CC BY
15Разъемы высокого давления. Варианты конструкций и результаты моделирования
iff лет
журналу
15
A.А. Евстифеев, начальник лаборатории Центра использования газа ООО «Газпром ВНИИГАЗ», к.т.н.,
B.В. Тимофеев, главный специалист лаборатории Центра использования газа ООО «Газпром ВНИИГАЗ»
Одним из вариантов реализации технологии «виртуальная труба» при снабжении потребителей газомоторным топливом является поставка в автотранспортные предприятия сменных кассет, заполняемых компримированным природным газом на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях. В работе предложены варианты технических решений для быстроразъемных соединений при организации соединения трубопроводов кассетных модулей с трубопроводами бортовой топливной системы газобаллонного транспортного средства. Приведены результаты математического и газодинамического моделирования разъема в режимах без расхода и с расходом.
__Ключевые слова:
быстроразъемные соединения, компримированный природный газ (КПГ), заправка газомоторных транспортных средств, автомобильная газонаполнительная компрессорная станция (АГНКС), газодинамическое моделирование.
ыстроразъемные соединения высокого давления (БРС) в транспортных средствах (ТС) предназначены для соединения и разъединения трубопроводов и съемных элементов конструкции. Задачей быстроразъемных соединений является организация соединений без использования дополнительных инструментов. Известны и хорошо освоены отечественной и зарубежной промышленностью быстроразъемные соединения с конструкциями, описанными в следующих стандартах: ISO 7241-1 (сокращенно ISO-A); ISO 7241-1 B (ISO-B); ISO 16028 (ISO-F). Примерный вид конструкции быстроразъемного соединения, выполненного по стандарту ISO 7241-1 B, приведен на рис. 1.
Стандарты определяют требования к размеру штекеров и гнезд, прочности (рабочее давление, давление разрыва, соединение), потоку, размеру утечки и т.д., а также габаритные требования (в особенности так называемый профиль штекера, то есть его форма и размеры). Изготовление разъема в соответствии с тем же профилем обеспечивает взаимозаменяемость, то есть возможность соединения гнезда и штекера от разных производителей. Однако возможность такого соединения не гарантирует сохранения всех функциональных характеристик исходного набора разъемов (гнездо и штекер желательно использовать одного и того же производителя). Герметичность и совместимость разъемов должны быть предварительно проверены на стендах.
а б
Рис. 1. Конструкция быстроразъемного соединения, выполненного по стандарту ISO 7241-1B:
а - гнездо; б - штекер; 1 - корпус; 2, 7 - клапан (грибок, пружина); 3 - уплотнение, (о-ринг, опорное кольцо); 4 - запорный механизм (блокировочная втулка, пружина, шарики); 5, 8 - уплотнение клапана (о-ринг); 6 - корпус
Ключевой особенностью быстроразъемных соединений (рис. 2) высокого давления системы стандартизации ISO является обязательное наличие в конструкции разъема - механического запорного блокировочного механизма, выполненного в виде втулки с пружиной и шариками. При необходимости проведения замены элемента конструкции транспортного средства с разъемом в труднодоступном месте (на крыше автобуса, в подкапотном пространстве или в трансмиссии) разблокировать разъем вручную не представляется возможным.
Рис. 2. Типы разъемов согласно ISO 7241
Быстроразъемные соединения корейской компании DK-LOK серии DQM (рис. 3) отличаются компактными размерами и малыми диаметрами условного прохода трубопроводов и соединений (табл. 1-3).
шшшшшшш Щ
10лет
,_, журналу
^■Направление потока^
Рис. 3. Серия DQM Миниатюрные быстроразъемные соединения: 1, 5 - кожух; 2 - шток; 3, 9 - уплотнительное кольцо; 4 - втулка корпуса; 6 - корпус; 7 - пружина корпуса; 8 - уплотнительное кольцо корпуса; 10 - пружина втулки корпуса; 11 - шар штока; 12 - уплотнительное кольцо клапана; 13 - пружина клапана штока; 14 - упорный элемент
Таблица 1
Характеристики применяемых материалов быстроразъемных соединений серии DQM
Деталь Материал
Корпус, кожух, шток, торцевые соединения, втулка корпуса Нерж. сталь 316/ Л8ТМ А276 Латунь 118 Н3250С3604
