Оценка эффективности дозаправки метаном автомобильных баллонов после их охлаждения окружающим воздухом Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Оценка эффективности дозаправки метаном автомобильных баллонов после их охлаждения окружающим воздухом

1С.Ю. Белоусова, ведущий инженер ЗАО НПП «Маштест», В.С. Зарубин, профессор кафедры «Прикладная математика» МГТУ имени Н.Э. Баумана, д.т.н.,

Я.Г. Осадчий, генеральный директор ЗАО НПП «Маштест», д.т.н.

С использованием разработанной математической модели тепловых процессов при заполнении метаном типовых металлокомпозитных автомобильных баллонов проведен анализ возможного увеличения конечной массы метана в баллонах путем их дозаправки после охлаждения окружающим воздухом. Получены количественные оценки эффективности двух- и трехэтапного процессов заполнения баллонов двух вариантов конструктивного выполнения при температуре окружающего воздуха в интервале 233...293 К и различной длительности пауз между этапами заполнения.

__Ключевые слова:

конструктивный тип автомобильного баллона, уравнение состояния метана,

тепловая модель баллона, режимы дозаправки.

35

Введение

Метан, составляющий основную часть используемого на автомобильном транспорте компримированного природного газа (КПГ), в отличие от большинства газов обладает важной особенностью: при фиксированной температуре и увеличении его давления примерно до 30 МПа плотность метана возрастает быстрее, чем растет давление [1, 2]. При пониженной температуре эта особенность в наибольшей степени проявляется в интервале изменения давления, соответствующем эксплуатации существующих автомобильных баллонов с КПГ.

Отмеченная особенность метана позволяет повысить эффективность эксплуатации баллонов для КПГ в зимний период и в условиях континентального климата при значительных суточных изменениях температуры воздуха. В частности, возникает возможность увеличения массы метана в баллоне в случае заполнения емкости и ее последующей дозаправки после охлаждения при пониженной температуре окружающего воздуха. Это может способствовать увеличению в течение рабочего дня пробега грузовых автомобилей и автобусов на газомоторном топливе, несмотря на пока еще невысокую плотность расположения в ряде регионов страны автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС), что отмечается при обсуждении мероприятий по расширению сферы применения на отечественном автотранспорте газомоторного топлива [3, 4].

36

Основной причиной ограничения итоговой массы метана в автомобильном баллоне является повышение температуры газа в силу его сжатия в ограниченном объеме заполняемого баллона, что приводит к снижению плотности метана. Если после завершения этапа заполнения до регламентированного для большинства эксплуатируемых баллонов избыточного давления 20 ати [5, 6], что соответствует абсолютному давлению р* ~ 19,711 МПа, провести охлаждение метана вместе с конструкцией баллона, то произойдет уменьшение давления при сохранении достигнутой при заполнении плотности газа. Последующая дозаправка баллона снова до достижения давления значением р* даст возможность добавить некоторое количество метана и тем самым увеличить его плотность в баллоне.

Такую процедуру можно повторять, приближая значение плотности метана к теоретически возможному максимальному уровню р* , соответствующему давлению р* и температуре охлаждающей среды в виде окружающего воздуха. Однако эффективность каждой последующей дозаправки убывает даже при условии охлаждения баллона перед дозаправкой до уровня температуры окружающего воздуха, что требует, как правило, значительного периода времени.

Рациональным вариантом использования низких температур воздуха в зимний период с их понижением в ночное время представляется проведение первого этапа заполнения баллона в конце рабочего дня с последующим охлаждением ночью и дозаправкой утром перед началом рабочего дня. При достаточно низкой температуре воздуха наряду с охлаждением в ночное время можно использовать сравнительно короткие этапы охлаждения баллона в конце или в начале рабочего дня с последующими дополнительными дозаправками. Количественная оценка эффективности определенного сочетания этапов охлаждения баллона после заполнения и его последующей дозаправки может быть проведена современными методами математического моделирования [7, 8] с использованием тепловой модели автомобильного баллона [9], уравнения состояния метана и соотношений, описывающих интенсивность теплообмена элементов конструкции баллона с метаном и окружающим воздухом.

