автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.03, диссертация на тему:Разработка и исследование технологии заправки автотранспорта сжиженным природным газом

На правах рукописи

Славин Максим Владимирович

УДК 536.24,621.594

Разработка и исследование технологии заправки автотранспорта сжиженным природным газом

Специальность 05.04.03 - Машины, аппараты и процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

(лЛ 1 '

Диссертация выполнена в Московском государственном техническом университете имени Н. Э, Баумана

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Жердев А. А.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Филин Н. В.

кандидат технических наук Семёнов В. КХ

Ведущая организация: ООО "ВНИИГАЗ"

Защита диссертации состоится <3-3 ткОЯ^РЯ ^ 2006 г. в 15 часов 30 минут на заседании Диссертационного совета Д.212,141.16 при Московском государственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу: 107005, Москва, Лефортовская наб., д. 1, корпус факультета «Энергомашиностроение».

Ваш отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим выслать по указанному адресу.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Автореферат разослан » сентября 2006 г. Ученый секретарь

Диссертационного Совета Д212.141.16, кандидат технических наук, доцент ГлуховС. Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

В настоящее время из-за сложившейся в крупных городах неблагоприятной экологической обстановки и истощения на Земле запасов нефти ведется поиск альтернативных автомобильных топлив, способных решить эти взаимосвязанные проблемы. Обзор литературных данных показывает, что в ближайшее время наиболее вероятно развитие следующих видов альтернативных топлив: водород (сжиженный, сжатый или получаемый на борту транспортного средства (ТС)), диметиловый эфир, метанол, природный газ (сжиженный или сжатый).

На данный момент для всех вышеперечисленных веществ имеются сложности в цепи "производство - стационарное хранение - доставка потребителю - хранение на борту ТС - получение энергии в двигателе". В мире параллельно ведутся научные разработки по внедрению этих топлив, и окончательный выбор в пользу какого-либо из них не сделан. В работе сделана попытка решения некоторых проблем, связанных с использованием сжиженного природного газа на транспорте.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью является создание термодинамически обоснованной технологии заправки автомобильных ТС сжиженным природным газом (СПГ), сравнимой по трудоемкости с заправкой бензобака и учитывающей требования минимального воздействия на окружающую среду.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

- теоретическое исследование последовательности происходящих в баке процессов и оценка вклада каждого из них в суммарные потери жидкости и продолжительность заправки;

- создание модели захолаживания криогенного бака, позволяющей оптимизировать время заправки и потери жидкости;

- теоретическое исследование заправки насыщенной жидкостью и заправки жидкостью с температурой ниже равновесной при давлении заправки (недогретоЙ жидкостью);

- теоретическое исследование методов утилизации паров СПГ,

- разработка и создание экспериментального стенда на основе криогенного бака для исследования процесса заправки;

- экспериментальное исследование термодинамических параметров процесса заправки бака.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

- произведена оценка влияния коэффициента теплоотдачи при контакте криогенной жидкости и образующегося пара со стенками бака на продолжительность захолаживания;

- проведен анализ различных моделей определения температурного напора "газ-стенка" при захолаживании бака;

- проведен теоретический анализ различных схем заправки бака, в том числе схемы с закрытым дренажом;

- проведен теоретический анализ различных схем утилизации дренируемого пара;

- получены новые результаты экспериментального исследования заправки криогенного бака при различных давлениях на входе жидкости.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

- предложена простая методика оценки продолжительности захолаживания криогенного бака;

- разработаны рекомендации по снижению времени заправки и дренажных потерь в процессе захолаживания бака и в процессе накопления в нем жидкости;

- обоснована предпочтительность различных методов получения недогретой жидкости для заправочных станций различной мощности;

- на основе криогенного бака объемом 0.2 м* создана экспериментальная система для „ определения термодинамических параметров процесса заправки бака (давление, температура, расход дренируемого пара);

- разработаны практические рекомендации по оптимальному конструктивному исполнению различных элементов бака и заправочной станции.

РЕКОМЕНДАЦИИ К ВНЕДРЕНИЮ Созданный экспериментальный стенд задействован в ООО "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий -ВНИИГАЗ", для изучения термодинамических параметров процесса заправки бака.

ДОСТОВЕРНОСТЬ И ОБОСНОВАННОСТЬ ПОЛУЧЕННЫХ ДАННЫХ обеспечивалась:

- применением аттестованных измерительных средств и апробированных методик измерения;

- хорошей повторяемостью полученных результатов измерений;

- использованием классических термодинамических зависимостей.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

- предложенная модель захолаживания криогенного бака;

- рекомендации по снижению времени заправки и дренажных потерь в процессе захолаживания бака и в процессе накопления в нем жидкости;

• результаты аналитического исследования заправки криогенного бака равновесной и недогретой жидкостью.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- конференции МЭИ "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" 28.02-01.03 2002 п

— научно-техническом семинаре кафедры "Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения" МГТУ им. Н. Э. Баумана 28.12 2005 г;

- научно-техническом семинаре ООО "ВНИИГАЗ" 15.03 2006 г. ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА заключается в проведении теоретических и экспериментальных исследований, в разработке моделей захолаживания и заполнения криогенного бака.