Упор, левое и правое ребро Нерж. сталь 316/Л8ТМ А276
Клапан штока и клапан корпуса Нерж. сталь 316/Л8ТМ А276
Пружины Нерж. сталь 302/Л8ТМ Л313
Подшипники замка Нерж. сталь 316
Смазка Силикон или на тефлоновой основе
Таблица 2
Рабочие условия быстроразъемных соединений серии DQM
Условие Значение
Шток и корпус серии DQM
уплот. кольца из FKM Нерж. сталь 316
уплот. кольца из NBR Латунь
Рабочее давление, МПа (при t °C) Нерж. сталь 316 Латунь
соединен
при разъединении/ 27,5 (21) 13,7 (21)
соединении 0,68 (204) 0,68 (121)
Таблица 3
Габаритно-стыковочные характеристики быстроразъемных соединений серии DQM
Диаметры торцевых Модель D мм (дюйм) h гайки,
соединений, мм SV DV SV DV мм (дюйм)
1,58 (1/16 дюйма) DK-Lok DQMS-D-1T DQMVS-D-1T 30,0 (1,18) 44,7 (1,76) 4,37 (7/16)
1,58 (1/16 дюйма) внеш. NPT DQMS-M-1N DQMVS-M-1N 26,2 (1,03) 40,9 (1,61) 4,37 (7/16)
1,58 (1/16 дюйма) внутр. NPT DQMS-F-1N DQMVS-F-1N 26,2 (1,03) 40,9 (1,61) 4,37 (7/16)
3,17 (1/8 дюйма) DK-Lok DQMS-D-2T DQMVS-D-2T 32,8 (1,29) 47,5 (1,87) 4,37 (7/16)
3,17 (1/8 дюйма) внеш. NPT DQMS-M-2N DQMVS-M-2N 26,2 (1,03) 40,9 (1,61) 4,37 (7/16)
3,17 (1/8 дюйма) внутр. NPT DQMS-F-2N DQMVS-F-2N 26,2 (1,03) 46,0 (1,81) 5,62 (9/16)
Быстроразъемные соединения серии DF (рис. 4, табл. 4-6) являются полнопроходными, отличаются низким перепадом давления в трубопроводе на участке установки БРС, двунаправленным потоком среды, отсутствием необходимости применения специального инструмента для соединения/разъединения.
Рис. 4. Серия ББ полнопроходные быстроразъемные соединения: 1 - стопорное кольцо; 2 - зажимной шар; 3 - уплотнительное кольцо; 4 - пружина; 5 - корпус; 6 - втулка корпуса; 7 - шток
Таблица 4
Рабочее давление быстроразъемных соединений серии DF, МПа
Серия DF Нерж. сталь 316 Латунь
DF A 41,3 27,5
DF В 20,6
DF C 27,5 13,7
DF D
Таблица 5
Характеристики применяемых материалов быстроразъемных соединений серии DF
Деталь Материалы
Корпус, шток Нерж. сталь 316 JIS Н3250С3604
Подшипник ASTM А276 JIS Н3250С3604
Стопорное кольцо Нерж. сталь 316 Нерж. сталь 316
Пружина, стоп. кольцо Нерж. сталь 304 Нерж. сталь 304
Уплотнительное кольцо FKM NBR
Смазки На силиконовой основе и на основе PTFE
10 лет
журналу
19
Все представленные БРС компании DK-Lok обладают общим недостатком, а именно - необходимостью участия оператора в процессе соединения и разъединения трубопроводов.
Также в газовой промышленности известно решение «Быстроразъемное соединение манифольдов оборудования для гидроразрыва пласта» (рис. 5), которое защищено патентом № 2386888 (конструкция соединения трубопроводов и РВД).
Основным элементом устройства является ступенчатая втулка 9, позволяющая надежно герметизировать как соединение трубопроводов, так и разъем высокого давления.
Устройство работает следующим образом. При сборке устройства в ниппель 5 и трубопровод 2 вставляют ступенчатые втулки 9, сопрягая уплотняющие кромки 7 с коническими поверхностями 8 ниппеля 5 и трубопровода 2. Затем с помощью накидных гаек 6 свинчивают штуцером 3 ниппель 5 и трубопровод 2 со вставленными втулками 9, прижимая кромки 7 ступенчатой втулки 9 к внутренним поверхностям штуцера 3 и ниппеля 5 до достижения герметичности соединения. Для замены втулки 9 достаточно развинтить накидные гайки 6 и штуцер 3. В случае заклинивания втулки 9 ее расклинивают с помощью проточки 10. Для удобства сборки и разборки втулку 9 намагничивают. Бандажное кольцо 1 предусматривает унификацию накидной гайки 6. Если нет необходимости поддерживать унификацию, можно выполнить ее как одно целое с бандажным кольцом.
Устройство рассчитано на работу в условиях агрессивных сред, а также на крайне высокое давление - до 105 МПа. Однако общая сложность конструкции и необходимость участия в процессе соединения трубопроводов высокого давления оператора со специальным инструментом не позволяют применять данное решение для организации процесса замены кассет с баллонами компримирован-ного природного газа при обеспечении газомоторным топливом газобаллонных транспортных средств.
