СПОСОБЫ ХРАНЕНИЯ КРИОГЕННЫХ ТЕКУЧИХ СРЕД В РЕЗЕРВУАРАХ ДЛЯ ХРАНЕНИЯ
METHODS OF STORAGE OF CRYOGENIC FLUID ENVIRONMENTS IN STORAGE TANKS

Уровень техники изобретения
[0001] Настоящее изобретение предлагает способ поддержания переохлажденного состояния криогенной текучей среды, такой как сжиженный природный газ (СПГ), в резервуаре для хранения. Часть криогенной текучей среды отводят из резервуара для хранения, охлаждают и затем повторно вводят обратно в резервуар для хранения.
[0002] Сжиженный природный газ состоит в основном из метана, который составляет примерно 85-98% СПГ на молярной основе. Компоненты, которые могут присутствовать в меньших количествах, включают этан, пропан, углекислый газ, кислород и азот. В целях иллюстрации свойства чистого метана будут использоваться для характеристики СПГ.
[0003] Наливные резервуары для хранения сжиженного природного газа, особенно резервуары, которые используются на заправочных станциях, подвергаются как воздействию теплового потока, так и испарению газа и/или разделению на две фазы, что связано с операцией заправки. Это вызывает значительный тепловой поток в резервуар для хранения, что обычно приводит к сбросу газа. Этот сброс одновременно является потерей ценного продукта, а также представляет значительную экологическую проблему, поскольку природный газ является мощным парниковым газом. Поддержание содержимого наливного резервуара для хранения в переохлажденном состоянии (при температуре ниже точки кипения, соответствующей давлению в резервуаре для хранения) будет предотвращать этот сброс полностью или его большую часть. Однако предусмотренная величина переохлаждения зависит от температуры подаваемой жидкости в наливной резервуар для хранения и будет утрачена в результате нагревания спустя некоторый промежуток времени. Поэтому сброс из резервуаров для хранения СПГ является обычной практикой и представляет значительное препятствие на пути успешной реализации природного газа в качестве моторного топлива.
[0004] Баки для моторного топлива СПГ обычно имеют оптимальное давление около 6-8 бар изб. (0,6-0,8 МПа), чтобы доставлять топливо в двигатель без помощи насоса или компрессора. Если жидкость, подаваемая во время заправки, находится при температуре выше температуры насыщения, соответствующей оптимальному давлению в баке, тогда топливный бак чаще всего должен вентилироваться в процессе заправки. Поэтому желательно, чтобы температура СПГ, подаваемого из наливного резервуара для хранения, находилась на уровне или несколько ниже температуры насыщения, соответствующей оптимальному давлению в топливном баке. Например, при 6 бар изб. (0,6 МПа) температура насыщения составляет примерно -131°С. Это позволяет заправке производиться практически или полностью без вентиляции, и топливный бак заполняется при давлении, близком к оптимальному давлению в баке.
[0005] Кроме того, в случае топливного бака, который первоначально находится при повышенном давлении по сравнению с оптимальным давлением, как правило, предпочтительно сначала ввести переохлажденный СПГ, чтобы разрушить существующий газ в топливном баке.
Сущность изобретения
[0006] Изобретение предлагает способ поддержания переохлажденного состояния внутри криогенной текучей среды, такой как сжиженный природный газ, в резервуаре для хранения, включающий отведение части криогенной текучей среды, охлаждение отведенной части криогенной текучей среды и повторное введение отведенной части криогенной текучей среды обратно в зону жидкости резервуара для хранения.
[0007] Криогенные текучие среды, подходящие для настоящего изобретения, включают сжиженный природный газ, жидкий азот, жидкий кислород, жидкий воздух и жидкий аргон и смеси этих текучих сред. Другие текучие среды и смеси текучих сред, такие как этилен, хотя обычно не классифицируются как криогенные, также являются подходящими для настоящего изобретения. Когда эти текучие среды или смеси текучих сред хранятся в резервуаре, происходит естественное формирование и разделение жидкой и паровой фракций текучей среды. Если смеси этих текучих сред содержатся в качестве единственного содержимого резервуара для хранения, то молярное отношение компонентов будет различаться в жидкой и паровой фазах в соответствии с равновесной термодинамикой.
