Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных данных и постановка задачи исследования 10
1.1 Использование СПГ в качестве моторного топлива на транспорте 10
1.2 Современные криогенные бортовые топливные системы для автотранспорта и технологии их заполнения 13
1.3 Физико-математические модели и технологии заправки емкостного оборудования криогенной жидкостью 25
1.4 Выводы по обзору и цели исследования 32
Глава 2. Экспериментальная отработка технологий заправки 34
2.1 Задачи экспериментального исследования 34
2.2 Экспериментальная установка 35
2.3 Программа, методика и результаты испытаний технологического оборудования 42
Глава 3. Моделирование процессов заполнения резервуара криогенной жидкостью 46
3.1 Обобщенная модель процесса заполнения 46
3.1.1 Модель А 49
3.1.2 Модель В 59
3.2 Заполнение теплого резервуара криогенной жидкостью сверху с открытым дренажом 62
3.3 Заполнение теплого резервуара криогенной жидкостью снизу с открытым дренажом 66
3.4 Заполнение холодного резервуара криогенной жидкостью с открытым дренажом 74
3.5 Заполнение холодного резервуара криогенной жидкостью без дренажа 75
3.6 Заполнение теплого резервуара криогенной жидкостью без дренажа 88
3.6.1 Первый этап – заполнение 89 3.6.1.1 Модель А 89
3.6.1.2 Модель В 90
3.6.2 Второй этап – сброс пара 92
3.6.3 Сравнение с экспериментом 93
Глава 4. Влияние режимных и конструктивных параметров на процесс заполнения 101
4.1 Влияние вскипания входящего потока (паросодержания) 101
4.2 Влияние теплого газа в коммуникациях 110
4.3 Влияние гидравлического сопротивления заправочных и дренажных коммуникаций на длительность заполнения . 114
4.4 Влияние начальной температуры стенки бака на технологию бездренажного заполнения 118
Выводы 120
Список использованных источников 122
- Современные криогенные бортовые топливные системы для автотранспорта и технологии их заполнения
- Экспериментальная установка
- Заполнение теплого резервуара криогенной жидкостью снизу с открытым дренажом
- Влияние гидравлического сопротивления заправочных и дренажных коммуникаций на длительность заполнения
Введение к работе
Актуальность проблемы
В настоящее время в мире расширяется использование сжиженного природного газа (СПГ) в качестве газомоторного топлива. Станции заправки автотранспорта сжиженным природным газом размещены в 11 штатах США, а также в Австралии, Чехии, Германии, Великобритании. В последние годы высокими темпами развивается использование СПГ в качестве газомоторного топлива в Китае и Корее, а также в Нидерландах. Намерены использовать СПГ в качестве газомоторного топлива такие страны как Индия, Пакистан, Катар. В России Постановлением правительства предусмотрено в течение 7 лет увеличить использование природного газа в качестве моторного топлива с 350 млн. м3/годдо15 млрд. м3/год и занять лидирующие позиции в мире. Кроме автотранспорта предполагается использовать СПГ в качестве моторного топлива на железнодорожном транспорте, на морском и речном транспорте, для сельскохозяйственной техники, в авиации.
Одной из проблем при эксплуатации транспорта на СПГ является уменьшение длительности заправки и повышение пожаробезопасности при заправке криогенных бортовых топливных систем. Уменьшение длительности позволяет повысить конкурентоспособность СПГ как моторного топлива.
Пожароопасность при заправке транспорта СПГ обусловлена, в первую очередь, возможностью перелива криогенного бака, испарением СПГ, загазованностью территории станции с последующей вспышкой. Поэтому одним из путей повышения пожаробезопасности является переход к бездренажной заправке бортовых систем сжиженным природным газом (без выброса паров СПГ из бака). К сожалению, в настоящее время в РФ отсутствует опыт скоростной и безопасной заправки емкостного оборудования.
Цель работы
Разработать основные положения технологии заправки криогенных бортовых систем сжиженным природным газом, обеспечивающие удовлетворительное время заполнения и требования безопасности.
