СИСТЕМА ЛОКАЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА С ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ОБЪЕМОМ
SYSTEM FOR LOCAL STORAGE OF LIQUEFIED NATURAL GAS WITH CHANGEABLE VOLUME

Изобретение относится к малолитражным криогенным цистернам (МКЦ) транспортных средств, работающих на сжиженном природном газе (СПГ). Изобретение позволяет увеличить время бездренажного хранения СПГ, позволяя повысить его экологические и экономические показатели. В качестве МКЦ применяется емкость в виде осевого сильфонного компенсатора. Способ работы МКЦ основан на принудительном изменении объема конструкции путем сдвига упругой гофрированной металлической оболочки, за счет чего обеспечивается постоянная степень заполнения жидкой фазой СПГ в пределах 75% от объема топливной криогенной емкости. При этом предотвращение повышения избыточного давления топлива в газообразном состоянии осуществляется путем отбора газа в промежуточную аккумулирущую емкость по криогенным трубопроводам, либо его сброс в атмосферу через предохранительный клапан.
Изобретение относится к криогенным топливным бакам и может быть использовано в качестве системы локального хранения СПГ на легковых автомобилях, большегрузном транспорте и других средствах перемещения, а также малых генераторных установках.
Известен многослойный сильфонный компенсатор [патент RU 2272954 от 27.03.2006]. Устройство содержит многослойную гофрированную оболочку, жестко и герметично соединенную посредством сварных швов с силовыми кольцами, содержащую внутренний утолщенный слой из хромоникелевого сплава и внешний слой, выполненный из нержавеющей стали. Конструкция может быть использована для компенсации температурных напряжений в трубопроводных системах в условиях повышенных температур и давлении при наличии агрессивных сред. В указанном изобретении отсутствует тепловая изоляция внешней гофрированной оболочки, из-за чего компенсатор не может быть применен в криогенной технике.
Известен двуполостный сосуд с изменяющимся объемом полостей, описанный в [патент RU 2449206 от 27.04.2012], состоящим из двух герметичных мешков, расположенных внутри жесткого газонепроницаемого корпуса, соединенных с подводящим/отводящим трубопроводами с помощью штуцеров, выходящих из корпуса наружу через отверстия в стенках. Форма и размеры каждого мешка разработаны с тем условием, чтобы при его заправке средой под избыточным давлением оболочка мешка могла заполнить всю свободное внутреннее пространство жесткого внешнего корпуса без возникновения растягивающих напряжений, которые превышали бы допустимые значения для материала мешка. Данный сосуд может быть применен в качестве контейнера для хранения и транспортировки газа путем открытия запорной арматуры на подводящем трубопроводе и заполнения внутреннего мешка, расправляющегося, при этом, по всей внутренней полости. Опорожнение сосуда от газа без снижения избыточного давления осуществляется при нагнетании среды во второй мешок через штуцер, в результате чего происходит вытеснение газа из первого мешка в гидросистему. Недостатком указанного двуполостного сосуда является невозможность его применения в криогенной технике в качестве емкости для хранения СПГ, поскольку пространство между мешком, заполненным криогенной жидкостью, и мешком с газом отсутствует слой теплоизоляции, причем сложность установки изоляционного слоя заключается в эластичности оболочек внутренних полостей. Кроме того, для регулирования степени наполнения жидкой фазы СПГ в первом мешке, необходимо использовать газ с более низкой температурой кипения (например, азот) во втором мешке, что усложняет устройство, требуя дополнительную систему подачи и удержания криогенного вытесняющего газа.
Известен криогенный топливный бак транспортного средства [патент RU 118717 от 27.07.2012]. Данное устройство содержит компенсационную емкость, которая обеспечивает неполное заполнение топливного бака жидкой фазой СПГ, оставляя паровое пространство, и применяется для возможного термического расширения жидкости, систему регулирования рабочего давления, состоящую из регулятора давления и испаритель наддува. Указанное устройство принято за прототип предлагаемого.
Недостатком указанного криогенного топливного бака является то, что в ходе нагнетания из нижней части сосуда жидкой фазы СПГ по криогенному трубопроводу в двигатель, а также регулирования избыточного давления посредством забора жидкого криогенного топлива в испаритель наддува и регулятор давления увеличивается пространство, содержащее паровую фазу топлива. В результате, происходит уменьшение степени наполнения сжиженного газа, и как следствие этого, снижается время бездренажного хранения криогенного топлива в этой емкости.
Изобретение относится к холодильной технике, в частности к криогенным топливным бакам, используемым для транспортировки СПГ.