[0008] Отводимую часть криогенной текучей среды предпочтительно отводят возле дна резервуара для хранения и предпочтительно подают обратно в резервуар для хранения в более высоком положении, чем положение, из которого криогенную текучую среду отводили. Это будет способствовать созданию однородного донного переохлажденного слоя в резервуаре для хранения. Как правило, криогенную текучую среду, такую как жидкий азот, используют для охлаждения отведенной части криогенной текучей среды; однако могут применяться другие криогенные текучие среды, такие как жидкий воздух, кислород и аргон, и смеси этих текучих сред, или может применяться устройство механического охлаждения или теплопередающая текучая среда, охлажденная другими способами. Охлаждение, обеспечиваемое криогенной текучей средой, такой как жидкий азот, предпочтительно осуществляют во внешнем теплообменнике, который находится выше, чем положение в резервуаре, куда возвращают отведенный сжиженный природный газ. Охлаждение криогенной текучей среды будет увеличивать ее плотность и приведет к образованию цикла естественной циркуляции (термосифона) отведенного сжиженного природного газа и его возвращения в резервуар для хранения, без помощи насоса. Хотя это является предпочтительным способом, могут применяться другие способы циркуляции, как например, способы с использованием насоса. Отведение криогенной текучей среды может осуществляться непрерывно по мере необходимости или может осуществляться периодически, при этом криогенную текучую среду отводят из резервуара для хранения с перерывами.
[0009] Криогенная текучая среда, такая как жидкий азот, находится в теплообменнике, который является внешним по отношению к резервуару для хранения криогенной текучей среды. Количество криогенной текучей среды, подаваемое в теплообменник, регулируют для поддержания желаемой степени переохлаждения криогенной текучей среды, находящейся в резервуаре для хранения. Это охлаждение также можно обеспечивать другими криогенными текучими средами, теплопередающей текучей средой, охлаждаемой другими устройствами, или с помощью механического охлаждения. Криогенная текучая среда выпускается из теплообменника после осуществления теплообмена.
[0010] В другом варианте осуществления описан способ поддержания естественного конвективного потока криогенной текучей среды в резервуаре для хранения, включающий отведение части криогенной текучей среды, охлаждение отведенной части криогенной текучей среды и повторное введение отведенной части криогенной текучей среды обратно в резервуар для хранения.
[0011] Резервуар для хранения можно выбрать любой удобной для обслуживания конструкции, размера или ориентации. Трубные соединения в резервуар для хранения или из него также могут быть соответствующим образом модифицированы. Обратный поток переохлажденной криогенной текучей среды в резервуар для хранения может подаваться выше или ниже местоположения, в котором криогенная текучая среда отводится внутри наливного резервуара для хранения. Трубопровод, используемый для предпочтительного режима термосифонного действия для переохлаждения, может быть дополнительным или тем же самым, что и трубопровод, используемый для термосифонного охлаждения внешнего криогенного насоса.
[0012] Дополнительный трубопровод внутрь и/или наружу из резервуара также может быть предусмотрен, в том числе для обратного потока газа и/или жидкости в нижние или верхние области резервуара.
[0013] При необходимости дополнительные регулирующие элементы, такие как регулирующие клапаны или датчики температуры или давления, также могут использоваться для регулирования степени и скорости внешнего переохлаждения.
[0014] Криогенная текучая среда, такая как газообразный азот, которая выпускается из внешнего теплообменника, может использоваться в других типовых процессах, где имеется резервуар для хранения криогенной текучей среды, таких как процессы охлаждения, в качестве инертного газа или газа, создающего повышенное давление для работы клапанов.
