Устройство для рекуперации единиц холода СПГ, используемого в качестве топлива в транспортных средствах
DEVICE FOR RECOVERY OF COLD UNITS OF LNG USED AS FUEL IN VEHICLES

Настоящее изобретение в целом относится к устройству для рекуперации единиц холода сжиженного природного газа (СПГ), используемого в качестве топлива в транспортных средствах.
Более конкретно, изобретение относится к новой технологии для эффективного и безопасного использования и рекуперации единиц холода, доступных на транспортных средствах, использующих природный газ в качестве топлива, когда природный газ доступен и хранится в виде криогенной жидкости (СПГ) на борту указанных транспортных средств.
Изобретение в основном относится к области авторефрижераторов, в случае, если тягачи, работающие на СПГ, используют для буксировки прицепов-рефрижераторов, даже если применение не ограничивается автомобильным транспортом, но также может быть распространено на воздушные, морские и железнодорожные транспортные средства, работающие на СПГ, когда требуется производство холода для охлаждения и/или кондиционирования воздуха.
В последующем описании термин «теплопередающая текучая среда» означает текучую среду (жидкость или газ) с химико-физическими характеристиками (в частности, с высокой теплоемкостью и теплопроводностью), которые подходят для передачи тепловой энергии при низких температурах, т.е. температурах, типичных для СПГ. Примером газообразной теплопередающей текучей среды, подходящей для целей настоящего изобретения, является гелий, тогда как примером подходящей жидкой теплопередающей текучей среды является гликоль, возможно смешанный с водой или другими жидкостями в подходящих концентрациях.
Кроме того, термин «единицы холода» относится к количеству тепловой энергии, которую СПГ или теплопередающая текучая среда способны отбирать посредством испарения (скрытые единицы холода) и/или посредством нагревания (явные единицы холода). Термин «природный газ» означает бесцветную, неагрессивную и нетоксичную газообразную смесь, состоящую в основном из метана и, возможно, содержащую небольшое количество этана, пропана, азота и других компонентов, а термин «сжиженный природный газ или СПГ» означает природный газ в состоянии криогенной жидкости, который при насыщении и при атмосферном давлении находится при температуре примерно -160°С.
2
2
Кроме того, термин «жидкий диоксид углерода или СО(ж)» означает диоксид углерода в состоянии криогенной жидкости, который при насыщении и давлении около 5 атмосфер находится при температуре примерно -57°С, а термин «жидкий азот или N(ж)" означает азот в состоянии криогенной жидкости, который при насыщении и при атмосферном давлении находится при температуре примерно -196°С.
2
2
2
2
Наконец, термин «стандартная холодильная система» означает любую систему, используемую в настоящее время для производства единиц холода, такую как компрессионные или абсорбционные холодильные машины, которые отличаются друг от друга типом энергии, используемой для создания холода (механическая энергия, если используют цикл сжатия, и тепловая энергия, если используют абсорбционный цикл), и теплообменниками, в которых криогенная жидкость, например N(ж) или СО(ж), отдает единицы холода охлаждаемой среде или вспомогательным теплопередающим текучим средам. В частности, для транспортных средств обычно используют компрессионные холодильные системы (указанные холодильные системы приводятся в действие непосредственно двигателем тягача или дизелем или автономными электрическими двигателями) или теплообменники с N(ж) или СО(ж).
Что касается транспортных средств, работающих на природном газе, хранение указанного природного газа в его форме криогенной жидкости (СПГ) позволяет значительно увеличить автономность по сравнению с хранением в газообразной форме, и использование СПГ становится все более распространенным, особенно для тяжелых автомобилей.
Однако для того, чтобы его можно было использовать в двигателях внутреннего сгорания, СПГ должен быть газифицирован и нагрет, и этот процесс в настоящее время выполняют с помощью испарителей воздуха или промежуточной жидкости, которые поглощают тепло, необходимое для испарения и нагревания указанного СПГ, от воздуха и/или от двигателя автомобиля.
Следовательно, если тягачи, работающие на природном газе, хранящемся в его форме криогенной жидкости (СПГ), используют для авторефрижераторов, было бы эффективно с точки зрения расхода энергии не растрачивать единицы холода, обеспечиваемые СПГ, а использовать их для поглощения части тепловой энергии в прицепах-рефрижераторах, которая в противном случае должна быть поглощена известной системой охлаждения.