Основные задачи исследования
Подготовить и провести испытания по заполнению бака автотранспорта сжиженным природным газом по двухлинейным и однолинейным технологиям в условиях приближенным к реальным;
По результатам испытаний разработать обобщенную модель процесса заполнения сосуда криогенной жидкостью, позволяющую моделировать заправку бортовых топливных систем как по двухлинейным схемам (с открытым дренажем), так и по однолинейным схемам (с закрытым дренажем) и показать пути повышении эффективности процесса;
- Провести моделирование процессов заполнения криогенных бортовых
топливных систем для определения влияния технологических и
конструктивных параметров на режим заполнения, а также обоснования новых
технических решений.
Достоверность полученных результатов
Достоверность экспериментальных результатов подтверждается их качественным и количественным воспроизведением при близких условиях проведения экспериментов.
Основные уравнения, представленные автором модели, базируются на фундаментальных законах сохранения и уравнениях термодинамики и теплообмена.
Удовлетворительное согласование результатов расчетов и экспериментов, проведенных в условиях приближенных к реальным, позволяет достоверно использовать результаты числового моделирования при разработке технологических регламентов криогенных бортовых топливных систем.
Научная новизна
Впервые в РФ проведен комплекс экспериментов по заправке бака криогенной топливной системы в условиях приближенным к реальным условиям, в том числе заправка теплого бака с открытым дренажем, бездренажная заправка холодного бака, бездренажная заправка теплого бака.
Разработана физико-математическая модель заполнения сосуда криогенной жидкостью, отличающаяся тем, что процессы в замкнутом объеме описываются на основе нестационарной термодинамической модели с учетом теплообмена и смешения потоков между поступающей жидкостью, перегретым паром и стенками сосуда.
Впервые показано, что характер процесса заправки определяется соотношением между расходом жидкости, взаимодействующей с перегретым паром в сосуде, и расходом жидкости, вступающей в непосредственный контакт со стенками сосуда.
Впервые определено влияние на скорость заполнения таких параметров, как условия ввода жидкости в сосуд, размер капель, паросодержание поступающей жидкости, значение начальной температуры стенки.
Основные защищаемые положения:
Результаты экспериментального исследования процесса заправки криогенных бортовых систем
Модель заполнения криогенного резервуара.
Рекомендации по технологии заполнения криогенной бортовой топливной системы сжиженным природным газом.
Практическая значимость и реализация результатов работы
Впервые проведена экспериментальная отработка технологии бездренажного заполнения холодного и теплого сосуда, как методом передавливания, так и с помощью центробежного насоса, позволившая показать возможность и перспективность этой технологии.
Определены значения давлений подачи и необходимой величины недогрева жидкости для проведения бездренажной заправки.
Предложены технические решения, направленные на повышение скорости заполнения, в том числе, не полное охлаждение стенок бака, уменьшение диаметра отверстий перфорированного коллектора криогенного бака, ограничение контакта капель жидкости со стенкой бака, применение пульсационной заправки.
Результаты работы использовались при разработке стандарта ОАО «Газпром» - СТО Газпром 2-3.6-701-2013 «Криогенные автомобильные газозаправочные станции. Общие технические требования», а также будут использоваться при разработке технологических регламентов криогенного емкостного оборудования в программах ОАО «Газпром» по использованию газомоторного топлива и автономной газификации на базе сжиженного природного газа.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были представлены на конференциях и семинарах:
-
IX Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности», РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 4-7.10.2011;
-
На XVIII международной научно-практической конференции аспирантов и студентов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2012;
-
На XIX международной научно-практической конференции аспирантов и студентов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», Москва, 2013;
-
На III международной научной конференции «Промышленные газы», Москва, 2013;
Публикации
Основные результаты диссертации отражены в 10 научных трудах, в том числе в 3 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК, 7 - в других изданиях.
Структура и объем работы
Основной текст работы изложен на 126 машинописных страницах, содержит 69 рисунков и 5 таблиц, включает Введение, четыре главы, Выводы и
Список использованных источников. Список использованных источников содержит 47 наименований. Работа включает в себя одно приложение на 20 листах.