В 2017 году в соответствии с решением правительства Российской Федерации выделено порядка 5 млрд руб. на реализацию мер по софинансированию из федерального бюджета закупок автобусов и техники для ЖКХ, работающих
Газобаллонное оборудование
■ж»
Таблица 6
Габаритно-стыковочные характеристики быстроразъемных соединений серии DF
Серия Модель Торцевое соединение, мм (дюйм) Мин. пр. сечение, мм (дюйм) D, мм (дюйм) h, мм (дюйм)
DFSA- D-4T- 6,35 (1/4) DK-Lok 4,8 (0,19) 45,0 (1,77) 14,29 (9/16)
D-6T- 9,52 (3/8) DK-Lok 6,1 (0,24) 45,0 (1,77) 17,46 (11/16)
D-6M- 6 мм DK-Lok 4,8 (0,19) 45,0 (1,77) 14,29 (9/16)
M-4N- 6,35 (1/4) внеш. NPT 6,1 (0,24) 40,4 (1,59) 14,29 (9/16)
M-6N- 9,52 (3/8) внеш. NPT 6,1 (0,24) 40,4 (1,59) 17,46 (11/16)
F-4N- 6,35 (1/4) внутр. NPT 6,1 (0,24) 40,6 (1,60) 19,05 (3/4)
F-6N- 9,52 (3/8) внутр. NPT 6,1 (0,24) 42,4 (1,67) 22,23 (7/8)
DFSB- D-6T- 9,52 (3/8) DK-Lok 7,1 (0,28) 47,8 (1,88) 22,23 (7/8)
D-8T- 12,7 (1/2) DK-Lok 10,4 (0,41) 50,5 (1,99) 22,23 (7/8)
M-6N- 9,52 (3/8) внеш. NPT 10,4 (0,41) 40,4 (1,59) 22,23 (7/8)
M-8N- 12,7 (1/2) внеш. NPT 12,7 (0,50) 46,7 (1,84) 22,23 (7/8)
F-6N- 9,52 (3/8) внутр. NPT 11,9 (0,47) 40,4 (1,59) 26,99 (11/16)
F-8N- 12,7 (1/2) внутр. NPT 12,7 (0,50) 46,2 (1,82) 26,99 (11/16)
DFSC- D-12T- 19,05 (3/4) DK-Lok 15,7 (0,62) 54,6 (2,15) 26,99 (11/16)
M-12N- 19,05 (3/4) внеш. NPT 18,3 (0,72) 51,6 (2,03) 26,99 (11/16)
F-12N- 19,05 (3/4) внутр. NPT 18,3 (0,72) 52,8 (2,08) 26,99 (11/16)
DFSD- D-16T- 25,4 (1) DK-Lok 22,4 (0,88) 62,2 (2,45) 34,93 (13/8)
M-16N- 25,4 (1) внеш. NPT 22,4 (0,88) 59,7 (2,35) 34,93 (13/8)
F-16N- 25,4 (1) внутр. NPT 22,4 (0,88) 63,2 (2,49) 41,28 (15/8)
DFBA- D-4T- 6,35 (1/4) DK-Lok 45,7 (1,80) 22,1 (0,87) 26,99 (11/16)
D-6T- 9,52 (3/8) DK-Lok 46,0 (1,81) 22,1 (0,87) 26,99 (11/16)
D-6M- 6 мм DK-Lok 45,7 (1,80) 22,1 (0,87) 17,46 (11/16)
M-4N- 6,35 (1/4) внеш. NPT 39,9 (1,57) 22,1 (0,87) 17,46 (11/16)
M-6N- 9,52 (3/8) внеш. NPT 39,9 (1,57) 22,1 (0,87) 17,46 (11/16)
F-4N- 6,35 (1/4) внутр. NPT 38,1 (1,50) 22,1 (0,87) 19,05 (3/4)
F-6N- 9,52 (3/8) внутр. NPT 41,4 (1,63) 22,1 (0,87) 22,23 (7/8)
DFBB- D-6T- 9,52 (3/8) DK-Lok 55,1 (2,17) 33,0 (1,30) 26,99 (11/16)
D-8T- 12,7 (1/2) DK-Lok 56,6 (2,23) 33,0 (1,30) 26,99 (11/16)
M-6N- 9,52 (3/8) внеш. NPT 46,5 (1,83) 33,0 (1,30) 26,99 (11/16)
M-8N- 12,7 (1/2) внеш. NPT 52,8 (2,08) 33,0 (1,30) 26,99 (11/16)
F-6N- 9,52 (3/8) внутр. NPT 43,9 (1,73) 33,0 (1,30) 26,99 (11/16)
F-8N- 12,7 (1/2) внутр. NPT 43,9 (1,73) 33,0 (1,30) 26,99 (11/16)
DFBC- D-12T- 19,05 (3/4) DK-Lok 62,2 (2,45) 42,2 (1,66) 38,1 (11/2)
M-12N- 19,05 (3/4) внеш. NPT 59,2 (2,33) 42,2 (1,66) 38,1 (11/2)
F-12N- 19,05 (3/4) внутр. NPT 48,0 (1,89) 42,2 (1,66) 38,1 (11/2)
DFBD- D-16T- 25,4 (1) DK-Lok 69,9 (2,75) 47,8 (1,88) 26,99 (11/16)
M-16N- 25,4 (1) внеш. NPT 67,3 (2,65) 47,8 (1,88) 26,99 (11/16)
F-16N- 25,4 (1) внутр. NPT 53,8 (2,12) 47,8 (1,88) 26,99 (11/16)
21
Рис. 5. Конструкция соединения трубопроводов и РВД:
1 - бандажное кольцо; 2 - трубопровод; 3 - штуцер; 4, 7 - уплотняющая кромка; 5 - ниппель; 6 - гайка; 8 - конические поверхности; 9 - втулка; 10 - проточка
на ГМТ. По данным Минпромторга России, в рамках программы субсидирования реализовано около 3,5 тыс. единиц автобусов, техники дорожно-коммунальных служб и легковых автомобилей, использующих природный газ в качестве моторного топлива. Наибольшее количество техники приобретено в Республике Татарстан, Ростовской, Нижегородской и Владимирской областях.