Таким образом, целью настоящего изобретения является создание устройства для рекуперации единиц холода СПГ, используемого в качестве топлива в транспортных средствах, которое позволяет использовать единицы холода, обеспечиваемые СПГ, для поддержания требуемых тепловых условий в прицепах-рефрижераторах.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание устройства для рекуперации единиц холода СПГ, используемого в качестве топлива в транспортных средствах, которое позволяет значительно снизить энергозатраты на охлаждение и, следовательно, выбросы в окружающую среду загрязняющих веществ и углекислого газа (который является одним из основных газов, ответственных за парниковый эффект), а также общие затраты на холодильный транспорт.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание устройства для рекуперации единиц холода СПГ, используемого в качестве топлива в транспортных средствах, которое является особенно эффективным, практичным и безопасным.
Эти и другие задачи решают путем создания устройства для рекуперации единиц холода СПГ, используемого в качестве топлива в транспортных средствах, согласно п. 1 прилагаемой формулы изобретения; другие подробные технические характеристики данного устройства по изобретению содержатся в зависимых пунктах формулы изобретения.
Предпочтительно, поскольку природный газ легко воспламеняется, для безопасной рекуперации единиц холода, обеспечиваемых СПГ, и для использования указанных единиц для отвода тепловой энергии от прицепов-рефрижераторов согласно настоящему изобретению используют промежуточный контур с теплопередающей текучей средой, чтобы свести к минимуму риск попадания природного газа в прицеп в случае, хотя и маловероятном, неисправности труб и/или оборудования рекуперационного устройства, которое является целью настоящего изобретения. Теплопередающая текучая среда может представлять собой газообразное или жидкое вещество.
Если используют газообразную теплопередающую текучую среду, такую как, например, гелий, то устройство согласно изобретению включает следующие элементы:
- первый теплообменник, размещенный на тягаче перед змеевиком для газификации СПГ (уже имеется на тягаче), для направления единиц холода от СПГ теплопередающей текучей среде;
- второй теплообменник, размещенный внутри охлаждаемой кабины прицепа или полуприцепа, для передачи единиц холода посредством теплопередающей текучей среды воздуху внутри указанной кабины;
- замкнутый промежуточный контур, в котором циркулирует теплопередающая текучая среда, при этом указанный промежуточный контур включает оборудование для перемещения теплопередающей текучей среды, ряд систем для быстрого и без потерь соединения/отсоединения ветвей промежуточного контура, размещенных на тягаче, и ветвей промежуточного контура, размещенных в прицепе-рефрижераторе или полуприцепе-рефрижераторе, резервуар для хранения теплопередающей текучей среды, способный реинтегрировать и поддерживать рабочее давление в промежуточном контуре, и изолированные ветви, соединяющие различные элементы промежуточного контура.
Устройство для рекуперации в соответствии с вышеуказанным первым воплощением настоящего изобретения также включает измерители давления и температуры, клапаны с автоматическим и ручным управлением, датчики природного газа в промежуточном контуре и/или в охлаждаемой кабине прицепа или полуприцепа транспортного средства и централизованную систему контроля и управления.
В качестве альтернативы, если теплопередающую текучую среду используют в жидком состоянии, то производят незначительное изменение системы, позволяющее предотвратить замерзание жидкой теплопередающей текучей среды при приближении ее температуры к температуре затвердевания в самых холодных точках промежуточного контура.
В частности, если используют жидкую теплопередающую текучую среду, такую как гликоль или его смеси с водой или другими жидкостями, устройство для рекуперации согласно изобретению включает:
- первый теплообменник, размещенный на тягаче перед уже имеющимся на тягаче змеевиком для газификации СПГ, для направления единиц холода от СПГ теплопередающей текучей среде;
- трубопровод, позволяющий СПГ обходить теплообменник между СПГ и теплопередающей текучей средой, когда не требуется рекуперация единиц холода СПГ, или когда температура теплопередающей текучей среды приближается к температуре затвердевания в наиболее холодных точках промежуточного контура;
- второй теплообменник, размещенный внутри охлаждаемой кабины прицепа или полуприцепа, для передачи единиц холода от теплопередающей текучей среды воздуху внутри указанной кабины;
- замкнутый промежуточный контур, в котором циркулирует теплопередающая текучая среда, при этом указанный промежуточный контур включает оборудование для перемещения теплопередающей текучей среды, ряд систем для быстрого и без потерь соединения/отсоединения ветвей промежуточного контура, размещенных на тягаче, и ветвей, размещенных на прицепе-рефрижераторе или полуприцепе, резервуар для хранения, в котором находится теплопередающая текучая среда для ее реинтеграции, насос для реинтеграции в промежуточном контуре указанной теплопередающей текучей среды, содержащейся в резервуаре для хранения, и расширительный бак, используемый для сдерживания теплового расширения теплопередающей текучей среды, чтобы избежать поломки трубопровода промежуточного контура.