Современные криогенные бортовые топливные системы для автотранспорта и технологии их заполнения
В настоящее время продолжает расширяться использование сжиженного природного газа (СПГ) в качестве газомоторного топлива для транспорта. Станции заправки автотранспорта сжиженным природным газом размещены в 11 штатах США (рис. 1.1) (5 станций для заправки транзитного транспорта, 4 станции для заправки грузового транспорта и 5 станций для заправки мусоровозов), а также в Австралии, Китае, Чехии, Германии, Великобритании, Корее (рис. 1.2). В последние годы высокими темпами развивается использование СПГ в качестве газомоторного топлива в Китае. Намерены использовать СПГ в качестве газомоторного топлива такие страны как Индия, Пакистан, Катар. В России Постановлением правительства предусмотрено в течение 7 лет увеличить использование СПГ в качестве газомоторного топлива с 350 млн. м3/год до 15 млрд. м3/год.
Станция заправки автотранспорта сжиженным и регазифицированным СПГ в Калифорнии (США) Рис. 1.2 - Станция заправки автотранспорта сжиженным и регазифицированным СПГ (Корея)
За рубежом начато серийное производство автотранспорта, использующего в качестве моторного топлива СПГ, основные производители транспортных средств находятся в США: -Автобусы - New Flyer Bus, El Dorado Bus, Gillig Bus Co., NABI, Nova Bus/Volvo, Blue Bird Corp., AVS; -Тяжелые грузовые автомобили - Mack Truck, Freightliner, Peterbuilt, Kenworth, Navistar, ERF, MAN; - Двигатели - Caterpillar, Mack, Cummins, Detroit Diesel, Mercedes Benz, BMW, John Deere.
В России в рамках совместной программы по использованию СПГ в качестве топлива на тепловозах (ОАО РЖД, ОАО «Газпром», Правительство Свердловской области) создан и успешно прошел испытания газотурбовоз на СПГ и инфраструктура для его обслуживания [1].
В ОАО «КАМАЗ» на базе серийно выпускаемых транспортных средств с газовыми двигателями, работающими на компримированном природном газе, начаты работы по проектированию транспортных средств с газовыми двигателями, работающими на сжиженном природном газе. В опытной эксплуатации находятся автомобили ОАО «Гелиймаш», ООО «Газпром трансгаз Екатеринбург», работающие на СПГ (рис. 1.3 – 1.4).
В настоящее время активно обсуждаются вопросы об использовании СПГ в качестве топлива для водного транспорта. В частности, из-за экологических проблем ограничений [2] на СПГ переводятся паромные суда Швеции и Финляндии на Балтийском море.
К настоящему времени накоплен опыт применения СПГ в качестве топлива на авиационном транспорте [3, 4]. В перспективе предполагается использование СПГ в ракетно-космической технике. Современные криогенные бортовые топливные системы для автотранспорта и технологии их заполнения
В настоящее время в криогенных бортовых топливных системах на сжиженном природном газе используются следующие технологические схемы: - схема с испарителем самонаддува криогенного бака (рис. 1.6а); - схема с равновесной жидкостью при повышенном давлении (рис. 1.6б); - схема с криогенным насосом (рис. 1.6в). 2 1 4 а) 1 2 3 4 5 7 8 в) б) 1 2 3 а) 1 – испаритель самонаддува; 2 – линия подачи жидкости; 3 – криогенный бак; 4 – переключатель фаз; 5 – испаритель-регазификатор; б) 1 заправочная колонка; 2 – манометр; 3 – заправочная горловина; 4 – гарантированное паровое пространство; 5 – заправочный трубопровод; 6 – регулятор давления в баке; 7 – переключатель фаз; 8 – испаритель-регазификатор; 9 – регулятор давления; в) 1 – линия подачи жидкости; 2 – криогенный бак; 3 – криогенный насос; 4 – регазификатор Рис. 1.6 – Технологические схемы криогенных бортовых топливных систем Особенность первой схемы (рис. 1.6а) заключается в том, что жидкость после заполнения имеет равновесное давление близкое к атмосферному, а, следовательно, наименьшую температуру и наибольшую плотность. Повышение и поддержание повышенного давления в баке для подачи жидкости через продукционный теплообменник в двигатель осуществляется выносным испарителем самонаддува бака с использованием регулятора давления и переключателя фаз, через который пар направляется на продукционный теплообменник при чрезмерном повышении давления в баке. Схема имеет следующие преимущества: наибольшее количество топлива в данном объеме, т.