СИСТЕМА ЛОКАЛЬНОГО ХРАНЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА С РЕГУЛИРОВАНИЕМ ГЕРМЕТИЧНОЙ МЕМБРАНЫ
SYSTEM FOR LOCAL STORAGE OF LIQUEFIED NATURAL GAS WITH TIGHT MEMBRANE CONTROL

Изобретение относится к малолитражным криогенным цистернам (МКЦ) для автотранспорта, работающего на сжиженном природном газе (СПГ). Изобретение позволяет увеличить период бездренажного хранения путем уменьшения эффекта стратификации, ролловера, а также общего уменьшения кинематики жидкости, связанной с движением транспортного средства. Данный патент актуален для применения на автотранспорте, работающем на сжиженном газомоторном топливе.
Известно устройство обеспечения теплового режима криогенной емкости [патент RU 2413661 от 10.03.2011], содержащее криогенную емкость с экранно-вакуумной теплоизоляцией, систему предохранительных и запорно-регулировочных клапанов и гермооболочку, крепление которой к слою теплоизоляции осуществляется с помощью неметаллических бобышек. Устройство не обладает системой поддержания стабильного неподвижного положения криогенного топлива внутри сосуда. Жесткое крепление равномерно распределенных по внутренней поверхности гермооболочки бобышек к слою теплоизоляции не обеспечивает перемещения внутреннего сосуда относительно внешнего кожуха.
Известна емкость для хранения криогенной жидкости [патент RU 2338118 от 10.11.2008]. Устройство представляет собой конструкцию с герметичной внешней оболочкой, внутри которой расположен экран, окружающий внутренний сосуд для хранения криогенного топлива. Внешняя оболочка и экран покрыты слоем экранно-вакуумной теплоизоляции, что позволяет повысить теплозащитные свойства криогенной емкости. Крепление внутреннего сосуда и экрана выполнено продольными цепями с кронштейнами на крайних обечайках цилиндрической части внешней оболочки, обеспечивающими снижение воздействие транспортных нагрузок на сосуд. Сосуд и экран дополнительно установлены на две пары стеклотекстолитовых опор, состоящих из двух частей - верхней, которая установлена на экране и свободно контактирует с поверхностью сосуда, и нижней, жестко закрепленной к внешней оболочке и свободно контактирующей с поверхностью экрана. Данная конструкция позволяет достичь максимально полезного объема сосуда, что осуществляется за счет его усадки и усадки экрана в противоположных направлениях. Такая емкость имеет усложненную схему разделения опор промежуточным экраном, что делает невозможным ее применение в качестве прототипа изобретения.
Известна емкость для хранения и подачи криогенного топлива [патент RU 2270788 от 27.02.2006], состоящее из защитного кожуха, внутреннего сосуда с экранно-вакуумной тепловой изоляцией, закрепленного к кожуху с помощью подвижной и неподвижной опоры; трубопровода подачи топлива от двухпозиционного заборного устройства, трубопровода дренажа-наддува. Данная емкость учитывает температурные расширения внутренней и внешней емкости при заправке сосуда криогенным продуктом. Опоры, на которых внутренний сосуд крепится к защитному кожуху, содержат тонкостенные тела вращения конической формы. При этом подвижная опора в виде цилиндра связана тонкостенным телом вращения, установленным на защитном кожухе, через телескопически входящую в нее втулку. За счет этого обеспечивается перемещение внутреннего сосуда относительно внешнего при знакопеременных ускорениях во время движения транспортного средства.
Недостатком данной емкости является наличие неподвижной опоры, что не позволяет изменять положение внутренней емкости относительно точки закрепления и уменьшает диапазон перемещений конструкции при обеспечении устойчивого равновесия криогенного топлива в жидком состоянии.
Задачей изобретения является обеспечение длительного периода бездренажного хранения криогенного топлива в бортовой емкости, устанавливаемой на автотранспортном средстве, путем регулирования положения криогенной емкости для поддержания стабильного положения сжиженного газа, недопущения повышения избыточного давления и температурного расслоения, что позволит повысить энергетическую эффективность топливной установки, увеличив ее экономические и экологические показатели.
