Повышение эффективности работы систем энерго- и холодоснабжения автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров при помощи сжиженного природного газа тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Монастырский Дмитрий Ярославович

• Монастырский Дмитрий Ярославович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Монастырский Дмитрий Ярославович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Современное состояние энергообеспечения автономного рефрижераторного подвижного состава

1.1. Требования к условиям транспортировки термочувствительных грузов. Непрерывная холодильная цепь

1.2. Эксплуатационные особенности автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров

1.3. Конструктивные особенности автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров

1.4. Холодильное оборудование рефрижераторного подвижного состава

1.5. Энергоснабжение автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров

1.6. Альтернативные источники энергии и перспективы применения сжиженного природного газа

1.7. Методы моделирования теплового состояния грузов

Выводы по Главе

ГЛАВА 2. Анализ применения сжиженного природного газа в автономных рефрижераторных контейнерах

2.1. Актуальность использования СПГ

2.2. Основания выбора СПГ для автономных источников питания малой производительности

2.3. Выбор рабочих параметров СПГ

2.4. Термодинамическая оценка потенциала использования СПГ

2.5. Схемы рекуперации холода от регазификации СПГ

2.6. Подбор оборудования для рекуперации СПГ

2.7. Расчет расхода и холодопроизводительности системы рекуперации СПГ

2.8. Расчетный анализ энергонезависимости автономного рефрижераторного вагона

2.9. Выводы по Главе

ГЛАВА 3. Исследование теплового состояния грузов различной формы в кузове транспортных средств с использованием СПГ

3.1. Расчетная модель

3.2. Численная схема решения методом конечных разностей

3.3. Исходные данные и режимы расчета

3.4. Результаты моделирования

3.5. Описание экспериментального оборудования

3.6. Сопоставление результатов расчета и эксперимента

3.7. Выводы по Главе

ГЛАВА 4. Технико-экономическое обоснование эффективности энергоснабжения автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров с помощью сжиженного природного газа

4.1. Методология обоснования

4.2. Основные технико-экономические показатели

4.3. Экологический эффект от внедрения разработанных решений

4.4. Анализ рисков и неопределенностей проекта внедрения СПГ

4.5. Выводы по Главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение 1. Сравнение СПГ и аналогичных рабочих жидкостей

Приложение 2. Расчетные данные термодинамического анализа регазификации

СПГ

Приложение 3. Расчет тепловой нагрузки и хладопроизводительности

оборудования с СПГ

Приложение 4. Определение параметров теплообменного оборудования

Приложение 5. Блок-схема и алгоритм программы расчета теплового состояния

грузов в рефрижераторном контейнере с использованием СПГ

Приложение 6. Алгоритм программы терморегистратора

Приложение 7. Экспериментальные данные охлаждения грузов

Приложение 8. Визуализация эффективности рекуперации холода

Приложение 9. Визуализация рисков и окупаемости

Приложение 10. Справки о внедрении

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности работы систем энерго- и холодоснабжения автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров при помощи сжиженного природного газа»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Согласно отчетам Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций, среднемировые потери продуктов достигают 13,2 % при транспортировке от производителя к потребителю [1-8]. В Российской Федерации физические потери продуктов при транспортировке железнодорожным транспортом могут достигать от 17 до 37 % [9]. Пищевая продукция имеет высокую стоимость, из-за чего связанные с ней потери приводят к миллиардным убыткам.

Для снижения потерь применяются автономные рефрижераторные вагоны (АРВ) и рефконтейнеры (КРК). Энергопитание термического оборудования вагонов и контейнеров традиционно обеспечивается дизель-генераторами. Использование дизельного топлива характеризуется высокими затратами и выбросами загрязняющих атмосферу веществ.

В работе предложено использовать в автономных рефрижераторных вагонах и рефконтейнерах энергетическое оборудование на сжиженном природном газе (СПГ). Применение СПГ позволит рекуперировать холод от регазификации, снизить расходы на топливо и уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду.

Для Российской Федерации переход на СПГ актуален ввиду широкой географии производства и распределения хранилищ СПГ вблизи от железнодорожных узлов, протяженных транспортных коридоров и разнообразия климатических условий, а также развитой системы перевозок грузов железнодорожным транспортом. Внедрение СПГ в область транспортировки продуктов способствует развитию отечественных технологий и повышению безопасности перевозок продуктов в различных эксплуатационных условиях.

Степень разработанности темы работы. Вклад в развитие теоретических и прикладных основ перевозок режимных грузов, формирование требований к изотермическому подвижному составу и системам его энергоснабжения внесли отечественные ученые: М.Н. Тертеров [13], Е.Г. Бартош [24] и В.В. Скрипкин [32], С.Н. Науменко [41], О.А. Ворон [29], Г.Б. Чижов [95], В.И. Филиппов [99] и М.А. Николаева [134].

Значительных успехов в исследовании тепломассообмена в грузовых отделениях транспортных средств добились T. Defraeye [100, 127], J. Moureh и D. Flick [112, 114, 123]. Вопросы моделирования теплового состояния грузов и анализа термодинамических систем рассмотрены в трудах S.J. James [121], O. Laguerre [126], S. Getahun [117, 118], В.М. Бродянского [156] и И.Г. Киселева [161].

Технологическим аспектам утилизации холода СПГ и применения его в транспортных системах посвящены работы H. Tan [87], P. Dorosz и Z. Malecha [160], M.H. Noor Akashah [88], L. Goedhals-Gerber [14].

