Введение к работе
Актуальность темы диссертации, На современном этапе развития энергетики одними из центральных являются проблемы рационального использования, транспортировки и хранения природного газа. Он относится к доминирующим энергетическим источникам XXI века и уже сегодня занимает лидирующее положение в топливопотребле-нии в Республике Беларусь. Газ является наиболее экологически чистым энергоносителем из всех природных ископаемых тогшив. Поэтому проекты, направленные на разработку альтернативных высокоэффективных систем получения тепла и хранения природного газа, имеют приоритетное значение. Для того, чтобы широко внедрять газовые тепловые насосы (ТН), которые относятся к устройствам, позволяющим с минимально возможными потерями и максимальной эффективностью преобразовывать химическую энергию природного газа в тепло, необходимо иметь высокоемкую, эффективную, надежную и недорогую систему для хранения и транспортировки этого топлива. Существующие в настоящее время системы хранения газа в сжатом до 20-30 МПа или сжиженном при температурах ниже -162 С состоянии являются дорогостоящими, металлоемкими, требующими повышенных мер безопасности.
В качестве альтернативной идеи выступает концепция хранения природного газа в "связанном", адсорбированном состоянии, а в качестве наиболее перспективных сорбентов - микропористые углеродные материалы: активированный уголь и активированное угольное волокно (АУВ).
Задачи разработки и создания высокоэффективных газовых ТН на твердых сорбентах, в которых роль компрессора выполняет химический реактор - адсорбер, а в качестве рабочего тела используется аммиак, и систем хранения природного газа в адсорбированном состоянии тесно связаны, так как в обоих случаях имеют место процессы сорбции, тепло- и массопереноса по слою микропористого углеродного материала.
В то же время широкое внедрение газовых адсорбционных ТН и систем хранения природного газа в адсорбированном состоянии в народном хозяйстве невозможно без экспериментального и теоретического изучения процессов, протекающих в центральном элементе ТН - химическом реакторе-адсорбере и в сосуде-адсорбере природного газа. Необходимы также поиск, разработка, создание и исследование новых эффективных материалов-наполнителей адсорберов, имеющих высокие сорбционные и теплофизиче-ские характеристики.
Связь работы с крупными научными программами, темами. Полученные в диссертации результаты связаны с выполнением следующих научно-технических проектов: госбюджетная программа РБ 1.9.1 «Теплофизика и теплоэнергетика» (Энергетика 06. Изучение закономерностей процессов тепло-и массопереноса в тепловых трубах и сорбционных системах с целью разработки рекомендаций по выбору конструктивных параметров высокоэффективного теплового насоса 1995-2000 гг.); программа Белорусского фонда фундаментальных исследований (НТ Проект №18-198 от 21.12.1992 «Тепло-и массоперенос в капиллярно-пористых телах применительно к процессам сушки и системам терморегулирования» 1992-1993 г.г), ГНТП «Энергосбережение» (Задание 26: «Разработать и внедрить опытный образец сосуда для хранения природного газа в связанном состоянии для транспорта» 1997-1998 г.г.), и хоздоговорные темы с ГП «Бел-трансгаз» и концерном «Белтопгаз».
,: Цель и задачи исследования, Целью диссертационной работы является определе-ние^закономерностей процессов сорбции и теплопередачи в микропористых углеродных материалах для разработки и создания систем хранения природного газа и газовых ТН на принципе сорбции. В работе ставились следующие задачи:
выбор метода исследования сорбционных и теплофизических свойств материалов-наполнителей адсорберов ТН и сосудов для хранения природного газа;
определение перспективных микропористых материалов;
-, экспериментальное моделирование процессов тепло-и массообмена в сосудах-адсорберах систем хранения природного газа и теплонасосных установках; -. разработка и создание на основе найденных закономерностей опытных и экспериментальных образцов баллонов для хранения природного газа в адсорбированном , состоянии и адсорбционных газовых агрегатов ТН.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются микропористые углеродные материалы, предметом - процессы переноса энергии (тепла) и вещества (природного газа, теплоносителя) в адсорберах ТН и сосудах для хранения природного газа ' Гипотеза. Предполагается, что углеродные микропористые материалы, хорошо сорбирующие аммиак (ЫНз) (один из наиболее перспективных, в связи с повсеместным запрещением фреонов, рабочих агентов ТН), также имеют высокие собционные характеристики по метану (СН4) - основному компоненту природного газа. . Методология и методы проведенного исследования. Комбинированный объемно-весовой метод измерения адсорбции, метод стационарного режима для определения эффективной теплопроводности, методика определения структурных характеристик сорбентов по теории объемного заполнения микропор.
. Научная новизна и значимость полученных результатов. Впервые в широком диапазоне режимных параметров (давление 0-5 МПа, температура 0-180С) экспериментально исследованы адсорбционные, структурные и теппофизические характеристики, построены семейства изотерм адсорбции для следующих систем: активированные угольноволокнистые материалы типа «Бусофит» - аммиак; активированные угольноволокнистые материалы типа «Бусофит» - метан; активированные угли на древесной основе - метан. Исследования выполнены на специально разработанном, оригинальном экспериментальном стенде, позволяющем проводить комплексные теппофизические и адсорбционные испытания , микропористых материалов и моделировать процессы, имеющие место в реальных адсорберах ТН и сосудах хранения природного газа при различных условиях окружающей среды.
