Экспериментальная проверка технологий заправки криогенных бортовых топливных систем Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

^еодаУ*

Экспериментальная проверка технологий заправки криогенных бортовых топливных систем

С.П. Горбачев, профессор, главный научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ», д.т.н., К.И. Кириенко, младший научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ»

Представлены результаты экспериментальных исследований по заправке криогенных бортовых топливных систем жидким азотом и сжиженным природным газом. Описано несколько технологий заправки и проведено сравнение полученных результатов с расчетными моделями процессов.

Ключевые слова: криогенная бортовая топливная система, сжиженный природный газ, бездренажная заправка, технология заправки.

Отработка технологии заправки автотранспортных средств сжиженным природным газом (СПГ) и проверка достоверности методов расчета процессов заправки - таковы были цели экспериментальной работы, проведенной авторами. Теоретические модели заправки криогенного резервуара с открытым газосбросом при подаче жидкости сверху на уровень жидкости и снизу под уровень жидкости, а также модель бездренажной заправки резервуара с закрытым газосбросом предложены в работе [1] на основе первого закона термодинамики для открытых систем.

В процессе экспериментов были определены длительность заправки криогенного бака сжиженным природным газом и жидким азотом, а также характер изменения давления в баке при заправке (рис. 1).

Экспериментальная установка позволяет проводить заправку баков сверху и снизу с помощью насоса и методом передавливания, с открытым или закрытым дренажем, а также с соединенными паровыми пространствами питающего резервуара и заправляемого бака.

На первом этапе заправка проводилась методом передавливания

криогенной жидкости из питающего насос 4 с подачей около 4 м3/ч жид-

резервуара 1 через трубопровод 3 кости. После окончания заправки

в криогенный бак 9, на втором этапе теплого бака с начальной темпера-

для заправки использовался специ- турой его стенок около 300 К жид-

альный криогенный центробежный кость из бака 2 передавливанием

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: 1 - питающий резервуар; 2 - испаритель самонаддува питающего резервуара; 3 - линия выдачи жидкости методом передавливания; 4 - криогенный насос; 5 - линия выдачи жидкости с помощью насоса; 6 - испаритель подогревателя; 7 - подогреватель жидкости; 8 - линия заправки КБТС снизу; 9 - криогенный бак; 10 - линия заправки КБТС сверху; 11 - дренаж криогенного бака; 12 - байпасная линия насоса; 13 - линия циркуляции пара; 14 - дренаж питающего резервуара

возвращалась обратно в расходный резервуар 1, и проводилась заправка холодного бака с температурой стенок, близкой к температуре насыщенной жидкости. После нескольких холодных заправок бак опорожнялся и отогревался в течение нескольких суток. Затем серия экспериментов повторялась.

Масса жидкости в баке измерялась весовым способом на электронных весах, температура - платиновыми термометрами сопротивления, давление - датчиком давления ДИ-16 ГИ и манометрами.

Криогенная бортовая топливная система (КБТС) производства ЗАО «НПФ «ЭКИП» представляет собой горизонтальный криогенный бак с диаметром внутреннего сосуда 0,447 м, длиной 1,147 м (объем 180 л), толщиной стенки 0,003 м, материалом внутреннего сосуда которого является сталь 12Х18Н9Т. Основные технологические операции, обеспечиваемые КБТС, и ее технологическая схема рассмотрены в [2]. Преимущественный способ заправки бака - сверху, однако имеется возможность организовать нижнюю заправку через трубопровод подачи жидкости на испаритель-рега-зификатор. Бак имеет собственный

испаритель самонаддува, что позволяло повышать давление в нем выше, чем в расходном резервуаре при сливе жидкости обратно в резервуар.

В процессе экспериментов (рис. 2) варьировались расход жидкости за счет повышения давления в расходном резервуаре и ее температура на входе в бак за счет подогрева жидкости в специальном теплообменнике жидкость-газ.

Были проведены заправки теплого бака сверху и снизу с открытым газосбросом, а также бездренажная заправка холодного бака. Причем оценки показывают, что при содержании в баке жидкости менее 5 % общего объема бак можно считать теплым.

В процессе экспериментов не удалось провести идентичные заправки, так как после каждого опыта приходилось сливать прогретую жидкость из КБТС обратно в питающий резервуар, что нагревало заправляемую жидкость. Теплый бак заправлялся один раз в 7-8 дней, для того чтобы после испытаний он мог полностью отогреться. Температура подаваемой жидкости существенно влияет на параметры заправки - давление в баке и длительность заправки. При сильных перегревах заправка останавливается из-за значительного роста давления в баке.

Экспериментальные данные сравнивались с расчетными, полученными с помощью термодинамических моделей, предложенных в работе [1].