В работе Tan H., Li Y. и Tuo H. [87] рассматривается возможность использования СПГ для холодоснабжения кузова автомобильного рефрижератора без рефрижераторной установки. В работе Ворона О.А. [43] предлагается использование СПГ в качестве топлива для автономного рефрижераторного вагона для перевозки грузов и упоминается холодильный потенциал внедрения СПГ.

Анализ существующего комплекса выполненных научных исследований выявил недостаточную степень разработанности темы, в особенности применительно к специфике перевозок скоропортящихся грузов с помощью рефрижераторного подвижного состава. Предлагаемые технологические схемы регазификации, которые частично возвращают энергию, затраченную на ожижение криоагентов, не учитывают специфику перевозок в автономных рефрижераторных вагонах и рефконтейнерах. При этом, доступных научных данных о таких решениях недостаточно, чтобы обоснованно выбрать наиболее энергоэффективные варианты. Поэтому требуется проведение исследований, направленных на оценку целесообразности использования СПГ в автономных рефрижераторных вагонах и рефконтейнерах и эффективности этого использования за счет рекуперации энергии, потраченной на ожижение СПГ.

Объект, предмет, цель и задачи работы

Объект: Автономные рефрижераторные вагоны и рефконтейнеры, использующие СПГ для производства энергии для встроенной холодильной установки и холода с целью поддержания оптимального температурного режима в грузовом отсеке кузова.

Предмет: Процессы теплообмена в автономных рефрижераторных вагонах и рефконтейнерах, использующих СПГ как источник энергии для стабилизации теплового состояния груза.

Цель: Повышение энергетической и экологической эффективности автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров путем замены дизельного топлива на СПГ для использования в качестве топлива и источника холода.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

1. Провести анализ термического и энергетического оборудования, применяемого в автономных рефрижераторных вагонах и рефконтейнерах.

2. Разработать научно-обоснованную методику расчета теплового состояния грузов для оценки результатов внедрения СПГ.

3. Предложить технические решения для внедрения оборудования, предназначенного для использования СПГ, в кузовы рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров.

4. Провести технико-экономическую оценку целесообразности использования СПГ и модернизации автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Исследованы пути и способы повышения энергетической эффективности автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров с использованием СПГ вместо дизельного топлива.

2. Разработаны математическая модель и программа для расчета теплового состояния грузов различных форм с учетом использования холода от СПГ.

3. Выполнена технико-экономическая оценка влияния замены дизельного топлива на СПГ в энергетических установках автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров.

Теоретическая значимость работы

1. Дано теоретическое обоснование целесообразности применения СПГ для производства энергии и холода в бортовых системах энергообеспечения автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров.

2. Разработана методика определения теплового состояния транспортируемых скоропортящихся продуктов, позволяющая оценить эффект от внедрения рекуперации холода СПГ.

3. Проведено математическое моделирование и дана оценка температурных полей различных грузов при транспортировке в автономных рефрижераторных вагонах и рефконтейнерах с учетом влияния СПГ.

Практическая значимость работы:

1. Разработаны технологические схемы внедрения СПГ в качестве топлива для энергетического оборудования и источника холода для грузовых отсеков рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров.

2. Предложена методика определения расхода СПГ для производства холода.

3. Проведена оценка влияния СПГ на охлаждение грузовых отсеков АРВ и КРК и на поддержание температурного режима.

4. Определены экономический и экологический эффекты от внедрения предложенных технических решений.

5. На основе методики определения теплового состояния транспортируемых скоропортящихся грузов разработана программа и получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ .№2025691170 «Программа расчета теплового состояния грузов в рефрижераторном контейнере с использованием СПГ» / Монастырский Д.Я., Ким К.К. - опубл. 19.11.2025.

6. Результаты исследования могут быть использованы для совершенствования железнодорожного рефрижераторного транспорта.

Методы исследования

В качестве методологической основы принят системный подход, в котором объект исследования рассмотрен как термодинамическая система.

Проведен анализ процесса регазификации СПГ для определения термодинамической эффективности утилизации холода СПГ. Модель охлаждения скоропортящихся грузов сведена к задаче теплопроводности в двухмерной расчетной области с граничными условиями третьего рода. Расчет расхода СПГ проведен на основе метода теплового баланса. Для решения задачи теплообмена скоропортящихся грузов с воздушной средой грузового отсека использован метод конечных разностей. В рамках численных исследований выполнена реализация программного комплекса.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование целесообразности использования СПГ с целью повышения эффективности работы систем энерго- и холодоснабжения автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров.

2. Методика расчета процессов теплообмена при использовании холода от регазификации СПГ для поддержания температурного режима в грузовом отсеке АРВ и КРК.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью принятых допущений при расчете процессов теплообмена с использованием метода конечных разностей. Результаты численных расчетов в пределах допустимого расхождения совпадают с экспериментальными данными, полученными автором на моделях охлаждения грузов, что гарантирует корректность выбора начальных и граничных условий при постановке задачи теплообмена.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских научно-технических конференциях: 1. Всероссийской научно-технической конференции (с международным участием) «Электропитание-2023» (Санкт-Петербург, 2023).

2. Международной научно-технической конференции, посвященной 95-летию со дня рождения А.В. Плакса, «Проблемы безопасности и эффективности технических систем» (Санкт-Петербург, 2023).

3. V Бетанкуровском международном инженерном форуме (Санкт-Петербург, 2023).

4. Второй международной научно-технической конференции «Проблемы безопасности и эффективности технических систем» (Санкт-Петербург, 2024).

5. 43-й научно-технической конференции с международным участием «Климатические аспекты применения низкотемпературных технологий» КАПНТТ-2025 (Санкт-Петербург, 2025).

