CC BY
1
Хозина Елена Николаевна, канд. техн. наук, доцент, khozina-en@rguk. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина,
Журавлева Ольга Сергеевна, канд. техн. наук, доцент, zhuravleva-os@rguk. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина,
Мельников Андрей Игоревич, магистрант, andrumelnikov555@yandex. ru, Россия, Москва, Российский государственный университет имени А.Н. Косыгина
CLASSIFICATION OF COMPOSITE MATERIALS P.A. Korolev, E.N. Khozina, O.S. Zhuravleva, A.I. Melnikov
The article provides a refined extended classification of composite materials as the most promising and in-demand materials in modern mechanical engineering. Special attention is paid to «intelligent» composite materials with unique properties and a wide range of applications. The data on modern developments of Russian scientists in the field of mechanical engineering technology, in particular, in the field of creating innovative composite materials with specified properties, are presented.
Key words: composite materials, matrix, filler, classification, functionality, «intelligent» composite materials.
Korolev Pavel Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, korolev-pa@rguk. ru, Russia, Moscow, Ko-sygin State University of Russia,
Khozina Elena Nikolaevna, candidate of technical sciences, docent, khozina-en@rguk. ru, Russia, Moscow, Kosy-gin State University of Russia,
Zhuravleva Olga Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, zhuravleva-os@rguk. ru, Russia, Moscow, Kosygin State University of Russia,
Melnikov Andrey Igorevich, master, andrumelnikov555@yandex. ru, Russia, Moscow, Kosygin State University of
Russia
УДК 629.7.082.6
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-7-473-474
ОПТИМИЗАЦИЯ РАСХОДА ОХЛАДИТЕЛЯ В СИСТЕМЕ ЗАПРАВКИ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
СЖИЖЕННЫМ ПРИРОДНЫМ ГАЗОМ
М.В. Ведерников, С.Ф. Стельмах, А.В. Антропова, Р.О. Лашко
В статье представлена пневмогидравлическая схема системы заправки (СЗ) транспортных средств (ТС) сжиженным природным газом (СПГ). Описаны способы оптимизации расхода жидкого азота при захолаживании узлов и агрегатов СЗ, а также топливных баков ТС. Произведен расчет массы выкипающего охладителя при различных способах заправки ТС. Показаны экономические преимущества функционирования разработанной СЗ в результате оптимизации расхода охладителя указанными способами.
Ключевые слова: охладитель, система заправки, пневмогидравлическая схема, захолаживание, сжиженный природный газ, жидкий азот, емкость, агрегат, магистраль.
В настоящее время природный газ является одним из важнейших видов топлива, занимая значимое место в структуре потребления наравне с нефтью и углём. Основными потребителями природного газа являются такие отрасли как промышленность и производство электроэнергии (44% и 31% соответственно) [1]. Другими важными сферами его потребления является коммунально-бытовой сектор, транспорт и ракетно-космическая отрасль.
В последние годы в мировой экономике и в структуре потребления первичных энергоносителей произошли существенные изменения. Наиболее важным из них можно назвать растущее значение природного газа, энергетическая и экологическая эффективность которого предопределяет его роль как доминирующего энергоресурса XXI века. Так, если за последние 20 лет мировое потребление энергии выросло на 48 %, то газа - на 70 %, в то время как нефти - на 33 %, угля - на 46 % [2].
Природный газ в сжиженном состоянии имеет следующие преимущества по сравнению с другими видами
топлива:
- сжижение природного газа увеличивает его плотность в 600 раз, что упрощает транспортировку и хранение;
- появляется возможность создания запасов и их использования по мере необходимости;
- в своей жидкой форме природный газ не имеет способности самовоспламеняться или взрываться;
- возможность газификации удалённых объектов;
- низкая себестоимость СПГ и его доступность;
- высокая энергоёмкость и большое октановое число;
- в ракетно-космической технике при использовании СПГ в качестве горючего возникает возможность многократного использования жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Сравнительно низкая доля углерода в данном виде горючего способствует снижению сажеобразования, что в свою очередь приводит к росту показателя надежности ракет космического назначения (РКН). Кроме того, при многоразовом использовании ступеней РКН значительно упрощается процесс освобождения узлов и агрегатов ЖРД от остатков горючего [3];
- СПГ является наиболее экологически чистым топливом.
