CC BY
22Научные разработки и исследования
к\\\\\\\\\\\\ч
Система подачи криогенного топлива
■
В.А. Шишков, начальник технического отдела ООО «Палладио» (г. Тольятти), академик РАЕ, д.т.н.
В работе решаются следующие задачи: повышение эффективности работы энергетической установки за счёт улучшения теплопередачи в теплообменнике-парогенераторе криогенного топлива путём уменьшения зоны внешнего обледенения каналов теплообменника-парогенератора; увеличение надёжности работы газовой турбины энергетической установки за счёт снижения температуры газов в камере сгорания путём отбора теплоты к поступающей холодной газовой фазе криогенного топлива; снижение гидравлического сопротивления первого теплообменника-парогенератора со стороны горячих выхлопных газов путём уменьшения объёма льда, намерзающего на внешней поверхности каналов теплообменника-парогенератора.
__Ключевые слова:
парогенерирующий канал, теплообменник, гидравлическое сопротивление, устойчивость течения.
истема подачи криогенного топлива предназначена для энергетических установок наземного базирования и транспортных средств.
Известен способ работы двухтопливного газотурбинного двигателя, работающего на углеводородном и криогенном топливе [1], заключающийся в том, что при работе на углеводородном топливе в камеру сгорания через теплообменник подают и криогенное топливо в количестве, обеспечивающем охлаждение стенок теплообменника до температуры, ниже допустимой для конструкции теплообменников. Криогенное топливо также подают через теплообменник на режимах выше малого газа, а расход криогенного топлива через теплообменник увеличивают пропорционально увеличению температуры газов за турбиной. Недостаток способа заключается в том, что при работе газотурбинного двигателя обмерзание льдом достигает 40 % наружной поверхности теплообменника в зависимости от режима работы, что снижает эффективность теплопередачи, а значит и эффективность энергетической установки.
Известен ракетный двигатель [2], содержащий трубопровод, клапан, газодинамический дроссель, теплообменник, блок регулирования мощности, сопло. При открытии клапана газ поступает к дросселю, в котором его давление снижается и стабилизируется до требуемого уровня, в теплообменнике газ нагревается и выбрасывается через сопло, создавая реактивную тягу. При этом обеспечивается увеличение точности регулирования тяги, что необходимо для решения задач высокоточного управления положением космического аппарата. Недостаток ракетного двигателя в том, что при использовании в качестве криогенного топлива углеводородного газа или водорода при их сгорании образуется водяной пар,
чЧШШШШШШШ
2Й»
ЛЕТ С ВАМИ
который конденсируется и замерзает на наружной поверхности теплообменника, что снижает эффективность работы как самого теплообменника, так и двигателя в целом.
Известна система подачи криогенного топлива в камеру сгорания энергетиче- 73
ской установки [3], содержащая криогенную ёмкость, соединённую через насос, теплообменник-газификатор и отсечной клапан с форсунками камеры сгорания газотурбинного двигателя. Недостаток этой системы подачи криогенного топлива заключается в том, что наружное обмерзание льдом каналов теплообменника-газификатора со стороны входа криогенного топлива достигает 40 % теплопереда-ющей площади наружной поверхности каналов на низких режимах работы энергетической установки и до 10 % - на максимальных режимах работы энергетической установки.
Поэтому была поставлена задача повысить эффективности работы энергетической установки за счёт улучшения теплопередачи в теплообменнике-парогенераторе криогенного топлива путём уменьшения зоны внешнего обледенения его каналов, усилить надёжность работы газовой турбины энергетической установки за счёт снижения температуры газов в камере сгорания путём отбора теплоты к поступающей холодной газовой фазе криогенного топлива, а также снизить гидравлическое сопротивление первого теплообменника-парогенератора со стороны горячих выхлопных газов путём уменьшения объёма льда, намерзающего на внешней поверхности каналов теплообменника-парогенератора.
На рис. 1 представлена предлагаемая схема системы подачи криогенного топлива в энергетическую установку [4], содержащую первый и второй регуляторы расхода, соединённые соответственно с входами в первый и второй теплообменники-парогенераторы, выходы которых соединены со смесителем.