6. Конференции с международным участием, посвященной 205 годовщине начала научно-педагогической деятельности Бенуа Поля Эмиля Клапейрона «Проблемы безопасности и эффективности технических систем» (Санкт-Петербург, 2025).

7. XIX Международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века (Идеи, требования, проекты)» (Санкт-Петербург, 2025).

8. IX Всероссийской национальной научной конференции молодых учёных «Молодежь и наука: актуальные проблемы Фундаментальных и прикладных исследований» (Комсомольск-на-Амуре, 2025).

9. Международной научно-практической конференции «Транспорт: наука, образование, производство» (Ростов-на-Дону, 2026).

Публикации. Основные положения и научные результаты диссертации опубликованы в 12 печатных работах. Из них 3 в ведущих рецензируемых научных изданиях, включенных в Перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ для публикации результатов диссертационных работ, 9 опубликованы в изданиях, индексируемых в национальной библиографической базе данных научного цитирования РИНЦ, получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ. Список основных публикаций по теме диссертации

1. Киселев, И. Г. Оптимизация перевозок термочувствительных грузов в рефрижераторных контейнерах с применением альтернативных источников энергии / И. Г. Киселев, С. Б. Комиссаров, Д. Я. Монастырский // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2024. - Т. 21, № 1. - С. 229-237.

2. Киселев, И. Г. Бесперебойное электропитание автономных рефконтейнеров на основе альтернативных источников питания / И. Г. Киселев, Д. Я. Монастырский // Электропитание. - 2022. - № 4. - С. 23-28.

3. Киселев, И. Г. О целесообразности использования сжиженного природного газа на рефрижераторных контейнерах с навесными дизель-генераторами / И. Г.

Киселев, С. Б. Комиссаров, Д. Я. Монастырский // Бюллетень результатов научных исследований. - 2021. - № 4. - С. 104-113.

Реализация результатов работы. Полученные теоретические и экспериментальные результаты диссертационной работы использованы в учебном процессе кафедры «Теоретические основы электротехники и энергетики» ФГБОУ ВО «Петербургский государственный университет путей сообщения» в курсе для магистров по дисциплине Б1.В.1. «Технологии сжижения, транспортировки и регазификации сжиженного природного газа» для специальности 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника». Разработанные программные решения для реализации вычислительной модели внедрены в производственный процесс ООО «Орионтерм».

ГЛАВА 1. Современное состояние энергообеспечения автономного рефрижераторного подвижного состава

Согласно ФАО, до трети производимых пищевых продуктов утрачивают качественные характеристики на пути от производителя к потребителю [1-5]. Потери при транспортировке могут достигать 30 % для мясной и молочной продукции и до 50 % для плодоовощной продукции [3, 4]. Задача снижения этих потерь обозначена в двенадцатом пункте плана ООН «Цели устойчивого развития» [8].

В Российской Федерации, по данным ФАО, потери при перевозке составляют около 1 % [5]. Однако по данным перевозчиков общие потери скоропортящейся продукции составляют до 17 %, а по отдельным категориям достигают 35 % [9]. Вопрос повышения качества перевозок отражен в национальных целях России [10]. При этом, для снижения потерь требуются не только организационные меры, но и совершенствование конструкции и энергообеспечения рефрижераторного подвижного состава.

1.1. Требования к условиям транспортировки термочувствительных

грузов. Непрерывная холодильная цепь.

Основными причинами потерь являются несоблюдение сроков доставки скоропортящихся грузов и нарушение режима их обслуживания в пути следования, перебои в работе холодильных систем и ограничения в энергоснабжении, нарушение техники погрузочно-разгрузочных работ, неисправности оборудования и человеческий фактор [11]. Минимизация указанных рисков, а также сокращение выбросов парниковых газов обеспечиваются внедрением принципов непрерывной холодильной цепи (НХЦ) [12-17], эффективность которой напрямую зависит от надежности энергоснабжения и холодильных систем [16, 21], что также регламентируется международными стандартами [18].

Холодильная цепь представляет собой системный комплекс, обеспечивающий сохранение качественных характеристик продукции благодаря обеспечению стабильности температурного режима. Технически это реализуется применением пассивных (теплоизоляция) и активных (холодильно-отопительные установки) средств. Для перевозок на дальние расстояния используются преимущественно активные средства - рефрижераторные вагоны и КРК [13-18]. Применение указанных средств соответствует приоритетам «Транспортной стратегии Российской Федерации до 2030 года» в части повышения качества грузовых отправок [19].

Технологический процесс перевозки требует предварительной подготовки подвижного состава. Энергохолодильный агрегат включается за 6-18 часов до начала погрузки для достижения заданной температуры внутри кузова. Контроль соблюдения параметров в течение рейса осуществляется регистраторами в соответствии с ГОСТ Р 56940-2016 [20].

Номенклатура перевозимых грузов включает широкий спектр скоропортящихся и термочувствительных товаров, прежде всего продуктов питания и фармацевтику. Требования к подвижному составу и параметрам температурных режимов хранения и транспортирования установлены в Соглашении о международных перевозках скоропортящихся пищевых продуктов и Правилах перевозок железнодорожным транспортом скоропортящихся грузов [18, 21]. Также используются действующие нормативы, устанавливающие нормы хранения грузов такого рода.

В актуальной российской практике температурные значения определяет не регулятор, а изготовитель продукции и/или грузоотправитель [23]. Нередко перевозчики закладывают температуру воздуха на 1 или 2 градуса ниже требуемой, обеспечивая запас от колебаний температуры и обеспечивая доохлаждение части продуктов в процессе перевозки. Температурный режим в грузовом отделении должен соблюдаться при средней температуре окружающей среды, равной +30 °С.