СПГ - криогенная жидкость с молярной долей метана от 75% до 99% и более (ТУ 05-03-03-85, ГОСТ 56021 -2014) [4, 5] и температурой кипения от минус 162 °С - является перспективным энергоносителем и обеспечивает экономическую и экологическую эффективность по отношению к другим видам топлива.
СПГ по мнению экспертов-энергетиков - один из наиболее перспективных видов топлива. Природный газ уже получил титул топлива XXI века, поскольку его запасы существенно выше по сравнению с запасами нефти. Динамика роста мирового рынка СПГ составляет примерно 9% в год. Ожидается, что к 2025 году этот показатель удвоится и достигнет 18 - 20% в год [2]. В настоящее время наблюдается увеличение объёмов международной торговли СПГ, на его долю приходится свыше 25 % мировых внешнеторговых поставок природного газа.
Вместе с тем, СПГ является криогенной жидкостью, поэтому в случаях его транспортировки или временного прекращения потребления со временем возникает необходимость безопасного уничтожения его дренажей. По этой причине СПГ, находящийся на длительном хранении или выдаваемый получателям (в том числе, в хорошо теплоизолированные топливные системы), должен быть переохлажден значительно ниже точки его кипения [6]. При этом, принимающие системы на момент поступления в них СПГ должны быть также предварительно захоложены до уровня значительно ниже температуры его кипения.
Одним из способов захолаживания узлов и агрегатов СЗ ТС, а также переохлаждения поступающего в топливные баки СПГ является применение жидкого азота (ЖА) в качестве охладителя [7]. Указанный способ является наиболее распространенным, так как ЖА обладает рядом приоритетных в данном случае свойств - имеет более низкую, чем СПГ температуру кипения (минус 1960С), прост в производстве, не ядовит, в газообразном состоянии не является взрывоопасным.
В данной работе рассматривается вариант исполнения СЗ, в которой в процессе выполнения всех технологических операций минимизируется выход дренажей СПГ в окружающую среду. Это достигается, во-первых, за счет переохлаждения самого СПГ, захолаживания узлов и агрегатов СЗ, а также топливных баков ТС посредством применения ЖА в качестве охладителя на всех этапах работ, во-вторых, за счет приема остатков СПГ из магистралей СЗ в криостатированную сливную емкость, а также - конденсации газовой фазы СПГ и приема ее в указанную емкость. Пневмогидравлическая схема (ПГС) системы заправки ТС СПГ представлена на рисунке 1.
] СПГ Азот ] Перлит
Рис.1. Пневмогидравлическая схема системы заправки транспортных средств сжиженным природным газом
474
Предлагаемая СЗ транспортных средств СПГ состоит из следующих узлов и агрегатов:
- транспортная емкость ЕТр (может применяться не только для транспортировки СПГ, но и для последующего его кратковременного хранения у потребителя);
- емкость Е1, заполненная ЖА с температурой минус 196оС;
- рабочая емкость Е2 (она же - долговременное хранилище СПГ), предназначенная для приема и хранения СПГ при температуре не ниже минус (180.. ,182)0С, а также для подачи в топливный бак ТС;
- емкость переохладителя Е3, заполненная ЖА с температурой минус (182...180)°С под давлением (0,36...0,39)МПа;
- сливная емкость Е4, находящаяся внутри емкости переохладителя Е3;
- топливный бак ТС Е5;
- теплоизолированные магистрали, клапаны, испарители (ИСП), теплообменники (ТО), датчики уровня (ДУ), датчики температуры (ДТ), регулятор давления (РД), регулятор расхода (РР), газовые редукторы (ГР), криогенный и вакуумный насосы ((КН) и (ВН) соответственно), электрический нагреватель (ЭН);
- баллон со сжатым природным газом (ПГ).
К основным технологическим операциям по заправке транспортных средств СПГ можно отнести следующие:
- подготовка СЗ к приему СПГ из транспортной емкости ЕТр в рабочую емкость Е2;
- прием СПГ в рабочую емкость Е2 с одновременным его переохлаждением в емкости переохладителя Е3;
- хранение принятого СПГ в рабочей емкости Е2, включающее при необходимости его криостатирование;
- захолаживание ЖА магистралей выдачи СЗ и топливного бака ТС;
- заправка топливного бака ТС из рабочей емкости Е2 с одновременным переохлаждением СПГ в емкости переохладителя Е3;
- слив остатков СПГ из магистралей СЗ в сливную емкость Е4 после окончания заправки ТС;
- подготовка рабочей емкости Е2 к обратному приему СПГ из топливного бака ТС (при необходимости);
- обратный прием СПГ из топливного бака ТС в рабочую емкость Е2 с одновременным его переохлаждением в емкости Е4 (при необходимости);
- выдача СПГ из рабочей емкости Е2 в транспортную емкость ЕТр.
