Система подачи криогенного топлива в энергоустановку и его газификация

Система подачи криогенного топлива в энергоустановку и его газификация

В.Г. Тонконог,

доцент Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н.Туполева (КАИ), к.т.н.

Предложена система газификации криогенных топлив, обладающая высокими динамическими характеристиками производства паровой фазы. В процессе газификации происходит одновременное захолажи-вание емкости-хранилища криогенного топлива. Выполнено численное моделирование характеристик двухфазного потока в парогенерирующем устройстве в одномерной и двумерной постановках задачи. Рассчитаны паросодержание, расход и концентрация фаз для водорода и метана.

Ключевые слова: криогенные топлива, система газификации, сберегающая технология, газификация, моделирование характеристик, расчет, водород, метан.

System of submission of cryogenic fuel in power equipment and gasification

V.G.Tonkonog

Cryogenic fuel gasification system is suggested. It has high dynamic characteristics of vaporization. During the vaporization process cryogenic fuel storage tank is being cooled. Numerical modeling of the two phase flow characteristics in the vaporizator both in the single- and two-dimensional statement is done. Phase concentration, flow rate are for hydrogen and methane calculated.

Keywords: Cryogenic fuel, gasification system, fuel sparing, gasification, fuel-saving technology, modeling of the characteristics, calculating of hydrogen and methane consumption.

По прогнозам в обозримом будущем двигатели внутреннего сгорания сохранят ведущую позицию в транспортной энергетике. В качестве моторных топлив будут использоваться как производные нефти, так и альтернативные топлива, причем доля альтернативных топлив в общем объеме моторных топлив будет возрастать.

Перспективными альтернативными топливами считаются топлива на основе природного газа и водорода. Существенным недостатком таких топлив является их низкая плотность при нормальных физических условиях, поэтому на борту транспортного средства альтернативные топлива должны храниться в сжатом либо сжиженном виде. По данным [1] лучшими массогабаритными характеристиками обладают системы с использованием сжиженного газа.

Применение сжиженного природного газа (СПГ) дает возможность увеличить пробег между заправками за счет более выгодного, чем у баллонов, соотношения масс топлива и бака, но порождает новые проблемы, связанные с тем, что СПГ является криогенным веществом. Теплопри-ток извне приводит к испарению и потерям топлива, что ограничивает время простоя транспортного средства в заправленном состоянии. Для жидкого водорода (ЖВ) эта проблема стоит еще более остро. По опыту аэрокосмической отрасли известно, что даже в лучших космических центрах потери ЖВ доходят до 30 % [2].

Компенсация внешних теплопритоков для сохранения топлива в жидком виде может быть обеспечена с помощью системы охлаждения топлива. С другой стороны, в большинстве транспортных энергетических установок топливо перед сжиганием должно быть испарено. Исключение составляют лишь двигатели аэрокосмического назначения, в которых криогенное топливо используется в жидком виде. То есть топливо нужно охлаждать при простое транспортного средства и испарять при движении.

Система испарения топлива должна обеспечивать достаточно быструю газификацию жидкости и возможность эффективного управления этим процессом. Существующие системы испарения этого не позволяют из-за малой интенсивности тепломассообмена. Теплообменное оборудование имеет значительные габариты и обладает высокой тепловой инерцией, что приводит к определенным проблемам при газификации топлива в динамических режимах работы энергоустановки. Охлаждение топлива на борту с помощью специальной холодильной машины, как правило, нецелесообразно по технико-экономическим соображениям.

Система газификации и охлаждения криогенного топлива

В традиционном исполнении криогенная топливная система включает бак с криогенной жидкостью, насос и газификатор на базе теплообменника. При этом в пределах одной топливной системы принимаются все возможные меры для снижения теплопритоков к криогенному топливу, и одновременно подводится теплота к криогенному топливу для его газификации, то есть совершаются противоречивые действия.

Если жидкость испарять за счет ее внутренней энергии, то можно существенно улучшить характеристики топливной системы (компенсировать теплоприток к емкости-хранилищу криогенного топлива при его газификации и повысить динамические характеристики газификатора). Такой процесс может быть реализован при адиабатном расширении жидкости в дроссельном устройстве. Например, при течении жидкости с отрицательным градиентом давления в канале переменного сечения в потоке жидкости создаются условия для образования паровой фазы, и происходит частичное испарение жидкости, вследствие чего ее поток превращается в двухфазный, содержащий жидкую и паровую фазы. Важной эксплуатационной характеристикой криогенной топливной системы, реализующей предлагаемый способ газификации криогенной жидкости, является то, что жидкая фаза в двухфазном потоке будет иметь температуру ниже начальной температуры жидкости. После сепарации двухфазного потока паровая фаза направляется в энергоустановку, а жидкая с температурой ниже начальной возвращается в емкость-хранилище. Таким образом, в процессе газификации криогенного топлива одновременно происходит и его охлаждение. Система подачи криогенного топлива в энергетическую установку (рис. 1), реализующая предлагаемый способ газификации криогенной жидкости, защищена патентом РФ № 2347934 [3].