Изменение параметров метана при заполнении баллонов

Эффективность каждого этапа заполнения баллона можно оценивать отношением п = Др/р *, где Др - увеличение плотности метана в баллоне после завершения данного этапа. Следует отметить, что на значение Др некоторое влияние оказывает скорость заполнения баллона и его конструкция, но основными влияющими факторами являются начальные значения температуры и давления метана в баллоне перед заполнением, а также температура Т* и давление р* метана в газозаправочном устройстве. В случае заполнения баллона на АГНКС значения Т*и р*соответствуют температуре и давлению в контрольно-измерительном участке [6] или в аналогичных устройствах контроля количества поступающего в баллон газа. Темп охлаждения метана в баллоне после этапа заполнения зависит, главным образом, от разности температур АТ* = Т* — Т0, где Т* и Т0 - температуры метана в конце этого этапа и окружающего воздуха соответственно, а также от интенсивности теплообмена метана с внутренней поверхностью полости баллона и его внешней поверхности с окружающим воздухом.

Для определения текущего состояния метана при заполнении баллонов необходимо располагать его уравнением состояния, которое связывает между собой его температуру, давление и плотность. Использование известного уравнения состояния совершенного газа (уравнение Менделеева - Клапейрона) применительно к процессу заполнения приводит к существенным погрешностям [9]. Двухпараметрические уравнения Ван-дер-Ваальса для реальных газов [2, 10] и рекомендованное в монографии [11] уравнение Редлиха - Квонга также не обеспечивают достаточной точности описания состояния метана в рабочем диапазоне изменения его давления в автомобильных баллонах. В данной работе использован термодинамический подход [12], позволяющий получить не только уточненный вариант уравнения состояния метана, но и найти необходимые для выполнения численного моделирования процесса заполнения баллонов и их последующего охлаждения зависимости энтальпии и теплоемкости метана от параметров его состояния, а также зависимости его теплопроводности, вязкости и объемного температурного расширения, влияющие на интенсивность теплообмена метана с внутренней поверхностью лейнера металлокомпозитного баллона.

Уравнение состояния дает возможность давление р (?) метана в баллоне в текущий момент времени ? однозначно представить как функцию текущих значений плотности р (?) метана и его температуры Т (?). Плотность метана при фиксированной вместимости V баллона зависит от режима заполнения, определяемого расходом т (?) метана в единицу времени. Тогда можно записать

Р* ) = = у + V 1т ^

10 лет

журналу

37

где т (?) и т 0 = р0 V - масса метана в баллоне в текущий момент времени ? и в момент времени ? = 0, принимаемый за начальный в процессе заполнения баллона; р0 = р (0) - плотность метана при ? = 0.

Зависимость от времени температуры Т(?) метана в баллоне следует из закона сохранения энергии (первый закон термодинамики [13]) для текущего значения т (?) массы метана в баллоне, что позволяет записать обыкновенное дифференциальное уравнение [9, 14]

cv (T ,p)m(t) dT = Q(t) + W (p,T ,p)m (t). dt

(1)

Здесь cv - измеряемая в Дж/(кг • К) удельная массовая теплоемкость метана при постоянном объеме (изохорическая теплоемкость), зависящая от его температуры и плотности; Q (t) - измеряемый в Вт тепловой поток, подводимый к метану от внутренней поверхности лейнера металлокомпозитного баллона; W - тепловая мощность, поступающая в баллон по мере его заполнения метаном и равная

w = (p/p+н'(p*,T *) - н (p,T ))m (t),

*

где H и H - энтальпия единицы массы метана, зависящая соответственно от давления p* и температуры Т* газа перед его поступлением в баллон и от текущих значений давления p и температуры Т в баллоне. Графики зависимостей энтальпии и изохорической теплоемкости метана от определяющих параметров, построенные по данным работы [12], приведены в работе [9].

Тепловая модель металлокомпозитного баллона

Из применяемых баллонов для КПГ четырех конструктивных типов [5, 6, 15] существуют два достаточно распространенных вида конструкции цилиндрических металлокомпозитных баллонов: вместимостью 100 л с лейнером из алюминиевого сплава АД33, армированным базальтопластиком по всей наружной поверхности лейнера (тип 3 по ГОСТ Р 51753-2003), и вместимостью 97 л с лейнером из стали 35ХМА, армированным стеклопластиком только по цилиндрической поверхности лейнера (тип 2 по ГОСТ Р 51753-2003). Конструктивные схемы этих баллонов приведены на рис. 1. Более сложной является тепловая модель для баллона типа 3. Поэтому подробнее рассмотрим построение модели для этого типа, которую затем можно несколько упростить применительно

к баллону типа 2.