к. жидкость имеет наибольшую плотность; длительное бездренажное хранение жидкости из-за низкого давления в баке в начальный момент; относительно простое оборудование на заправочной станции. Недостатки данной схемы: - из-за низкой температуры жидкости растворимость диоксида углерода в жидком метане мала и возможна кристаллизация диоксида углерода с забивкой арматуры и трубопроводов; - возможна кристаллизация диоксида углерода в испарителе самонаддува в процессе испарения с забивкой испарителя и прекращения подачи газа на двигатель; - при заполнении методом передавливания («безнасосная» схема) пары жидкости выбрасываются в атмосферу; - в случае переполнения бака жидкость выбрасывается через свечу, создавая пожароопасную ситуацию; - в начале движения автомобиля разрушается слой равновесной жидкости на границе раздела фаз, давление в баке может резко снизиться из-за конденсации пара на поверхности жидкости и уменьшается расход газа на двигатель. Несмотря на недостатки, эта схема является достаточно распространенной и реализуется компаниями Cryodiffusion, MAN, Сryogenic Fuels Inc (CFI), а также отечественными компаниями ОАО «Гелиймаш» и ЗАО «НПФ «ЭКИП» [5]. Испытания, проведенные в ООО «Газпром ВНИИГАЗ», подтвердили работоспособность отечественных КБТС такого типа [6, 7].
Схема с равновесной жидкостью при повышенном давлении предложена и реализуется компанией NexGen Fueling Chart Industries [8, 9] (рис. 1.6б). Основная идея этой схемы – криогенная бортовая топливная система должна быть аналогичной бортовой системе на сжиженных углеводородных газах (пропан-бутан). Поэтому в системе отсутствует испаритель самонаддува и подача СПГ в двигатель транспортного средства через продукционный испаритель осуществляется за счет первоначального давления в баке, создаваемого при его заполнении равновесной жидкостью с относительно высокой температурой. По мере опорожнения бака, с одной стороны, происходит снижение давления в баке из-за увеличения парового пространства, с другой стороны, жидкость вскипает и в паровое пространство поступает дополнительное количество пара. В результате при уменьшении степени заполнения бака с 90% до 5% давление в баке снижается с 0,5 МПа до 0,35 МПа, что достаточно для нормальной работы КБТС.
Отсутствие испарителя самонаддува (а также криогенного запорного вентиля и регулятора давления в баке) не только уменьшает стоимость оборудования, но и повышает надежность работы системы, поскольку при эксплуатации исключается вероятность кристаллизации и забивки испарителя и криогенного вентиля диоксидом углерода и другими высококипящими примесями. Поскольку равновесная температура жидкости относительно высока (135 – 125 К), то повышается растворимость диоксида углерода в метане. Это позволяет снизить требования к содержанию диоксида углерода в СПГ.
Экспериментальная установка
- Основная задача экспериментально исследования - подготовить и провести испытания по заполнению бака автотранспорта сжиженным природным газом по двухлинейным и однолинейным технологиям в условиях приближенным к реальным;
Основные требования к заполнению: - длительность заполнения 6 - 8 минут в зависимости от объема бака и его начальной температуры; - вытесненный из топливного бака газ не должен выбрасываться в атмосферу (бездренажная технология); - потери жидкости при заполнении должны быть минимальны; - в процессе заполнения должно контролироваться количество заправленной жидкости и должно быть исключено переполнение бака жидкостью; - при проведении заполнения необходимо обеспечить требования взрыво- и пожаробезопасности.