ПУБЛИКАЦИИ: По теме диссертационной работы опубликовано 3 печатные работы.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ: Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и содержит 94 стр, основного текста, 52 рис., 4 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ВО ВВЕДЕНИИ подчеркивается актуальность проблемы поиска альтернативных автомобильных топлив и дается сравнение различных путей решения этой проблемы.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена обзору литературных данных и постановке задач, исследования. Проанализированы существующие проблемы перевода автотранспорта на СПГ, определены основные технические требования к бортовым топливным системам. Анализ литературных источников показывает, что у созданных на данный момент в России КБТС имеются уязвимые места с точки зрения специфических ограничений, налагаемых автотранспортным средством.

Главным выводом литературного обзора является необходимость создания технологии заправки, обоснованной с точки зрения малого времени заправки, минимальных потерь жидкости, ограниченного сброса газа в окружающую среду и возможности коммерческого учёта количества заправленного СПГ. Заправочная станция должна быть рассчитана на заправку топлива при различных начальных условиях в криогенном баке автомобиля, в т. ч. при высоком давлении в баке или заправке теплого бака.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена исследованию процесса захолаживания криогенного бака. Для иллюстрации происходящих в баке процессов при его заправке на рис. 1 представлена типичная экспериментальная кривая роста массы жидкости т в зависимости от времени г при заполнении теплого криогенного бака.

Из рис, 1 следует, что в течение некоторого времени накопления массы содержимого бака не наблюдается, то есть вся поступающая жидкость испаряется на стенках внутреннего сосуда, охлаждая их. Затем процесс роста массы проходит переходный участок, после чего накопление жидкости происходит линейно. Разделим процесс заправки теплого сосуда на две

стадии:

- захолаживание бака, характеризующееся отсутствием роста массы т и интенсивным охлаждением стенок внутреннего сосуда;

— накопление жидкости, характеризующееся линейным ростом т и стабилизацией температуры стенок внутреннего сосуда.

Момент перехода от первой стадии ко второй будем определять как пересечение финального линейного участка «(г) с осью абсцисс (штриховая линия на рис. 1).

Анализ литературных данных показывает, что предложенные ранее

модели заправки

криогенного сосуда

достаточно трудоемки и не позволяют быстро оценить время захолаживания

сосуда. Ниже представлена модель захолаживания, основанная на том факте, что' основную практическую ценность представляют два параметра процесса охлаждения: количество жидкости, необходимое для охлаждения бака, и длительность этапа охлаждения.

Для создания модели захолаживания будем использовать допущение о том, что параметры газа и температура стенки внутреннего сосуда не имеют пространственного распределения. Такое допущение несправедливо при медленной заправке стационарных криогенных емкостей, поэтому будем предполагать, что описываются процессы для малых баков с достаточно высокой скоростью заправки. Разделим процесс заправки теплого сосуда на три этапа:

I. Входящая жидкость охлаждает газ в баке - этот этап заканчивается при достижении средней температуры в баке уровня температуры насыщения;

II. В емкости происходит сложный процесс теплообмена, включающий в себя испарение капель жидкости и нагрев газа в пристеночной области;

III. Тепловой поток от стенок снижается настолько, что расход входящей жидкости превышает скорость ее испарения — в баке

: происходит накопление жидкости.

Таким образом, процесс захолаживания состоит из этапов I и II, а накопление массы жидкости соответствует этапу III. Можно показать, что 4

600 1000 т,С 1500

Рисунок 1. Процесс накопления жидкости

продолжительность первого этапа заправки описанного бака СПГ имеет порядок 1 с. Это объясняется тем, что теплообмен между стенками и газом на этом этапе столь незначителен, что почти вся энтальпия входящей жидкости идет на охлаждение газа и понижение давления в баке.

Изменение давления в ходе II и III этапов описывается предложенной В.Е. Филимоновым зависимостью

tn-Cv'----— = -T—--Gex--

dx dP v—v

(1)

где Су - изохорная теплоемкость парожидкостной смеси, Р - давление в криогенном баке, Т3 - равновесная температура, (2 - теплоприток от стенок бака к его содержимому, V' и V" —удельные объемы жидкой и паровой фаз, И' и И" — энтальпии жидкой и паровой фаз, /г^, Ь„Ых ~ энтальпии входящей жидкости и дренируемого пара, С«х> Свых - массовые расходы входящей жидкости и дренируемого пара.

Можно показать, что численное решение данного уравнения для процесса захолаживания дает неустойчивое решение. Это связано с тем, что в процессе захолаживания левая часть уравнения (1) на порядки меньше каждого из слагаемых в правой части из-за малой массы системы т. Таким образом, левая часть уравнения (1) на порядок ниже теплопритока £? и она может быть принята равной нулю, и итоговая система уравнений состоит из уравнения сохранения энергии для стенки, уравнения сохранения массы и уравнения энергии

<Ю!<1т = - <)/л/б • с^ <£) <Ди/</г - Ов* - <Лы*

+-—--0„--—--

которые при Твых > Т* дополняются условиями ¿/т/г/г = 0, = Здесь

в — температура стенки внутреннего сосуда, Мб и сш ~ масса и теплоемкость внутреннего сосуда.