В теплоизолированной емкости содержится криогенное топливо в состоянии насыщения с температурой Т0 и давлением, соответствующим давлению насыщения при этой температуре р = р¡(Т0). Криогенное топливо поступает из емкости 7 в дроссельное устройство 3 принудительно или самовытеснением под действием давления насыщенных паров р(Т0). Возможен подогрев криогенного топлива с помощью теплообменника 2. В дроссельном устройстве при адиабатном расширении жидкости происходит ее частичное испарение и обра-

зование двухфазного парожидкостного потока, в котором температура жидкой фазы Т1 вследствие затрат энергии на парообразование будет меньше начальной температуры Т1<Т0.

Далее двухфазный поток поступает в сепаратор 4, где происходит разделение его на жидкую и паровую фазы. Жидкая фаза с помощью насоса 8 возвращается в емкость 7, а паровая с помощью компрессора 5 подается в энергоустановку 7. В том случае, когда адиабатное расширение в дросселе проводится до атмосферного давления, из системы можно исключить компрессор 5.

Количество пара, образующегося при адиабатном расширении (течение) в дроссельном устройстве, зависит от начальных параметров процесса (р0 , Т0), давления в конце адиабатного расширения жидкости р1 и расхода жидкости через дроссельное устройство. При неизменных параметрах процесса количество пара, образующегося в дросселе, будет определяться только расходом жидкости, который может управляться изменением проходного сечения дроссельного устройства.

Предлагаемая система газификации криогенных топ-лив обладает хорошей динамикой и легко управляется регулированием проходного сечения дроссельного устройства или изменением подачи жидкости в дроссельное устройство с помощью насоса и т.д. Представляет практический интерес и то, что в процессе работы устройства неиспарившаяся часть топлива будет иметь температуру Т1<Т0 . Эта часть, возвращаемая в емкость, снижает температуру в ней и уменьшает количество криогенного топлива, которое неизбежно должно попадать в дренаж, как компенсация внешних теплопритоков. Таким образом, данная система газификации криогенного топлива при подаче его в энергоустановку обладает не только хорошими динамическими характеристиками, но и позволяет увеличить коэффициент использования криогенного топлива.

Рис. 1. Система подачи криогенного топлива в энергоустановку:

1 - теплоизолированная емкость с криогенным топливом;

2 - теплообменник; 3 - дроссельное устройство; 4 - сепаратор; 5- компрессор, 6, 9, 10, 11 - запорные и регулирующие вентили; 7 - энергоустановка; 8 - насос

Процессы в газификаторе

Для расчета и проектирования системы газификации криогенного топлива необходимо знать такие характеристики дросселирования криогенной жидкости как количество паровой фазы, образующейся в дроссельном устройстве, расход через парогенерирующий канал рабочего тела, претерпевающего фазовые превращения, структура потока. Последнее необходимо для эффективной сепарации фаз в парожидкостном потоке.

В парогенерирующем канале дроссельного устройства происходит расширение криогенной жидкости. Вследствие падения давления рабочего тела ниже давления насыщения в потоке жидкости создаются условия для зарождения и развития паровой фазы. С учетом малой продолжительности пребывания рабочего тела в тракте канала расширение рабочего тела можно считать адиабатным. При равновесном расширении паросодержание двухфазного потока, образующегося в дроссельном устройстве, может быть найдено из условий изоэнтропного (5=сопБ1) расширения рабочего тела.

Будем считать, что начальное состояние жидкости, поступающей в парогенерирующий канал, соответствует состоянию насыщения, и энтропия является известной функцией давления [4], 5 = 5'0 (р0). Энтропия двухфазной среды в конце процесса расширения 51 определяется на основании свойств аддитивности через массовое паросодержание х и энтропии жидкой 5' и паровой 5" фаз. Из условия неизменности энтропии (50=51) в процессе расширения жидкости от давления р0 до р1 получим уравнение для определения массового паросодержания х двухфазной среды, образующейся в дросселе,