В результате испытаний необходимо: - определить параметры заполнения криогенного бака при частичном охлаждении стенок сосуда, как по двухлинейной так, и по однолинейной (бездренажной) схеме, в том числе и при повышенном давлении в криогенном баке; - сравнить процессы заправки криогенного бака сжиженным природным газом и жидким азотом методом вытеснения и с использованием центробежного насоса; - оценить перспективы бездренажной заправки теплого криогенного бака. 2.2 Экспериментальная установка
Питающий резервуар представлен емкостью VRV Eagle 10000/18 производства фирмы VRV S.p.A. (Италия) объемом 10 м3 с максимальным рабочим давлением 1.8 МПа. Испаритель самонаддува – атмосферный испаритель ИА-40, общей площадью теплообмена 40 м2 (испарение криогенной жидкости осуществляется за счет подвода тепла из окружающей среды). В качестве криогенного бака использовался криогенный бак производства ЗАО «НПФ «ЭКИП», который представляет собой горизонтальный двустенный сосуд с экрановакуумной изоляцией, диаметр внутреннего сосуда 0,447 м, длина 1,147 м (объем 180 л), толщина стенки 0,003 м, материал внутреннего сосуда сталь 12Х18Н9Т. Основной способ заполнения бака – сверху, однако имеется возможность организовать заполнение снизу через трубопровод подачи жидкости на испаритель-регазификатор. Бак имеет собственный испаритель самонаддува, что позволяет повышать давление в баке выше, чем в расходном резервуаре при сливе жидкости обратно в резервуар. Основные технические характеристики бака приведены в таблице 2.1
Рабочее давление в системе, МПа 0,3 - 0,4 Время заполнения холодного бака, мин 10 Время бездренажного хранения, сутки 10 При начальнойстепени заполнения80%
Диаметр бака, мм 518 Длина бака, мм 1500 Масса порожнего бака, кг 150 В качестве насоса использовался насосный агрегат (рис. 2.7), который был разработан и изготовлен предприятием ЗАО «Контехкрио» на базе двухступенчатого центробежного насоса для жидкого кислорода и азота. При этом были проведены следующие изменения: корпус насоса выполнен полугерметичным (с «холодным» фланцем), изменены патрубки насоса, введено частотное регулирование напора и производительности насоса, использовано оборудование во взрывозащищенном исполнении.
Характеристики криогенного насоса при частотном регулировании приведены на рис. 2.2. Рис. 2.2 – Характеристика насоса криогенного НкпГ2-5/80 при частотном регулировании (напор) Технологические криогенные трубопроводы экспериментальной установки диаметром 0,02 – 0.03 м имели пенополиуретановую изоляцию. В процессе экспериментов измерялись давление в криогенном баке, количество жидкости в баке, температура жидкости на входе в бак.
Давление в баке измерялось датчиком давления Метран-100-ДД-1440-К 02-МП18-050-25кПа-25-42-ШР22/В52-01, погрешность которого не превышает ±0,1%, от калиброванного диапазона значений и манометрами МПЗ-У-1.6 МПа, класс точности которых 1.5. Температура определялась платиновыми термометрами сопротивления ЧЭПТ-38-100П с классом допуска B, совместно с микропроцессорным измерителем-регулятором ТРМ202-Щ1.РР, масса жидкости в баке измерялась весовым способом на электронных весах МЕРА ВТП-0.6-О, класс точности которых по ГОСТ 29329-92 – средний.
В процессе экспериментов варьировались расход жидкости (за счет повышения давления в расходном резервуаре) и температура жидкости на входе в бак за счет подогрева жидкости в специальном теплообменнике жидкость – газ.
Криогенный центробежный насос для СПГ Рис. 2.8 – Оборудование стенда при испытаниях на СПГ Испытания на СПГ проводились на установке сжижения природного газа, принадлежащей ЗАО «НПФ ЭКИП». Установка размещалась на территории АГНКС 1. При этих испытаниях заполнение проводилось от сборника-накопителя установки методом передавливания или через криогенный центробежный насос. Оборудование стенда для испытаний на СПГ представлено на рис. 2.8.