Важным направлением развития рынка газомоторного топлива в 2018 году будет строительство операторами газозаправочной инфраструктуры ряда объектов, реализующих компримированный и сжиженный (СПГ) природный газ. Российскими автопроизводителями уже ведется разработка новых моделей техники, использующей КПГ и СПГ.
По данным, представленным 26 января 2018 года на заседании рабочей группы по развитию газозаправочной инфраструктуры заместителем министра энергетики Российской Федерации Кириллом Молодцовым, в 2017 году введено в эксплуатацию 36 объектов газозаправочной инфраструктуры, в том числе АГНКС, МАГНКС (мобильные станции), модули КПГ и реконструированные объекты. Таким образом, на 1 января 2018 года на территории РФ насчитывается 354 объекта газозаправочной инфраструктуры. Фактический объем реализации КПГ в 2017 году составил около 600 млн м3, что на 65 млн (+12 %) больше, чем в 2016 году. В соответствии с планами компаний, в 2018 году запланированы строительство и реконструкция 67 объектов газозаправочной инфраструктуры в 28 субъектах Российской Федерации.
В соответствии с решением Президента Российской Федерации поддержана идея использования газобаллонных автомобилей (ГБА) при проведении мероприятий чемпионата мира по футболу 2018 года. Для обслуживания маршрутов спортивных соревнований приобретены, кроме прочих, и автобусы, использующие природный газ в качестве моторного топлива. По данным ООО «Газпром газомоторное топливо», для обеспечения мероприятий чемпионата мира по футболу дополнительно построено и реконструировано 9 АГНКС.
Предложенные в данной работе решения направлены на обеспечение заправки транспортных средств непосредственно на поворотно-разворотных площадках и топливозаправочных пунктах автотранспортных предприятий. В основе обеспечения данной задачи лежит разработка быстроразъемного соединения, не имеющего ручного механического фиксатора и дающего возможность быстрого монтажа и демонтажа газовых баллонов высокого давления на грузовых
Рис. 6. Схема разъема без клапанов в сборе в среде моделирования (разрез): 1 - внешний корпус разъема; 2 - уплотнительная прокладка; 3 - внутренний корпус разъема; 4 - выходной патрубок; 5 - входной патрубок
и пассажирских транспортных средствах с большим объемом единичной заправки. В рамках работ по поиску новых технических решений для обеспечения автобусных парков крупных городов РФ газомоторным топливом [1-32] был проведен анализ возможных вариантов доставки ГМТ в автопарки, в результате которого выяснилось, что при заправке непосредственно на АГНКС парки несут дополнительные затраты на холостые пробеги до заправочной станции [6, 7]. Плотная городская застройка, требования нормативных документов по противопожарным расстояниям и разрывам, ограничения по давлению газа в городских газопроводах, сложности с подключением промышленных потребителей к линиям электроснабжения не позволяют обеспечить возведение новых АГНКС в непосредственной близости от автобусных парков. Снабжение парков с помощью передвижных автомобильных заправщиков в силу целого ряда дополнительных причин организационного, технического и экономического характера оказывается малопривлекательным и экономически невыгодным.
Одним из вариантов снабжения ГБА, предложенных специалистами ООО «Газпром ВНИИГАЗ», является применение на транспортных средствах сменных кассетных модулей, позволяющих обеспечить интервал времени между процессами заправки и использования газа на ТС [20, 24, 26].
Обеспечение быстрой замены сменного кассетного модуля поставило перед специалистами задачу соединения и разъединения газовой магистрали транспортного средства и кассетного модуля, монтируемого на крышу ТС, без участия человека в процессе соединения разъемов. При этом в конструкции разъемного соединения должна учитываться возможность попадания на крышу ТС осадков (особенно в зимнее время), пыли, мусора, листьев и т.д. С учетом опыта исследований данной проблематики для разъема высокого давления институтом была предложена новая конструкция канала подачи газа и электромеханического
запорного механизма. Для проведения математического моделирования и получения результатов исследования использовалось программное средство SolidWorks Flow Simulation. На рис. 6 представлен внешний вид модели базового разъема, выполненной в соответствии с патентом на полезную модель № 174397 от 22.03.2017 г. и предложенной ООО «Газпром ВНИИГАЗ». Особенностью данного разъема на транспортных средствах является наличие возможности осуществления через него как заправки газовых баллонов, смонтированных в кассете, так и выдачи КПГ в бортовую топливную систему ТС.