Первый этап построения тепловой модели баллона состоит в условном разделении его конструкции на отдельные элементы и последующем переходе к его тепловой расчетной схеме, состоящей из сосредоточенных теплоемких масс, связанных между собой термическими сопротивлениями [9, 15, 16]. Входящая в уравнение (1) удельная теплоемкость метана существенно зависит от его изменяющихся в процессе заполнения баллона температуры и плотности, а масса т зависит от времени. Поэтому полная теплоемкость С = еу т сосредоточенной теплоемкой массы, соответствующей находящемуся в баллоне метану, будет переменной величиной. Кроме этого, в качестве теплоемких масс в конструкции балона типа 3 выделим обечайку и днища лейнера, а также армирующие слои на обечайке и днищах лейнера. Удельные теплоемкости конструкционных материалов в ожидаемом интервале изменения температур допустимо считать не зависящими от температуры, что позволяет принять постоянными полные теплоемкости соответствующих сосредоточенных теплоемких масс.

Для каждой сосредоточенной теплоемкой массы, отмеченной кружком на расчетной схеме тепловой модели (рис. 2), указано обозначение полной теплоемкости выделенного элемента и его температуры: С и Т соответствуют метану, С1 и Т - обечайке лейнера, С2, Т2 и С3, Т3 - соответственно правому (с вентилем) и левому днищам лейнера, С4 и Т4 - армирующему слою на обечайке лейнера, С5, Т5 и С6, Т6 - армирующим слоям соответственно на правом и левом днищах лейнера. В С2 следует включить полную теплоемкость латунного вентиля ВМА-2000, а в С3 - полную теплоемкость стальной пробки. Соответствующие конструктивным элементам полные теплоемкости определяются произведением массы конкретного элемента и удельной массовой теплоемкости его материала.

Термические сопротивления, связывающие между собой выделенные теплоемкие массы, обозначены на рис. 2 литерой Я. Для выполненного в данном случае из достаточно теплопроводного материала тонкостенного лейнера допустимо

Рис. 1. Схемы баллонов двух конструктивных типов

39

Рис. 2. Расчетная схема тепловой модели баллона типа 3

пренебречь изменением температуры по его толщине. Поэтому температуры Т1 , Т2 и Т3 соответствующих сосредоточенных теплоемких масс можно считать совпадающими со средними температурами внутренних поверхностей обечайки лейнера и его днищ. Тогда значения термических сопротивлений Я1, Я2 и Я3 будут зависеть лишь от интенсивности теплообмена метана соответственно с обечайкой лейнера и с его правым и левым днищами. Теплообмен в замкнутом объеме баллона происходит по механизму естественной конвекции [17], и на его интенсивность влияют разность температур метана и поверхности теплообмена, а также зависящие от температуры Т метана значения его теплофизических характеристик.

Интенсивность теплообмена в условиях естественной конвекции характеризуют коэффициентом теплообмена а, который входит в критериальное уравнение [17]

Ш = С*Яап, (2)

где Ки = аЮ/Х и Яа = g0РЮ31 Т -Т11 сур/^а) - безразмерные критерии подобия (соответственно числа Нуссельта и Рэлея); Б - внутренний диаметр лейнера; X - коэффициент теплопроводности метана; g0 =9,81 м/с2 - ускорение свободного падения на поверхности Земли; Р - температурный коэффициент объемного расширения метана; V и а - соответственно кинематический коэффициент вязкости и коэффициент теплопроводности метана при температуре, равной (Т + Т)/2, I = 1,2,3; С* и п - эмпирические коэффициенты, определяемые по результатам экспериментальных исследований и зависящие от режима течения в пограничном слое, обтекающем внутреннюю поверхность лейнера.

При достаточно высокой плотности р метана в баллоне число Рэлея Яа > 2 • 107 , что соответствует переходному от ламинарного к турбулентному и развитому турбулентному режимам течения в пограничном слое, при которых С* =0,135 и п = 1/3 [17].