На основе опубликованных в свободном доступе документов и нормативных актов составлена табл. 1.1 с основными рекомендуемыми температурными режимами для наиболее распространенных категорий скоропортящейся продукции, традиционно перевозимых железнодорожным рефрижераторным подвижным составом.

Таблица 1.1 - Режимы перевозки по некоторым группам грузов

Группа груза Подгруппа Рекомендуемый режим, °С

Рыба и морепродукты Рыба мороженая ГОСТ 32366-2013 <-18

Рыба охлажденная ГОСТ 814-2019 < +5 -2...+2 °С (со льдом)

Отрубы на кости подвесом ГОСТ 31797-2012 -3...0

Мясо и мясопродукты Куриное мясо ГОСТ 31962-2013; Мясо индеек ГОСТ 31473-2012 -1...+2

Говядина ГОСТ Р 338182016; < +4

Таблица 1.1 - Режимы перевозки по некоторым группам грузов

Группа груза Подгруппа Рекомендуемый режим, °С

Свинина ГОСТ Р 338182016 и ГОСТ 31778-2012; Баранина и козлятина ГОСТ 34200-2017; Говядина и телятина ГОСТ 31798-2012, ГОСТ 34120-2017

Продукты из мяса ГОСТ 34159-2017 -3.. .+6 или по указанию производителя

Замороженное мясо ГОСТ 31799-2012 Не выше < -18

Фрукты Тропические. Бананы ГОСТ 35258-2025; Ананасы ГОСТ 34266-2017 +13...+14; +7...+13

С емечковые/ягоды. Яблоки ГОСТ 34314-2017 0...+4

Плодоовощи Теплолюбивые. +6...+10; +8.+12 тепличные;

Огурцы ГОСТ 33932-2016; Томаты ГОСТ 34298-2017 +6.. .+9 спелые/красные; +11.. .+15 прочие томаты

Сыры полутвердые ГОСТ 32260-2013 0...+6

Сыры плавленые ГОСТ 31690-2013 0...+4

Кисломолочная продукция Масло сливочное ГОСТ 32261-2013 < -18 (замор.); +1...+5 (охл.)

Маргарины ГОСТ 32188-2013 -20.+15

Творог ГОСТ 31453-2013; Йогурты ГОСТ 31981-2013; Сметана ГОСТ 31452-2012; Кефир ГОСТ 31454-2012 0...+6

Пиво пастеризованное ГОСТ 31711-2012 +5...+20; +2...+12

Напитки Соки ГОСТ 32920-2014 0...+25

Вино ГОСТ 32030-2013 +5...+20

Консервированные продукты Консервы ГОСТ 32125-2013 0...+20

Пресервы ГОСТ 30054-2003 -8.0

Таблица 1.1 - Режимы перевозки по некоторым группам грузов

Группа груза Подгруппа Рекомендуемый режим, °С

Яйца Пищевые куриные ГОСТ 31654-2012 0...+20

Лекарственные средства и биологические материалы медицинского назначения По маркировке «хранить при.» -30.-80 (криозаморозка); +2.+8 (НХЦ); +8...+15 (без НХЦ); +15...+25

В таблице 1.1 не учтены пищевые добавки, орехи, смолы, полимерные материалы, хлебобулочные и кондитерские изделия, цветы и продукция, перевозимая в живом виде, и другие товары, традиционно доставляемые автомобильными контрейлерами или специализированным транспортом, таким как изотермические цистерны. При этом указанных грузов достаточно для общей характеристики перевозимых товаров и наиболее распространенных грузов. Основные температурные режимы указаны в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Классификация грузов по степени охлаждения

Температурный режим Диапазон, °С Категории грузов

В ентилируемый +15 > Грузы неохлажденные, свежая продукция

Среднетемпературный +15 .-5 Грузы охлажденные

Низкотемпературный, -5 .-15 Без доведения до глубокой заморозки

Низкотемпературный -18.-25 Для замороженных грузов и различных смесей

Криогенная обработка ниже -30 Деликатесная рыба, пищевое сырье, биоматериалы,

1.2. Эксплуатационные особенности автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров

Обеспечение железнодорожных перевозок термочувствительных грузов и скоропортящейся продукции основано на использовании автономных рефрижераторных вагонов (АРВ) и крупнотоннажных рефрижераторных контейнеров (КРК). Различия в их конструктивном исполнении влияют на особенности эксплуатации и формируют требования к характеристикам системы энерго- и холодоснабжения [24-26].

Энергетическая автономность транспортного средства является важным условием сохранности грузов. При транспортировке на дальние расстояния в регионах с развитой инфраструктурой использование автономных

рефрижераторных транспортных единиц позволяет сократить время доставки за счет совершенствования технологии перевозочного процесса и применения ускоренных технологических схем организации перевозок [27, 28].

Многие АРВ оснащены энергетической установкой для производства электроэнергии и топливными баками большой емкости. Это обеспечивает продолжительную автономную работу в течение рейса. У современных образцов АРВ длительность энергонезависимости составляет порядка 20 суток и более в зависимости от компоновки и запаса топлива по ГОСТ 35003-2023 «Вагоны рефрижераторные автономные».