Рассмотрим указанные операции более подробно.
Захолаживание рабочей емкости Е2 и емкости переохладителя Е3. Захолаживание рабочей емкости Е2 и начальная фаза захолаживания емкости переохладителя Е3 производится одновременно. Для этого используется ЖА с температурой минус 196оС, который подается из емкости Е1 в рабочую емкость Е2, а из нее - в емкость Е3. Выдача ЖА в рабочую емкость Е2 производится через клапан В12 методом вытеснения. Для этого азотная емкость Е1 само-наддувается за счет подачи ЖА через клапан В2 в испаритель ИСП-2.
В процессе захолаживания рабочей емкости Е2 образующийся в ней холодный газифицированный азот через клапан В11 направляется на захолаживание емкости переохладителя Е3, а затем - в окружающую среду через дренажный клапан В19. За счет последовательного поступления холодного азота в обе емкости снижаются суммарные затраты ЖА на их захолаживание.
После окончания захолаживания рабочей емкости Е2 переток из нее холодного газифицированного азота в емкость переохладителя Е3 прекращается. Далее в емкость Е3 из емкости Е1 через клапан В20 подается ЖА. При этом дренаж газифицированного азота осуществляется через клапан В19. После заполнения емкости Е3 до требуемого уровня, контролируемого ДУ-2 (например, до уровня входного коллектора), включается ЭН, который поднимает температуру принятого ЖА до уровня минус (182.. ,180)0С.
По окончании захолаживания рабочей емкости Е2 остатки газообразного азота удаляются из нее через клапан В4. При необходимости газообразный азот полностью удаляется ВН высокой производительности (например, во-докольцевым ВН) через клапан В3. Эта операция может проводиться для исключения длительного контакта СПГ с газообразным азотом, в результате которого может снизиться качество топлива.
В общем случае СПГ, доставляемый от производителя к потребителю в транспортной емкости ЕТр, будет значительно перегрет. Поэтому его слив через емкость переохладителя Е3 в рабочую емкость Е2 имеет целью снижение температуры СПГ до равной либо несколько выше температуры его кипения при нормальном давлении (минус (163.. ,162)°С). Это позволяет создать в рабочей емкости Е2 некоторое избыточное давление, исключающее подсасывание в нее окружающего воздуха, и облегчает в дальнейшем переохлаждение СПГ при его выдаче в топливный бак Е5.
Установленная температура ЖА в емкости переохладителя Е3 на уровне минус (182.180)°С исключает кристаллизацию принимаемого СПГ в трубках теплообменников данной емкости (температура кристаллизации СПГ составляет минус 182°С). Температуре ЖА минус (182...180)°С соответствует давление его насыщенных паров на уровне (3,6...3,9) бар соответственно. В дальнейшем ЖА вследствие теплообмена с принимаемым или выдаваемым СПГ в емкости Е3 будет газифицироваться. Подпитка емкости Е3 ЖА будет производиться по сигналам ДУ-1 через клапан В14. При этом дренаж газифицированного азота из емкости Е3 производится через РД, поддерживающий в емкости Е3 давление насыщенных паров азота, соответствующее его температуре кипения (минус (182.180)°С).
Для вытеснения ЖА из емкости Е1 в емкость Е3 (при ее подпитке) первая самонаддувается через клапан В2 и ИСП-2 до соответствующего избыточного давления.
Прием СПГ из транспортной емкости ЕТр. Как уже отмечалось выше, СПГ приходит от производителя к потребителю в перегретом состоянии (например, в стандартном транспортном контейнере КЦМ-40/0,7). В этом случае давление в транспортной емкости ЕТр будет выше атмосферного и выше давления в принимающей рабочей емкости Е2. Это избыточное давление целесообразно использовать для вытеснения СПГ из транспортной емкости ЕТр. Однако необходимо отметить, что как только перегретое криогенное горючее из транспортной емкости ЕТр попадет в магистраль слива, давление в которой практически равно давлению в рабочей емкости Е2, тут же произойдет ее вскипание по всей длине линии слива. Это может привести не только к срыву переохлаждения СПГ в газожидкостном ТО-1 (ГЖТО-1) и жидкостно-жидкостном ТО-2 емкости Е3, но и к гидроудару в магистрали слива. Исходя из данного обстоятельства, слив перегретого СПГ в рабочую емкость Е2 целесообразно осуществлять следующими двумя способами.