Динамика охлаждения внутреннего сосуда учитывает контакт со стенками жидкой и паровой фазы: 2 = —

где Г ж ~ площадь контакта жидкости со стенками, а^с — коэффициент теплоотдачи по жидкости. Изохорная теплоемкость содержимого бака сУ

является функцией

паросодержания и давления в баке: сМб.И, где хп -массовое паросодержание содержимого бака.

Для определения воспользуемся предположением Рисунок 2. Расчетная схема о том, что вся жидкая фаза

„ , контактирует со стенками в

распределения жидкои фазы в сосуде

нижней части сосуда (см. рис. 2), и что выноса жидкой фазы в дренаж не происходит — в этом случае рж вычисляется как функция от (т, Р) из геометрических соображений. Также будем считать, что жидкая фаза начинает выпадать в момент снижения твЫх Д° уровня температуры насыщения.

Основным недостатком системы уравнений (2) является невозможность аналитически определить время захолаживания — это связано с тем, что производные переменных т, Р нельзя принять равными нулю при наличии накопления жидкости. Для упрощения системы уравнений воспользуемся экспериментальными данными.

На рис. 3 представлены типичные экспериментальные кривые изменения давления в баке Р и расхода через дренажную линию ОвЫх* Данные результаты получены при заправке бака жидким азотом при следующих условиях:

— начальные условия: температура стенки 01ШЧ = 300 К, температура газа в баке Т,шч ~ 300 К, давление в баке Р,шч =1.5 бара;

- давление на входе в заправочную линию Р\ = 3.5 бара. Отметим следующие особенности представленных на рис. 3 графиков:

1. во время захолаживания давление в баке Р остается практически постоянным (рис. 3 б);

2. во время захолаживания наблюдается слабый рост дренажного

расхода йтлх (рис. 3 а). Это связано с тем, что дренажный расход

при охлаждении стенки бака намного больше дренажного расхода

при заправке холодного бака, что приводит к появлению звукового

течения в дренажной линии, т. е. С?„ы* ограничивается не

гидравлическим сопротивлением дренажной линии, а ее

критическим сечением.

а в

а — расход через дренажную линию, б - давление

Если принять расход через выходную линию постоянным, то система уравнений (2) преобразуется в следующие уравнения:

д/ = при твых>т,

Мб'Ссгп' с1т 1 -0'(И"-ИихУ «ри Тм-Т*

{19

Мб ' Сет ~Г ~ * Р' Ф " Теых) Если сст и Срг принять постоянными и равными соответствующим

среднеинтегральным теплоемкостям, а расход С определить из уравнения

то уравнения интегрируются. Зависимость температуры выходящего газа от времени является ломаной функцией:

вгшч Тз ^

А"-Л,

1 +

С ре

-ехр

а-Р

-О

•Срг

Мб'Ссгп

А"—А

+ Т,--— при г<гг(3)

Срг

Тх при г £ ту

где время гг соответствует моменту достижения т«ых(г) температуры насыщения:

тг =

_ Мб' Сст

' О. ^

с?

* С/>г

1 +

' Срг

а-Р

■1п

Срг

V ¿V

Температура стенки до момента времени ту падает экспоненциально, а после гТ - линейно:

000=

ехр

-С

Мб'Сст

И*),

Ирм г < гг

рг

{ г

\ + !п

Срг 1 "Г)

к

&нач Тг +

А"-*«

С рг

^ Мб'Сст )

+ Т, при Г £ Тт

^ Срг I,

Время снижения температуры стенки в до уровня Тя составляет

ч

Мб - Сет 6'Срг

Г г- ^ Ь'Срг

1 + -

а-Р

1 + /п

днач Тх

Срг

Срг

I

-1

л

(4)

В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ исследуется процесс накопления жидкости в криогенном баке при заправке насыщенной и недогретой жидкостью (рис. 4). Исследование процесса накопления жидкости производилось для заправки насыщенной инедогретой жидкостью.

£

7

7 :

2/У _

/ 4

Л, кДж/кг

Рисунок 4. Заправка насыщенной и недогретой жидкостью а б

/ Р,бара - ОПТ 1

6 5 ' ЛЧОТ 1 .......р

1 ■

4 ----

3

1

2 —.....- —

1 *

г 3 4 5 6 7 Р^блра

и

I

М 0.« <Л7

50

100

150 Чдцх 200

Рисунок 5. Оптимальное значение Р для наполнения насыщенной жидкостью

Для заправки насыщенной жидкостью показано, что условием максимальной скорости заправки является соответствие давления в баке

уравнению

{r<

)J

с1Г1г(ГУ (У'(РО+уЧРУ)+ (/)'(Р])- А'СО> V (/"))]

Основным достоинством данного уравнения является то, что оно не содержит конструктивных характеристик бака и зависит только от свойств жидкости и давления Р{ на входе в заправочную линию. Эту же зависимость можно представить графически, что сделано на рис. 5а для азота и СПГ, Применительно к конструктивным характеристикам бака данная зависимость выражается в том, что, зная гидравлическое сопротивление входной линии можно подобрать такое сопротивление выходной линии, при котором

скорость заправки будет

з

Gm, кг/с 2.5

1.5

1

0.5

кых

Г = во

_1_L

J_L

максимальной (рис. 56).