Характеристики сплошной среды. Элементы термодинамики
Для количественного описания процессов в газе вводятся различные характеристики. Положение частицы среды характеризуется ее радиус-вектором r в некоторой системе координат. Изменение положения частицы в пространстве со временем определяется ее скоростью:
dr(t)
dt
(1)
здесь t - время.
В процессе движения взаимное расположение частиц среды изменяется. Изучение движения газа состоит в нахождении движения всех его частиц.
Состояние газа характеризуется еще рядом параметров, называемых термодинамическими.
Под плотностью газа р понимают массу вещества, заключенного в единице объема. Сила, действующая в среде на единичную площадь нормально к ее поверхности, называется давлением р. К термодинамическим параметрам
относятся также температура Т, удельный объем „ =1 , энтропия $ и др.
Р
Точное определение этих понятий, установление соотношений между ними составляют предмет термодинамики (см., например, [1]). Мы ограничимся кратким напоминанием фактов, которые окажутся необходимыми в дальнейшем.
В термодинамике существует понятие внешних параметров, характеризующих положение внешних по отношению к газу тел, с которыми он взаимодействует в процессе движения. Рассмотрим для определенности однородный газ, заключенный в цилиндрический сосуд, закрытый с одного конца неподвижной стенкой, а с другого - поршнем. В данном случае внешним телом являются стенки сосуда и поверхность поршня, граничащая с газом. Они ограничивают занятый газом объем У, который является внешним параметром. В общем случае в число внешних параметров включаются и различные силовые поля, созданные внешними источниками, например, электромагнитные.
В процессе взаимодействия газа с внешними телами внешние параметры изменяются - газ совершает работу (или над газом совершается работа). При бесконечно малом изменении внешнего параметра (объем йУ), вызванного бесконечно малым перемещением поршня, газ совершает работу
йА = -рйУ , (2)
или в пересчете на единицу массы газа,
йа — —рйц,
10 лет
журналу
23
где г|
удельный объем, то есть объем единицы массы газа.
Заметим, что эта работа отлична от нуля только при перемещении внешних тел. Так, при истечении газа в вакуум из сосуда перемещение внешних тел не происходит, и работа, вычисленная по формуле (2), равна нулю в силу того, что давление на границе газ - вакуум обращается в нуль. Совершая работу, газ изменяет свою энергию. Изменение энергии газа может происходить также за счет обмена теплотой с внешними телами. Связь между энергией газа, совершенной им работой и подведенной теплотой в термодинамике устанавливает первое начало, являющееся частным случаем общего закона сохранения энергии.
Для единицы массы газа эта связь выглядит следующим образом:
с2е = dQ — рйт[ , (3)
где е - удельная внутренняя энергия газа, Q - количество теплоты, подведенной к единице массы газа.
Соотношение (3) справедливо не только для рассмотренного примера, но вообще для любых равновесных процессов в газе. Напомним, что термодинамическим равновесным называется процесс, протекающий бесконечно медленно, причем его любое промежуточное состояние является равновесным. В свою очередь равновесным термодинамическим состоянием системы называется состояние, не изменяющееся со временем при фиксированных внешних параметрах и отсутствии теплообмена с внешними телами.
Реальные процессы, естественно, протекают с конечными скоростями и, строго говоря, не являются равновесными. Однако идеализация, связанная с введением равновесности, достаточно хорошо описывает широкий круг явлений, и поэтому ее введение оправданно.
Из первого начала термодинамики вытекает, что внутренняя энергия е является однозначной функцией состояния газа. Величины же Q и а зависят не только от состояния системы, но и от ее предыстории, то есть от процесса, в результате которого система пришла в это состояние. Иными словами, величина йе - полный дифференциал, в отличие от dQ и йа, не представляющих полных дифференциалов каких-либо выражений.
Существование еще одного полного дифференциала и, следовательно, однозначной функции состояния (энтропия 3) устанавливает второе начало термодинамики:
йБ — dQ/Т ил и TdS — йг + рс1г\ . (4)
Введенный в равенстве (4) «интегрирующий делитель» Т называется температурой. Температура является внутренним параметром, характеризующим состояние газа. Со статистической точки зрения температура определяется средней кинетической энергией теплового хаотического движения молекул газа.
Очевидно, величина энтропии определяется с точностью до произвольной постоянной. Значение этой постоянной устанавливает третье начало термодинамики (теорема Нернста), из которого следует, что при абсолютном нуле температуры энтропия системы равна нулю:
8 ^0 при Т ^ 0 .
