Содержание к диссертации
Введение
1 Обзор литературных данных и постановка задачи исследования 7
1.1 История вопроса 7
1.2 Экологические предпосылки использования СНГ 8
1.3 Экономические предпосылки использования СНГ 10
1.4 Описание процесса заправки бака 11
1.5 Формулировка цели исследования 19
2 Исследование процесса захолаживания криогенного бака 23
2.1 Двумерная модель заправки бака 23
2.2 Нульмерная модель захолаживания бака 25
2.3 Аналитическая модель захолаживания бака 31
3 Исследование процесса накопления жидкости 39
3.1 Термодинамика процесса накопления жидкости 39
3.2 Заправка равновесной жидкостью 41
3.3 Заправка недогретой жидкостью 51
3.4 Выбор оптимального метода получения недогретой жидкости 62
3.5 Выбор оптимального метода заправки 66
3.6 Утилизация паров СПТ 69
4 Экспериментальное исследование заправки криогенного бака 72
4.1 Экспериментальная система 72
4.2 Согласование нульмерной модели захолаживания с экспериментом 77
4.3 Согласование аналитической модели захолаживания с экспериментом 82
4.4 Захолаживание бака с закрытым дренажом 87
4.5 Влияние выноса жидкости в дренаж на процесс захолаживания бака 90
Выводы 93
Литература 94
- Экологические предпосылки использования СНГ
- Нульмерная модель захолаживания бака
- Выбор оптимального метода получения недогретой жидкости
- Согласование аналитической модели захолаживания с экспериментом
Введение к работе
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.
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.
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.
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.
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.
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 ОБЪВМ РАБОТЫ: Диссертация состоит из введения, 4 глав,
заключения, списка литературы и содержит 94 стр, основного текста, 52 рис.,
4 табл.
Экологические предпосылки использования СНГ
По оценке экологов, около 80 процентов выбросов вредных веществ на территории населенных пунктов производится автотранспортом. Количество некоторых вредных веществ в составе выхлопных газов поддается регулировке и может быть сведено к минимуму за счет совершенствования конструкции двигателей, внедрения систем нейтрализации, но эти меры имеют ограниченный характер и не могут обеспечить быстрого повышения экологических характеристик автотранспортных средств.
Одним из главных движущих мотивов увеличения доли природного газа в хозяйственной деятельности человека становится необходимость сокращения парникового эффекта. По сравнению с другими видами ископаемого топлива, природный газ имеет неоспоримые экологические преимущества. В большинстве зарубежных исследований сделан вывод о том, что применение природного газа в двигателях позволяет сократить парниковые выбросы на 20%. С точки зрения экологии газовые виды топлива успешно конкурируют с традиционными видами даже в случае установки на базовых автомобилях систем нейтрализации выхлопных газов. С точки зрения воздействия на окружающую среду природный газ характеризуется: - индексом глобального потепления GW1- 164 г/км (GWI = 212 г/км для бензина и 192 г/км для дизельного топлива) - высоким отношением "водород / углерод", что уменьшает количество С02 в продуктах сгорания. Уровень выбросов С02 на 28% меньше, чем для бензина и на 18% меньше, чем для дизельного топлива - слабым влияние на разрушение озонового слоя - 30 мг озона/км (950 мг озона/км для бензина) - отсутствием токсичных компонентов (альдегидов, формальдегидов, ароматических углеводородов и бутадиенов) - низким уровнем эмиссии СО (4.5 г/км по сравнению с 7 г/км для дизельного топлива) низким уровнем эмиссии оксидов азота (4.0 г/км по сравнению с 22 г/км для дизельного топлива) - отсутствием в выхлопе серы. - уменьшением выброса твердых частиц и копоти в 2 раза по сравнению с дизельным топливом - уменьшением шума при работе двигателя с 87 дБ до 82 дБ: - В целом, вредность выбросов, приведенная к эквивалентному количеству СО при переводе транспортных средств на газ снижается: - для грузовых автомобилей с карбюраторным двигателем на - 69%, с дизельным двигателем при переводе в газодизельный режим на - 53%; - для автобусов с карбюраторным двигателем - па 76%; - с дизельным двигателем при переводе в газодизельный режим - на 44%. Доля природного газа в общемировом балансе потребления энергоносителей неуклонно возрастает, что вызвано следующими факторами; - доказанные мировые запасы природного газа существенно превышают запасы нефти; - необходимость замещения нефти другими видами сырья для ее высвобождения в интересах тех отраслей хозяйства, где она не может быть заменена - более высокая степень экологической безопасности при добыче, транспортировке, переработке, реализации и использовании; более высокие потребительские качества при применении в качестве энергоносителя или сырья; - более высокая ценовая стабильность и экономическая привлекательность для конечных потребителей.