Л ~ * / •

Уравнение (1) определяет количество пара, образующегося в равновесном адиабатном процессе расширения жидкости (рис. 2). В реальных процессах в дроссельном канале будет образовываться неравновесный двухфазный поток, в котором жидкая фаза будет находиться в перегретом (метастабильное) состоянии [5, 6]. Вследствие неравновесности количество паровой фазы, образующееся при реальном адиабатном расширении вскипающей жидкости, будет меньше, чем в равновесном. Для оценки реальных характеристик двухфазного потока, образующегося в дроссельном устройстве, выполнено численное исследование параметров двухфазного потока, образующегося при адиабатном течении криогенных жидкостей в каналах переменного сечения (сопла Лаваля). Сопла

Лаваля, как объект моделирования, выбраны из условий максимальной производительности по пару. Параметры двухфазного потока моделировались в одномерной и двумерной постановках задачи.

Одномерная модель

Одномерная модель базируется на следующих допущениях:

• течение одномерное;

• образование паровой фазы происходит в метаста-бильной области состояний при достижении в потоке капельной жидкости определенного перегрева, который в двухфазном потоке остается неизменным;

• жидкая фаза в двухфазном потоке находится в перегретом состоянии, паровая фаза в потоке - в насыщенном состоянии;

• фазы движутся с одинаковыми скоростями;

• плотность и энтальпия двухфазной среды определяются на основании свойств аддитивности через паросодержание и параметры состояния фаз;

• учитывается трение только жидкой фазы о стенку канала.

С учетом принятых допущений уравнения сохранения массы, количества движения и энергии примут вид

1

ФРп+(1-Ф)Р»

ф*

<к

^ ¿ж 1 п

+--+—— = 0;

и' е1г /

сЫ> \ сЫ/ <1р _ „ ФР + (1" ЧФ«*'"^ + ^ + фч> = 0;

аг аг аг аг

Здесь ф - объемное паросодержание; р - плотность; ш- скорость; И - энтальпия; Ф - сила трения, отнесенная

х

0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

1

"ЯЛГ

2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0 \р, МПа

Рис. 2. Массовая доля пара, образующаяся в процессе адиабатного расширения криогенных топлив в дроссельном устройстве для различных перепадов давления Др=р0-р1 при р1=0,1 МПа: 1 - водород (нормальный); 2 - метан; (----) - равновесный процесс; (—) - неравновесный процесс

д, кг^м2 • с) 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500

0

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4/>,МПа

Рис. 3. Зависимость приведенного критического расхода водорода (нормального) от начального давления р при течении его через сопло Лаваля из состояния насыщения:

1 - расчет по равновесной модели; 2 - расчет по неравновесной модели

---^ 1

✓

/ /

/ 1 2

/

к единице объема; г - координата; / - площадь проходного сечения канала.

Система уравнений (2) замкнута, если известны геометрия канала /=/(г) и термодинамические свойства фаз, включая и метастабильную область состояний: рп = р"(р); рж=р(Тж); Ь=Ь"(р); ^ж=МТж). Перегрев жидкости М =Тж-Т(р), достижимый в процессе ее адиабатного течения в парогенерирующем канале, определялся как разность температуры жидкости Тж и температуры насыщения Т(р), соответствующей давлению р. Перегрев жидкости, соответствующий началу фазовых переходов в метастабильной жидкости, задавался согласно рекомендациям [6]. Величина Фтр определяется согласно рекомендациям [5].

Численное интегрирование системы уравнений (2) осуществлялось методом Рунге-Кутта. Алгоритм расчета включал условие критического течения, при котором расход через канал стремится к критическому ц^цкр, и градиент давления по всему тракту канала имеет отрицатель-

ное значение Как следует из результатов расчетов,

представленных на рис. 2-3, равновесная модель дает завышенные значения паросодержания и заниженные расхода по сравнению с моделью, учитывающей термическую неравновесность процесса.

Результаты расчета неравновесного адиабатного расширения криогенных жидкостей выполнены для случая «предельного» неравновесного процесса, когда на поток жидкости не оказывается никаких воздействий,

инициирующих парообразование. В реальных устройствах вследствие различных воздействий (термические, акустические, механические и прочие) фазовые переходы могут происходить с меньшим отклонением от равновесных, а паросодержание и расход могут приближаться к равновесным значениям х и ц.

Одномерная модель позволяет определять интегральные характеристики потока, например, расход, паросодержание, усредненное по сечению канала. Поскольку течение жидкости с фазовыми превращениями характеризуется существенной структурной неоднородностью потока, то для расчета и проектирования сепараторов, являющихся необходимым элементом газификатора криогенного топлива, наряду с интегральными характеристиками потока необходима информация о локальных параметрах потока. В первую очередь это относится к структуре потока. Для решения этой задачи выполнено численное исследование характеристик двухфазного потока по двумерной модели течения двухфазной среды.