Задачей изобретения является увеличение периода удержания жидкого метана в криогенном топливном баке без осуществления дренажа в атмосферу, что позволит повысить экономические и экологические показатели, решит проблему малого времени бездренажного хранения СПГ.
Важность регулирования объемов жидкой и газообразной фазы криогенного топлива заключается в необходимости увеличения периода бездренажного хранения. Как известно, степень заполнения природного газа в сжиженном состоянии оказывает непосредственное влияние на интенсивность процесса испарения и, следовательно, величину избыточного давления в герметичном объеме криобака. Например, в случае изначального полного заполнения сосуда СПГ, без наличия парового пространства, при поступлении теплоты внутрь емкости происходит резкое повышение избыточного давления и, как следствие, стравливание газа в атмосферу через систему аварийного сброса. Низкая степень заполнения криобака также создает условия для интенсивного испарения СПГ по причине перехода кинетической энергии жидкости в тепло, вызванное толчками и трением сжиженного газа о стенки сосуда при движении транспортного средства. В зависимости от вида криогенного топлива, значения избыточного давления и объема криогенного бака существует оптимальная степень заполнения жидкой фазы топлива, при которой период бездренажного хранения максимален. Экспериментально установлено, что, например, для жидкого азота наиболее рациональной степенью заполнения при рабочем давлении в 0,5 МПа является 80%. Для сжиженного природного газа при 0,4 МПа она составляет 75%. Это дает возможность продлить срок бездренажного хранения СПГ до 9-10 дней.
Технический результат достигается за счет того, что в криогенный топливный бак для хранения и транспортировки сжиженного природного газа, включающего многослойную сильфонную конструкцию, расположенную внутри защитного кожуха, закрепленную к нему неподвижной опорой, представляющей собой сосуд из внутренней и внешней стенок, соединенных конусными тепловыми мостами, слой экранно-вакуумной тепловой изоляции, расположенный в межстенном пространстве мембраны; соединенный с внешней стенкой компенсатора поршень, связанный зацеплением с электромагнитной муфтой со штоком, имеющим наружную резьбу; при этом шток соединен через систему подшипников передаточным механизмом с валом, закрепленном в роторе электродвигателя; измеритель уровня жидкого метана и компенсационный бачок с соединительной трубкой, расположенные в верхней области сильфонной конструкции; нагнетательный насос, установленный на подающем трубопроводе кислорода между фильтром грубой очистки газа и группы запорного вентиля и обратного клапана; откачивающий насос, установленный на обратном трубопроводе кислорода после обратного клапана; трубопровода дренажа-наддува, содержащего испаритель наддува, запорный вентиль и регулятор давления; систему стравливания газа в атмосферу, состоящую из предохранительных клапанов и вентиля аварийного сброса газа; обратный клапан, установленный между заправочной горловиной с запорно-регулировочным вентилем и устройством ввода СПГ на заправочном трубопроводе; трубопровод подачи жидкого топлива, трубопроводом подачи газообразного топлива с регулятором давления, соединяющиеся в единую подающую магистраль; скоростной клапан, установленный между запорным вентилем и испарителем-теплообменником, через которые сжиженный газ подается к топливной рампе подачи СПГ в ДВС.
После забора жидкой фазы топлива в ДВС по подающей магистрали с помощью топливной рампы происходит понижение уровня поверхности разделения фаз, сопровождающееся увеличением объема газообразного метана. В этот момент срабатывает измеритель уровня жидкого метана, который направляет сигнал в электродвигатель, приводящий в движение вал, связанный с поршнем, сдавливающем конструкцию сильфона, через шток зацеплением с электромагнитной муфтой.
Принципиальная схема малолитражной криогенной цистерны для транспортировки сжиженного природного газа приведена на фигуре. Она включает в себя следующие функциональные элементы: 1 - топливный бак; 2 - защитный кожух; 3 - сильфонная конструкция; 4 - неподвижная опора; 5 - тепловые мосты; 6 - внутренняя стенка компенсатора; 7 - внешняя стенка компенсатора; 8 - слой экранно-вакуумной тепловой изоляции; 9 - гибкая мембрана; 10 - поршень; 11 - зацепление с электромагнитной муфтой; 12 - наружная резьба; 13 - шток; 14 - система подшипников; 15 - передаточный механизм; 16 - вал; 17 - ротор; 18 - электродвигатель; 19 - трубопровод кислорода; 20 - фильтр грубой очистки газа; 21 - нагнетатель; 22 - запорный вентиль; 23 - обратный клапан; 24 - обратный трубопровод кислорода; 25 - обратный клапан; 26 - откачивающий насос; 27 - измеритель уровня жидкого метана; 28 - компенсационный бачок; 29 - соединительная трубка; 30 - устройство ввода СПГ; 31 - заправочный трубопровод; 32 - испаритель наддува; 33 - трубопровод дренажа-наддува; 34 - предохранительный клапан; 35 - регулятор давления; 36 - предохранительные клапаны; 37 - вентиль аварийного сброса газа; 38 - заправочная горловина; 39 - обратный клапан; 40 - запорно-регулировочный вентиль; 41 - трубопровод подачи жидкого топлива; 42 - трубопровод подачи газообразного топлива; 43 - регулятор давления; 44 - обратный клапан; 45 - запорный вентиль; 46 - скоростной клапан; 47 - испаритель-теплообменник; 48 - топливная рампа подачи СПГ.