Первый способ. При значительных перегревах СПГ и соответственно высоком давлении в транспортной емкости ЕТр в СЗ сначала принимают газовую фазу топлива. Это выполняется с целью понижения давления в емкости ЕТр и конденсации газовой фазы СПГ в теплообменниках емкости Е3. Для этого газовая фаза топлива из емкости ЕТр подается через клапан В7, ГР-1 и клапан В18 на теплообменники ГЖТО-1 и ТО-2, в которых происходит конденсация метана и других веществ, входящих в СПГ, с последующим их приемом в рабочую емкость Е2. При сбросе давления в транспортной емкости ЕТр находящийся в ней СПГ переходит в перегретое состояние и начинает кипеть в объеме, одновременно понижая свою температуру и давление насыщенного пара в газовой подушке. Одновременно с этим происходит захолаживание линии слива.
Второй способ. Если гидравлические характеристики магистралей слива не создают угрозы возникновения гидроудара в начальный момент движения по ним СПГ (захолаживание), то сначала производится прием в СЗ жидкой фазы СПГ, а по ее окончании - газовой фазы. В этом случае вытеснение жидкой фазы СПГ в СЗ может производиться за счет избыточного давления насыщенных паров топлива, имеющегося на этот момент в транспортной емкости ЕТр. При этом в том случае, если поступивший СПГ не перегрет, то транспортная емкость ЕТр самонаддувается по линии клапан В1 - ИСП-1.
Выдача жидкой фазы СПГ из емкости ЕТр в рабочую емкость Е2 производится через клапаны В8, В18, ГЖТО-1, жидкостно-жидкостный теплообменник ТО-2 и РР (РР уменьшает расход сливаемого СПГ в случае его недостаточного охлаждения на теплообменниках ГЖТО-1 и ТО-2 и повышения, вследствие этого, давления в рабочей емкости Е2).
В случае, когда доставленный потребителю СПГ не перегрет в значительной степени или необходимо произвести ускоренный прием СПГ (в том числе и перегретого), после завершения захолаживания линии слива вместо РР задействуется клапан В10. Контроль температуры принимаемого СПГ производится по ДТ-1.
После выдачи из транспортной емкости ЕТр жидкой фазы СПГ через клапан В7, ГР и клапан В18 на теплообменники ГЖТО-1 и ТО-2 подается газовая фаза с целью ее конденсации и приема в емкость Е2. При этом, если транспортная емкость ЕТр оснащена нижним сливом, позволяющим полностью слить жидкую фазу СПГ, необходимость в приеме газовой фазы из емкости ЕТр может быть неактуальной. Если транспортная емкость ЕТр оснащена верхним сливом, то процесс выдачи из нее газовой фазы на конденсацию необходимо проводить вплоть до момента отогрева транспортной емкости ЕТр до температуры выше точки кипения СПГ при нормальном давлении.
Для переохлаждения принятого СПГ, а также для его криостатирования на этапе хранения задействуется следующий контур криостатирования: клапан В6, КН, теплообменники ГЖТО-1, ТО-2, клапан В10.
Захолаживание линии выдачи СПГ в емкость Е5. Захолаживание линии выдачи СПГ может производиться либо газифицированным азотом из газовой подушки емкости Е1 через клапаны В17, В24 и В22 до емкости Е5 с дальнейшим дренажем азота из нее, либо с использованием ЖА (ускоренное захолаживание), которое осуществляется в два этапа. На первом этапе ЖА с температурой минус 196оС подается в линию выдачи через клапаны В9, В17, В24, В22 с контролем температуры газифицированного азота по ДТ-2, находящемуся в емкости Е5. На втором этапе при достижении температуры в диапазоне минус (182.. .180)0С подача ЖА прекращается, далее указанная температура поддерживается расходом холодного газообразного азота из емкости Е1 до начала выдачи СПГ.