В отличие от них, КРК проектируются как модульные единицы [29]. Для обеспечения их автономности используются навесные дизель-генераторные установки, объем топливного бака которых ограничен габаритами кузова [29]. Такое конструктивное различие создает эксплуатационные ограничения. Запаса топлива в баке навесного типа установки КРК достаточно для непрерывной работы в течение 3-5 суток. Однако при транспортировке грузов на дальние расстояния указанного запаса недостаточно. На рисунке 1.1 приведены фактические сроки доставки грузов с учетом простоев на складах.

Рисунок 1.1 - Общее время пути КРК при доставке грузов с Дальневосточного федерального округа Российской Федерации до Москвы

Таблица 1.3 - Требования к различным способам доставки

№ Способ доставки Минимальный срок Возможная Максимальный срок

п\п груза КРК доставки груза, дней задержка, дней доставки груза, дней

Черноморским

1 мультимодальным маршрутом 40 30 70

Дальневосточным

2 мультимодальным маршрутом 25 10 35

3 Железнодорожным 20 5 25

транспортом

4 Автомобильным транспортом 15 10 25

Обеспечение автономности АРВ и КРК в транспортных условиях требует учета запаса топлива, режима работы холодильного оборудования и маршрутных параметров.

Энергетическая автономность транспортных единиц рефрижераторного подвижного состава повышает сохранность груза на промежуточных пунктах и при перегрузке на другой вид транспорта, поскольку снижает зависимость соблюдения температурного режима от доступности внешнего электроснабжения. Это уменьшает риск температурных отклонений на участках перегрузки, оформления и временного хранения, где наиболее вероятны нарушения режима в холодовой цепи. Факт возникновения температурных разрывов именно на логистических участках цепи поставок и их связь с операциями обработки грузов и транспорта подтверждены экспериментальными данными и анализом температурных профилей в НХЦ [11, 13, 15, 16].

КРК подвержены износу, из-за чего их характеристики значительно ухудшаются со временем. Однако, физически и морально устаревшие контейнеры зачастую остаются в эксплуатации.

1.3. Конструктивные особенности автономных рефрижераторных вагонов и рефконтейнеров

АРВ представляет изотермическое транспортное средство, предназначенное для перевозки скоропортящихся и иных грузов в различных климатических условиях в автономном режиме при активном поддержании температуры воздуха в кузове.

Для автономности вагон оснащен индивидуальными системами автоматизированного холодильно-отопительного (термического) и энергетического оборудования, которые в автономном режиме обеспечивают принудительную циркуляцию воздуха, вентиляцию и поддержание заданного

температурного режима. Кузов АРВ установлен на раме, рама и кузов АРВ представляют собой неразъемную конструкцию [13].

Конструкция кузова АРВ функционально зонирована на грузовой отсек и машинное отделение, где размещаются термические агрегаты и энергетические установки для питания бортовых систем. Также возможна установка термического и энергетического оборудования снаружи кузова, в том числе на крыше, на стенах или в пространстве под вагоном.

Главным требованием к кузову АРВ является высокая степень термоизоляции. В соответствии с ГОСТ 35003-2023, вагон должен ограничивать теплообмен между внутренней и наружной поверхностями грузового отделения таким образом, чтобы общий коэффициент теплопередачи не превышал 0,4 Вт/(м2К).

КРК представляет собой изотермическую транспортную единицу, обслуживаемую холодильным устройством. Конструкция КРК обеспечивает ограничение теплообмена между внутренним пространством контейнера и внешней средой за счет теплоизолированных стенок. Автономным автоматическим контейнером считается изотермический контейнер с автономным питанием и автоматическим поддержанием заданной температуры. В отличие от АРВ, кузов КРК в рамках классификации подвижного состава является съемным, а в качестве несущей конструкции обычно используется рама вагона-платформы или, в ряде случаев, рама полувагона [13].

Классификация КРК принята в соответствии с принципом устройства бортового энергетического и термического оборудования (рис. 1.2).

Рисунок 1.2 - Классификация рефрижераторных контейнеров.

В текущей практике, термическое оборудование АРВ и КРК обычно встроенное. Энергетическое оборудования КРК зачастую расположено на внешней стороне торцевой стенки контейнера. Однако, также распространены контейнеры с машинным отсеком внутри кузова.

Корпус кузова состоит из несущего каркаса и обшивки. Каркас выполняется из стали, обшивка выполняется из стали или алюминия. Теплоизоляция обеспечивается использованием в качестве обшивки сэндвич-панелей, наполненных пенополиуретаном или, что реже, пенополивинилхлоридом. Наружная облицовка панелей проводится из металлических листов толщиной 2 мм. Внешняя поверхность выкрашивается в белый цвет для снижения теплопоступлений от солнечной радиации.

По способу организации воздухообмена кузовы делятся на три типа:

• С нижним распределением воздуха. Оборудование полностью размещено в машинном отделении внутри кузова. Воздух в грузовое отделение подается и возвращается через отверстия в разделительной перегородке.

• С верхним распределением воздуха. Воздухоохладитель установлен непосредственно в грузовом отсеке, в то время как компрессорно-конденсаторный блок находится в машинном отсеке или вынесен за пределы кузова.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Монастырский Дмитрий Ярославович, 2026 год

. испг

wrrt = 4-

2

wCp

Рспг 2

ср п й2рс

•у ^ спг

где Хдв - коэффициент гидравлического трения по уравнению Дарси-Вейсбаха; ^ - внутренний диаметр трубопровода, м; - сумма коэффициентов местных сопротивлений на участке; wсp - средняя скорость потока, м/с;

Приближенно давление насыщения при известной температуре кипения метана можно рассчитать, используя уравнение Клаузиуса-Клапейрона для двух точек измерения:

где рнас(т) - давление насыщения при температуре Т, Па; Рнас(т0кип) - давление насыщения при температуре кипения Т0кип, Па; Г0,кип - нормальная температура кипения метана 111,6 К; ДНИСП1 - молярная теплота испарения СПГ, Дж/моль; Я -универсальная газовая постоянная 8,314 Дж/(мольК).