[0015] Расположение внешнего теплообменника может быть изменено для оптимизации циркуляции из-за работы термосифона, и возвратные и подающие трубопроводы могут быть дополнены криогенным насосом.
[0016] Дополнительные способы регулирования давления резервуара и конденсации пара являются возможными и могут использоваться вместе с изобретением. Например, во время наполнения резервуара сочетание верхнего и нижнего наполнения переохлажденной жидкостью может применяться для поддержания давления в резервуаре для хранения. Кроме того, внешний криогенный насос может быть выполнен с возможностью периодической циркуляции части донной переохлажденной жидкости в верхнюю часть криогенного резервуара для прямой конденсации пара.
[0017] Хотя в нижеследующем подробном описании изобретения в качестве криогенной текучей среды, которая находится в резервуаре для хранения, описан сжиженный природный газ, способы изобретения будут применимы и к другим криогенным текучим средам, таким как жидкий азот, жидкий кислород, жидкий воздух, жидкий аргон и этилен, и к смесям этих текучих сред.
Краткое описание чертежей
[0018] На чертеже приводится схема резервуара для хранения криогенной текучей среды и источника вторичного охлаждения в соответствии с изобретением.
Подробное описание изобретения
[0019] Обратимся к чертежу, на котором показан наливной резервуар для хранения сжиженного природного газа, содержащий СПГ при повышенном давлении. Сжиженный природный газ находится в наливном резервуаре А для хранения, который находится в сообщении по текучей среде с теплообменником B. Сжиженный природный газ будет отводиться из наливного резервуара А для хранения по трубопроводу 1, в котором он будет направляться в теплообменник B. Сжиженный природный газ в трубопроводе 1 будет дополнительно охлаждаться с помощью теплообмена с жидким азотом. Дополнительно охлажденный сжиженный природный газ возвращают в наливной резервуар для хранения по трубопроводу 2. Жидкий азот будет подаваться в теплообменник B по трубопроводу 3, который проходит через теплообменник В. Жидкий азот будет нагреваться с помощью теплообмена и будет выпускаться из теплообменника B по трубопроводу 4 в виде газообразного азота.
[0020] Наливной резервуар для хранения сжиженного природного газа (СПГ) содержит СПГ при повышенном давлении. СПГ в наливном резервуаре, как правило, состоит из верхнего насыщенного слоя (жидкого при температуре кипения, соответствующей давлению в резервуаре) и нижележащего переохлажденного слоя (жидкого при температуре ниже точки кипения, соответствующей давлению в резервуаре). Нижележащий переохлажденный слой может дополнительно иметь пространственное варьирование температуры. Состояние равновесия данного двухслойного расположения поддерживают естественные конвективные потоки внутри резервуара, вызванные тепловым потоком от стенки резервуара, а также газом, который может вводиться в донную часть резервуара, приводя к тому, что верхний насыщенный слой становится чрезвычайно тонким. По мере того, как продолжается добавление тепла или донного газа в резервуар, только этот тонкий верхний насыщенный слой будет испаряться, тогда как донный переохлажденный слой будет нагреваться без испарения. В течение этого периода времени не будет происходить какого-либо значительного выпускания газа, поскольку по мере отведения жидкости величина испарения тонкого насыщенного слоя будет компенсироваться объемом отводимой жидкости. Однако, в конечном счете, добавление тепла разрушит переохлаждение по всему нижнему слою, и весь резервуар станет насыщенным. В этот момент какое-либо дальнейшее добавление тепла или газа будет вызывать лишь испарение СПГ, без нагревания. Тогда для поддержания желаемого давления в резервуаре станет необходимым выпускать природный газ.