Заметим, что в общем случае для процессов, не являющихся равновесными, но допускающих введение функций температуры, энтропии и т.д., формулировка второго начала приобретает следующий вид:
dS > ,
причем знак равенства относится к равновесным процессам. В частности, для теплоизолированных систем с dQ = 0 (адиабатические системы) второе начало записывается в виде
й$>0. (5)
Как показывает неравенство (5), процессы в системе идут так, что энтропия системы не уменьшается.
Для равновесных процессов среди термодинамических функций р, р, е, п, Т, S и т.д. имеются только две независимые переменные. Если в качестве таких независимых параметров принять температуру T и плотность р, то остальные функции могут быть выражены через них:
p=p(p,T), 8=в (р,Т) и т. д.
Такие равенства носят название уравнений состояния. В простейшем случае идеального газа эти уравнения имеют вид
8=8 (р,Т). (6)
Если внутренняя энергия газа линейно зависит от температуры, второе из равенств (7) может быть записано в виде
s=RT/ (у-1), (7)
где R - газовая постоянная; у - безразмерная величина, равная отношению теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме.
Подход Лагранжа и подход Эйлера к изучению движения сплошной среды
Для описания движения сплошной среды используют два подхода, связанных с выбором системы координат.
При использовании подхода Лагранжа наблюдение ведется за фиксированной частицей среды, прослеживается изменение во времени ее параметров. Зная судьбу всех частиц, мы имеем исчерпывающую информацию об изучаемом процессе. Очевидно, что независимыми переменными, помимо времени, в этом случае должны являться некоторые признаки, позволяющие отличать одну частицу от другой (так называемые переменные Лагранжа). Например, если число частиц конечно, то их можно перенумеровать, и за координату Лагранжа частицы принять ее номер.
Часто в качестве переменных Лагранжа выбирают координаты начального положения частицы. В этом случае закон движения сплошной среды, то есть движение любой ее частицы, выражается формулами
10 лет
журналу
25
Х[ — д1 (х^,х2 — 1; 2; 3
(8)
где х1 - текущие координаты частицы; - координаты ее начального положения при t = 0, то есть переменные Лагранжа:
Х1 к-о = х1> -
Зафиксировав в (8) х°,х°,х° , мы получаем закон движения отдельной частицы, иными словами, ее траекторию. Фиксируя t и рассматривая g¡ как функции переменных х°,х2,хз , мы получаем распределение всех частиц по пространству на данный момент времени.
Формулы (8) устанавливают взаимно однозначное соответствие между х1 и х? . Поэтому, разрешая их относительно х° , можно получить
— ^¿(Х1 >Х2> хз>£) . (9)
При этом якобиан преобразования
А = 0(Х1 ,х2, х3 )/В(х°, х°,х° ) (10) предполагается отличным от нуля во все моменты времени.
В подходе Эйлера наблюдение ведется за точками физического пространства. Переменными Эйлера являются координаты точки наблюдения xl, x2, x3. Через точку пространства с течением времени проходят различные частицы среды. Значение, например, скорости, в данной точке физического пространства в данный момент времени отождествляется со значением скорости той частицы среды, которая в данный момент проходит через точку.
Во избежание возможных недоразумений при определении скорости формулой
V — ■
<И
укажем, что здесь г не является радиус-вектором точки наблюдения в физическом пространстве, то есть независимой переменной Эйлера. Согласно определению (1), г есть зависящий от времени радиус-вектор некоторой фиксированной частицы среды.
Существо подходов Лагранжа и Эйлера хорошо отражает удачное сравнение, заимствованное из [2]. Изучение движения воды в реке можно вести, либо плывя на лодке от истоков реки до ее устья и наблюдая за судьбой отдельных частиц жидкости (подход Лагранжа), либо наблюдая за течением с берега в определенных местах (подход Эйлера).
Результаты исследования параметров течения природного газа в БРС с Г-образным газовым каналом
Для разъемов, используемых на транспортных средствах, работающих на КПГ, можно выделить следующие основные режимы работы:
• режим под рабочим давлением без расхода;
• режим под остаточным давлением без расхода;
• режим под рабочим давлением с расходом.
В табл. 7 в ячейке 1я показано распределение скоростей движения природного газа в канале разъема и подводящих газопроводов высокого давления. При отсутствии расходов на выходе скорости движения в разъеме находятся в интервале от 0 до 2 м/с. Области с наличием движения газа в разъеме выделены отличным от синего цветом. Давление в разъеме имеет незначительный перепад в местах изменения диаметра проходного сечения (ячейка 16), при этом плотность газа имеет область разрежения в широкой части разъема после поворота потока газа и в месте сопряжения каналов деталей разъема (ячейка 1в).
При наличии остаточного давления, равного 1,2 МПа, что соответствует области срабатывания редуктора высокого давления в бортовой топливной системе транспортного средства, и отсутствии расхода газа в сечении разъема будет наблюдаться следующее распределение: скоростей движения газа (ячейка 2я), давлений (ячейка 2б) и плотности природного газа в канале разъема (ячейка 2в). Проанализировав представленные в таблице рисунки, можно сделать вывод об отсутствии движения в канале подачи газа разъема и достаточности предусмотренных конструкцией уплотнительных элементов.