Криогенный топливный бак 1 системы локального хранения СПГ на автотранспортном средстве представляет собой защитный кожух 2, внутри которого расположен герметичный внутренний сосуд в виде многослойной сильфонной конструкции 3, соединенный с ним с помощью неподвижной опоры 4, состоящий из связанных между конусными тепловыми мостами 5 внутренней стенки компенсатора 6 из аустенитной никелированной стали и внешней стенки компенсатора 7 из нержавеющей стали, слоя экранно-вакуумной тепловой изоляции 8, расположенной в межстенном пространстве гибкой мембраны 9.
На многослойную сильфонную конструкцию 3 оказывает давление поршень 10, закрепленный к торцу внешней стенки компенсатора 7, который приводит к осевому сжатию сильфонных элементов и уменьшению объема криогенной емкости. Поршень соединен зацеплением с электромагнитной муфтой 11 с имеющим наружную резьбу 12 штоком 13 проходящим через систему подшипников 14 в отверстии защитного кожуха 2. При этом шток 13 связан передаточным механизмом 15 с валом 16, запрессованным в ротор 17 электродвигателя 18, благодаря чему осуществляется вращательно-поступательное движение.
Для поддержания атмосферного давления внутри пространства между сильфонной конструкцией 3 и защитным кожухом 2 подводится подающий трубопровод кислорода 19, оснащенный фильтром грубой очистки газа 20, нагнетателем 21, запорным вентилем 22 и обратным клапаном 23. Удаление избытков газа осуществляется с помощью обратного трубопровода кислорода 24 через обратный клапан 25 и откачивающий насос 26.
Внутри емкости сильфонной конструкции 3 в верхней части расположен ультразвуковой измеритель уровня жидкого метана 27, подающий сигнал электродвигателю 18. Там же расположен компенсационный бачок 28, внутренняя полость которого сообщается с верхней областью сильфонной конструкции 3 соединительной трубкой 29. Для струйного заполнения криогенной жидкостью внутреннего объема используется устройство ввода СПГ 30, которое закреплено на конце заправочного трубопровода 31.
Предназначенный для повышения и обеспечения заданного рабочего давления внутри сильфонной конструкции 3 испаритель наддува 32 соединяет нижнюю часть емкости, в которой наполнена жидкая фаза СПГ, с верхней, куда испаряется газообразный метан, специальным трубопроводом дренажа-наддува 33 через запорный вентиль 34 и регулятор давления 35. При этом, трубопровод дренажа-наддува 33 дополнительно подключен к предохранительным клапанам 36 и вентилю аварийного сброса газа 37.
Заправочная горловина 38, с помощью которой производится заполнение топливного бака 1 криогенным топливом, соединена с устройством ввода СПГ 30 заправочным трубопроводом 31, на котором установлен обратный клапан 39 и запорно-регулировочный вентиль 40.
Нижняя область емкости сильфонной конструкции 3 сообщается с ДВС (на фигуре не показан) трубопроводом подачи жидкого топлива 41, верхняя газовая область - трубопроводом подачи газообразного топлива 42 с регулятором давления 43 и обратным клапаном 44. Оба трубопровода соединяются в единую подающую магистраль, на которой установлены запорный вентиль 45, скоростной клапан 46, предназначенный для поддержания необходимого расхода, и испаритель-теплообменник 47, нагревающий топливо, направляющееся к топливной рампе подачи СПГ 48.
Устройство работает следующим образом.