Программа, методика и результаты испытаний технологического оборудования Перед началом серии заполнения с помощью испарителя-самонаддува производился подъем давления в технологическом резервуаре до рабочей величины. После проводилось захолаживание системы, для этого из технологического резервуара в коммуникации подавалась холодная жидкость, которая проходила по замкнутому контуру. Для достижения заданной температуры жидкости на входе в бак, подключался подогреватель жидкости. Когда температура жидкости перед входом в бак достигала заданного значения, открывался запорный вентиль, и осуществлялось заполнение криогенного бака. После окончания процесса заполнения в криогенном баке испарителем-самонаддува поднималось давление, и жидкость передавливанием возвращалась обратно в технологический резервуар. Перед следующим заполнением также осуществлялось захолаживание заправочных коммуникаций. Т.е. перед каждым процессом заполнения необходимо проводить подготовку коммуникаций и после каждого заполнения необходимо производить слив жидкости из криогенного бака в технологический резервуар. Каждая серия начиналась с заполнения «теплого» бака (начальная температура стенок бака около 300 К) с открытым или закрытым дренажным трубопроводом. После окончания процесса заполнения «теплого» бака жидкость возвращалась обратно в технологический резервуар. Затем повторно производилось захолаживание заправочных коммуникаций. Далее производилось несколько заполнений «холодного» бака (температура стенок близка к температуре насыщенной жидкости) с открытым или закрытым дренажом, также с переливом жидкости в технологический резервуар и предварительным захолаживанием системы. После нескольких холодных заполнений макет бака опорожнялся и отогревался в течение нескольких суток. Затем серия экспериментов повторялась. Одна серия экспериментов проводилась один раз в 7 – 10 дней, ввиду необходимости полного отогрева криогенного бака.
Из-за возврата жидкости в технологический резервуар происходил прогрев жидкости, и следующий эксперимент по заполнению проходил при более высокой температуре жидкости на входе в криогенный бак. Поэтому невозможно было провести эксперименты с одинаковыми начальными условиями. Тем не менее, результаты экспериментов показывают удовлетворительную воспроизводимость, что может говорить об относительно высокой устойчивости процесса заполнения к отклонениям параметров.
Заполнение теплого резервуара криогенной жидкостью снизу с открытым дренажом
Зависимость массы жидкости в баке от времени (а) и зависимость давления в баке от времени (б) для заполнения холодного бака без дренажа на СПГ
Как упоминалось ранее, в процессе заполнения без дренажа конечное давление в сосуде может, как увеличиваться, так и снижаться по отношению к начальному давлению в зависимости от температуры жидкости на входе. В первом случае рост давления в резервуаре из-за уменьшения объема пара при заполнении превышает снижение давления из-за конденсации пара. Во втором случае имеет место обратная картина. Граничное значение температуры жидкости, при котором давление в резервуаре в процессе заполнения остается постоянным для данного случая и составляет 84,5 К. Поэтому давление в эксперименте 5 уменьшается, а в эксперименте 6 – возрастает. В конце заполнения зависимость давления от времени выходит на «плато».
Длительность процесса заполнения до 95 кг в эксперименте 5 составила 195 с., в эксперименте 6 – 200 с., что говорит об удовлетворительной воспроизводимости результатов экспериментов. В то же время, длительность заполнения в экспериментах на 30 – 40% больше, чем при расчете по термодинамическим моделям (146 с. и 157 с. для экспериментов 5 и 6 соответственно). Такое расхождение между расчетными и экспериментальными значениями обусловлено тем, что в теоретических моделях предполагается термодинамическое равновесие между жидкостью и паром, тогда как на практике имеет место конечное значение коэффициента теплоотдачи между жидкостью и паром в объеме сосуда. Кроме того, необходимо учитывать, что при поступлении жидкости в бак, возможно, ее вскипание.
Надо отметить, что бездренажное заполнение бака сжиженным природным газом проходило идентичным образом, что и при испытаниях на жидком азоте, поведения основных параметров качественно совпадают, длительности заполнения близки. Граничное значение температуры сжиженного природного газа, при котором давление в резервуаре в процессе заполнения остается постоянным, для данной серии составляют 130,4 К.