Для жидкости скорости закрытом дренаже

вх

350

недогретой показано, что заправки при и открытом практически не различаются (рис. (6). Это связано с тем, что количество удаляемого пара настолько мало, что даже при бездренажной заправке оно полностью конденсируется поступающим недогретой жидкостью практически без изменения скорости

заправки. .......

Показано, что на процесс заправки с закрытым дренажом оказывает влияние начальное давление в баке. При высоком начальном давлении процесс заправки может практически остановиться, т. е. накопления жидкости не происходит, тогда как при низком начальном давлении и прочих равных условиях заправки идет достаточно быстро (рис. 7).

8

Р, бара б

0 50 100 150 200 250 С

Рисунок 6. Скорость заправки при открытом н закрытом дренаже

_____________

-Рнач=3бара

— Рнач=5барз

О 100 200 300 t.C 400 ' ~ 0 100 200 300 г, с 400

Рисунок 7. Влияние начального давления в баке иа процесс заправки

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ дается описание созданной экспериментальной установки. Исследование процесса заправки (рис. 8) производилось путем заправки жидким азотом и сжиженным природным газом установленного на весах 11 криогенного бака 5. Передавливание жидкости осуществлялось предварительным наддувом заправочной емкости. Масса содержимого бака от измерялась с помощью весов II, давление в баке Р - манометром 7, а расход и температура Теш ~ расходомером и термометром на

дренажной линии. При заполнении жидким азотом дренируемый газ выпускался в атмосферу непосредственно на месте заправки, при заполнении СПГ - выпускался на свечу, удаленную на 25 м.

1 — заправочная емкость, 1 — контур наддува, 3 - теплообменник наддува, 4 — заправочная линия, 5 — криогенный бак, 6 — дренажная линия, 7 - манометр, 8 - панель бака, 9 - указатель уровня, 10 - вентиль наддува, 11 —

весы, 12-расходомер

Для сравнения базовой модели захолаживания с экспериментальными данными в выражении для СвЬ1Х учитывается возможность критического течения в выходной линии:

У крип,' (Твых .Р)Рг<Твых>Р)

— >Гвы.т^' (Р ~~ РыпнУ

_

ь вы* у

Решение системы уравнений (2) для жидкого азота показано на рис. 9 пунктирными линиями. Соответствующие экспериментальные значения показаны сплошными линиями. Заполнение бака азотом производилось из цистерны типа ЦТК, на рис. 9г также показаны значения равновесной температуры вычисленные по данным на рис. 96. Из рис. 9 следует, что

Схых^.Тных^ т'п

я-г/,

вых

1

уточненная система уравнений (2) отражает такие особенности процесс заправки, как:

- переходный участок роста массы (рис. 9а);

- падение давления в сосуде в конце захолаживания (рис 96);

- рост расхода через дренажную линию (рис 9в).

а - масса жидкости, б - давление, в - расход через дренаж, г-температура

дренируемого газа

В соответствии со схемой определения времени захолаживания на рис 1, время захолаживания на рис. 9а составляет 1140 с, что на 7% ниже экспериментального значения (1214 с). Коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении жидкости аж (см рис. 10) сравним с коэффициентом теплоотдачи для газа, поэтому эта величина не оказывает существенного влияния на время захолаживания. Основным фактором, приводящим к погрешности определения времени захолаживания по уравнениям (2), является несоответствие температуры выходящего газа экспериментальным данным. Расчетная температура выходящего газа выше экспериментальной (рис. 9г), поэтому расчетное время захолаживания ниже экспериментального.

Рисунок 10 — теплообмен газа/жидкости со стенками для заправки бака азотом: а — коэффициенты теплоотдачи, б — произведение коэффициентов теплоотдачи по газу и жидкости на площади контакта газа и жидкости

соответственно

Экспериментальный интегральный коэффициент теплоотдачи в процессе захолаживання был определен из (2):

vj<b"-jL«ba(Твых.эУ) _ И-ОЬг-ЛО+уЧй»-^)

= '........ " ~ у"-у'........... ......" '°вЫХЗ ' у"-у' .....