Устройство для рекуперации согласно вышеуказанному воплощению изобретения также включает изолированные соединительные трубопроводы, соединяющие различные элементы промежуточного контура, измерители давления и температуры, клапаны с автоматическим и ручным управлением, датчики природного газа, размещенные в промежуточном контуре и/или в охлаждаемой кабине прицепа или полуприцепа транспортного средства, и централизованную систему контроля и управления.
Дополнительные цели и преимущества настоящего изобретения станут более понятными из следующего описания, относящегося к предпочтительным воплощениям устройства для рекуперации единиц холода сжиженного природного газа (СПГ), используемого в качестве топлива в транспортных средствах, в соответствии с настоящим изобретением и из прилагаемых чертежей, где:
- на фиг.1 показана блок-схема устройства для рекуперации единиц холода СПГ согласно первому воплощению настоящего изобретения;
- на фиг.2 представлена блок-схема устройства для рекуперации единиц холода СПГ согласно другому воплощению изобретения по отношению к воплощению, показанному на фиг.1.
В частности, на фиг.1 показано устройство для рекуперации согласно настоящему изобретению, в котором используют газообразную теплопередающую текучую среду, такую как, например, гелий, номер 1 позиции обозначает теплообменник природный газ/теплопередающая текучая среда, расположенный на тягаче 10 транспортного средства после бака 14 для СПГ и перед змеевиком 12 для газификации, соединенным с двигателем 13 тягача 10, номером 2 позиции обозначен теплообменник теплопередающая текучая среда/воздух, размещенный внутри охлаждаемой кабины 11 прицепа или полуприцепа 20 указанного транспортного средства, номером 3 позиции обозначено устройство для перемещения теплопередающей текучей среды по промежуточному контуру 15 (стрелки 19 на фиг.1), номерами 4, 5 позиций обозначены системы быстрого и безотказного соединения/отсоединения для соединения/отсоединения трубопроводов промежуточного контура 15, установленных на тягаче 10, и идущих от них и к ним соединительных трубопроводов промежуточного контура 15, размещенного на прицепе или полуприцепе 20, а номером 6 позиции обозначен резервуар для хранения, содержащий теплопередающую текучую среду, для реинтеграции указанной теплопередающей текучей среды и для поддержания рабочего давления в промежуточном контуре 15.
При работе двигателя 13 тягача 10 количество СПГ, необходимое для питания указанного двигателя 13, отбирают (стрелка 17 на Фиг. 1) из криогенного резервуара 14 и направляют в теплообменник 1, в котором СПГ испаряется и нагревается за счет отнятия необходимого тепла от теплопередающей текучей среды; природный газ (СПГ) (стрелка 18 на фиг.1), выходящий из теплообменника 1, затем направляют в испаритель 12, который обычно используют на тягачах, работающих на СПГ, и в двигатель 13. Испаритель 12 обеспечивает правильную работу транспортного средства, даже когда тягач 10 не соединен с прицепом или полуприцепом 20 или когда не требуется рекуперация единиц холода СПГ и устройство 3 для перемещения теплопередающей текучей среды не работает. Теплопередающая текучая среда при прохождении через теплообменник 1 охлаждается до более низкой температуры, чем температура, которая должна поддерживаться внутри охлаждаемой кабины 11 прицепа или полуприцепа 20, и поэтому может передавать единицы холода в указанную кабину 11 через теплообменник 2. Промежуточный контур 15 оборудован системами 4, 5 для быстрого соединения/отсоединения с автоматическим открыванием/закрыванием, которые допускают как отсоединение в двух точках контура 15 (при необходимости отсоединения тягача 10 от прицепа или полуприцепа 20), так и последующее повторное соединение.
Кроме того, автоматические системы 4, 5 открывания/закрывания позволяют избежать опорожнения промежуточного контура 15 и, следовательно, потери давления при отсоединении.
Поддержание заданного давления в промежуточном контуре 15, а также реинтеграция теплопередающей текучей среды при необходимости обеспечивается также резервуаром 6, в котором хранится теплопередающая текучая среда при более высоком давлении, чем существующее давление в промежуточном контуре 15.