Жидкая фаза криогенного топлива поступает из криогенной ёмкости 1 последовательно через расходный клапан 2, топливный насос 3, первый регулятор расхода 4, входной коллектор 9, парогенерирующие каналы 8, подвод внешней теплоты Q к которым осуществлён от горячих выхлопных газов энергетической установки, выходной коллектор 6 первого теплообменника-парогенератора, горячий вход 7 второго теплообменника-парогенератора 15, горячий выход 10 второго теплообменника-парогенератора 15, первый вход смесителя 11, отсечной клапан 12 в форсунки 13 камеры сгорания энергетической установки. При этом часть жидкого криогенного топлива поступает с выхода топливного насоса 3 через второй регулятор расхода 17, холодный вход 16 второго теплообменника парогенератора 15, холодный выход 14 второго теплообменника-парогенератора 15, во второй вход смесителя 11. Например, при использовании в качестве криогенного топлива жидкого водорода в парогенерирующих каналах 8 первого теплообменника-парогенератора он нагревается от 20 до 373 К и поступает в горячий вход 7 второго теплообменника-парогенератора 15, за счёт теплоты которого вторая часть жидкой фазы криогенного топлива, поступающего на холодный вход 16 второго теплообменника-парогенератора 15, испаряется и через холодный выход 14 поступает на второй вход смесителя 11. После смешения газовой фазы в смесителе 11 температура топлива значительно ниже температуры на выходе из первого теплообменника-парогенератора. Холодное газообразное криогенное топливо поступает в форсунки 13 камеры сгорания энергетической установки, что снижает температуру газов на выходе из камеры сгорания, а значит и повышает надёжность газовой турбины энергетической установки. При этом снижение расхода жидкой фазы криогенного
АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)
I
Лоциям-**
Рис. 1. Схема системы подачи криогенного топлива в энергетическую установку:
1 - криогенная ёмкость; 2 - расходный клапан; 3 - топливный насос;
4 - первый регулятор расхода; 5 - датчик температуры; 6 - выходной коллектор
первого теплообменника-парогенератора; 7 - горячий вход второго теплообменника-
парогенератора; 8 - парогенерирующие каналы; 9 - входной коллектор;
10 - горячий выход второго теплообменника-парогенератора; 11 - смеситель;
12 - отсечной клапан; 13 - форсунки камеры сгорания энергетической установки;
14 - холодный выход второго теплообменника-парогенератора;
15 - второй теплообменник-парогенератор; 16 - холодный вход второго теплообменника-парогенератора; 17 - второй регулятор расхода;
18 - блок управления энергетической установки; Q - подвод внешней теплоты
топлива в парогенерирующие каналы 8 первого теплообменника-парогенератора уменьшает площадь наружного обмерзания начальных участков этих каналов, что, в свою очередь, повышает эффективность теплопередачи в каналах 8 первого теплообменника-парогенератора, а также снижает наружное гидравлическое сопротивление в них, что повышает КПД энергетической установки.
В зависимости от режима работы энергетической установки изменяют расход жидкой фазы криогенного топлива на входе первого, имеющего парогене-рирующие каналы 8, и второго 15 теплообменников-парогенераторов. При этом при увеличении режима работы энергетической установки расход на входе первого теплообменника-парогенератора увеличивают, а на входе второго теплообменника-парогенератора 15 уменьшают. За счёт перераспределения жидкой фазы криогенного топлива между первым и вторым 15 теплообменниками-парогенераторами снижено наружное обмерзание парогенерирующих каналов 8 на всех режимах работы энергетической установки, а также снижено внешнее гидравлическое сопротивление парогенерирующих каналов 8 первого теплообменника-парогенератора.
На минимальном режиме работы энергетической установки первый регулятор 4 расхода жидкой фазы криогенного топлива открыт не более чем на 70 %, а второй регулятор расхода 17 криогенного топлива открыт более чем на 30 %.
чЧШШШШШШШ
2Й»
ЛЕТ С ВАМИ
За счёт перераспределения жидкой фазы криогенного топлива между первым и вторым 15 теплообменниками-парогенераторами снижено наружное обмерзание парогенерирующих каналов 8 на минимальном режиме работы энергетической установки, а также снижено внешнее гидравлическое сопротивление парогенери- 75
рующих каналов 8 первого теплообменника-парогенератора.
На максимальном режиме работы энергетической установки первый регулятор 4 расхода жидкой фазы криогенного топлива открыт более чем на 90 %, а второй регулятор 17 расхода криогенного топлива открыт не более чем на 10 %. За счёт перераспределения жидкой фазы криогенного топлива между первым и вторым 15 теплообменниками-парогенераторами снижено наружное обмерзание парогенерирующих каналов 8 на максимальном режиме работы энергетической установки, а также уменьшено внешнее гидравлическое сопротивление парогенерирующих каналов 8 первого теплообменника-парогенератора.
На промежуточных между минимальным и максимальным режимами работы энергетической установки первый регулятор 4 расхода жидкой фазы криогенного топлива открыт в соответствии с режимом в диапазоне от 60 до 100 %, а второй регулятор расхода 17 криогенного топлива открыт соответственно в диапазоне от 40 до 0 %. За счёт перераспределения жидкой фазы криогенного топлива между первым и вторым 15 теплообменниками-парогенераторами снижено наружное обмерзание парогенерирующих каналов 8 на всех промежуточных режимах работы энергетической установки, а также уменьшено внешнее гидравлическое сопротивление парогенерирующих каналов 8 первого теплообменника-парогенератора.