Экономика России в последнее десятилетие характеризовалась существенным сокращением добычи нефти. По мнению ряда отечественных специалистов, запасов нефти, добыча которых рентабельна, при существующем ныне уровне потребления в России осталось на 40 лет. Традиционное отставание западной Европы от мировых показателей природного газа, в том числе и сжиженного, объясняется тем, что ранее спрос на этот энергоноситель искусственно сдерживался по политическим причинам: в этом регионе стремились избежать зависимости от импорта природного газа из СССР.
Поскольку природный газ занимает все еще сравнительно небольшое место во внешней торговле энергоносителями, движение цен на него определяется, прежде всего, общим положением на топливно-энергетическом рынке, ведущим товаром на котором сегодня является нефть. Но, в отличие от нефтяных сделок, контракты на экспорт природного газа, обычно связанные с необходимостью проведения значительного объема работ по созданию инфраструктуры, заключаются на длительные сроки (10-30 лет) за годы или даже за десятилетия до вступления их в силу.
Сегодня в России природный газ является основой топливно-энергетического баланса. На долю России приходится почти 40% разведанных запасов природного газа. На его долю приходится более 55 процентов потребления энергоресурсов. Следует отметить, что такой перекос в сторону природного газа не совсем правилен. Многие ученые отмечают необходимость сокращения доли газа в энергопотреблении и увеличения доли угля. С точки зрения запасов и объемов добычи природного газа Россия продолжает оставаться крупнейшей мировой державой. Каждый четвертый кубометр газа на мировом рынке добывается в России. Следует также отметить, что газовая промышленность проходит через кризисный переходный период с меньшими потерями, чем остальные отрасли топливно-энергетического комплекса.
Вместе с сокращением добычи нефти в России отмечается пропорциональное сокращение производства моторных топлив в нефтеперерабатывающей отрасли. При этом значительно снижено производство не только мазута, дизельного топлива и бензина, но и сжиженного нефтяного газа. Приведенные данные также позволяют сделать вывод о предпочтительности использования природного газа в качестве моторного топлива.
Нульмерная модель захолаживания бака
Для создания модели захолаживания будем использовать допущение о том, что параметры газа и температура стенки внутреннего сосуда не имеют пространственного распределения ("нульмерная" модель). Задача моделирования процесса заправки будет решается "в точке", то есть предполагается, что величины изменяются во времени, но не в пространстве.
