Каскадная система наполнения представляет собой систему хранения газовых баллонов высокого давления , которая используется для заправки небольших баллонов со сжатым газом. [1] [2] В некоторых случаях каждый из больших баллонов заполняется компрессором , в противном случае они могут заполняться дистанционно и заменяться, когда давление слишком низкое для эффективной передачи. Каскадная система позволяет заполнять небольшие баллоны без компрессора. Кроме того, каскадная система полезна в качестве резервуара, позволяющего компрессору малой мощности удовлетворять потребность в заполнении нескольких небольших баллонов в тесной последовательности с более длительными промежуточными периодами, в течение которых баллоны для хранения могут быть перезаряжены.
Когда газ в цилиндре под высоким давлением перетекает в другой цилиндр, содержащий газ под более низким давлением, давления выровняются до значения где-то между двумя начальными давлениями. Равновесное давление зависит от скорости переноса, поскольку на него влияет температура, но при постоянной температуре равновесное давление описывается законом Дальтона для парциальных давлений и законом Бойля для идеальных газов.
Формула равновесного давления имеет вид:
Примером может служить 100-литровый (внутренний объем) баллон (V 1 ), находящийся под давлением 200 бар (P 1 ), заполняющий 10-литровый (внутренний объем) баллон (V 2 ), который не находился под давлением (P 2 = 1 бар) (в результате чего оба баллона выравниваются примерно до 180 бар (P 3 ). Если затем использовать другой 100-литровый баллон, на этот раз находящийся под давлением 250 бар, для «долива» 10-литрового баллона, оба этих баллона выровняются примерно до 240 бар. Однако, если сначала использовать 100-литровый баллон с более высоким давлением, 10-литровый баллон выровняется примерно до 225 бар, а 100-литровый баллон с более низким давлением не может быть использован для его долива. В каскадной системе хранения несколько больших баллонов используются для доведения небольшого баллона до желаемого давления, всегда сначала используя баллон подачи с самым низким полезным давлением, затем цилиндр со следующим наименьшим давлением и так далее.
На практике теоретические передачи могут быть достигнуты только в том случае, если газам позволяют достичь температурного равновесия перед отключением. Это требует значительного времени, и для экономии времени может быть принята более низкая эффективность. Фактическая передача может быть рассчитана с использованием общего уравнения состояния газа, если температура газа в цилиндре точно измерена.
Баллон дыхательного аппарата может быть заполнен до рабочего давления путем переливания из более крупных (часто 50-литровых) баллонов. (Для облегчения этой задачи горловина баллона ребризера Siebe Gorman Salvus имела ту же резьбу, что и баллон для хранения кислорода, но противоположного пола, для прямого переливания.) Баллоны для хранения доступны в различных размерах, как правило, от внутренней емкости 50 литров до более чем 100 литров. [3]
В более общем случае для соединения заправочной панели или накопительного баллона с приемным баллоном используется шланг высокого давления, известный как наполнительный шланг.
Каскадное заполнение часто используется для смешивания парциального давления дыхательных газовых смесей для дайвинга , чтобы сэкономить относительно дорогой кислород, для нитрокса и еще более дорогой гелий в смесях тримикс или гелиокс . [2]
Каскадное хранение используется на заправочных станциях сжатого природного газа (СПГ). Обычно используются три баллона с СПГ, и транспортное средство сначала заправляется из одного из них, что приводит к неполному заполнению, возможно, до 2000 фунтов на квадратный дюйм для баллона на 3000 фунтов на квадратный дюйм. Второй и третий баллоны доводят давление в баке транспортного средства до 3000 фунтов на квадратный дюйм. На станции обычно есть компрессор, который заправляет баки станции, используя природный газ из коммунальной линии. Это предотвращает случайное переполнение бака, что может произойти в системе, использующей один заправочный бак при более высоком давлении, чем целевое давление для транспортного средства.
В каскадных системах хранения водорода , например, на водородных станциях , топливораздаточная колонка A забирает водород из бака A, в то время как колонка B забирает топливо из водородного бака B. Если колонка A перегружена, бак A опустеет раньше, чем бак B. В этот момент колонка A переключается на бак C. Затем бак C будет поставлять топливо в колонки A и B и бак A до тех пор, пока бак A не заполнится до того же давления, что и бак B, и колонки не будут отключены, после чего система управления закроет регулирующие клапаны, чтобы перейти в прежнее состояние. [ необходима ссылка ] [4]
Баллоны для хранения могут использоваться независимо друг от друга в определенной последовательности с использованием переносного перекачивающего крана с манометром и ручным выпускным клапаном для перекачивания приемного баллона до тех пор, пока не будет достигнуто необходимое давление наполнения, или баллоны для хранения могут быть подключены к системе коллекторов и панели управления наполнением с помощью одного или нескольких наполнительных кранов.
В идеале каждый баллон для хранения имеет независимое соединение с панелью наполнения с манометром давления содержимого и клапаном подачи, предназначенными для этого баллона, а также манометр наполнения, подключенный к наполнительному штоку, чтобы оператор мог сразу увидеть следующее более высокое давление в баллоне для хранения по сравнению с давлением в приемном баллоне.
Баллоны для хранения могут заполняться дистанционно и подключаться к коллектору с помощью гибкого шланга во время использования, или могут быть постоянно подключены и заполняться компрессором через специальную систему заполнения, которая может быть автоматизированной или управляться вручную.
Предохранительный клапан избыточного давления обычно устанавливается между компрессором и хранилищами для защиты баллонов от переполнения, а каждый баллон также может быть защищен разрывным диском .
{{cite journal}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
Медиа, связанные с системой заполнения каскада на Wikimedia Commons