Результаты экспериментов показывают, что при бездренажном заполнении имеют место качественные согласования с расчетами по равновесной термодинамической модели, но длительность заполнения в экспериментах в 1.3 - 2 раза больше теоретического значения.
Это обусловлено нарушением условий термодинамического равновесия. Модель не учитывает реальный теплообмен жидкости со стенкой, пара со стенкой, жидкости с паром и возможное вскипание жидкости в магистралях подающих коммуникаций и в баке из-за снижения давления, если жидкость имеет малый недогрев – эффект вскипания.
Показано, что теплообмен между паром, жидкостью и стенками бака существенно влияет на процессы, происходящие во время заполнения холодного бака без дренажа. Увеличивается время заполнения и конечное давление в баке, за счет неравновесности системы. Большое значение на время заполнения и на эффективность процесса имеет размер капель жидкости, которая подается в резервуар. Прослеживается зависимость скорости заполнения криогенного резервуара от скорости капель входящего потока, поэтому важно обращать внимание на геометрические и физические характеристики входящего потока, благодаря которым можно увеличить эффективность процесса и уменьшить время заполнения.
Следует обратить внимание на то, что система неравновесная, т.е. температура жидкости ниже температуры пара, это наблюдалось в эксперименте, после завершения процесса заполнения, при воздействии на бак вибрацией наблюдалось снижение давления в паровом пространстве. 3.6 Заполнение теплого резервуара криогенной жидкостью без дренажа
Особый интерес представляет бездренажное заполнение теплого топливного бака. При небольшом количестве жидкости в баке его нельзя считать холодным, он находиться в промежуточном состоянии. Т.е. температура его стенок выше температуры жидкости и пара и ниже температуры окружающей среды, что в свою очередь приводит к интенсивному парообразованию входящей жидкости и как следствие этого резкому подъему давления. Отличие от основной модели заключается в том, что закрыт дренажный трубопровод и отсутствует расход пара на выходе из бака, т.е. G2 = 0.
Модель описывает участок подъема давления, однако потом давления источника и в баке сравниваются и заполнение прекращается. Появляется необходимость сброса газа из парового пространства. Используя тот же аппарат, также опишем этот процесс. Процесс заполнения теплого резервуара разделим на два этапа: первый этап – заполнение бака жидкостью, второй этап – сброс пара из бака в питающий резервуар. Заполнение теплого бака проводилось по двухлинейной схеме (рис. 1.7а). 3.6.1 Первый этап – заполнение
Физическая картина процессов, происходящих в баке, представлена на рис. 3.20. Рассматриваются процессы, происходящие только в паровом пространстве, т.к. равновесия между паром и жидкостью нет. В паровое пространство входит жидкость с расходом G1, далее часть жидкости вскипает из-за разницы давлений (образуя поток пара G1V), а оставшаяся часть жидкости (G1L) взаимодействует с паром и испаряется (G3). Накопившись в нижней части бака (G4) жидкость, испаряется путем пленочного кипения на стенке бака (G5).
Влияние гидравлического сопротивления заправочных и дренажных коммуникаций на длительность заполнения
Цель работы: заправить холодный бак ЭКИП жидким азотом без дренажа. Бак ЭКИП находился в контейнере на территории «Медвежьи озера». Перед заполнением проводилось заполнение бака с открытым дренажом (см. протокол № 2) с последующим переливом газа обратно в расходный резервуар, наддув предварительно бак ЭКИП штатным теплообменником наддува. Перед заполнением проводилась подготовка расходного резервуара. Расходный резервуар стоял с открытым дренажом 17 часов. Наддув осуществляли комбинацией штатного теплообменника и теплообменника установки. Давление росло медленно. Довели давление до 0,5 МПа. За время подготовки аппаратуры, захолаживания стенда, заполнения теплого и холодного бака и слива из него жидкости давление в расходном резервуаре увеличилось. Поэтому пришлось открыть дренаж до снижения давления до 0,52 МПа. Бак ЭКИП холодный, остаток жидкости 11,5 кг, не сливаемый из-за невозможности поднять давление штатным теплообменником.