Такое допущение несправедливо при медленной заправке стационарных криогенных емкостей, поэтому будем предполагать, что исследование проводится для малых баков с достаточно высокой скоростью заправки. Это допущение позволяет создавать модели заправки бака без привязки к его геометрии. 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. Согласно [20], изменение давления и температуры газа в баке для этапа I можно записать следующим образом: Зависимости (2-3) также необходимо дополнить уравнением сохранения энергии для стенки масса и теплоемкость [25] материала стенки, и выражением для теплопритока от стенки: где а - коэффициент теплоотдачи, AT -температурный напор. Для вычисления температурного напора воспользуемся представленной на рис. 2.2 схемой: плавное повышение температуры газа с увеличением относительной высоты Н (Н- 0 соответствует нижней точке сосуда, Н = 100% - выходу в дренаж) заменим мгновенным нагревом газа в нижней точке сосуда (полагается, что заправляемый СПГ не контактирует непосредственно со стенками, охлаждая только газ в баке). Такая замена необходима для выполнения сделанного выше допущения об отсутствии пространственного распределения параметров газа. Таким образом, АТ в Твых- В экспериментальной части работы будет показано, что выбор способа определения AT мало влияет на точность модели. Из описанного выше допущения об отсутствии пространственного распределения параметров газа следует, что h2 = heblx- В области недогретой жидкости изоэнтальпы практически совпадают с изотермами, поэтому энтальпию и температуру жидкости в состоянии 1 можно приближенно считать равным энтальпии и температуре насыщения при давлении Р0 (hex h (p0)). Для определения коэффициента теплоотдачи а будем исходить из предположения, что его можно рассчитывать для естественной конвекции в соответствии с [6]: числа Прандтля и Грасгофа: где срг - изобарная теплоемкость газа, ; j/, - динамическая вязкость газа, Пах; хг - коэффициент теплопроводности газа, ; Ds - диаметр внутреннего сосуда бака, м; Д, - температурный коэффициент объемного расширения газа; g = 9.81 м/с ; коэффициент теплоотдачи Изменение давления в ходе II и III этапов описывается зависимостью [21]:
Численное решение данного уравнения совместно с (2-4) для процесса захолаживания дает неустойчивое решение. Это связано с тем, что в процессе захолаживания левая часть этого уравнения на порядки меньше каждого из слагаемых в правой части из-за малой массы системы т. Для оценки величины левой части данного уравнения примем, что время захолаживания криогенного бака объемом 0.2 м сжиженным природным газом составляет /1т = 600 сек, давление Р при этом изменяется от 4 до 1 бара, а состояние содержимого бака близко к насыщенному пару. В этом случае тогда как теплоприток от стенки для бака такого объема имеет величину порядка 10 кВт. Отметим также, что температура Твых не может быть ниже температуры насыщения Таким образом, левая часть уравнения (2-;5) на порядок ниже теплопритока Q и она может быть принята равной нулю, и итоговая система уравнений состоит из трех дифференциальных зависимостей: В экспериментальной части работы будет показано, что 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. Малую продолжительность I этапа можно объяснить также из сравнения произведений массы на теплоемкость для внутреннего сосуда и для газа в нем. Если предположить, что масса стального внутреннего сосуда составляет 45 кг, то Mr, Сет = 45 0.41 = 18.45 кДж/К. В то же время для метана при давлении 3.2 бара и температуре 150 К плотность и теплоемкость составляют р — 4.336 кг/м3, срг_ср = 2.167 кДж/(кг-К), т. е. (рср У-срг_ср 1-54- кДж/К - как видно, для охлаждения газа требуется гораздо меньше холода, чем для охлаждения стенок бака, что подтверждается в [55], Аналогичный вывод можно также сделать для других криогенных жидкостей. В связи с малой длительностью I этапа, в процессе захолаживания главным по продолжительности является этап II - это позволяет сделать вывод о том, что в течение практически всего процесса охлаждения бака его содержимое является парожидкостной смесью. В пристеночной области температура газа выше температуры насыщения, а содержимое центральной области объема бака является парожидкостной смесью.