При необходимости после окончания захолаживания магистралей СЗ и емкости Е5 азот из них может быть удален вакуумированием через клапан В21 и ВН. Возможна также замена азота на ПГ, например, методом полоскания. Для этого ПГ должен подаваться из газовой подушки рабочей емкости Е2 через клапан В26, В22. Однако при этом возникает необходимость утилизации дренажа азотно-метановой смеси, например, путем конденсации СПГ, его сепарации из азота и дальнейшего сбора.
Заправка СПГ топливного бака ТС. В процессе заправки производится переохлаждение СПГ на соответствующих теплообменниках емкости Е3. Выдача СПГ из рабочей емкости Е2 производится вытеснением. Для этого емкость Е2 наддувается по следующей линии: клапан В5 - ИСП-3; линия выдачи СПГ: клапан В13, теплообменники ТО-3, ГЖТО-2, клапаны В23, В24, В22. При этом температура СПГ, принимаемого в емкость Е5, контролируется ДТ-2. Фактически эта температура будет определяться расходом СПГ через теплообменники ТО-3 и ГЖТО-2, то есть скоростью выдачи СПГ. Для увеличения скорости выдачи СПГ его целесообразно предварительно переохладить непосредственно в рабочей емкости Е2 по описанной выше схеме криостатирования.
По окончании выдачи СПГ его остатки из магистрали выдачи через клапан В25 и теплообменник ТО-4 поступают в сливную емкость Е4. Затем оставшаяся в линии выдачи газовая фаза конденсируется в теплообменнике ТО-4 и также поступает в сливную емкость Е4. После ее заполнения СПГ транспортируется в рабочую емкость Е2 через клапаны В16 и В13. Для этого ПГ подается из баллона в емкость Е4 через ГР-2. Так как температура стенок сливной емкости Е4 значительно ниже температуры конденсации СПГ, последний быстро сконденсируется и давление в сливной емкости Е4 станет значительно ниже атмосферного.
Перед приемом последующего объема СПГ необходимо понизить давление паровой подушки в рабочей емкости Е2. Для этого находящийся в ней СПГ либо переохлаждают по линии криостатирования (клапан В6, КН, теплообменники ГЖТО-1, ТО-2, клапан В10) ниже точки конденсации метана (минус 162оС), либо сообщают паровое пространство емкости Е2 с полостью сливной емкости Е4 через клапан В15 и ТО-1. При этом в ТО-1 и на стенках емкости Е4 происходит конденсация паров СПГ.
Как уже отмечалось выше, ЖА в емкости Е3 постоянно кипит вследствие теплообмена с СПГ, при этом емкость Е3 подпитывается из емкости Е1 с температурой ЖА минус 1960С. Во избежание понижения температуры находящегося в емкости Е3 ЖА ниже уровня минус (182.. ,180)°С (например, при малом расходе переохлаждаемого СПГ через теплообменники емкости Е3) последняя оснащена ДТ-3, по сигналу которого автоматика включает и выключает ЭН.
Если есть необходимость в поддержании в емкости Е1 температуры ЖА на уровне минус 196оС, то по окончании работ с емкостью Е3 (после приема СПГ в рабочую емкость Е2 из транспортной емкости ЕТр либо после окончания заправки ТС) перегретый азот с температурой минус (182.. ,180)°С из емкости Е3 в емкость Е1 не возвращается, а полностью газифицируется в емкости Е3 за счет внешнего теплоподвода. В течение всего этого времени дренаж азота из емкости Е3 осуществляется через РД. По окончании выкипания ЖА в емкости Е3 азот останется в ней в газообразном состоянии под давлением (3,6. 3,9) бар, которое затем сбрасывается через клапан В19 до требуемого значения давления хранения.
С целью снижения потерь ЖА его часть в емкости Е3 можно охладить до температуры минус 196оС и затем вернуть в емкость Е1. Для этого ЖА, находящийся в емкости Е3, необходимо привести в состояние активного кипения без внешнего теплоподвода. С этой целью необходимо открыть клапан В19, при этом в емкости Е3 произойдет резкое понижение давления, вследствие чего ЖА, находившийся до этого под давлением (3,6.3,9) бар, перейдет в перегретое состояние и начнет кипеть с понижением температуры. При достижении давления насыщенных паров азота в емкости Е3 на (0,2.0,3) бар выше, чем давление в емкости Е1 клапан В19 должен быть закрыт. После этого оставшийся ЖА через клапан В20 может быть возвращен в емкость Е1 за счет избыточного давления в емкости Е3.