При известном давлении температура на участке принимается как

Исходя из описанных условий течения и параметров, оптимальные рабочие давления СПГ в линии регазификации соответствуют диапазону от 0,2 до 0,6 МПа. Это ниже, чем давление при заправке автомобилей, так как в топливной линии автономного источника питания не требуется повышения давления, как перед гибридными или газовыми автомобильными двигателями, из-за малой производительности установки.

Нижняя граница давления обусловлена работой топливной системы при атмосферном давлении окружающей среды и необходимостью обеспечения кавитационного запаса насоса; верхняя граница принята исходя из условий обеспечения безопасной эксплуатации. Запас обусловлен необходимостью сохранения однофазного состояния рабочего тела при прохождении через элементы топливной линии от бака до испарителя. Недопустимо кипение и возникновение паровой фазы в регулируемом клапане, так как это приводит к износу и повреждению клапана, скачкообразному изменению гидравлического сопротивления и снижению эффективности теплопередачи [156].

Исходя из формул (2.5) и (2.7), при температуре хранения 111 К давление насыщенных паров метана составляет около 0,096 МПа. Следовательно, при давлении в топливной линии около 0,1 МПа запас над насыщением составляет порядка 0,004 МПа, а допустимый подогрев жидкости до начала кипения составляет около 0,6 К. При давлении 0,6 МПа температура кипения метана составляет около 138,8 К, обеспечивая запас до 30 К.

К примеру, при массовом расходе 0,00146 кг/с и теплоемкости жидкой фазы СПГ порядка 3,5 кДж/(кгК), предельная мощность внешних теплопритоков, не вызывающих закипания на участке до испарителя, возрастает с 3 Вт при 0,1 МПа

до 175 Вт при 0,6 МПа, то есть примерно в 58 раз. Таким образом, повышенное давление обеспечивает возможность использования для организации подводящего участка, к примеру, холоднодеформированную бесшовную трубу из нержавеющей стали по ГОСТ 9941-81 без дополнительной изоляции. Из формулы (2.7) предельная эквивалентная длина участка трубы без теплоизоляции типоразмера 25х2,0 мм составит около 1,0 м. Также необходимо отметить, что повышение рабочего давления до 0,6 МПа при сохранении температуры хранения СПГ обеспечивает значительное переохлаждение жидкости. 2.4. Термодинамическая оценка потенциала использования СПГ

Под регазификацией в настоящей работе понимается испарение жидкого СПГ при давлении кипения с последующим перегревом метанового пара. Для оценки потенциала рекуперации холода регазификации традиционно применяется энергетический анализ, основанный на первом начале термодинамики. Однако данный подход не учитывает термодинамическое качество холода, определяемое температурным уровнем, на котором он доступен.

Поскольку процесс регазификации СПГ сопровождается значительным изменением температуры от криогенных до стандартных условий, для определения реального потенциала и последующей оптимизации схем рекуперации целесообразно применить анализ без учета жизненного цикла СПГ [157]. В связи с этим, далее для оценки потенциала рекуперации холода регазификации используются энергетический и эксергетический анализы совместно. Энергетический анализ предлагается для определения количественного баланса. Эксергетический анализ применяется для оценки доступного холода и определения возможности технологической реализуемости рекуперации СПГ.

При известном давлении, для оценки предельного потенциала производства холода регазификации от СПГ использована физическая эксергия потока вещества относительно окружающей среды. Она позволяет определить верхнюю границу доступного для использования холода в соответствии со вторым началом термодинамики, тогда как энтальпийная оценка дает возможность оценить только теплоту, которую теоретически можно отвести из контактирующего с СПГ вещества. При постоянной теплоемкости эксергия идеального газа:

ГТо 8а ГРо 8р

с^-Го)-7°] -1 + ИТо\ f =

т р И (2.14)

= ср(Т — Т0) — срТ0 1п— + ЯТ0 1п — ,

Т р

— + ЯТо1п — То Ро

где первые два члена уравнения соответствуют термическом эксергии, а последним член соответствует механической эксергии давления.

Без учета скоростной и потенциальной компонент, удельная физическая эксергия определяется как разность состояний потока вещества и окружающей среды (70, ро):

еф = (к - к0) - Т0(б - 50)

(2.15)

где еф - удельная физическая эксергия, Дж/кг; к, к0 - удельная энтальпия потока СПГ в рассматриваемом состоянии и в состоянии равновесия с окружающей средой соответственно; 70 - абсолютная температура окружающей среды, К; б, -удельная энтропия потока СПГ в рассматриваемом состоянии и в состоянии равновесия с окружающей средой, Дж/(кгК).