Выбор оптимального метода получения недогретой жидкости
Возможны следующие способы получения недогретой жидкости: 1. СПГ хранится в емкости при начальном давлении PQ 4.2 бар. На время заправки происходит кратковременное повышение давления над зеркалом жидкости до давления Р\ 6 бар (производится т. н. "наддув" заправочной емкости [9, 10, 12, 53]). При отсутствии вибраций жидкая фаза может достаточно долго сохранять начальную температуру - т. е. быть недогретой при давлении наддува. По данным [17], при наддуве температура глубинных слоев жидкости растет намного медленнее, чем температура верхнего слоя. Отбор жидкости всегда производится в нижней точке криогенного бака, поэтому будет отбираться недогретая жидкость. После нескольких заправок давление снижается до PQ путем сброса части паровой фазы в дренаж. Относительное количество сбрасываемой паровой фазы на каждый килограмм заправленного СПГ трудно оценить, так как количество заправок между наддувом и сбросом давления зависит от нагрузки на заправочную станцию. Приближенно количество Атг сбрасываемой паровой фазы после наддува можно рассчитать по следующей формуле: где V - объем заправочной емкости, м3, тж масса жидкости в заправочной емкости, кг. 2. Охлаждение СПГ при помощи дросселирования части потока: схема и процесс охлаждения представлены на рисунках 3.23 и 3.24 соответственно. СПГ в виде насыщенной жидкости (точка А) отбирается из криогенной заправочной емкости 3, находящейся под давлением Р}. Небольшая часть потока СПГ дросселируется в расширительном устройстве 1 до давления Р0 (процесс А-В). Получившаяся в результате дросселирования парожидкостная смесь испаряется (процесс В-В") и нагревается (процесс В"-С) в теплообменнике 2, охлаждая основную часть потока до температуры Tj (точка I), и сбрасывается в дренаж.
Необходимое удельное количество дросселируемой жидкости на килограмм получаемой недогретой жидкости может быть рассчитано по следующей формуле: где с р - изобарная теплоемкость насыщенной жидкости, температура насыщения при данном давлении, К; Т\ - температура в точке 1, К; Тс - температура в точке С, К; h - энтальпия газа, кДж/кг. Температуры Т\ и Тс можно определить из недорекуперации на концах теплообменника: где АТ\ в АТА-С расчетные недорекуперации теплообменника на концах 1-В и А-С соответственно, К, Принимая Pj = 6 бар, Р0 = 1.2 бар, АТ\ в = АТА-С = $К получаем, что доля дросселируемого потока должна составлять 16% от массового расхода получаемой недогретой жидкости. 3. Хранящийся при давлении около 1.2 бар СПГ сжимается при помощи криогенного насоса (поз. 1 на рис. 1.1). Для получения недогретой жидкости на выходе из насоса необходимо обеспечить его бескавитационную работу; 4. Охлаждение СПГ при помощи внешнего холодильного цикла или с использованием холода отдельно поставляемого на заправочную станцию жидкого азота [30].
Использование криогенного насоса удобно в случае непрерывной выдачи СПГ - в этом случае системе не требуется дополнительного времени на захолаживание. Криогенная заправочная емкость в этом случае будет иметь меньшую металлоемкость, так как ее рабочее давление будет ниже. Для обеспечения постоянной готовности заправочного комплекса насос либо должен быть выполнен в погружном исполнении, либо должен обеспечивать постоянную замкнутую на заправочную емкость циркуляцию. В настоящее время цена криогенного насоса российского производства, составляет примерно 12 тыс. долларов, что может составить значительную долю (до 10%) общей стоимости заправочного комплекса.
В криогенных системах нашли применение насосы двух способов действия: объемные и динамические (лопаточные). Поршневые (плунжерные) насосы обеспечивают объемный расход до 10 л/с и давление нагнетания до 70 Мпа. Главными преимуществами поршневых насосов являются высокий КПД и возможность регулировки при практически постоянном напоре. Из табл. I [27] видно, что поршневые насосы намного экономичней лопаточных.
Наддув отличается надежностью и простотой - этот способ используется, например, при заправке криогенных топлив в летательные аппараты. Тем не менее, при таких заправках не требуется постоянная готовность заправочной станции, требующаяся при заправке автотранспорта, т. к. после простоя в трубопроводах образуется паровая фаза СПГ. Также после каждой заправки необходимо сбрасывать давление в емкости для предотвращения прогрева жидкости. Другим недостатком этого способа получения недогретой жидкости является большое количество образующейся паровой фазы после наддува [38, с. 56].