Значения термических сопротивлений Я„4, Я05 и Я06, связывающих внешние поверхности армирующих слоев с окружающим воздухом, имеющим заданную температуру Т0 (см. рис. 2), которая в общем случае может изменяться во времени, зависят от интенсивности теплообмена на этих поверхностях. При отсутствии обдува баллона окружающим воздухом этот теплообмен также определяется

40

механизмом естественной конвекции, а при наличии такого обдува - механизмом вынужденной конвекции [17]. В обоих случаях на интенсивность теплообмена оказывают влияние температуры поверхностей теплообмена (на рис. 2 это температуры Т40 , Т50 и Т60 внешних поверхностей армирующих слоев соответственно на обечайке лейнера и на его левом и правом днищах, отличающиеся от температур Т4, Т5 и Т6 сосредоточенных теплоемких масс соответствующих армирующих слоев в силу значительной толщины этих слоев и низкой теплопроводности композиционного материала).

Для расчета коэффициента теплообмена на внешней поверхности баллона при отсутствии ее обдува воздухом также можно использовать критериальное уравнение (2), но теплофизические характеристики метана заменить соответствующими характеристиками воздуха при температуре (Т0 + Т0)/2, где I = 4,5,6, а вместо диаметра Б в качестве определяющего размера использовать наружный диаметр баллона.

Термическое сопротивление Я20 связывает выделенную теплоемкую массу вентиля в правом днище с окружающим воздухом непосредственно и через подведенный к баллону стальной трубопровод. Коэффициент теплообмена а т на внешней поверхности трубопровода в силу относительно небольшого определяющего размера, которым является его наружный диаметр 1, будет соответствовать ламинарному режиму теплообмена при естественной конвекции и может быть вычислен с применением критериальной зависимости [17]

Ш < = 0,372Сг1

(3)

где №(=а т 1 / А,в - коэффициент теплопроводности воздуха; Ог( =g0Pв13 | Т0-Т2 |/ув2

- безразмерный критерий подобия (число Грасгофа); рв = 1/273 1/К - температурный коэффициент объемного расширения воздуха; ув - кинематический коэффициент вязкости воздуха.

Трубопровод в тепловом отношении можно представить как достаточно длинный тонкий стержень, температура торца которого совпадает с температурой Т2. Тогда термическое сопротивление трубопровода между вентилем и окружающим воздухом можно оценить по формуле Я2о' = ат<Xт<((< - И)к)-1/2, где X и к

- коэффициент теплопроводности материала трубопровода и толщина его стенки. Для расчета коэффициента теплообмена а' на поверхности вентиля применима формула (3) при использовании в ней вместо диаметра ( характерного размера вентиля. Тогда в итоге получим Я20 = 1/(1/^20 + а'Е'), где ^' - площадь поверхности вентиля, на которой происходит его теплообмен с воздухом.

Значения остальных термических сопротивлений зависят от геометрических размеров элементов конструкции баллона и коэффициентов теплопроводности материала этих элементов. Например, при коэффициенте теплопроводности армирующего материала, толщинах И и И4 обечайки лейнера и армирующего слоя на ее внешней поверхности и длине Ь обечайки получим Яи = (И4/Х4)/(2гс(0 + 2^ + И4/2)I).

На заключительном этапе построения тепловой модели металлокомпо-зитного баллона необходимо составить уравнения теплового баланса для всех выделенных сосредоточенных теплоемких масс. Эти уравнения применительно к тепловой расчетной схеме баллона типа 3 (см. рис. 2) входят в систему из семи обыкновенных дифференциальных уравнений (по числу выделенных сосредоточенных теплоемких масс)

ат т - т Т - т Т3 - Т

с— _ 1 ¿г

- + -

- + -

+ Шгп,

К — —

С1 &т± = т_т + д-г+Тг-т^+ТсТ,

& — Км К^

Сг = + _0 - _2 + Т-^ + _5 - _2

& Кг -^20 -^12 -^25

Сз &Т>= ТТ-Т+ТлТ + Тб - Тз

¿г

-3

-1

-3

&Т Т - Т Т - Т Т - Т Т - Т

С 4 _ 11 4 + -'о 4 + 15 4 + /6 4

К„

К40 + К04

-4

-4

С5 = Т2 - Т5 + Т4 - Т5 + То - Т5

& К25 К45 К5о + К05

Сб Тз - Тб + Т4 - Тб + То - Тб

¿г

-3

-4

К60 + К06

(4)

10 лет

журналу

41

Для однозначного решения этой системы необходимо в момент времени t = 0 , принимаемый за нуль отсчета, задать начальные значения температур всех семи сосредоточенных теплоемких масс.