Со стороны входа жидкой фазы криогенного топлива на наружной поверхности парогенерирующего канала 8 первого теплообменника-парогенератора с помощью датчика температуры 5, соединённого с блоком управления 18 энергетической установки, измеряют наружную температуру стенки парогенерирующе-го канала 8. По уровню этой температуры изменяют расход жидкой фазы криогенного топлива на входе в первый и второй 15 теплообменники-парогенераторы. Это позволяет снизить площадь наружного обмерзания парогенерирую-щих каналов 8 первого теплообменника-парогенератора, а также уменьшить внешнее гидравлическое сопротивление каналов 8 первого теплообменника-парогенератора.
Первым 4 и вторым 17 регуляторами расхода криогенного топлива управляют в зависимости от температуры стенки со стороны входа криогенного топлива на наружной поверхности парогенерирующего канала 8 первого теплообменника, при этом если температура ниже 273,15 К, тогда первый 4 регулятор расхода прикрывают, а второй 17 регулятор расхода открывают до тех пор, пока температура не превысит вышеназванное значение. Это позволяет снизить площадь наружного обмерзания парогенерирующих каналов 8 первого теплообменника-парогенератора, а также уменьшить внешнее гидравлическое сопротивление каналов 8 первого теплообменника-парогенератора.
За счёт перераспределения теплоты, подводимой к криогенному топливу, в двух теплообменниках уменьшено обмерзание наружной поверхности первого теплообменника-парогенератора на всех режимах работы энергетической установки. За счёт снижения обмерзания каналов первого теплообменника-парогенератора в нём повышена эффективность теплопередачи. За счёт снижения габаритов первого теплообменника-парогенератора уменьшены гидравлические потери в газодинамическом тракте энергетической установки, что, в свою очередь,
АОГМТ «Национальная газомоторная ассоциация» (НГА)
I
Лоциям-**
Научные разработки и исследования
к\\\\\\\т
повышает её коэффициент полезного действия. За счёт снижения температуры газовой фазы криогенного топлива на входе в камеру сгорания уменьшена температура выхлопных газов на выходе, что, в свою очередь, повысило надёжность работы газовой турбины энергетической установки.
Таким образом, усовершенствована схема системы подачи криогенного топлива в энергетическую установку, в которой изменены и оптимизированы характеристики первого и второго теплообменников-парогенераторов, а также выполнено распределение потоков криогенного топлива между первым и вторым теплообменниками-парогенераторами для снижения обмерзания наружной поверхности первого теплообменника-парогенератора, который подогревается выхлопными газами от энергетической установки.
_Использованные источники
1. Патент на изобретение, заявка РФ № 93006021, F02С 9/00, опубликована: 30.04.1995.
2. Патент РФ №2125176, F02K 9/44, опубликован: 20.01.1999.
3. Авторское свидетельство СССР № 1795139, F02K 9/44, опубликовано 1991.
4. Система подачи криогенного топлива: патент на изобретение № 2667845: МКИ6 F02C 9/00, F02C 9/26, F02C 9/32, F02K 9/44 / Шишков В.А.; заявитель Шишков В .А. - №2017130760/06(053591); заявл. 30.08.2017, опубл. 24.09.2018. Бюл. № 27. - 11 с.
Россельхозбанк участвует в переходе России на газомоторное топливо
Масштабное использование природного газа на транспорте не только окажет положительное влияние на окружающую среду, но и значительно снизит расходы населения и бизнеса. Переход на недорогое газомоторное топливо позволит сдерживать темпы инфляции, в том числе в сфере услуг ЖКХ и на продовольственном рынке, что, безусловно, отразится на повышении качества жизни людей.
В 2018 году Россельхозбанк (РСХБ) приступил к реализации мероприятий дорожной карты взаимодействия с единым оператором по развитию рынка ГМТ - компанией «Газпром газомоторное топливо». В результате данной работы Минсельхоз России по предложению РСХБ включил газомоторную технику и природный газ в перечень целей льготного кредитования аграриев.
Россельхозбанк уделяет особое внимание развитию рынка газомоторного топлива на федеральном и региональном уровнях. С 2018 года аграрии могут получить льготные кредиты на приобретение природного газа и работающей на нём техники в любом регионе страны. Это стало возможным благодаря тесному взаимодействию банка, Минсельхоза России и компании «Газпром газомоторное топливо». По мере развития необходимой инфраструктуры повысится популярность природного газа как моторного топлива, и его использование станет удобным и привычным для потребителей.
Банк предлагает всем клиентам, независимо от отраслевой принадлежности, адаптированные кредитные продукты, в том числе в сфере переоборудования техники и развития заправочной инфраструктуры. Производители сельскохозяйственной продукции могут получить такие кредиты по сниженной процентной ставке в рамках государственной программы льготного кредитования АПК.
https://www.bnkomi.ru/data/news/90322/