Заправка теплого бака сверху с открытым дренажем

Серия 1. Абсолютно пустой бак заправлялся жидким азотом из резервуара, давление в котором составляло 0,45 МПа. До 100 кг бак заправляли за 330 с (рис. 3а). Давление в баке уменьшалось с 0,4 до 0,22 МПа без скачков, однако в течение первых 150 с давление держалось постоянным и равным 0,4 МПа (рис. 36).

Серия 2. Абсолютно пустой бак заправлялся жидким азотом из

Рис. 3. Зависимость массы жидкости (а) и давления (б) в баке от времени при заправке теплого бака сверху с открытым дренажем

резервуара, давление в котором составляло 0,4 МПа. До 100 кг бак заправили за 400 с (см. рис. 3а). Давление в баке выросло с 0,1 до 0,2 МПа, а затем уменьшалось до 0,13 МПа без скачков (см. рис. 36).

Следует отметить, что при верхней теплой заправке с открытым дренажем не наблюдалось первого этапа - захолаживания стенок бака, причем теоретические расчеты также не показывали наличие этого этапа. Эксперименты проводились при различных, однако, близких условиях. Кривые зависимости массы жидкости в баке от времени имеют похожий характер и неплохо согласуются с теорией. Наблюдается пологий участок в конце заправки, связанный с работой уровнемера бака, который сдерживал дальнейшее поступление жидкости.

Несмотря на все процессы, происходящие при заправке, длительность заполнения бака хорошо согласуется с расчетным временем заправки. Для удобства сравнивалась длительность накопления жидкости до 100 кг. В серии 1 она составила 330 с, а расчетное время 345 с, то же наблюдается и при испытаниях для серии 2: 400 с дает эксперимент и 350 с - теоретическое расчетное время заправки.

Наблюдаетсяудовлетворительное согласование между теоретическим и экспериментальным характерами протекания заправки. Однако теоретическая зависимость для давления не описывает подробно пик давления в начале заправки, но позволяет его оценить.

Можно сделать вывод об адекватности методики расчета процессов заправки теплого бака сверху с открытым дренажем. Модель не описывает все реальные условия, однако позволяет оценить длительность заправки и давление в баке в процессе заправки.

Заправка теплого бака снизу с открытым дренажем

Серия 3. Бак с остатком жидкости 4,1 кг (3,15 %) заправлялся жидким азотом из резервуара, давление в котором составляло 0,74 МПа. Накопление жидкости проходило почти линейно (рис. 4а). Во время заправки термометр зафиксировал температуру жидкости 82 К. Давление в баке уменьшалось с 0,42 до 0,14 МПа без скачков (рис. 46). До 100 кг бак заправили за 222 с.

Серия 4. Заправка жидким азотом осуществлялась из резервуара, давление в котором составляло 0,72 МПа. Остаток жидкости в баке 7,5 кг (5,1 %). Температура в процессе заправки составляла 84 К. Давление в баке уменьшалось с 0,5 до 0,16 МПа (см. рис. 46). До 100 кг бак заправили за 230 с.

Характер изменения параметров при нижней заправке теплого бака отличается от параметров расчетной модели [1]. Процессы для этого способа заправки удовлетворительно описываются моделью для расчета заправки сверху. Возможно, это связано с тем, что заправка снизу проводилась через трубопровод отбора газа в двигатель, а не через предназначенный для этих целей вход ввиду его отсутствия. Таким образом,

в теплообмене участвует не только часть стенки бака, находящаяся в контакте с жидкостью, а вся его внутренняя поверхность. Можно сделать предположение, что модель, разработанная для расчета заправки снизу, подходит для более крупных резервуаров. Однако экспериментально модель на больших резервуарах не проверялась.

Можно отметить, что в испытаниях серий 3 и 4 при нижней заправке с открытым дренажем поступление жидкости в бак монотонное, практически линейное, без скачков. Характер изменения давления в баке аналогичен. Длительность заправки для серии 3 в эксперименте составила 222 с, расчетное время - 190 с, для серии 4 эксперимент и расчет соответственно - 230 и 190 с.

Особое внимание необходимо уделять конструктивным особенностям заправляемого бака, в частности, организации входа жидкости в бак.

Данная серия экспериментов имеет хорошую воспроизводимость результатов.

Бездренажная заправка холодного бака сверху Серия 5. Бак с остатком жидкости 11,5 кг (8,8 %) заправлялся жидким азотом из резервуара, давление

Рис. 4. Зависимость массы жидкости (а) и давления (б) в баке от времени при заправке теплого бака снизу с открытым дренажем

в котором было 0,52 МПа (рис. 5а). Давление в баке уменьшалось с 0,25 до 0,2 МПа без скачков (рис. 56). При захолаживании контура термометр показал температуру 78 К. За 195 с удалось заправить 96,5 кг жидкости.