Текущее значение температуры внешней поверхности армирующего слоя на обечайке лейнера зависит от текущих значений Т0 и Т4 и равно

Т40 _ (Т0К40 + Т4К04 )/(К40 + ^иХ (5)

где К40 _ (к4Гк4)/(2я(Я + 2кх + 3й4/2)Ц.

Аналогичная формула справедлива для текущих значений температур внешних поверхностей армирующих слоев на днищах.

Баллон типа 2 не имеет армирующих слоев на днищах лейнера. Поэтому расчетная схема тепловой модели и система уравнений (4) для баллона этого типа упрощаются за счет того, что по сравнению с баллоном типа 3 (см. рис. 2) на схеме будут отсутствовать обозначения сосредоточенных теплоемких масс с полными теплоемкостями С5 и С6, а из системы (4) необходимо исключить два последних уравнения. Кроме этого, следует считать бесконечно большими термические сопротивления К45 и К46 и положить равными нулю термические сопротивления К25, К50, К36 и К60. В правой части пятого уравнения системы (4) нужно опустить два последних слагаемых, а в третьем и четвертом уравнениях последние слагаемые заменить соответственно на (Т0 - Т2)/К05 и (Т0 - Т3)/К06 . В этом случае допустимо пренебречь термическим сопротивлением днищ лейнера в направлении нормали к их поверхности по сравнению с каждым из термических сопротивлений К2, К12, К05 или К3, К13, К06, поскольку даже в случае стального лейнера эти термические сопротивления на два порядка больше термических сопротивлений днищ, которыми мы пренебрегаем. Для температуры Т40 остается в силе формула (5).

Результаты расчетов

На рис. 3 приведены результаты решения системы дифференциальных уравнений (4) применительно к баллону конструктивного типа 3 вместимостью 100 л (см. рис. 1) для примера чередования этапов заполнения баллона метаном до давления р* ~ 19,711 МПа и охлаждения при температуре Т0 _ 233 К

окружающего воздуха, теплообмен с которым предполагается за счет механизма естественной конвекции, интенсивность которого меньше по сравнению со случаем обдува воздухом внешней поверхности баллона. В контрольно-измерительном 42 участке АГНКС для метана приняты температура Т* = 293 К и давление

р*=20,7 МПа , что соответствует избыточному давлению 20,6 МПа (210 ати) [2, 10]. В начальный момент времени t = 0 температура конструкции баллона и находящегося в нем 1 кг (1,395 нм3) метана равна Т0. Масштаб отсчета времени по оси абсцисс в пределах отдельного этапа остается постоянным, но изменяется от этапа к этапу.

Рис. 3. Изменение во времени t температуры теплоемких масс тепловой модели (см. рис. 2), массы метана и его давления для баллона первого типа при чередовании этапов заполнения до давленияр* ~ 19,711 МПа и охлаждения при температуре Т0 = 233 К окружающего воздуха:

I - заполнение в течение 5 мин при начальной массе метана в баллоне, равной 1 кг;

II - начало первой стадии охлаждения баллона в течение 15 мин; III - завершение десятичасового охлаждения баллона; IV - дозаправка в течение 5 мин; V - охлаждение баллона в течение 15 мин; VI - дополнительная дозаправка в течение 5 мин;

температура: 1 - метана в баллоне; 2 - обечайки лейнера; 3 - правого днища лейнера; 4 - левого днища лейнера; 5 - армирующего слоя на обечайке; 6 - армирующего слоя на правом днище; 7 - армирующего слоя на левом днище; 8 - масса метана в баллоне; 9 - давление метана в баллоне

Полное время заправки на АГНКС, включающее продолжительность подъезда и отъезда автомобиля, присоединения и отсоединения заправочного шланга и непосредственно самой заправки, не должно превышать 10 мин [6]. С учетом этого

ограничения в проведенных расчетах принято, что непосредственное поступление метана в баллон на каждом из этапов заполнения происходит в течение пяти минут. При завершении заполнения баллона до давленияр* на этапе I (см. рис. 3) температура метана возрастает почти до 278 К, прирост его массы составляет примерно 16,8 кг. Температура обечайки и днищ лейнера достигает уровня 267...269 К, а прирост температуры армирующих слоев всего 7... 8 К.