F •($- ТвЫх.э}

В связи с тем, что в экспериментах температура стенки не измерялась, для вычисления аэ (рис. 10а) использовались теоретические значения в (рис: 9г); для температуры ТвЫх. э и давления р3 использовались экспериментальные данные. Из рис. 10а следует, что использование зависимостей для естественной конвекции для определения коэффициента теплоотдачи дало завышенные значения а. На рис. 11 показаны результаты расчета и экспериментальной заправки бака СПГ. Эксперимент проводился при следующих условиях: начальные условия: температура стенки 0нач = 300 К, температура газа в баке Т,шч — 300 К, давление в баке Р,шч = 1.5 бар; давление на входе в заправочную линию Рх ~ 6 бар. Ошибка определения времени захолаживания составляет 5% (267 с. в эксперименте, 280 с. теоретически).

ео

т, кг 40 -

■

Т-

Экспернмент Модель

------^

О 200

400

600 "С, С 80

600 и, с 800

Рисунок 11. Решение системы (2) для заправки бака СПГ а - масса жидкости, б - давление

500

1000 х.с 1500

авых.иг/е

0.015

0.01

0.005

1000 х,с 1500

Х,С им

Рисунок 12. Демонстрация аналитической модели для заправки бака азотом а - масса жидкости, б - давление, в - расход через дренаж, г - температура

дренируемого газа

На рис. 12 представлены результаты моделирования заправки бака жидким азотом в соответствии с (3). Из рис. 12 следует, что теоретическое

изменение температуры выходящего газа не соответствует экспериментальным данным. Тем не менее» сравнение двух параметров, обладающих наибольшей практической ценностью для описания процесса захолаживания показало хорошую точность модели при определении балансовых показателей процесса захолаживания бака:

— время захолаживания 1214 с в эксперименте и —1121 с теоретически (4) (ошибка 8%);

— масса жидкости для охлаждения 16.6 кг в эксперименте и 18.2 кг теоретически (ошибка 10%).

Сравнение аналитической модели с экспериментальными кривыми

роста массы содержимого бака т и изменения давления в нем Р, при

заправке бака СПГ представлены на рис. 13. Ошибка определения времени

захолаживания составляет 5% (267 с. в эксперименте, 240 с, теоретически),

я б

Рисунок 13. Сравнение аналитической модели заправки бака СПГ а - масса жидкости, б - давление

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В процессе проведения диссертационного исследования получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Проведен теоретический анализ различных схем заправки бака, в том числе схемы с закрытым дренажом;

2. Проведен теоретический анализ различных схем утилизации дренируемого пара;

3. Разработаны рекомендации по снижению времени заправки и дренажных потерь в процессе захолаживания бака и в процессе накопления в нем жидкости;

4. Обоснована предпочтительность различных методов получения недогретой жидкости для заправочных станций различной мощности;

5. На основе криогенного бака объемом 0.2 м3 создана экспериментальная система для определения термодинамических характеристик процесса заправки бака;

6. Предложена и опробована новая модель захолаживания криогенного бака, позволяющая оценить с точностью около 10% затраты времени и криогенной жидкости на захолаживание;

7. Получены новые результаты экспериментального исследования заправки криогенного бака при различных давлениях на входе жидкости;

ОСНОВННЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Жердев А. А., Славин М. В. Авторефрижератор с гибридным двигателем на сжиженном природном газе // Вестник МГТУ им, Н. Э. Баумана. Машиностроение. - 2002. - Специальный выпуск "Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения". - С. 46-54.

2. Горбачёв С. П. Жердев А, А., Славин М. В. Влияние недогрева СПГ на длительность заправки бортовой топливной системы // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Машиностроение. - 2005. - Специальный выпуск "Холодильная, криогенная техника, системы кондиционирования и жизнеобеспечения". - С. 129-137.

3. Горбачёв С. П., Попов В. П., Славин М. В. Определение времени захолаживания криогенного бака// Известия ВУЗов. Машиностроение. - 2006. - №5. - С. 43-54.

Подписано к печати 18.09.06 Формат 60x84/16 Объем Печ. л. 1 ДТираж 100. Заказ №401

Типография МГТУ им. Н.Э. Баумана 105005 2-я Бауманская ул., д.5 263-62-01

Условные обозначения

Введение

1 Обзор литературных данных и постановка задачи исследования

1.1 История вопроса

1.2 Экологические предпосылки использования СПГ

1.3 Экономические предпосылки использования СПГ

1.4 Описание процесса заправки бака

1.5 Формулировка цели исследования

2 Исследование процесса захолаживания криогенного бака

2.1 Двумерная модель заправки бака

2.2 Нульмерная модель захолаживания бака

2.3 Аналитическая модель захолаживания бака

3 Исследование процесса накопления жидкости

3.1 Термодинамика процесса накопления жидкости

3.2 Заправка равновесной жидкостью

3.3 Заправка недогретой жидкостью

3.4 Выбор оптимального метода получения недогретой жидкости

3.5 Выбор оптимального метода заправки

3.6 Утилизация паров СПГ

4 Экспериментальное исследование заправки криогенного бака

4.1 Экспериментальная система

4.2 Согласование нульмерной модели захолаживания с экспериментом

4.3 Согласование аналитической модели захолаживания с экспериментом

4.4 Захолаживание бака с закрытым дренажом

4.5 Влияние выноса жидкости в дренаж на процесс захолаживания бака 90 Выводы 93 Литература