[0021] Способ настоящего изобретения замедляет разрушение донного переохлажденного слоя в резервуаре для хранения сжиженного природного газа, при этом дополнительной задачей настоящего изобретения является сохранение донного переохлажденного слоя при предпочтительной температуре, чтобы способствовать оптимальной заправке топливного бака транспортного средства. Таким образом, изобретение стремится поддержать переохлажденное состояние в донной области криогенной текучей среды в резервуаре для хранения, а также поддерживать переохлажденное состояние по всему объему криогенной текучей среды, присутствующей в резервуаре для хранения. С помощью предотвращения разрушения с течением времени донного переохлажденного слоя наливной резервуар для хранения будет оставаться в значительной степени переохлажденным, благодаря описанным ранее естественным конвективным потокам, и проблема вентиляции будет в значительной степени уменьшена или устранена. Это достигается с помощью использования вторичного источника охлаждения (в данном случае предпочтительно криогенной текучей среды, такой как жидкий азот) для переохлаждения части СПГ во внешнем теплообменнике. Хотя для циркуляции данного переохлажденного СПГ, образованного снаружи, может использоваться насос, отличительный признак изобретения и предпочтительный вариант основан на эффекте термосифона для циркуляции.
[0022] Обратимся к чертежу, на котором показаны два трубопровода, входящие в донную часть наливного резервуара для хранения, предпочтительно разделенные как по горизонтали, так и по вертикали. Обозначение «h» относится к высоте, необходимой для внешнего теплообменника B для приведения в действие эффекта термосифона, поскольку холодный сжиженный природный газ подается из более высокого положения, чем положение его повторного введения в наливной резервуар для хранения. Сжиженный природный газ отводят из резервуара для хранения A по трубопроводу 1 и направляют во внешний теплообменник B. Жидкий азот в трубопроводе 3 используют для охлаждения этого бокового потока СПГ из трубопровода 1 во внешнем теплообменнике B. Поскольку внешний поток СПГ в теплообменнике B охлаждается в достаточной степени жидким азотом, который имеет нормальную точку кипения примерно на 35°C ниже, чем точка кипения СПГ, он, естественно, становится более плотным и проявляет тенденцию к опусканию. Этот сильно переохлажденной боковой поток СПГ течет вниз по трубопроводу 2 и поступает обратно в донную часть наливного резервуара для хранения СПГ. По мере того, как этот сильно переохлажденный СПГ возвращается в наливной резервуар для хранения СПГ, он, естественно, замещается во внешнем теплообменнике B обратным потоком более теплого СПГ из трубопровода 1. Эта естественная циркуляция или эффект термосифона продолжается до тех пор, пока жидкий азот подается во внешний теплообменник B.
[0023] Подаваемое количество жидкого азота, как правило, регулируют для поддержания предпочтительной степени переохлаждения донной части, на что указывает температура T или другое подходящее измерение температуры СПГ. Насос (не показан) является возможным дополнением для облегчения данной циркуляции. Тем не менее, одним из вариантов осуществления является описанная и проиллюстрированная конструкция термосифона, поскольку она обеспечивает более простое, более надежное и недорогое решение. Эта конструкция термосифона, в дополнение к расположению трубопроводов, зависит от гидростатического напора для приведения в действие циркуляции. Данное расстояние, h, показанное на чертеже, иллюстрирует, каким образом создается гидростатический напор за счет подходящего размещения внешнего теплообменника относительно внутренних выходов трубопроводов в резервуаре для хранения. Типичное значение h составляет от 1 до 3 метров.
[0024] Следует отметить, что конструкция термосифона, показанная на чертеже, будет только непосредственно вводить переохлажденный снаружи СПГ в донную область резервуара. Как обсуждалось ранее, естественные конвективные потоки, которые существуют внутри этих резервуаров, будут обеспечивать, что большая часть содержимого резервуара над этой нижней областью также будет поддерживаться в переохлажденном состоянии.
[0025] Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на конкретные варианты его осуществления, ясно, что многочисленные другие формы и модификации изобретения будут очевидны специалистам в данной области. Прилагаемая формула изобретения в данном изобретении как обычно должна пониматься как охватывающая все такие очевидные формы и модификации, которые находятся в пределах истинной сущности и объема изобретения.