Последующее охлаждение баллона с метаном представлено на рис. 3 этапами II и III общей длительностью 10 ч, но с существенно отличающимися масштабами отсчета времени по оси абсцисс. Сначала в течение 15 мин происходит сближение значений температуры метана и всех элементов конструкции баллона, которым соответствуют теплоемкие массы, выделенные в тепловой модели баллона на рис. 2, а затем в остальное время температура конструкции баллона и метана снижается примерно до 235 К. В итоге давление метана в баллоне уменьшается почти до 12 МПа.

На этапе IV в течение 5 мин происходит дозаправка баллона снова до давления р*, что приводит к увеличению температуры метана и элементов конструкции баллона в меньшей степени по сравнению с первым этапом заполнения. При этом масса метана в баллоне возрастает примерно на 4,2 кг. Последующие охлаждение баллона в течение 15 мин (этап V) и его повторная пятиминутная дозаправка (этап VI) позволяют увеличить массу метана в баллоне всего лишь примерно на 0,7 кг, то есть в данном случае эффективность дополнительной дозаправки существенно меньше по сравнению с первой дозаправкой. Следует отметить, что возможное уменьшение массы метана в баллоне в пределах 1 кг за период длительного охлаждения (этапы II и III), связанное с переездом автотранспортного средства от АГНКС к месту стоянки, мало влияет на итоговую массу метана после дозаправки на этапе IV.

Если первую дозаправку баллона до давления р* провести после этапа II пятнадцатиминутного охлаждения, то массу метана в баллоне удается увеличить примерно на 1,9 кг. Тогда вторая дозаправка после десятичасового охлаждения баллона позволяет добавить в него еще 3 кг метана. Таким образом, обе последовательности этапов охлаждения баллона при двух дозаправках дают примерно одинаковый прирост массы метана, равный при принятых в расчетах исходных данных около 4,9 кг.

Аналогичные расчеты для баллона типа 2 дают близкие результаты, но прирост массы метана в баллоне на первом этапе его заполнения и при последующих дозаправках оказывается несколько меньше. Дело в том, что стальной лейнер баллона типа 2 имеет меньшую полную теплоемкость по сравнению с алюминиевым лейне-ром баллона типа 3. Это приводит к большему возрастанию температуры метана на каждом из этапов заполнения и к итоговому уменьшению его плотности при достижении давления р*. Вместе с тем следует отметить, что благодаря отсутствию армирующего слоя на днищах баллона этого типа уменьшение температуры метана на этапах охлаждения происходит более интенсивно.

На рис. 4 в зависимости от температуры Т0 окружающего воздуха, совпадающей с начальной температурой баллонов, представлены результаты расчета плотности метана после каждого из этапов заполнения. Начальная масса метана в баллоне каждого типа равна 1 кг. Температура и давление в контрольно-измерительном участке АГНКС приняты равными Т = 293 К и р* = 20,692 МПа. Кривая 4 соответствует зависимости плотности р* метана от температуры при давлении р* ~ 19,711 МПа. Такая плотность метана в баллоне теоретически может быть достигнута лишь многократным чередованием этапов заполнения и охлаждения баллона.

10 лет

журналу

43

260 240 220

200 180 160 140

р*, кг/м3

,4

3 N

-1Н. \

2

I .....

.....