Устройство 3 обеспечивает движение и циркуляцию теплопередающей текучей среды внутри промежуточного контура 15, гарантируя, таким образом, скорость потока, подходящую для использования охлаждения, обеспечиваемого СПГ; указанное устройство 3 деактивируется, когда тягач 10 не подсоединен к прицепу или полуприцепу 20 или когда не требуется рекуперация единиц СПГ.
Наконец, централизованная система управления управляет активацией/деактивацией устройства 3 и интеграцией всего устройства в логику управления и контроля стандартной холодильной системы, что гарантирует поддержание требуемых температурных условий внутри охлаждаемой кабины 11 прицепа или полуприцепа 20 и позволяет использовать стандартную холодильную систему только тогда, когда единиц холода, обеспечиваемых устройством по настоящему изобретению, недостаточно.
В частности, на приложенном фиг.2 показано устройство для рекуперации согласно настоящему изобретению, в котором используют теплопередающую текучую среду, такую как, например, гликоль или его смеси с водой или другими жидкостями, и в котором элементы, также присутствующие на фиг.1, обозначены теми же номерами позиций, номером 1 позиции обозначен теплообменник природный газ/теплопередающая текучая среда, установленный на тягаче 10 перед змеевиком 12 газификации СПГ, уже установленным на указанном тягаче 10, для передачи единиц холода от СПГ теплопередающей текучей среде, номером 2 позиции обозначен теплообменник теплопередающая текучая среда/воздух, который размещен внутри охлаждаемой кабины 11 прицепа или полуприцепа 20 транспортного средства для передачи единиц холода от теплопередающей текучей среды воздуху внутри указанной кабины 11, номером 21 позиции обозначена обходная труба теплообменника 1, позволяющая СПГ обходить теплообменник 1, когда не требуется рекуперация единиц холода СПГ или когда температура теплопередающей текучей среды в самых холодных точках промежуточного контура 15 приближается к температуре затвердевания, номером 3 позиции обозначено устройство для перемещения теплопередающей текучей среды, номерами 4, 5 позиций обозначены системы быстрого и безотказного соединения/отсоединения трубопроводов указанного промежуточного контура 15, размещенного на тягаче 10 транспортного средства и трубопроводов, размещенных на прицепе или полуприцепе 20, номером 6 позиции обозначен резервуар для хранения теплопередающей текучей среды, номером 8 позиции обозначен насос для реинтеграции теплопередающей текучей среды, содержащей в резервуаре 6 для хранения в промежуточном контуре 15, а номером 9 позиции обозначен расширительный бак, используемый для сдерживания теплового расширения теплопередающей текучей среды и предотвращения разрывов трубопроводов промежуточного контура 15.
При работе двигателя 13 тягача 10 и закрытом обходном трубопроводе 21 количество СПГ, необходимое для питания двигателя 13, отбирают из криогенного резервуара 14 и направляют в теплообменник 1, в котором СПГ испаряется и нагревается за счет отбора необходимого тепла от теплопередающей текучей среды. Затем природный газ, выходящий из теплообменника 1, направляют в испаритель 12, обычно используемый на тягачах 10, работающих на СПГ, и в двигатель 13. Указанный испаритель 12 обеспечивает правильную работу транспортного средства даже при открытом обходном трубопроводе.
Обходной трубопровод 21 теплообменника 1 может открываться в различных ситуациях, в частности, когда тягач 10 не сцеплен с прицепом или полуприцепом 20, или когда при сниженной потребности в единицах холода охлаждаемой кабины 11 прицепа или полуприцепа 20 происходит падение температуры внутри кабины 11 ниже порогового значения, или когда температура теплопередающей текучей среды на выходе из теплообменника 1 снижается до выбранного порогового значения (которое зависит от используемой теплопередающей текучей среды), во избежание замерзания указанной теплопередающей текучей среды.
Когда обходной трубопровод 21 открыт, деактивируется устройство 3 перемещения теплопередающей текучей среды, а СПГ направляется в змеевик 12 для повторной газификации и нагрева тягача 10 и далее в двигатель 13 по тому же обходному трубопроводу 21.