При реализации этого процесса относительные потери ЖА можно оценить следующим образом. Обозначим начальную массу ЖА через т°, выкипевшую массу ЖА - через Аш , разницу температуры ЖА вследствие выкипания части последнего - через А . Количество тепла, необходимое для выкипания указанной части массы ЖА, определяется с помощью следующего выражения:
бисп = ГЖА ■ Аш' (1)
где Гжд = 198 кДж/кг - удельная теплота парообразования ЖА.
Данное количество тепла будет отобрано из оставшейся части ЖА, то есть:
бисп = &■ СжА- (т0 -Ат), (2)
где С,Т,. , кДж/кгК, - теплоемкость ЖА.
ЖА
Тогда:
ГЖА ■Ат + ^СЖА ■ Ат = А/СЖА т° (3)
Таким образом, относительные потери ЖА на выкипание определяются с помощью следующего выражения:
М = Ат = ^ СЖА ^
М = ш— г +Аг ■ С (4)
'"а ЖА
Например, при необходимости охлаждения ЖА от минус 180°С до минус 193°С (Д = 13°С), при котором давление паров азота составляет 1,369 бар, относительные потери азота составят:
М = 13^,°23 = °,117, 198 +13 ■ 2,°23
т.е., около 12% от объема ЖА, хранящегося в емкости Е2.
Оценка величины массы выкипевшего азота при приеме СПГ из транспортной емкости ЕТр в рабочую емкость Е2 первым способом. Рассмотрим пример. Пусть транспортная емкость представляет собой стандартный контейнер для перевозки СПГ имеет объем 20 м3. При плотности СПГ в 442 кг/м3 указанный контейнер вмещает ш°
=8840 кг криогенного горючего.
Пусть СПГ в контейнере перегрет выше температуры его кипения на 20°С, то есть до температуры минус 142°С. В случае слива СПГ первым способом понижение температуры горючего, остающегося в транспортной емкости ЕТр, до минус 162°С произойдет за счет выкипания достаточно большой его массы:
Аш =---«1°35 кг,
511 + 2°-3,39
что составляет 11,7% от исходной массы.
При реализации этого процесса для охлаждения массы СПГ Аш =1035 кг в емкости Е3 от температуры минус 142оС до температуры его кипения (минус 162°С) при средней теплоемкости газообразного горючего в этом диапазоне температур Сгаз.
спг =2,19 кДж/кг К в соответствии с выражением (2) потребуется отвести б = (162142) 2,19 1035= 45333 кДж тепла.
Если в емкости Е3 не было бы ГЖТО-1, то процесс охлаждения СПГ происходил бы только на жидкостно-жидкостном теплообменнике ТО-1. В этом случае на данную операцию с учетом удельной теплоты кипения азота в соответствии с выражением (1) потребовалось бы 229 кг ЖА.
Используя соотношение, г,тг. -ш,тг, = г„™ ■ш„ттт, определим, что для конденсации указанной массы СПГ в
ЖА ЖА СПГ СПГ
ТО-1 потребуется (1035 511)/198 = 2671 кг ЖА. Кроме этого для дальнейшего переохлаждения всей массы сливаемого СПГ еще на 16°С (включая и сконденсированные 1035 кг СПГ) до температуры минус 178°С дополнительно потребуется еще (8840 16 3,39)/198 = 2422 кг ЖА.
Это количество ЖА должно быть восполнено в емкости Е3 за счет ее подпитки из емкости Е1. Итого для переохлаждения всей массы шо=8840 кг СПГ, прибывшего от поставщика при температуре минус 142°С, до температуры минус 178°С, в емкость Е3 для ее подпитки должно поступить шподп.1 = 5322 кг ЖА.
Необходимо отметить, что в данном случае запас холода, имеющийся у образованного при этом газифицированного азота, целесообразно использовать по аналогичной схеме и при сливе СПГ за счет организации первичного теплообмена криогенного горючего на ГЖТО-1 с этим газифицированным азотом, то есть еще до поступления СПГ в жидкостно-жидкостный ТО-1.
