Разработка и исследование технологии заправки автотранспорта сжиженным природным газом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.04.03, кандидат технических наук Славин, Максим Владимирович

• Славин, Максим Владимирович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Славин, Максим Владимирович

Условные обозначения

Введение

1 Обзор литературных данных и постановка задачи исследования

1.1 История вопроса

1.2 Экологические предпосылки использования СПГ

1.3 Экономические предпосылки использования СПГ

1.4 Описание процесса заправки бака

1.5 Формулировка цели исследования

2 Исследование процесса захолаживания криогенного бака

2.1 Двумерная модель заправки бака

2.2 Нульмерная модель захолаживания бака

2.3 Аналитическая модель захолаживания бака

3 Исследование процесса накопления жидкости

3.1 Термодинамика процесса накопления жидкости

3.2 Заправка равновесной жидкостью

3.3 Заправка недогретой жидкостью

3.4 Выбор оптимального метода получения недогретой жидкости

3.5 Выбор оптимального метода заправки

3.6 Утилизация паров СПГ

4 Экспериментальное исследование заправки криогенного бака

4.1 Экспериментальная система

4.2 Согласование нульмерной модели захолаживания с экспериментом

4.3 Согласование аналитической модели захолаживания с экспериментом

4.4 Захолаживание бака с закрытым дренажом

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

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

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

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

8 - толщина стенки и - вертикальная скорость

Ж- горизонтальная скорость х - координата вдоль потока

Н- вертикальная координата а - коэффициент теплоотдачи по газу

В - диаметр тела в - температура стенки

Мст - масса стенки

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

АТ - температурный напор т] г - динамическая вязкость газа

Хг - коэффициент теплопроводности газа

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

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

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование технологии заправки автотранспорта сжиженным природным газом»

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

- природный газ (сжиженный или сжатый);

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

- диметиловый эфир;

- метанол;

- синтетический бензин.

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

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

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Машины и аппараты, процессы холодильной и криогенной техники, систем кондиционирования и жизнеобеспечения», Славин, Максим Владимирович

Выводы

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Славин, Максим Владимирович, 2006 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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