С помощью заправочной горловины 38 криогенное топливо подается по заправочному трубопроводу 31 в устройство ввода СПГ 30, осуществляющее струйное заполнение емкости сильфонной конструкции 3, позволяющее увеличить поверхность контакта нагнетаемого топлива и пара, что приводит к конденсации последнего, падению избыточного давления и реализации бездренажной заправки. В этот момент запорные вентили 45, 34, 37 закрыты. В ходе достижения степени заполнения емкости сильфонной конструкции 3 до 90% срабатывает датчик ультразвуковой измеритель жидкого метана 27, который подает сигнал на пневмопривод запорно-регулировочного вентиля 40, и тот перекрывает подачу. Компенсационный бачок 28 в данном случае выполняет функцию системы безопасности: при возможном температурном расширении жидкой фазы топлива, оно будет направляться через соединительную трубку 29 во внутреннюю емкость бачка.
Система поддержания требуемого рабочего давления действует следующим образом. В том случае, когда внутри емкости сильфонной конструкции 3 образуется пониженное давление после заправки топливного бака 1, срабатывает регулятор давления 35, после чего СПГ под действием давления столба жидкости направляется в трубопровод дренажа-наддува 33 к испарителю наддува 32, который преобразует его в газ и направляет в верхнюю область емкости, что приводит к повышению избыточного давления газообразного метана. Если в емкости сильфонной конструкции 3 в ходе испарения СПГ возникает избыточное давление, превышающее верхнюю границу рабочего давления, то тогда открывается регулятор давления 43, находящийся на трубопроводе подачи газообразного топлива 42, что приводит к поступлению газа из верхней части емкости через испаритель-теплообменник 47 к топливной рампе подачи СПГ 48 в ДВС (на фигуре не показан) и, как следствие, снижению избыточного давления.
В обоих случаях регулирования давления в топливном баке 1, происходящих параллельно с питанием ДВС (на фигуре не показан), с целью недопущения снижения уровня топлива (уменьшения степени заполнения ниже 75%) ультразвуковой измеритель уровня жидкого метана 27, излучая ультразвуковую вону, отражающуюся от поверхности раздела «газ-жидкость», подает сигнал на электродвигатель 18, приводящий в движение вал 16, который сообщается со штоком 13 передаточным механизмом 15, в результате чего шток 13 совершает вращательно-поступательное движение. Фиксация штока 13 осуществляется наружной резьбой 12, благодаря чему мотор электродвигателя не выполняет дополнительную работу по удержанию поршня 10 в статичном состоянии. Расположенное на конце штока зацепление с электромагнитной муфтой 11 передает вращательно-поступательное движение штока 13 поршню 10, давящему на бортик подвижной внешней стенки компенсатора 7. Возникающее осевое сжатие гибкой мембраны 9 приводит к уменьшению внутреннего объема емкости.
При осуществлении деформации емкости сильфонной конструкции 3 обеспечение жесткой связи внутреннего и внешнего металлического слоев производится конусными тепловыми мостами 5, соединяющими концевые участки гофр, бортики сильфона внутренней стенки компенсатора 6 из аустенитной никелированной стали с внешней стенкой компенсатора 7 из нержавеющей стали. С целью снижения теплопоступлений к криогенному продукту в межстенном пространстве установлен слой экранно-вакуумной тепловой изоляции 8, ограниченный в полости витков тепловыми мостами.
Проблема возникновения высоких динамических нагрузок при транспортировке топливного бака 1, оказывающих разрушительное воздействие на шток 13, проходящий через отверстие с системой подшипников 14 в защитном кожухе 2, связанных со знакопеременными ускорениями и виброперегрузками во время движения решается жестким закреплением электродвигателя 18 к защитному кожуху 2, соединенного с арматурным отсеком (на фигуре не показан) неподвижной опорой 4.
После заправки топливного бака 1 и начала работы ДВС (на фигуре не показан) в процессе деформации емкости сильфонной конструкции 3 поршнем 10 для предотвращения образования глубокого вакуума в полости между защитным кожухом 2 и емкостью сильфонной конструкции 3, сдавливающее воздействие которого может привести к деформации топливного бака 1 с нарушением герметичности стенок, предусмотрена подача кислорода нагнетателем 21 по трубопроводу кислорода 19, через фильтр очистки газа 20, запорный вентиль 22 и обратный клапан 23, предотвращающий движение газа в обратном направлении. После максимального сжатия гибкой мембраны 9, в случае, когда необходимо произвести заправку системы сжиженным газом, ротор 17 электродвигателя 18 приводит в движение сильфон, удлиняющийся вдоль продольной оси. При этом избытки газа удаляются по обратному трубопроводу кислорода 24 с помощью откачивающего насоса 26 через обратный клапан 25.
Таким образом, разработанная система поддержания необходимого объема жидкого и газообразного природного газа позволяет получить наибольший экономический эффект и повысить энергетическую эффективность системы локального хранения СПГ.