Двумерная модель

Двумерная модель базируется на следующих допущениях:

• двумерное течение гетерофазной среды в канале переменного сечения;

• фазы движутся с различными скоростями и взаимодействуют между собой;

• теплообмен со стенками канала отсутствует.

Уравнение неразрывности для смеси имеет вид

Эт

где р„ =ХСР(Р.- - плотность смеси;

усред-

ненная скорость; т - приращение массы в единицу времени в единице объема; т - время; ф, - объемное паросо-дежание ,-й фазы.

Уравнение импульса для смеси получено путем суммирования п индивидуальных уравнений импульса для всех компонентов смеси и имеет вид

где = - динамическая вязкость смеси;

¡=1

^ = ^ скоростью дрейфа ,-й фазы.

Уравнение энергии для смеси имеет следующий вид

^

от: и ы

Здесь Хе/ = (X + Х{цЛ) - эффективная теплопроводность; Х1цЛ- турбулентная теплопроводность (согласно используемой турбулентной модели к-е); Е - удельная энергия ¡-й фазы.

Детальное описание величин, входящих в систему уравнений (3)-(5), и условий фазовых переходов представлено в [7]. При описании механизма зарождения паровой фазы использовалась гипотеза Дина [8], согласно которой зародыши паровой фазы образуются в центре вихрей, генерируемых в турбулентном потоке жидкости. Численное моделирование условий зарождения паровой фазы в потоке жидкости было выполнено для случая двумерного течения жидкости в канале переменного сечения. Решалась обратная задача при заданном расходе жидкости через канал, который определялся при решении одномерной задачи из системы уравнений (2). В результате расчетов получены поля давлений, скорости, паросодержания и другие характеристики турбулентного потока жидкости. Для расчета характеристик потока использовалась стандартная программа FLUENT. Результаты расчетов конфигурации фронта парообразования и полей объемных концентраций паровой фазы в канале для случая адиабатного истечения метана через сопла Лаваля представлены на рис. 4.

Двухфазный поток в тракте парогенерирующего канала характеризуется существенной структурной неоднородностью, что соответствует экспериментальным данным [6]. В периферийной области потока объемное паросодержание близко к единице, в то время как центральная область потока занята преимущественно жидкой фазой, и паросодержание не превышает значений

ф = 0,5. Такую особенность двухфазного потока следует учитывать при расчете и проектировании устройств сепарации фаз.

Предложена система газификации криогенного топлива для транспортных энергоустановок, которая обладает хорошими динамическими характеристиками и позволяет уменьшить потери криогенных топлив в режиме эксплуатации. Рассмотрены процессы в дроссельном устройстве газификатора. Выполнено численное моделирование характеристик газификатора на базе равновесной и неравновесной моделей. Результаты расчетов количества паровой фазы, образующейся в дросселе из единицы массы жидкости, расхода и полей концентрации фаз в дроссельном канале могут быть использованы при проектировании и создании систем подачи топлива в двигатели транспортных установок.

Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг., государственный контракт П2467, проект «Разработка ресурсосберегающих технологий использования криогенных топлив».

Литература

1. Кириллов Н. Природный газ как моторное топливо: СПГ или КПГ? // Автомобильный транспорт. - 2002. -№ 5. - С. 44-45.

2. Постоев С.К., Стреляев В.С. Структурная схема криогенно-топливного авиационного комплекса // Проблемы энергетики воздушного транспорта: Сб.ст. - 1989.

- С. 379-387. (Тр. ЦИАМ; №1272).

3. Тонконог В.Г., Арсланова С.Н. Система подачи криогенного топлива в энергетическую установку. Патент РФ на изобретение № 2347934, опубл. 27.02.2009. Бюл. 8.

4. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972. - 720 с.

5. Дейч М.Е., Филиппов М.Е. Газодинамика двухфазных сред. М.: Энергоатомиздат, 1981. - 472 с.

6. Tonkonog V.G., Gortyshov Yu.F. Phase Transitions in a Liquid Flow // Heat Transfer Research. - 2007. - Vol. 38.

- № 7. - Р. 661-668.

7. Тонконог В.Г., Бакоуш А.М. Моделирование условий зарождения паровой фазы в потоке жидкости: Изв. вузов // Авиационная техника. - 2006. - № 4. - С. 47-49.

8. Дин Р. Образование пузырей: сб. науч. ст. / Вопросы физики кипения. - М.: МИР, 1964. - С. 13-27.