Серия 6. Бак с остатком жидкости 7,98 кг (6,1 %) заправлялся жидким азотом из резервуара, давление в котором было 0,52 МПа (см. рис. 5а). Давление в баке за 50 с увеличилось с 0,1 до 0,31 МПа, а затем начало уменьшаться до 0,29...0,3 МПа (см. рис. 56). Температура заправляемой жидкости составляла 87 К. Бак заправлялся до 95 кг за 200 с. Дальнейшее заполнение сдерживалось уровнемером бака.

Как показано в работе [1], при бездренажной заправке конечное давление в сосуде может как увеличиваться, так и снижаться по отношению к начальному в зависимости от температуры жидкости на входе. В первом случае рост давления в сосуде из-за уменьшения объема пара при заправке превышает снижение давления из-за конденсации пара. Во втором случае имеет место обратная картина. Граничная температура жидкости, при которой давление в сосуде в процессе заправки остается постоянным, для данного случая составляет 84,5 К. Поэтому давление

в серии 5 уменьшается, а в серии 6 возрастает. В конце заправки зависимость давления от времени выходит на постоянное значение.

Длительность заправки до 95 кг в серии 5 составила 195, в серии 6 -200 с, что говорит об удовлетворительной воспроизводимости результатов экспериментов. В то же время длительность заправок в экспериментах на 30.40 % больше, чем при расчете по термодинамическим моделям (146 и 157 с для серий 5 и 6 соответственно). Расхождение 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.

Серия 7. Бездренажная заправка бака с остатком жидкости 3,8 кг (6,3 %) проводилась сжиженным природным газом (рис. 6а) из питающего резервуара, давление в котором было 0,75 МПа. Давление в баке за 60 с увеличилось с 0,45 до 0,6 МПа и далее оставалось постоянным (рис. 66). Во время заправки термометр зафиксировал температуру

120

ь

Я 100

га

£ во г

Й 60

£ «

3

г

о

/у

к*

»

гоо

О .1

с чг £

I

X

I ог

га

а

с 1

л

..Ь-Ь.

\ * • # м. *

•

1

м

100 во» и Я с

1»

Т№ 150 Бгеия с

а

— Распет км модели (сцмя 5)

* * Э«сяернменильпие доные Iсерии 5)

— Расчет чо модели керна ф

^^^ Эипернмектгльны* Давньл (сери# 6)

Рис. 5. Зависимость массы жидкости (а) и давления (б) в баке от времени при бездренажной заправке холодного бака на азоте

200

Рис. 6. Зависимость массы жидкости (а) и давления (б) в баке от времени при заправке СПГ холодного бака без дренажа

жидкости 136 К. Бак заправлялся до 58 кг за 180 с, расчетное время составляет 113 с.

Бездренажная заправка бака сжиженным природным газом проходила аналогично заправке жидким азотом, характер изменения основных параметров качественно совпадает, длительности заправок близки. Граничная температура СПГ, при которой давление в резервуаре в процессе заправки остается постоянным, для данной серии составляет 130,4 К.

Результаты экспериментов показывают качественное согласование характеристик с расчетами по равновесной термодинамической модели, но длительность заправки в экспериментах в 1,3.2 раза больше теоретического значения, что, очевидно, обусловлено нарушением условий термодинамического равновесия. Модель не учитывает реальный теплообмен жидкости и пара со стенкой, жидкости с паром, а также возможное вскипание жидкости в магистралях подающих коммуникаций и баке из-за снижения давления, если жидкость имеет малый недогрев - эффект вскипания. Таким образом, при описании процесса бездренажной

заправки холодного бака необходимо учитывать воздействие реальных факторов.

Заправка теплого бака без выбросов газа в атмосферу

При циклической заправке теплого бака в первой фазе осуществлялась подача жидкости в бак, во второй - сброс пара из бака. К данному виду заправки теоретического описания нет, однако ее удалось реализовать на практике.

Серия 8. Бак абсолютно пустой, температура стенок равна температуре окружающей среды (300 К). Давление в питающем резервуаре 0,3 МПа. За 60 с давление в баке выросло почти до 1 МПа (0,96 МПа), после чего насос был отключен, и производился сброс давления из бака до 0,25 МПа в течение 290 с (рис. 7а). Причем непосредственное падение давления происходило в течение 100 с, остальное время обусловлено повторным захолаживанием контура заправки. Далее идет обычная бездренажная заправка холодного бака, время которой составило 130 с. Накопление массы во второй фазе происходило линейно без задержек (рис. 76). Температура подаваемой жидкости в первой и второй фазах была 87...88 К. Давление в конце заправки 0,43 МПа. Общее время

заправки (по однолинейной схеме) составило 480 с.