Для процесса регазификации СПГ для подготовки к сжиганию в тепловом двигателе принимаем, что механической компонентой допустимо пренебречь из-за ее незначительного вклада в эксергетический баланс. Тогда развернутая с учетом термодинамических параметров формула (2.15) при регазификации принимает вид

^спг

Т 7

10 ср,ж т \ гр

кип

^р,ж( ^кип ^вх,ж }

вх,ж

кип

} ^спг ]

+ [ ^г,кип 5ж,к

7оСр,г ¿Л. (— ) — Ср,г ( Гкип — 70)

(2.16)

+

где гспг - удельная теплота парообразования при 7кип, Дж/кг; 5гкип , 5жкип удельные энтропии газа и жидкости на кривой насыщения при 7кип, Дж/(кгК). Предварительная энергетическая оценка удельного потенциала холода

^пред ^р,ж( ^кип ^вх,ж } + ^спг + ( ^вых,г ^кип}

Эксергия теплового потока £д, Вт, определяется по формуле

Ег

То

Т„

(2.18)

где 7тп - температура на границе теплообмена со стороной потребителя, К, принимается постоянной; ^рег - тепловой поток, реально отводимый от потребителя к источнику холода, Вт. Откуда количество максимально возможного отвода теплоты при регазификации при известном массовом расходе СПГ составляет

а

@рег,тах (^тп) — ^

е,

спг

— " 1 т 1

тп

(2.19)

Изменения теплосодержания СПГ в теплообменнике при регазификации:

С?рег ^спг [ ^кип ^вх,ж ) ^спг Ср> Г ( ^вых,г ^кип)] (2.20)

В случае кипения при постоянном давлении прирост теплосодержания совпадает с удельной теплотой парообразования, поэтому выражение для оценки холодопроизводительности испарителя с жидкой фазой Qисп, Вт:

С?ИСП ^СПГ ' ^СПГ' (2-21)

где гспг - определяется графически, либо пересчетом молярной теплоты испарения СПГ в удельную массовую СПГ:

^спг

л имоль ЛМисп

м.

(2.22)

спг

В диапазоне давлений от 0,2 до 0,6 МПа регазификация СПГ происходит по зависимостям, указанным на рис. 2.4. Теплофизические характеристики рассматриваемого СПГ приняты по данным библиотеки Соо1Ргор. При повышении давления температура кипения растет и снижается количество теплоты, необходимое для полной регазификации СПГ.

Купол насыщения III

- 0.2 МПа / / /

- 0.4 МПа / ч /

- 0.6 МПа 1/1

Опорная линия нагрева при постоянном давлении / // / / // / * / / /

/ / / ✓ / / / / / / / / / / / / /

/ / / ✓ / / / / /

у' \ / / / / / / / / / ✓ /

в/ ✓

А с \/

3000

ДЖ/(КГК)

Рисунок 2.4 - Регазификация СПГ от 110 до 298 К. А - жидкость на входе в испаритель; В - насыщенная жидкость при термодинамических параметрах кипения СПГ; С - насыщенный пар при температуре кипения; О - газ на выходе из теплообменника. Линия В-С, ограниченная куполом насыщения, соответствует

теплоте парообразования СПГ.

Конечной точкой принимается температура в 293 K, давление принимается постоянным в границах хранения СПГ. Доступный холодильный потенциал при рекуперации холода регазификации СПГ указан на рис. 2.5.

Рисунок 2.5 - Графическая оценка холодопроизводительности СПГ в диапазоне

давлений от 0,1 до 0,6 МПа.

Площади заштрихованных областей под кривой кипения соответствуют количеству теплоты, подводимой к СПГ, находящемуся в жидком состоянии, для перевода его в стандартное газообразное состояние, пригодное для использования в газопоршневом двигателе. При этом полная доступная удельная энергия охлаждения дрег, Дж/кг равна

Чрег Чпод Чисп Чпер> (2.23)

где qп0д, qиCп, qпep - удельная энергия охлаждения до кипения, при кипении и после кипения соответственно, Дж/кг.

Фазовый переход во время кипения (линия B-C на рис. 2.5) вносит определяющий вклад в общую холодопроизводительность, составляя примерно от 49 до 55 % от qpeг во всем рабочем диапазоне давлений, тогда как доли qп0д (А^ C на рис. 2.5) и qпep (C-D на рис. 2.5) составляют от 0,7 до 11,9 % и от 39 до 44 % соответственно. Зависимость удельной холодопроизводительности процесса регазификации СПГ от давления в топливной линии приведена на рис. 2.6.

Рисунок 2.6 - Зависимость от давления удельной холодопроизводительности,

получаемой при регазификации СПГ.

Тогда полная холодопроизводительность от регазификации принимается как:

Фрег ^спг * ^рег = Спод + Q исп + Фпер, (2.24)

где ^под - холодопроизводительность от рекуперации в ходе подвода теплоты к СПГ до состояния насыщенной жидкости (A-B), Вт,

(В

Фпод — Qnr I Tds — Gcnr • срж(Гв ТАу, (2.25)

Ja

Qhot - холодопроизводительность от кипения жидкого СПГ (B-C), Вт,

Qncn — &спг I Tds = Gcnr • гспг(рв_с); (2.26)

Jb

Qnep - холодопроизводительность от рекуперации перегретого пара (С-D), Вт.

Çnep — Gспг I Tds — Gcnr • cv r(TD — Tc). (2.27)

Je

Распределение мощности холодопроизводительности по составляющим (рис. 2.7) показывает, что основная доля мощности приходится на фазовый переход Q^n

и перегрев пара ^пер. В диапазоне рабочих давлений 0,1-0,6 МПа мощность фазового перехода составляет от 625 до 732 Вт, что сравнимо с мощностью перегрева пара от 503 до 590 Вт, при этом вклад ^под незначителен. Общая доступная холодопроизводительность от регазификации при этом снижается с 1331 до 1280 Вт с ростом давления до 0,6 МПа.

Рисунок 2.7 - Зависимость составляющих мощности холодопроизводительности регазификации СПГ от давления в диапазоне давлений от 0,1 до 0,6 МПа.