Образующийся при этом газифицированный азот имеет достаточно низкую температуру по сравнению с температурой газообразного горючего (минус 142°С), движущегося из транспортной емкости ЕТр в емкость Е3 (выше отмечалось, что ЖА в емкости Е3 имеет температуру минус 180°С). Имеющийся запас холода у газифицированного азота целесообразно использовать для начального переохлаждения сливаемого СПГ в ГЖТО-1. Суммарный запас холода у полученной массы газифицирорванного азота массой 5322 кг при средней теплоемкости последнего в диапазоне температур минус (173...153)°С, равной Сазот.газ.=1,06 кДж/кгК, и разнице температур между перегретым СПГ (минус 142°С) и газифицированным азотом (минус 18°оС), составляет б = 5322-(18° - 142)-1,°6 = 21437° кДж.
Это эквивалентно экономии на выкипании 214370/198 = 1083 кг ЖА, что составляет практически 20% от общих затрат ЖА в указанном процессе.
Оценка массы выкипевшего азота при приеме СПГ вторым способом. При реализации слива перегретого СПГ вторым способом на его охлаждение от минус 1420С до минус 1780С, происходящее без фазовых переходов криогенного горючего, для подпитки емкости Е3 понадобится мподп.2 = (8840 (178-142)3,39)/198 = 5528 кг ЖА.
Как было показано выше, указанные массы выкипевшего ЖА подлежат восполнению в процессе подпитки емкости Е3 ЖА с температурой минус 1960С. По отношению к ЖА, находящемуся в емкости Е3 при температуре минус (182...180)°С, подпиточный азот является переохлажденным на ДГпереохл.=(14...16)0С (в среднем Д/переохл=150С).
В первом варианте слива СПГ (при теплоемкости ЖА Сжа=2,023 кДж/кгК ) экономия теплоты (запаса холода) в соответствии с выражением (2) для ранее определенной массы выкипевшего азота в 5322 кг составит Оподогр.1 = 15-5322-2,023=161496 кДж, что эквивалентно экономии Дм = О /гЖА = 161496/198и816 кг ЖА.
подп.1 ^подогр.1 ЖА
И тогда откорректированная масса ЖА, требуемая для переохлаждения СПГ по первому варианту его слива, составит Дм = 5322 - 816 = 450 кг.
подп.1корр.
Во втором варианте слива СПГ аналогичное количество тепла на подогрев подпиточного ЖА составит Оподогр.2 =15-5528-2,023=167747 кДж, что эквивалентно экономии Дт = О / г =167747/198 « 847 кг ЖА.
подп.2 ^подогр.2 ЖА
И тогда откорректированная масса ЖА, требуемая для переохлаждения СПГ по второму варианту его слива, составит мподп.2 корр. = 5528-847=4680 кг.
Таким образом, выполненные расчеты показывают целесообразность размещения ГЖТО-1 в емкости Е3, который позволяет использовать запас холода газифицированного азота за счет предварительного охлаждения, сливаемого в емкость Е2 СПГ. Указанный процесс позволяет экономить до 20% ЖА при приеме СПГ в СЗ транспортного средства.
Оценка величины экономии охладителя (ЖА). Как было отмечено выше, применение жидкостно-жид-костных и газожидкостных ТО при выполнении операций по охлаждению СПГ в предлагаемой СЗ приводит к существенной экономии ЖА. С помощью выражений (2) - (4) произведем расчет величины экономии ЖА при заправке топливных баков ТС различного объема для варианта переохлаждения СПГ на 36°С.
Результаты выполненных расчетов представлены в таблице и на рисунке 2.
Величины экономии ЖА при использовании предлагаемой системы заправки топливных баков криогенного _горючего с переохлаждением различных объемов СПГ на 36°С_
Величина массы заправляемого СПГ, т Величина массы ЖА, требуемая для переохлаждения СПГ на 360С, т Величина экономии ЖА, т
5 3 0,6
35 21 4,3
70 41 8,3
160 94,5 19
Масса заправляемого СПГ, т
Рис. 2. Зависимость экономии ЖА от массы заправляемого СПГ при использовании предлагаемой системы
заправки топливных баков транспортных средств
В настоящее время стоимость ЖА составляет около 100 тыс. руб. за тонну [8]. Следовательно, при использовании предлагаемой в работе СЗ в зависимости от указанных величин масс СПГ, переохлаждаемого в процессе заправки ТС на 36°С, экономия ЖА составит от 60 тыс. до 1,9 млн. руб.
Заключение. В работе представлена пневмогидравлическая схема СЗ СПГ, обеспечивающая необходимые требования безопасности в районе функционирования установки, а также чистоту топлива на всех технологических этапах заправки.