Серия 9. Остаток жидкости в баке составил 1,9 кг (0,015 %). Давление в питающем резервуаре 0,3 МПа, давление за насосом 1,0 МПа. За 30 с после начала заправки давление в баке выросло до 1,0 МПа, после чего был открыт газосброс (см. рис. 7а). Снижение давления до величины 0,29 МПа длилось 90 с и в течение 690 с почти не изменялось. Такая длительность процесса также связана с повторным захолаживанием коммуникаций подачи жидкости, после которого заправка была продолжена. Накопление массы происходило идентичным образом, что и в серии 8 (см. рис. 76). Вторая фаза длилась 120 с, и бак был заправлен до 100 кг. Температура заправляемой жидкости была 90 К в первой фазе и 87 К во второй. Общая продолжительность заправки 870 с. Давление в конце заправки 0,5 МПа.

Характер изменений всех параметров одинаков, различие составляет время повторного захолаживания коммуникаций, но это проблема не процессная, а технологическая.

Серия 10. Эксперимент проводился на СПГ с абсолютно пустым теплым баком. Начальное давление составляло 0,1 МПа, давление в питающем резервуаре - 0,75 МПа, равновесное давление - 0,45 МПа. Насос работал

только в первой фазе. 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. Для заправки методом передавливания давление в питающем резервуаре подняли до 0,85 МПа. За первые 40 с давление выросло с 0,1 до 1,16 МПа. Заправка прошла за семь фаз с тремя сбросами газа из бака, седьмая фаза проходила, как холодная бездренажная заправка (рис. 8). Давление в конце заправки было 0,78 МПа. Общая продолжительность заправки составила 1300 с.

В ходе экспериментов были подтверждены разработанные физико-математические модели. Некоторые из них нуждаются в уточнении, однако в целом модели удовлетворительно описывают процессы, происходящие в криогенном оборудовании, и могут быть использованы для анализа переходного процесса.

Эксперименты показали, что существенное влияние на конечное давление в баке и процесс заправки в целом оказывает температура подаваемой жидкости и гидравлическое сопротивление коммуникаций. Продемонстрирована возможность заправки теплого бака по однолинейной схеме без выбросов газа в атмосферу.

m

'"oouw.«^

В результате испытаний было показано, что при заправке теплого криогенного бака объемом 180 л жидким азотом по двухлинейной схеме с открытым дренажем длительность процесса составляет 5.7 мин. Длительность однолинейной бездренажной заправки холодного бака составляет примерно 5 мин.

Литература

1. Горбачев С.П., Коледова К.И., Красноносова С.Д. Термодинамические модели заправки резервуара криогенной жидкостью // Технические газы. - 2011. № 5. - С. 32-40.

2. Горбачев С.П., Попов В.П. Современные криогенные бортовые топливные системы для автотранспорта на СПГ // Транспорт на альтернативном топливе. - 2008. -№ 6 (6). - С. 66-69.

3. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей, Н.Б. Варгафтик. - М.: Наука, 1972 г. - 721 с.

4. Справочник по физико-техническим основам криогеники, под. ред. М.П. Малко-ва. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985 г. - 432 с.

VITKOVICE

VÎT КО VICE CYLINDERS a.s.

Миропой лидер ггроимодстпл сссшопны* стпльных б а гшоноп высокого да плиния для различного лримонакнт?. Поставщик широкого ряяг. бллпсшап дПП сотого нагурлп^ного fate (CNG | и ллграпсчнк,* станин».

CNC баллоны

производство цельнотянутых 6а л дано п tu заготовки | брусок) баллоны CNG облегченные с внешний диаметром до 406 мм соотношение емкость/ьес 1литр/0.9 кг соответствие стандартам ISO 11429: ЕСЕ Я 110: NZS 5454: Со venin 3226; ГОСТ 9731-7Э; ГОСТ 51753-2001 Заводы-производители в Чехии, Польше, Аргентине

А

CNG гааоаалраяочные станции

для индивидуального пользовании для производственного пользования дли коллективного пользований

Применение баллонов

для стационарных и мобильных систем (PED, TPED or ADR) рабочее давление 200. 250, 300. 330 бар и выше емкость несколько тысяч литров

ж

rigs,, ^

шШ

Щ S9H № ràL*. tio SUS i H преде- ^Ща^йнИШнАМнШЩй Гйзауотпйиой ftctoUwauHK TON GaOUP., Vockeu. Tïn.f4î5) 781-25-55. факй (.135) 7S1-ÎIÎ-9S

■.:,,.. MÛ t liïjl