Условные обозначения и - внутренняя энергия термодинамической системы О, - количество теплоты, поступающее в систему Р - давление

V- объем термодинамической системы в пределах контрольной поверхности О - массовый расход потока, поступающего в систему к - удельная энтальпия т- время

- изохорная теплоемкость парожидкостной смеси Срг - изобарная теплоемкость газа суг - изохорная теплоемкость газа р - плотность Г-температура Т5 - равновесная температура V - удельный объем т - масса системы термодинамической системы

8 - толщина стенки и - вертикальная скорость

Ж- горизонтальная скорость х - координата вдоль потока

Н- вертикальная координата а - коэффициент теплоотдачи по газу

В - диаметр тела в - температура стенки

Мст - масса стенки

Т7 - площадь сст - теплоемкость материала стенки г - теплота парообразования к - коэффициент трения среды в канале С, - коэффициент гидравлического сопротивления Р] - давление на входе в заправочную линию П- периметр

АТ - температурный напор т] г - динамическая вязкость газа

Хг - коэффициент теплопроводности газа

Д, - температурный коэффициент объемного расширения газа р?ж - площадь контакта жидкости со стенками аж - коэффициент теплоотдачи по жидкости хв - массовое паросодержание крит ~ площадь критического сечения

Ун - локальная скорость звука ¿/-проходной диаметр канала ф - коэффициент дренажных потерь 0,ос - теплоприток из окружающей среды

Индексы к- к-й поток массы вх - входящий поток массы вых - выходящий поток массы - насыщенная жидкость - насыщенный пар нач - начальные условия ст - материал стенки ср - среднеинтегральное за промежуток времени

В настоящее время из-за сложившейся в крупных городах неблагоприятной экологической обстановки и истощения на Земле запасов нефти ведется поиск альтернативных автомобильных топлив, способных решить эти взаимосвязанные проблемы. Обзор литературных данных [1-4, 13, 15, 16, 33-38, 50] показывает, что в ближайшее время наиболее вероятно развитие следующих видов альтернативных топлив:

- природный газ (сжиженный или сжатый);

- водород (сжиженный, сжатый или получаемый на борту ТС);

- диметиловый эфир;

- метанол;

- синтетический бензин.

Водород может храниться в баке автомобиля в жидком или газообразном виде или получаться на борту автомобиля из водородосодержащих веществ типа ДМЭ или метанола. Главным преимуществом водорода является возможность его использования в топливных элементах, в которых в результате электрохимической реакции высвобождается электрическая энергия, используемая для привода автомобиля - при этом транспортное средство будет обладать "нулевым выбросом" в атмосферу. Главные сложности его использования заключаются в высокой цене и низкой эффективности топливных элементов.

Из всех перечисленных веществ только диметиловый эфир является альтернативой дизельному топливу из-за его низкой температуры воспламенения (235°С). Использование природного газа в газодизельном цикле является лишь частичным решением проблемы замещения дизельного топлива, что связано с высокой температурой воспламенения природного газа (645°С). Главным недостатком ДМЭ является выброс в атмосферу углекислоты при его производстве. По своим физико-химическим свойствам ДМЭ во многом аналогичен пропанобутановой смеси и может реализовываться на пропанобутановых АЗС практически без переоборудования.

Использование метанола как моторного топлива особенно поощрялось в США, отчасти оттого, что метанол хранится в жидком виде, подобно бензину. Однако, метанол как моторное топливо привлек значительно меньше внимания в Европе, так как он является ядовитой жидкостью и требует значительных затрат энергии при производстве.

Природный газ, состоящий в основном из метана, может храниться на борту автомобиля как в сжиженном (СПГ), так и в сжатом (КПГ) состоянии. Главным преимуществом сжиженного природного газа перед компримированным природным газом является то, что при сжижении объем газа уменьшается в 600 раз - это позволяет создать для ТС намного больший по сравнению с КПГ запас хода без дозаправки. СПГ является более перспективным к внедрению по сравнению с жидким водородом из-за более высокой равновесной температуры, дешевизны и большей объемной теплоты сгорания (21.1 МДж/м по сравнению с 8.5 МДж/м для жидкого водорода).

Несмотря на то, что получение синтетического бензина возможно из недорогих органических материалов, в том числе из отходов, такое топливо на данный момент превосходит по цене традиционный бензин в 1.8-2 раза, что связано с трудностью очистки продукта от примесей.

Таким образом, на данный момент для всех вышеперечисленных веществ имеются сложности в цепи "производство - стационарное хранение - доставка потребителю - хранение на борту ТС - получение энергии в двигателе". В мире параллельно ведутся научные разработки по внедрению этих топлив, и окончательный выбор в пользу какого-либо из них еще не сделан. В данной работе представлено решение некоторых проблем, связанных с использованием сжиженного природного газа на автомобильном транспорте.

Автор благодарит за поддержку ООО "Научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий - ВНИИГАЗ" и ЗАО "НПФ "Экип".