Проведена оценка массы выкипающего азота при переохлаждении заправляемого СПГ в бак транспортного средства. Рассмотрены способы оптимизации расхода ЖА при охлаждении СПГ.
Рассчитаны массы ЖА, необходимые для переохлаждения заправляемого СПГ в топливные баки различных объемов, и произведена оценка величина экономии охладителя с применением, предлагаемой в работе СЗ.
Список литературы
1. ИА Neftegaz.RU: официальный сайт / Жидкий газ: технологии производства одного из главных трендов в отрасли. - 2024. - URL: https://neftegaz.ru/science/booty/473481-zhidkiy-gaz-tekhnologii-proizvodstva-odnogo-iz-glavnykh-trendov-v-otrasli-/?ysclid=ludv5u8c4m133282919 (дата обращения 01.04.2024).
2. Гойда А.Н. Современное состояние и перспективы развития рынка сжиженного природного газа / А.Н. Гойда, С.И. Шиян, И.И. Шаблий // Отраслевые научные и прикладные исследования: Науки о земле. 2019. Выпуск №4. С.164 - 180.
3. Стельмах С.Ф. Исследование факторов, влияющих на возможность многократного применения жидкостных ракетных двигателей в целях снижения стоимости пусков многоразовых ракет-носителей / С.Ф. Стельмах, В.А. Грибакин, В.Л. Слатов, А.В. Антропова // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. Выпуск №2. С.215 - 226.
4. ТУ 51 03-03-85. Газ природный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания. Технические условия [Электронный ресурс] URL: http://docs.cntd.ru/document 1200059065 - 01.04.2024 (дата обращения: 10.04.2024).
5. ГОСТ Р 56021-2014. Газ горючий природный сжиженный. Топливо для двигателей внутреннего сгорания и энергетических установок. Технические условия [Электронный ресурс] URL: http://docs.cntd.ru/document1200110779 (дата обращения: 01.04.2024).
6. Чугунков В.В. Оценка эффективности температурной подготовки криогенного топлива в емкостях наземных комплексов с теплообменной рубашкой / В.В. Чугунков, А.А. Александров, К.И. Денисова, А.В. Золин // XLVII Королевские академические чтения по космонавтике. 2023. [Электронный ресурс] URL: https://korolev.bmstu.press/preprints/6850 (дата обращения: 01.04.2024).
7. Ведерников М.В. Заправочно-нейтрализационное оборудование технических и стартовых комплексов: учебник / М.В. Ведерников, С.В. Загорный, А.В. Казимиров, А.В. Ляшевский, В.М. Мороз, М.М. Пеньков. СПб.: ВКА имени А.Ф. Можайского, 2020. 457 с.
8. Интергаз-СПб: официальный сайт. Санкт-Петербург, Российская Федерация, 2023. [Электронный ресурс] URL: http://tehgas.spb.ru (дата обращения: 21.11.2023).
Ведерников Михаил Васильевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, доцент, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,
Стельмах Станислав Феликсович, канд. воен. наук, старший научный сотрудник лаборатории, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского,
Антропова Александра Владимировна, научный сотрудник лаборатории, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского,
Лашко Руслан Олегович, адъюнкт, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского
METHODS FOR OPTIMIZING COOLANT CONSUMPTION IN A PROMISING SYSTEM FOR REFUELING LA UNCH ROCKETS WITH LIQ UID METHANE
M. V. Vedernikov, S.F. Stelmakh, A.V. Antropova, R.O. Lashko
The article presents a pneumohydraulic circuit of a promising system forfilling space rockets with liquid methane. Methods for optimizing the consumption of liquid nitrogen when cooling the components and units of the refueling system, as well as the launch vehicle fuel tank, are described. Calculations ofthe boiling-off coolant mass for various methods of refueling the launch vehicle were made. The economic advantages of the developed fueling system functioning as a result of optimizing coolant consumption using the specified methods are shown.
Key words: coolant, fueling system, pneumohydraulic circuit, cooling, liquid methane, liquid nitrogen, capacity,
unit, trunk.
Vedernikov Mikhail Vasilievich, candidate of technical sciences, senior researcher, docent, [email protected], Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Stelmakh Stanislav Feliksovich, candidate of military sciences, senior researcher of the laboratory, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Antropova Alexandra Vladimirovna, research associate of the laboratory, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky,
Lashko Ruslan Olegovich, adjunct, Russia, Saint-Petersburg, Military Space Academy named after A.F. Mozhaisky