Для исследованных термодинамических систем определены эмпирические константы в термическом уравнении адсорбции Дубинина-Радушкевича, характеризующие структурные параметры углеродных микропористых материалов. Экспериментально найден коэффициент афинности р аммиака по отношению к бензолу как к стандартному пару для АУВ «Бусофит».
:. .Впервые предложена схема автономного адсорбционного ТН с сосудом для хранения природного газа в адсорбированном состоянии в качестве источника энергии. В качестве наполнителя такого сосуда впервые предлагается использование волокнистого углеродного сорбента, а в качестве теплопередающего звена от газовой горелки к сорбционно-му материалу - пародинамические термосифоны.
Практическая значимость полученных результатов. Экспериментально определенные тепло-массообменные и структурные характеристики для исследованных пар адсорбат-адсорбент служат основой для расчета и проектирования новых теплонасос-ных устройств и систем хранения природного газа на принципе сорбции. По результатам диссертационной работы спроектирован, изготовлен, испытан и внедрен в автохозяйстве концерна «Белтопгаз» опытный образец сосуда для хранения природного газа в адсорбированном состоянии (акт внедрения от 18.09.98). Экспериментальные данные по сорбции аммиака использовались в ряде совместных проектов с индийской стороной, результатом которых явилось создание адсорбционного холодильника-сушилки «Белин» и солнечного адсорбционного ТН-холодильника, последний прошел успешные испытания в Индии (Хайтроникс Ко., г. Хайдерабад).
Полученные результаты позволили предложить новые технические решения и подходы для обеспечения теплового режима адсорбционных систем хранения природного газа, которые нашли свое отражение в заявке на патент «Способ и устройство для сорбции углеводородов» № а1991158 от 27.12.1999.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
- Результаты исследования закономерностей процессов физической сорбции аммиака и
метана на микропористых углеродных материалах: АУВ типа «Бусофит» и активных уг
лях из отходов деревообрабатывающей промышленности.
Результаты экспериментального исследования адсорбционных и теплофизических характеристик следующих систем: активированные угольноволокнистые материалы типа «Бусофит» - аммиак; активированные угольноволокнистые материалы типа «Бусофит» - метан; активированные угли на древесной основе - метан.
- Результаты экспериментального исследования рабочих характеристик опытного об
разца сосуда для хранения природного газа и экспериментальных образцов тепло-
насосных агрегатов на принципе сорбции, позволяющие оптимизировать параметры
энергоэффективности ТН и вырабатывать рекомендации по созданию и разработке
газовых хранилищ.
В целом, представленные в диссертационной работе материалы способствуют решению крайне важной проблемы рационального хранения и высокоэффективного использования природного газа - одного из основных энергоносителей XXI века.
Личный вклад соискателя. Все изложенные в диссертации результаты получены автором лично на основе описанных в диссертации экспериментальных и расчетных методов. Вклад соавторов в опубликованных в соавторстве работах заключается в научном руководстве при проведении исследований, в планировании и обсуждении результатов. Вклад авторов при подготовке материалов для получения патента - равный.
Апробация результатов соискателя. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на 19-м международном конгрессе холода (Хагуе, Нидерланды, 1995 г.), 2-м, 3-м и 4-м Международном семинарах «Тепловые трубы, тепловые насосы, холодильники» (Минск, 1995,1997,2000 г.г.), 26-й Международной конференции по системам жизнеобеспечения (Монтерей, США, 1996), 12-й Международной конференции- химических инженерных технологий (CHISA'96, Прага, 1996), Международной конференции по абсорбционным тепловым насосам (Монреаль, 1996), 3-м Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск, 1996), 5-м Международном симпозиуме по тепловым трубам (Мельбурн, 1996), 23-й международной угольной конференции (CARBON'97, Фи-
ладельфия, 1997), 10-й Международной конференции по тепловым трубам (Штудтгарт, 1997), Международной конференции «Актуальные направления холодильной техники и систем кондиционирования» (Дели, 1998), 3-ей Научно - технической конференции «Ресурсосберегающие и экологически чистые технологии» (Гродно, 1998), Международной конференции по сорбционным тепловым насосам (ISHPC '99, Мюнхен, 1999).
Опубликованность результатов. По материалам диссертации опубликованы 23 печатных работы, из них: 4 статьи в научных журналах, 12 докладов в Трудах международных конференций, 3 - в сборниках научных трудов; тезисов докладов - 3; описаний изобретений к патентам -1. Общий объем публикаций 108 с.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Диссертационная работа изложена на 119 страницах машинописного текста и содержит 44 рисунка, 10 таблиц. Количество библиографических ссылок включает в себя 127 источников.