Наиболее показательными являются рисунки в ячейках 3а-3в, на которых показано поведение среды в процессе работы ТС в режиме форсажа с высоким расходом природного газа на уровне 0,1 м3/сек. При этом выявляются области в канале разъема, имеющие высокие скорости движения природного газа, они
шшшшшшш Щ
10лет
журналу
Таблица 7
Скорость, давление и плотность газа при различных режимах работы БРС (патент на полезную модель № 174397 от 22.03.2017 г. ООО «Газпром ВНИИГАЗ»)
27
Показатели в сечениях
При рабочем давлении При остаточном давлении При рабочем давлении
19,6 МПа, без расхода 1,2 МПа, без расхода 19,6 МПа с расходом 0,1 м3/сек
выделены красным цветом (ячейка 3а), а также явно выраженное негативное влияние пространства, образованного сквозным каналом внутреннего разъема.
Неоптимальная форма проходного сечения канала разъема приводит к дополнительным затратам на преодоление сопротивления разъема и завихрениям потока газа в канале. По итогам проведенного газодинамического моделирования в конструкцию разъема были внесены изменения, позволившие сократить потери газа за счет предотвращения утечки после размыкания, и был добавлен электромеханический фиксатор, устанавливаемый на внешнюю сторону разъема и в закрытом состоянии блокирующий возможность его размыкания при вибрациях, опрокидывании и столкновении транспортного средства. В результате модернизации удалось исключить недостаток, связанный с возникновением завихрений в канале и сделать канал с более удачной газодинамической поверхностью.
Кроме того, представленный разъем высокого давления в случае применения в составе сменного кассетного контейнера для КПГ (заявка на изобретение № 2017103281) при снабжении и заправке газомоторным топливом транспортных средств, смене кассеты и, соответственно, при размыкании и смыкании разъема не нуждается в участии оператора АГНКС либо иного специалиста.
Проведенные в рамках работы теоретические и аналитические исследования показали актуальность разработки быстроразъемных соединений нового типа и подтвердили техническую возможность реализации запатентованных решений. Наиболее рациональной в качестве следующего этапа работ является опытная апробация решений на партии транспортных средств.
_Использованные источники
1. Леонтович М.А. Введение в термодинамику. - Л.: Гостехиздат, 1952.
2. Седов Л.И. Механика сплошной сореды, т. I, II. - М.: Наука, 1973.
3. Гайнулин Ф.Г., Гриценко А.И., Васильев Ю.Н., Золотаревский Л.С. Природный газ как моторное топливо на транспорте. - М: Недра, 1996.
4. Васильев Ю.Н., Гриценко А.И., Чириков К.Ю. Газозаправка транспорта. -М.: Недра, 1995.
5. Викторов М.М. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты. - Л.: Химия, 1977.
6. Евстифеев А.А., Люгай С.В. Основы логико-вероятностного анализа безопасности транспортных средств на газовом топливе. - М.: ВНИИГАЗ, 2017.
7. Евстифеев А.А., Ермолаев А.Е. Влияние холостых пробегов газовых городских автобусов на показатели производственно-хозяйственной деятельности // Транспорт на альтернативном топливе. - 2016. - № 4 (52). - С. 23-30.
8. Люгай С.В., Балашов М.Л., Евстифеев А.А. Оценка времени ожидания заправки транспортного средства на АГНКС // Транспорт на альтернативном топливе. - 2016. - № 6 (54). - С. 50-54.
9. Евстифеев А.А., Заева М.А., Сергеев М.С. Метод обеспечения работоустой-чивости системы управления питанием газового транспортного средства // Транспорт на альтернативном топливе. - 2016. - № 3 (51). - С. 51-60.
10. Евстифеев А.А., Заева М.А., Хетагуров Я.А. Методы и средства оптимизации размещения объектов производственно-сбытовой инфраструктуры / В книге: Научная сессия НИЯУ МИФИ-2015. Аннотации докладов: в 3-х томах. Отв. ред. О.Н. Голотюк. - 2015. - С. 74.
11. Попов М.А., Егорова А.Н., Евстифеев А.А. Моделирование и оптимизация мест размещения объектов газовой заправки транспорта / В книге: Научная сессия НИЯУ МИФИ-2015. Аннотации докладов: в 3-х томах. Отв. ред. О.Н. Голотюк. - 2015. - С. 97a.
12. Евстифеев А.А., Дрыгина Ю.Н., Ермолаев А.Е. Моделирование и оптимизация процесса развития производственно-сбытовой сети газовых заправочных станций // Газовая промышленность. - 2015. - № S3 (728). - С. 30-33.
13. Евстифеев А.А. Математическая модель определения численности и производительности заправочных колонок на АГНКС // Газовая промышленность. -2015. - № 8 (726). - С. 95-97.
14. Евстифеев А.А. Размещение объектов инфраструктуры газовой заправки транспорта // Транспорт на альтернативном топливе. - 2015. - № 6 (48). -С. 26-39.