233 243 253 263 273 283 Тщ К

Рис. 4. Зависимость плотности р метана от начальной температуры Т0 при заполнении баллона типа 3 и типа 2 (сплошные и штриховые линии соответственно) до абсолютного давления р* - 19,711 МПа:

1 - заполнение при начальной массе метана в баллоне, равной 1 кг;

2 - дозаправка после десятичасового охлаждения баллона при температуре Т0 окружающего воздуха;

3 - дополнительная дозаправка после пятнадцатиминутного охлаждения баллона при температуре Т0 окружающего воздуха; 4 - зависимость плотности метана от температуры при давлении р*

В таблице приведены значения отношения п _ Лр/р,, вычисленные для этапов заполнения баллонов обоих типов при четырех значениях температуры Т0. Номера этапов соответствуют рис. 3. На каждом из этапов при одинаковом значении Т0 эффективность заполнения у баллона второго типа несколько меньше по сравнению с баллоном первого типа. Следует отметить, что для баллонов обоих типов с увеличением Т0 значение п возрастает на первом этапе заполнения и убывает на каждом из двух последующих, причем эффективность этапа VI по сравнению с эффективностью соответствующего ему этапа IV достаточно мала и не оправдывает затрат времени на проведение предшествующего охлаждения баллона на этапе V.

Таблица

Т, К Баллон типа 3 Баллон типа 2

Этап I Этап IV Этап VI Этап I Этап IV Этап VI

233 0,6631 0,1654 0,0267 0,6428 0,1565 0,0140

253 0,7256 0,1378 0,0205 0,7041 0,1302 0,0105

273 0,7949 0,1017 0,0130 0,7711 0,0956 0,0068

293 0,8592 0,0580 0,0064 0,8335 0,0538 0,0033

Из сравнения значений п для первичного заполнения (этап I) и последующей дозаправки (этап IV) следует, что при ^ =233 К для баллона типа 3 их отношение составляет 0,1654/0,6631 ~ 0,249, то есть при дозаправке масса метана в баллоне возрастает почти на четверть по сравнению с результатом, достигнутым на этапе I. Для баллона типа 2 это отношение лишь немного меньше и равно 0,1565/0,6428 « 0,243 . При T0 =253 К это отношение равно соответственно 0,190 и 0,184, но при дальнейшем возрастании значения T0 убывает более существенно. Таким образом, эффективность дозаправки баллона после его охлаждения тем выше, чем меньше значение Т0 .

10 лет

журналу

45

Заключение

Для типовых автомобильных баллонов с метаном количественный анализ последовательности этапов заполнения, чередующихся с промежуточными этапами охлаждения таких емкостей окружающим воздухом, показал, что в условиях пониженной температуры воздуха этап дозаправки может обеспечить увеличение массы метана в баллоне до 25 % от массы, которая поступает в него на первом этапе заполнения. Дозаправка в таких условиях может способствовать увеличению пробега автотранспортных средств на газомоторном топливе.

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки РФ (проект 9.7784.2017/БЧ).

_ Использованные источники

1. Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А.М. Прохоров. - М.: Сов. энциклопедия, 1983. - 928 с.

2. Справочник по физико-техническим основам криогеники / Под ред. М.П. Мал-кова. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 432 с.

3. Совещание о перспективах использования газомоторносго топлива: вебсайт. Режим доступа http://kremlin.ru/events/president/news/18112 (дата обращения 03.06.2018).

4. Веб-сайт ТАСС (Информационное агенство России). Режим доступа http://tass.ru/ekonomika/5135729 (дата обращения 03.06.2018).

5. ГОСТ Р 51753-2001. Баллоны высокого давления для сжатого природного газа, используемого в качестве моторного топлива на автомобильных транспортных средствах. Общие технические условия. 01.01.2002. Код ОКС 43.020. Госстандарт России. Москва.

6. РД 3112194-1095-03. Руководство по организации и эксплуатации газобаллонных автомобилей, работающих на компримированном природном газе. Министерство транспорта РФ. Департамент автомобильного транспорта. ФГУП НИИАТ, 2002. - 59 с.

7. Алиев А.В., Мищенкова О.В. Математическое моделирование в технике. -Москва-Ижевск: Изд-во Института компьютерных исследований, 2012. - 476 с.

8. Зарубин В.С. Моделирование. - М.: Изд. центр Академия, 2013. - 334 с.

9. Белоусова С.Ю., Зарубин В.С., Осадчий Я.Г. Математическая модель тепловых процессов в автомобильных баллонах с метаном // Транспорт на альтернативном топливе. - 2014. - № 4. - С. 5-13.

10. Физические величины: Справочник / Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихо-

ва. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

11. Альтернативные топлива для двигателей внутреннего сгорания / Под общ. ред. А.А. Александрова, В.А. Маркова. - М.: ООО НИЦ «Инженер», ООО «Онико», 2012. - 791 с.

