть характеристики выбранной модели. Композитные баллоны имеют ряд недостатков, самый значительный из них – цена. Полимерные емкости в 4 раза дороже металлических. Тем не менее, высокая цена является объективной и обусловлена многочисленными факторами: удобство использования, безопасность, небольшой вес и т.п. Производство полимерных баллонов требует больше затрат, чем изготовление металлических. Они выпускаются за рубежом, поэтому в стоимость изделия включены затраты на транспортировку, таможню и прочее. Однако замена большого количества металлических баллонов на полимерные будет очень затратной и вряд ли окупится, тем не менее покупатель получит безопасность и удобство применения. В России евробаллоны могут быть применимы для снабжения газом сезонных объектов: дачный поселок, уборка урожая и т.п. На сегодняшний день российский рынок предлагает большой ассортимент евробаллонов, произведенных в нашей стране или за рубежом, которые применимы для коммунально-бытового потребления, с основными типоразмерами, представленными в таблице 1.6. Таблица 4 - Характеристики композитных баллонов СУГ [18]
Как показывает анализ таблицы 4 на рынке в данный момент 6 производителей композитных баллонов. Производством данных баллонов занимаются такие страны, как Россия, Чехия, Норвегия, Индия. Российский производитель Rugasco изготавливает следующие марки: Passoion 8, Passoion 10, Complite CS 6, Complite CS 10. Данные баллоны имеют следующий объем от 14,8 л3 до 24,7 л3. Используют тип вентиляции ЕВРОПА (KFL). Диаметр баллонов от 301 мм до 310 мм, высота от 411 мм до 575 мм, вес от 6,1 кг до 7,5 кг. Диапазон рабочих температур у всех баллонов одинаков и составляет от -40 ºС до +50 ºС. Рабочее давление 2 МПа. В Норвегии производитель HEAGON REGASCO изготавливает следующие марки: LPG 12.5; LPG 18.2; LPG 24.5; LPG 33.5. Данные баллоны имеют следующий объем от 12,5 л3 до 33,5 л3. Используют тип вентиляции ЕВРОПА (KFL). Диаметр баллонов 305 мм, высота от 384 мм до 715 мм, вес от 3,8 кг до 6,7 кг. Диапазон рабочих температур у всех баллонов одинаков и составляет от -40 ºС до +50 ºС. Рабочее давление 1,6 МПа. В Чехии два производителя композитных баллонов – Armotech, HPC Research. Armotech изготавливает марку: Alpina 20. Данный баллон имеет объем 20,5 л3. Используют тип вентиляции ЕВРОПА (KFL). Диаметр баллона 310 мм, высота 501 мм, вес от 5,6 кг. Диапазон рабочих температур составляет от -40 ºС до +50 ºС. Рабочее давление 2 МПа. HPC Research изготавливает марку: LPG 24.5. Данный баллон имеет объем 24,5 л3. Используют тип вентиляции СНГ (SHELL). Диаметр баллона 310 мм, высота 583 мм, вес от 5,2 кг. Диапазон рабочих температур составляет от -40 ºС до +65 ºС. Рабочее давление 1,6 МПа. В Индии два производителя композитных баллонов – Life Safe и SUPRIME. Life Safe изготавливает марку: LS5, LS12, LS18, LS24, LS35, LS47. Данные марки баллонов имеет объем от 5л3 до 47 л3. Используют тип вентиляции СНГ (SHELL). Диаметр баллонов от 230 мм до 342 мм, высота от 347 мм до 850 мм, вес от 3,2 кг до 12,5 кг. Диапазон рабочих температур от -60 ºС до +70 ºС. Рабочее давление 2 МПа. SUPREME изготавливает марку: H800-102-12,5; H800-103-18,2; H800-101-24,5; H800-100-33,3. Данные марки баллонов имеет объем от 12,5 л3 до 33,3 л3. Используют тип вентиляции СНГ (SHELL). Диаметр баллонов от 306 мм до 330 мм, высота от 390 мм до 650 мм, вес от 3,8 кг до 7,6 кг. Диапазон рабочих температур от -40 ºС до +50 ºС. Рабочее давление 2 МПа. Стоит отметить, что полимерные баллоны имеют различия в зависимости от места производства. Композитные баллоны, созданные в Норвегии, почти не имеют прозрачности, как многие другие. Поэтому в них труднее определить уровень газа. Однако из-за большого разнообразия покупатель может выбрать баллон, который будет отвечать всем необходимым требованиям и удовлетворять его предпочтения. ЗАКЛЮЧЕНИЕОбъема производства СУГ с каждым годом увеличиваются на 3-4%. Наиболее перспективным сектором для расширения сферы применения СУГ является жилищный и коммунально-бытовой. На сегодняшний день на территории России более 10 млн. квартир, среди которых 6,5 млн. квартир в сельской местности, что составляет 25% всего населения, снабжаемого газом, и 50% населения получают газ в сельской местности, газифицированы сжиженным углеводородным газом. Благодаря развитию региональных систем снабжения сжиженным газом на текущий момент в эксплуатации находится более 11 млн. баллонов. Из этого следует, что выбранная тема является актуальной в данный момент. На основании литературного обзора выделены основные способы подключения баллонных установок к потребителю, требования и основы безопасности. На сегодняшний день российский рынок предлагает большой ассортимент евробаллонов, которые будут удовлетворять всем необходимым требованиям. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫСтаскевич, Н.Л. Справочник по сжиженным углеводородным газам [Текст] / Н.Л. Стаскевич, Д.Я. Вигдорчик. – Л.: Недра, 1986. – 543 с. Курицын, Б.Н. Системы снабжения сжиженным газом [Текст] / Б.Н. Курицын. – Саратов: СГТУ, 1988. – 196 с. Клименко, А.П. Сжиженные углеводородные газы [Текст] / А.П. Клименко. – М.: Гостехиздат, 1962. – 429 с. Малая, Э.М. Расчетная паропроизводительность баллонов сжиженного газа [Текст] / Э.М. Малая // Материалы ХХХ науч.-техн. конф.: сб. науч. тр. – Саратов, 1967. – С.129-131. Курицын, Б.Н. Групповые баллонные установки в отапливаемом помещении [Текст] / Б.Н. Курицын // Жилищное и коммунальное хозяйство. – Са- 290 ратов: Гипрониигаз, 1982. – №4. – С.24–25. ГОСТ Р 52087-2003. Газы углеводородные сжиженные топливные. Технические условия [Текст]. – Введ. 2004-07-01. – М.:ГОССТАНДАРТ России, 2006. – 12 с. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||