Во время заполнения определялось давление, масса, накопленной жидкости в баке ЭКИП и температура азота на входе в бак.
Цель работы: заправить теплый бак ЭКИП жидким азотом. Бак ЭКИП находился в контейнере на территории «Медвежьи озера» без газа 10 суток. Бак ЭКИП теплый и практически пустой (остаток 4,1 кг).
Перед заполнением проводилась подготовка расходного резервуара. Емкость стояла с открытым дренажом 4 суток. Наддув осуществляли штатным теплообменником. Довели давление до 0,7 МПа. За время подготовки аппаратуры, захолаживания стенда давление в расходном резервуаре увеличилось до 0,74 МПа.
Во время заполнения определялось давление, масса, накопленной жидкости в баке ЭКИП и температура азота на входе в бак.
Бак ЭКИП находился в контейнере на территории «Медвежьи озера» без газа 10 суток. Бак ЭКИП теплый и практически пустой (остаток 7,5 кг). Перед заполнением проводилась подготовка расходного резервуара. Емкость стояла с открытым дренажом 4 суток. Наддув осуществляли штатным теплообменником без редуктора R7. Довели давление до 0,7 МПа. За время подготовки аппаратуры, захолаживания стенда давление в расходном резервуаре увеличилось до 0,72 МПа.
Во время заполнения определялось давление, масса, накопленной жидкости в баке ЭКИП и температура азота на входе в бак.
Таблица А6 – Данные по режиму заполнения бака ЭКИП жидким азотом. Давление в расходном резервуаре 0,72 МПа. Заполнение «сверху» теплого бака «ЭКИП» жидким азотом с насосом по однолинейной схеме Цель работы: заправить теплый бак ЭКИП жидким азотом по однолинейной схеме. Бак ЭКИП находился в контейнере на территории «Медвежьи озера» без газа 7 суток. Бак ЭКИП теплый и пустой.
Перед заполнением проводилась подготовка расходного резервуара. Емкость стояла с открытым дренажом 4 суток. Наддув осуществляли штатным теплообменником без редуктора R7. Довели давление до 0,3 МПа. Давление за насосом 1 МПа.
Во время заполнения определялось давление, масса, накопленной жидкости в баке ЭКИП и температура азота на входе в бак. Протокол № 8 Заполнение «сверху» теплого бака «ЭКИП» жидким азотом с насосом по однолинейной схеме Цель работы: заправить теплый бак ЭКИП жидким азотом по однолинейной схеме. Бак ЭКИП находился в контейнере на территории «Медвежьи озера» без газа 7 суток. Бак ЭКИП теплый и практически пустой (остаток 1,9 кг).
Перед заполнения проводилась подготовка расходного резервуара. Емкость стояла с открытым дренажом 5 суток. Наддув осуществляли штатным теплообменником без редуктора R7. Довели давление до 0,3 МПа. Давление за насосом 1 МПа.
Во время заполнения определялось давление, масса, накопленной жидкости в баке ЭКИП и температура азота на входе в бак.
Таблица А8 – Данные по режиму заполнения теплого бака «ЭКИП» жидким азотом. Давление за насосом 1 МПа. После испытаний на жидком азоте на территории «Медвежьи озера» эксперименты проводились на сжиженном природном газе на территории АНГКС-1. Бак ЭКИП теплый и пустой.
Перед заполнением давление в расходном резервуаре подняли до 0,75 МПа. Давление за насосом 1,2 МПа. Насос работал только первый цикл. Сработал предохранительный клапан перед насосом, и было принято решение снизить давление в питающем резервуаре до 0,65 МПа, однако из-за уменьшения недогрева жидкости повторно запустить насос не удалось, чтобы осуществить заполнение методом передавливания давление в питающем резервуаре подняли до 0,85 МПа. Во время заполнения определялось давление, масса, накопленной жидкости в баке ЭКИП и температура азота на входе в бак. Таблица А9 – Данные по режиму заполнения теплого бака «ЭКИП» сжиженным природным газом. Давление за насосом 1,2 МПа.