Охлаждение дросселированием части потока является достаточно простым процессом, позволяющим также обеспечить постоянную готовность системы с помощью циркуляции, и количество производимой паровой фазы намного ниже, чем для предыдущего случая.
Охлаждение при помощи внешнего холодильного цикла представляет большие трудности в реализации из-за необходимости установки на заправочной станции криогенной холодильной машины или емкостей с жидким азотом.
Как видно, все методы получения недогретой жидкости имеют свои недостатки, но, несмотря на это, в мировой практике наибольшее распространение получают использование криогенного насоса или жидкого азота. Первый метод зарекомендовал себя возможностью обеспечения высоких расходов, а второй - простотой использования при постоянной готовности заправочной станции.
Согласование аналитической модели захолаживания с экспериментом
Расход G в (2;8) - (2.12) соответствует максимальному расходу через дренажную линию, так как было принято Geux {Р TS) = G - в связи с этим время захолаживания тв несколько занижено по сравнению с экспериментальными данными. Участок линейного роста массы жидкости на рис. 4.9а (пунктирная линия) построен из баланса объемных расходов бака В обеих моделях захолаживания предполагалось, что газ в сосуде мгновенно нагревается от температуры Ts до Тдых (см. рис. 2.2), что позволяет рассчитывать теплоприток от стенки к газу по простой формуле Q = a-F-(eeblx), хотя в действительности газ нагревается постепенно при подъеме вдоль стенки. Для оценки погрешности, вносимой таким допущением, в табл. 4 приведено сравнение расчетных времен захолаживания бака жидким азотом с экспериментальным для различных методик определения температурного напора в (2V5).
При среднеарифметическом температурном напоре АТ = в Т- вых " і s система уравнений (2;8) интегрируется. Например, время снижения температуры стенки до температуры насыщения составит следует, что выбор метода определения температурного напора достаточно слабо влияет на расчетное время захолаживания, поэтому следует придерживаться принятой изначально простейшей гипотезы AT = 9-твых Сравнение аналитической модели с экспериментальными кривыми роста массы содержимого бака m и изменения давления в нем Р, при заправке бака СПГ представлены на рис. 4.10. Ошибка определения времени захолаживания составляет 10% (267 с. в эксперименте, 240 с. теоретически). его заправке жидким азотом, включающая финальный участок процесса заправки (т —1500...2500). Низкий конечный расход связан, прежде всего, с преждевременным началом закрытия поплавкового клапана 17 (рис. 4.1) - из рис. 4.11 видно, что клапан начал закрываться при заполнении бака на 80% от максимума, а заправка последних 20% заняла больше времени, чем заправка предыдущих 80% жидкости. Таким образом, можно сформулировать следующие рекомендации по конструктивному исполнению бака: 1. клапан, отсекающий поток жидкости, не должен начинать закрываться слишком рано, так как это приводит к замедлению заправки конечных порций жидкости. С этой точки зрения идеальной является такая конструкция клапана, которое обеспечивает практически мгновенное перекрытие линии при заполнении, бака на максимально допустимую величину; 2. наличие подпорного клапана 6 (рис. 4.1) на дренажной линии значительно замедляет заправку, особенно для теплого бака. По возможности необходимо либо использовать такой клапан, который бы начинал закрываться лишь при приближении уровня жидкости к максимальному, либо вообще отказаться от его использования в КБТС - в этом случае перед пуском двигателя необходимо произвести операцию наддува бака, которая занимает несколько секунд, что значительно меньше выигрыша по времени заправки; 3. Для уменьшения дренажных потерь теплоемкость всех контактирующих при заправке с СПГ элементов должна быть минимальной, теплоприток из окружающей среды должен быть уменьшен путем использования изоляции заправочных коммуникаций или коаксиальной организации заправочной и дренажной линий, отношение "поверхность теплоотдачи / полезный объем" должно быть минимизировано для всех элементов заправочной линии, заправочная линия (в т. ч. заправочный шланг) не должна быть излишне длинной.