С другой стороны, когда обходной трубопровод 21 закрыт, СПГ проходит через теплообменник 1 для передачи единиц холода к теплопередающей текучей среде, которая охлаждается до более низкой температуры, чем температура, которая должна поддерживаться внутри охлаждаемой кабины 11 прицепа или полуприцепа 20 и, таким образом, единицы холода могут передаваться в указанную кабину 11 через теплообменник 2. Промежуточный контур 15 оснащен системами быстрого соединения/отсоединения с автоматическим открытием/закрытием, которые позволяют осуществлять как отсоединение в двух точках контура 15 при необходимости отсоединения тягача 10 от прицепа или полуприцепа 20, так и последующее повторное соединение.
Системы автоматического открытия/закрытия 4, 5 также позволяют избежать потери теплопередающей текучей среды при отсоединении. Поддержание заданного давления в промежуточном контуре 15, а также реинтеграция теплопередающей текучей среды при необходимости обеспечивается насосом 8, забирающим реинтегрируемую жидкость из бака 6.
Устройство 3 обеспечивает движение и циркуляцию теплопередающей текучей среды внутри промежуточного контура 15, гарантируя, таким образом, скорость потока, подходящую для использования единиц холода, обеспечиваемых СПГ.
Наконец, централизованная система управления управляет активацией/деактивацией элементов и, в частности, открытием/закрытием клапанов на обходном трубопроводе 21 и активацией/деактивацией устройства 3 для перемещения теплопередающей текучей среды, а также интегрирует все устройство в логику управления и контроля стандартной холодильной системы транспортного средства, гарантируя поддержание требуемых температурных условий внутри охлаждаемой кабины 11 прицепа или полуприцепа 20 и ограничивая использование стандартной холодильной системы только тогда, когда единиц холода, обеспечиваемых устройством согласно настоящему изобретению, недостаточно.
Вкратце, изобретение позволяет использовать единицы холода СПГ, которые в противном случае рассеивались бы в окружающую среду, когда СПГ используют в качестве топлива в транспортных средствах с холодильными установками, тем самым обеспечивается соответствующая экономия топлива и соответствующее снижение выбросов в атмосферу загрязняющих веществ и углекислого газа.
В численном выражении следующее воплощение позволяет полностью понять преимущества настоящего изобретения.
2
2
Фактически, в случае полуприцепа для рефрижераторных перевозок при -20°С с охлаждаемой кабиной длиной 12 м, высотой и шириной 2,5 м (что эквивалентно теплообменной поверхности 132,5 м) и предполагая, что коэффициент теплопередачи указанной кабины равен 0,4 Вт/мК (максимальное значение, указанное стандартом АТР (Accord Transport Perissable) для усиленного изотермического транспортного средства, пригодного для перевозки при температуре 20°С) и с учетом внешней температуры, составляющей 30°С, необходимая холодопроизводительность для поддержания температуры -20°С внутри полуприцепа равна 2,65 кВт.
В следующей таблице показаны при разных скоростях транспортного средства единицы холода (скрытые и явные), которые делает доступными СПГ, используемый для движения тягача.
В таблице учтены следующие данные:
- скрытая теплота испарения СПГ 510 кДж/кг;
- удельная теплоемкость СПГ равна 1,8 кДж/кгК;
- перепад температур СПГ, равный 100°С;
- пробег на каждый кг СПГ равен 3 км/кг.
Кроме того, «покрытие потребности» означает холодопроизводительность, необходимую для поддержания температуры внутри охлаждаемой кабины на уровне -20°С при внешней температуре 30°С при следующих допущениях:
2
- k стен = 0,4 Вт/мК;
- размеры охлаждаемой кабины: 12 м × 2,5 м × 2,5 м;
- отсутствие повышения температуры за счет отгружаемой продукции.
Таким образом, как показано в вышеприведенной таблице, при отсутствии увеличения тепла за счет отгружаемой продукции, при скорости транспортного средства примерно 40 км/ч, холодильные установки, обеспечиваемые СПГ, позволяют поддерживать заданную температуру (-20°С) внутри охлаждаемой кабины, без помощи стандартной системы охлаждения.
Из вышеприведенного описания ясны особенности устройства для рекуперации единиц холода сжиженного природного газа (СПГ), используемого в качестве топлива в транспортных средствах, которое является целью настоящего изобретения, а также связанные с этим преимущества.
Наконец, ясно, что к настоящему устройству могут быть применены многочисленные другие варианты, не отступая от принципов новизны, заложенных в изобретательской идее, поскольку ясно, что при практической реализации настоящего изобретения материалы, формы и размеры деталей могут быть любыми в соответствии с требованиями, а также могут быть заменены другими аналогами.