15. Евстифеев А.А. Анализ эффективности производственного процесса на АГНКС // Транспорт на альтернативном топливе. 2015. - № 5 (47). -С. 27-33.
16. Евстифеев А.А. Метод формирования адекватной стоимости газового моторного топлива // Транспорт на альтернативном топливе. - 2015. - № 2 (44). -С. 41-46.
17. Евстифеев А.А. Современные подходы к выбору производительности основного технологического оборудования объектов заправки природным газом // Транспорт на альтернативном топливе. - 2015. - № 4 (46). - С. 48-54.
18. Evstifeev A., Zaeva M., Krasnikova S., Shuvalov V. Multi-criteria equipment control in complex engineering systems // Asian Journal of Applied Sciences. - 2015. -Т. 8. - № 1. - С. 86-91.
19. Евстифеев А.А. Структурный синтез и алгоритмы решения для математической модели системы газовой заправки транспорта и газоснабжения автономных потребителей // Вести газовой науки. - 2015. - № 1 (21). - С. 79-85.
20. Евстифеев А.А. Обеспечение муниципальных автобусных парков мегаполиса газовым моторным топливом // Газовая промышленность. - 2014. - № 2 (702). -С. 86-89.
21. Евстифеев А.А. Математическая модель процесса заправки транспортных средств КПГ на АГНКС // Транспорт на альтернативном топливе. - 2014. - № 1 (37).
- С. 24-31.
22. Евстифеев А.А. Многокритериальное управление технологическим оборудованием сложных технических систем с использованием методов получения нечетких выводов // Транспорт на альтернативном топливе. - 2014. - № 5 (41). -С. 44-48.
23. Евстифеев А.А. Методология рационального построения и непрерывного совершенствования региональной сети АГНКС // Транспорт на альтернативном топливе. - 2014. - № 3 (39). - С. 53-60.
24. Евстифеев А.А. Математическая модель анализа потребности в КПГ и СПГ на вновь газифицируемых территориях // Газовая промышленность. - 2013.
- № 1 (685). - С. 87-88.
25. Люгай С.В., Евстифеев А.А., Тимофеев В.В., Балашов М.Л., Дрыгина Ю.Н. Сравнение экономических показателей при использовании жидкого моторного и газомоторного топлив // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. -№ 5 (35). - С. 14-19.
26. Евстифеев А.А. Модель прогнозирования потребления газового моторного
10 лет
журналу
29
топлива в населенном пункте // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. -№ 3 (33). - С. 43-47.
27. Евстифеев А.А., Балашов М.Л. Методика определения границы экономической эффективности перехода на природный газ в качестве моторного топлива // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 2 (32). - С. 4-5.
28. Евстифеев А.А. Расчет надежности системы поставок газового моторного топлива потребителям // Транспорт на альтернативном топливе. - 2013. - № 4 (34). - С. 61-65.
29. Евстифеев А.А., Заева М.А., Хетагуров Я.А. Применение математического моделирования при испытаниях и отработке сложных технических систем // Вестник Национального исследовательского ядерного университета МИФИ. - 2013. -Т. 2. - № 1. - С. 115.
30. Евстифеев А.А., Заева М.А. Автоматизированная система единого государственного реестра газобаллонного оборудования // В книге: Научная сессия НИЯУ МИФИ-2012. Аннотации докладов: в 3-х томах. - 2012. -С. 285.
31. Дедков В.К., Евстифеев А.А. Методика оценивания надежности технической системы по результатам испытаний // Вопросы теории безопасности и устойчивости систем. - 2010. - № 12. - С. 215-221.
32. Евстифеев A.A., Северцев Н.А. Модели минимизации направленного ущерба транспортной системы при отсутствии информации // Вопросы теории безопасности и устойчивости систем. - 2009. - № 11. - С. 137-145.
В Челябинске запустили пробный автобус на газомоторном топливе
Это первый пробный автобус в городе, полностью работающий на газомоторном топливе. Об этом 2 июля на аппаратном совещании в мэрии сообщил директор ООО «Общественный городской транспорт» (ООО «ОГТ») Дмитрий Холод.
Газовый автобус с бортовым номером 332 работает по четвертому маршруту: Мамина - ЮурГУ Автобус отличается также тем, что в нем установлены четыре камеры видеонаблюдения, а также бесплатный Wi-Fi.
Как сообщили в ООО «ОГТ», пробный автобус действительно обходится дешевле транспорта на дизельном топливе. Для сравнения, один кубический метр метана в регионе стоит 12-13 рублей, 1 литр дизельного топлива - 38 рублей. Средний расход автобуса - 23 литра или 23 кубометра на 100 километров. Таким образом заправка автобуса на дизельном топливе составляет 874 рубля, тогда как на газомоторном - 299 рублей.
https://ob-zor.ru/v-chelyabinske-zapustili-probnyy-avtobus-na-
gazomotornom-toplive