В соответствии с формулами 2.15-2.16, эксергетический потенциал СПГ рассчитывается как разница между энтальпией и энтропийным членом, так как в ходе регазификации нет химических превращений

£ф = Сспг • еф (2.28)

Принимаем температуру окружающей среды Т0 = ТО и температуру кипения СПГ определяем как ТВ = ТС. Тогда полная эксергия регазификации с учетом того, что механическим компонентом эксергии возможно пренебречь:

£рег = е<М ~ еФД> = (2.29)

Согласно второму закону термодинамики, в установившемся режиме работы теплообменного аппарата

^рег _ + Епот.

Эксергия, передаваемая в теплообменник из (2.18):

70

ТТп (х)

(2.30)

(2.31)

где Го = 293 К; ро = 0,1 МПа.

Эксергетический коэффициент полезного действия II второго рода

„спг _ V

Ли —

рег

( Т 1) ^рег 41 тп_^_

С е .

спг рег

(2.32)

Анализ эксергетической эффективности системы рекуперации холода (рис. 2.8) показывает выраженную зависимость КПД II рода от рабочего давления и температуры теплоносителя. Наблюдается рост пп во всем диапазоне от 0,1 до 0,6 МПа, при этом температура воздуха в грузовом отделении понижается с 278 К до 253 К, обеспечивая повышение эксергетического КПД в 3-4 раза с 4-6 % до 12-18 % соответственно. Максимальная эффективность достигается при 0,5-0,6 МПа.

Рисунок 2.8 - Эксергетическая эффективность системы рекуперации холода

относительно давления в системе.

Организация эффективного теплообмена на стадиях подогрева жидкости <2под и перегрева пара ^пер требует создания дополнительных, сложных и дорогостоящих контуров теплообмена. Стадия кипения Qшп является технологически наиболее предсказуемой. Согласно известным данным, наибольший вклад в полный холодильный потенциал вносит скрытая теплота парообразования <2исп, которая, в отличие от <2под и <2пер, реализуется на постоянном и низком температурном уровне, наиболее ценном для задач охлаждения [158].

Доля энергии фазового перехода при испарении СПГ определяется как

Спод , 0. исп Фпер

под + Фисп + Фпер = 75— + 75— + 75— = 1;

хрег хрег хрег

фисп 1 фпер + фпод

Гг

спг

(2.33)

ср,ж( ) + гспг + ср,г ( ^сО

Как показывают расчеты (рис. 2.9), при росте давления увеличивается фисп в выбранном диапазоне р. Однако фпер и фпод демонстрируют тенденцию к снижению значений в выбранном диапазоне.

Рисунок 2.9 - Зависимость рекуперируемого холода от давления.

Анализ долевого распределения составляющих удельной холодопроизводительности показывает стабильное преобладание фазового перехода во всем диапазоне рабочих давлений 0,1-0,6 МПа. С ростом давления фпод увеличивается с 0,67 % до 11,9 %, в то время как доли фисп и фпер снижаются с 55,0 % до 48,8 % и с 44,3 % до 39,3 % соответственно, что связано с изменением термодинамических параметров процесса регазификации.

Для уточнения оценки качества холода введены коэффициенты температурного напора © AB, © бс, © CD на участках процесса регазификации

Т-

©¿(70 = ^ " 1, £ е [АВ, ВС, СБ]. (2.34)

Проведенные расчеты (рис. 2.10) показывают, что максимальным эксергетическим потенциалом характеризуются процессы на участках А-В и В-С.

о

1,80 1,70 1,60 1,50 1,40 1,30 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 -0,10

120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Т, К

- О(Т) = То/Т — 1

Рисунок 2.10 - Эксергетический потенциал участков процесса регазификации. Для того чтобы количественно оценить связь холодопроизводительности с повышением давления, вводится коэффициент, описывающий влияние давления на полную холодопроизводительность процесса регазификации:

А -В

у В-С

C-D

1 ^^рег

OQ(P) = ~п--XT = YP(P) + aP(p)i (2.35)

Qper dp

где yp(p) описывает влияние давления на массовый расход

a p(p) описывает влияние давления на удельный холодильный эффект

/• Л 1 dq рег ар(Р) = -"--ХГ- (2.37)

Если G^ = const и yp = 0, тогда aQ = ap.

Принимая во внимание, что утилизация теплоты Qпод и QneP сопряжена со значительными техническими сложностями, доступная потребителю при рекуперации холодопроизводительность Q^ принимается равной холодопроизводительности на стадиях кипения и перегрева паров СПГ:

Фспг = Фрег - Q под Фисп + Фпер. (2.38)

На основании приведенной выше методики, для СПГ марки Б рассчитан удельный физический эксергетический потенциал от 0,42 до 0,45 МДж/кг в ходе регазификации при постоянном давлении. Обоснование достоверности результатов выполнено сопоставлением с академическими исследованиями - полученный диапазон данных согласуется с термодинамическими оценками регазификации СПГ и отличается на 21-29 % из-за значительного отличия принятых значений рабочих давлений, в районе 0,3 МПа вместо 8 МПа [159].

В тех же условиях пп достигает 18-20 %, что сопоставимо с опубликованными оценками судовых систем охлаждения на СПГ в 24,54 % и 33,1 % [160]. Вклад изотермического кипения (участок B-C) 48-55 % подтверждается эксергетическими анализами способов регазификации СПГ и известной оценкой фазового перехода в энергетическом балансе до 60 % [160].

Расчетные данные по разделу 2.4 приведены в Приложении 2. 2.5. Схемы рекуперации холода от регазификации СПГ

Для практического использования холода фазового перехода СПГ при регазификации рассмотрены типовые способы передачи холода в рабочие контуры. Ниже приводится перечень вариантов, различающихся мет