Выводы

6. предложена о опробована новая модель захолаживания криогенного бака, позволяющая оценить с точностью около 10% затраты времени и криогенной жидкости на захолаживание;

7. получены новые результаты экспериментального исследования заправки криогенного бака при различных давлениях на входе жидкости;

8. проведен анализ различных моделей определения температурного напора "газ-стенка" при захолаживании бака.

1. Кириллов Н. Г. Сжиженный природный газ как универсальное моторное топливо XX1.века: технологии производства и системы долгосрочного хранения. - М.: ИРЦ Газпром, 2002. - 63 с.

2. Перспективы и опыт применения сжиженного природного газа на объектах ОАО "Газпром": Материалы Науч.-техн. совета ОАО "Газпром", г. Санкт-Петербург, 22-23 дек. 2001 г. -М., 2002. 126 с.

3. Информационный бюллетень Национальной Газомоторной Ассоциации. 2003. - № 1 (12).-24 с.

4. Информационный бюллетень Национальной Газомоторной Ассоциации. -2003.-№2(13).-16 с.

5. Drexel Fueling Facilities. Houston: Zeus Development Corporation, 1993. -33 p.

6. Справочник по физико-техническим основам криогеники / Под ред. М. П. Малкова. М.: Энергоатомиздат, 1985. - 431 с.

7. Qualitative Risk Assessment for an LNG Refueling Station and Review of

8. Relevant Safety Issues / Siu N., Herring J. S., Cadwallader L. et al. Idaho Falls, 1998. - 212 p. (Idaho National Engineering Lab. report INEEL/EXT-97-00827-Rev.2).

9. Вершицкий В. A. Изотермическое хранение сжиженных газов. Технико-экономические показатели и области использования. Л.: Недра, 1970. - 192 с.

10. Ю.Иванцов О. М. Хранение сжиженных газов при низких температурах. М.: Недра, 1984. - 150 с.

11. Тарабрин В. А. Математическая модель теплового состояния парового пространства низкотемпературного резервуара для хранения СПГ // Газовая промышленность. Транспорт и хранение газа. 1981. - №5. - С. 21-28.

12. Клименко А. П. Сжижение метана, его транспорт и хранение // Сб. трудов ИИГАН УССР. -1961. Вып. 2, №9 - Сжижение и разделение углеводородных газов. - С. 44-50.

13. Терентьев Г. А., Тюков В. М., Сливин Ф. В. Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов. М.: Химия, 1989. - 270 с.

14. Филин Н. В., Буланов А. Б. Жидкостные криогенные системы. Л.: Машиностроение: Ленингр. отд-ние, 1985. - 246 с.

15. Дешевых Ю. И. Пожарная безопасность объектов изотермического хранения сжиженного природного газа: Дис. канд. техн. наук. М., 2001. - 211 с.

16. Пронько В. Г. Двухступенчатая модель теплопередачи применительно кохлаждению криогенного оборудования в условиях пленочного кипения // Криогенная техника. 1975. - Вып. 17. - С. 28-42 (Сб. трудов Балашихинского НПО "Криогенмаш").

17. Филимонов В. Е. Анализ термодинамических процессов при переменной массе рабочего тела // Криогенная техника. 1977. Вып. 18. - С. 21-32 (Сб. трудов Балашихинского НПО "Криогенмаш").

18. Филимонов В. Е. Термодинамический анализ двухфазных систем переменной массы // Криогенная техника. 1977. Вып. 18. - С. 33-45 (Сб. трудов Балашихинского НПО "Криогенмаш").

19. Горбачев С. П. Кристаллизация диоксида углерода в системах регазификации СПГ // СПГ и СЖТ: мировые и российские перспективы: Тез. докл. межд. конф. М., 2004. - С. LNG-C3.

20. ТУ 51-03-03-85 Газ горючий природный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания. М., 1985. - 40 с.

21. ГСССД 81-84 Газ природный расчетный. Плотность, фактор сжимаемости, энтальпия, энтропия, изобарная теплоемкость, коэффициент объемного расширения и показатель адиабаты. М., 1984. - 22 с.

22. Физические величины: Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мелихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

23. Сжиженный природный газ (СПГ). Физико-химические, энергетические и эксплуатационные свойства: Справочник / Под ред. И. Л. Ходоркова. СПб.: Химиздат, 2004. - 174 с.

24. Звягин Г. М., Довгялло А. И., Романов И. Г. Перспективные технологии применения сжиженного природного газа для заправки автотранспорта и для газоснабжения. М.: ИРЦ Газпром, 1997. - 67 с.

25. NexGen Fueling Vehicle Fuel Tank System Operations Manual. New Prague: NexGen Fueling, 2002. - 27 c.

26. Bünger U., Loerbroks A. First Results from Demonstration Activities with LNG/LCNG as a Vehicle Fuel in Europe. Ottobrunn: L-B-Systemtechnik GmbH, 1998. - 16 c.

27. Bunger U. Neue Entwicklungen der LH2- und LNG-Kryotechnik fur den Einsatz in Kraftfahrzeugen.: VDI-Seminar Kryotechnik. Karlsruhe, 1999.31 .Бак криогенный топливный руководство по эксплуатации ПСМ 036.00.000.РЭ. - М.: НПФ "Экип", 2004. - 43 с.