12. Setzmann U., Wagner W. A New Equation of State and Tables of Thermodynamic Properties for Methane covering the Range from Melting Line to 625 K at Pressures up to 100 MPa // J. Phys. Chem. Ref. Data. - 1991. - V. 20. - № 6. - P. 1061-1155.

13. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. -М.: Наука, 1979. - 512 с.

14. Белоусова С.Ю., Зарубин В.С., Осадчий Я.Г. Численное моделирование теплового состояния металлокомпозитного автомобильного баллона при заполнении метаном // Транспорт на альтернативном топливе. - 2015. - № 3 (45). - С. 15-24.

15. Белоусова С.Ю., Зарубин В.С., Крылов Е.Н., Осадчий Я.Г. Тепловые режимы автомобильного баллона с полимерным лейнером при закачке и расходовании метана // Транспорт на альтернативном топливе. - 2015. - № 5 (47). - С. 47-57.

16. Белоусова С.Ю., Крылов Е.Н., Осадчий Я.Г., Зарубин В.С. Тепловые процессы в автомобильных баллонах с метаном при заполнении и опорожнении // Безопасность труда в промышленности. - 2017. - № 4. - С. 68-77. DOI: 10.24000/04092961-20174-68-77.

17. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 684 с.

Требования по подготовке статей к опубликованию в журнале

В связи с тем, что Международный научно-технический журнал Национальной газомоторной ассоциации «Транспорт на альтернативном топливе» включен в обновленный Перечень ВАКа, просьба ко всем авторам строго выполнять следующие требования при подготовке статей к публикации:

1. Все научно-технические статьи должны иметь на русском и английском языках следующие составляющие:

заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, ученая степень (при наличии), контакты (e-mail, телефоны), аннотации, ключевые слова.

2. Все английские тексты следует набирать только строчными буквами, сохраняя начальные прописные буквы в именах собственных.

3. Авторы остальных публикаций (информационных, рекламных и т.д.) представляют на русском и английском языках: заголовок, ФИО авторов полностью, их должности, адрес и контакты (e-mail, телефоны).

Редакция журнала также доводит до сведения авторов требования, которые необходимо соблюдать при подготовке статей для публикации.

Материалы статей должны быть представлены по электронной почте в программе WinWord. Объем статьи -не более 15 000 знаков с пробелами.

Представленный текстовый материал с иллюстрациями и таблицами должен иметь сквозную нумерацию. Графический материал должен быть выполнен в формате, обеспечивающем ясность всех деталей рисунков. Формулы и символы должны быть четкими и понятными. Все обозначения в формулах необходимо расшифровать. Нумеруются только те формулы, на которые сделаны ссылки в тексте. Обозначения физических величин и единиц измерений необходимо давать

в Международной системе единиц (СИ). Обязательно соблюдение действующих ГОСТов. Текст и таблицы должны быть выполнены в программе Word в формате doc, rtf. Фотографии и графические рисунки (не менее 300 dpi, CMYK) - в формате jpg, jpeg, tiff, pdf. Не следует форматировать текст самостоятельно.

При пересылке материалов по е-mail следует сопровождать их пояснительной запиской (от кого, перечень файлов и т.д.). Объемные файлы должны быть заархивированы. При подготовке статей к печати необходимо руководствоваться документами, определяющими правила передачи информации через СМИ. Авторский коллектив должен указать ответственное лицо, с которым редакция будет вести переговоры в процессе подготовки статьи к изданию. В список литературы включаются источники, на которые есть ссылки в статье. Ссылаться можно только на опубликованные работы. Список литературы составляется в порядке употребления. В нем приводятся следующие сведения: фамилия и инициалы авторов, название работы; для журнала - название, год издания, номер, страницы, на которых размещена статья; для книг - место и год издания, издательство, общее число страниц. Редакция оставляет за собой право редакторской правки и не несет ответственности за достоверность публикации. Все внесенные изменения и дополнения в представленную к изданию статью согласовываются с автором или представителем авторского коллектива.

Редакция оставляет за собой право размещать опубликованные статьи на сайтах журнала и Национальной газомоторной ассоциации. Редакция не передает и не продает материалы для публикации в других печатных и электронных изданиях без согласования с автором (представителем авторского коллектива).