28. Anderson D. On-Board Pressure-Building Device for Vehicle Fuel Tanks. Idaho: Idaho National Laboratory, 2005. - 2 p.

29. Васильев Ю. H., Гриценко А. П., Золотаревский Jl. С. Транспорт на газе. -М.: Недра, 1992.-341 с.

30. Мкртычан Я. С., Чириков К. Ю. Многотопливные станции заправки автотранспорта газовыми и жидкими моторными топливами: Докл. на конференции "Автогаз-91". Паланга: АО ЦГТ, 1991. - 4 с.

31. Рачевский Б. С. Безопасность при использовании углеводородных газов в качестве моторного топлива // Газовая промышленность. 1988. - №8. - С. 49-51.

32. Сжиженный природный газ моторное топливо. Состояние, перспективы, развитие. Сборник материалов совместного заседания комиссии по газомоторному топливу при правительстве РФ и Европейской газомоторной ассоциации. - СПб.: ДП "Лентрансгаз", 1998. - 63 с.

33. Постановление Правительства Москвы от 12 марта 2002 года № 170-ПП "О городской целевой программе использования альтернативных видов моторного топлива на автомобильном транспорте города на 2002-2004 годы". М., 2002. - 54 с.

34. Чириков К. Ю. Мельник В. П. Использование СПГ в народном хозяйстве. -М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1991. 41 с.

35. Васильев Ю. Н., Гриценко А. И., Чириков К. Ю. Газозаправка транспорта. -М.: Недра, 1995.-435 с.

36. Веселов М. В. Решение задач гидравлического расчета систем заправки ракеты космического назначения средствами пакета Simulink

37. Проектирование инженерных и научных приложений в среде MATLAB: Труды Второй Всерос. научн. конф. М., 2004. - С. 1418-1421.

38. Jenks С. W. Technology Assessment of Refueling-Connection Devices for CNG, LNG and Propane. Transit Cooperative Research Program Research Results Digest Number 25. Washington.: Transportation Research Board, 1998. - 46 p.

39. Васильев Ю. H., Гриценко А. П., Золотаревский JI. С. Газообеспечение транспорта. М.: ИРЦ АО "Газпром", 1993. - 103 с.

40. Филимонов В. Е. Расчет времени охлаждения криогенной магистрали газообразным и жидким хладагентами // Криогенная техника. -1981. С. 3846 (Сб. трудов Балашихинского НПО "Криогенмаш").

41. Пронько В. Г. О влиянии интенсивности теплообмена и параметров потока хладоагента (теплоносителя) на скорость охлаждения и нагрева тел // ИФЖ. 1974. - Т. 26, №4. - С. 696-700.

42. Тепловой и гидравлический расчет процесса заправки автомобильного бака жидким метаном / Э. А. Амелин, А. Ф. Бондарь, В. И. Борисенко и др. -Харьков: ФТИНТ, 1986. 11 с. (Препр. АН УССР, Физ.-техн. ин-т низ. температур; 53-86).

43. Житомирский И. С., Романенко В. Г. Методика численного расчета нестационарных тепловых и гидрогазодинамических процессов в сложных криогенных системах. Харьков: ФТИНТ, 1986. - 52 с. (Препр. АН УССР, Физ.-техн. ин-т низ. температур; 32-86).

44. Романенко В. Г. Математические модели, алгоритмы и программы расчета процесса заправки безрасходных аккумуляторов холода. Харьков: ФТИНТ, 1990. - 16 с. (Препр. АН УССР, Физ.-техн. ин-т низ. температур; 35-90).

45. Беляков В. П., Буткевич И. К., Филимонов В. Е. Расчетно-экспериментальное исследование режимов захолаживания гелиевых систем // Криогенная техника. 1979. - С. 10-19. (Сб. трудов Балашихинского НПО "Криогенмаш").

46. Stephens С. A., Hanna G. J., Gong L. Thermal-Fluid Analysis of the Fill and Drain Operations of a Cryogenic Fuel Tank: NASA Technical Memorandum 104273. Dryden: NASA, 1993. - 21 p.

47. Н. Ф. Дубовкин, и др. Авиационные криогенные углеводородные топлива. -Казань: Абак, 1998. 255 с.

48. Захаров Ю. В., Лехмус А. А. Рациональные способы захолаживания цистерн метановозов перед приемом грузов // Судостроение: Респуб. межвед. науч.-техн. сб. (Киев) 1986. - Вып. 35. - С. 57-63.

49. Автомобиль на биометане / А. П. Гриценко, Ю. Н. Васильев, Л. С. Золотаревский и др. / Газовая промышленность. 1987. - №12. - С. 14-16.

50. Боксерман Ю. Н., Мкртычан Я. С., Чириков К. Ю. Перевод транспорта на газовое топливо. М.: Недра, 1988. - 224 с.

51. Лойцянский Л. Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. - 840 с.