Как известно, одним из значимых факторов, влияющих на время удержания метана в криогенном топливном баке в жидком состоянии, является переход кинетической энергии криогенного топлива в тепло. Кинематика жидкости напрямую связана с динамическим состоянием топливного бака. Резкие движения транспортного средства,
сопровождающиеся знакопеременными ускорениями, приводят к возникновению вибраций, качений сжиженного газа в малолитражной цистерне. Возникают удары криогенного продукта, его трение о внутренние поверхности сосуда, что приводит к повышению интенсивности испарения СПГ и, как следствие, росту избыточного давления. Негативными последствиями перехода кинематической энергии топлива в тепло является повышение степени температурного расслоения (стратификации) в верхнем слое жидкой фазы по сравнению с основной массой, что вызывает резкое увеличение давления в сосуде и может привести к хаотичному конвекционному перемешиванию слоев топлива - явлению ролловера. Таким образом, важным становиться обеспечение стабильного неподвижного положения зеркала сжиженного метана на границе разделения фаз «жидкость-газ», предотвращение процесса кипения СПГ.
Технический результат достигается за счет того, что в криогенный топливный бак для перевозки сжиженного природного газа на автотранспорте, включающего герметичную мембрану, помещенную внутрь промежуточной оболочки, закрепленную к ней четырьмя парами пневматических амортизаторов с каждой с торцов емкости, соединяющихся с внутренней стенкой промежуточной оболочки неподвижными опорами, с герметичной мембраной шарнирными соединениями; слой экранно-вакуумной тепловой изоляции, расположенный в полости между промежуточной оболочкой и наружной защитной оболочкой, соединенный посредством тепловых мостов цилиндрического типа; заправочный трубопровод, содержащий перфорированную трубку с многочисленными отверстиями, гибкую часть в виде металлорукава, обратный клапан, запорно-регулировочный вентиль с пневмоприводом и заправочную горловину; систему компенсации температурного расширения жидкой фазы топлива, состоящую из бака-компенсатора поплавкового типа с соединительной трубкой, соединяющей верхнюю часть компенсатора и пространство герметичной мембраны, сливной трубки с обратным клапаном; системы поддержания стабильного неподвижного положения зеркала СПГ, включающую блок управления, соединенный системой связи с датчиком положения емкости, соединенный системой связи с компрессором, нагнетающим воздух в пневматические амортизаторы по трубопроводам через обратный клапан, распределительный коллектор и автоматические клапаны, соединенный системой связи с датчиком положения жидкой фазы, расположенным внутри бака-компенсатора поплавкового типа.
В случае возникновения боковых качений, вибраций топливного бака, связанных со знакопеременными ускорениями, резкими поворотами, либо торможениями транспортного средства, на котором установлена система локального хранения СПГ, происходит переход кинетической энергии жидкой фазы метана, возрастающей в результате толчков топлива о стенки сосуда, в тепло. В момент отклонения зеркала сжиженного газа срабатывает датчик положения жидкой фазы, передающий сигнал на блок управления, который запускает компрессор, что приводит к регулированию жесткости пневматических амортизаторов, изменяющих положение конструкции герметичной мембраны таким образом, чтобы ее верхняя поверхность была параллельна горизонтальной плоскости. Подтверждение выполненного механического действия, а также отсутствие угловых отклонений внутреннего сосуда СПГ производится с помощью датчика положения емкости. С целью предотвращения критического повышения жесткости амортизаторов регистрируются поступающие в блок управления сигналы с датчиков давления, расположенных внутри каждого пневматического амортизатора.
На фигуре 1 показана принципиальная схема малолитражной криогенной цистерны для транспортировки сжиженного природного газа, продольное сечение; на фигуре 2 - то же, поперечное сечение.
Криогенный бак включает в себя следующие функциональные элементы: 1 - топливный бак; 2 - наружная защитная оболочка; 3 - промежуточная оболочка; 4 - тепловые мосты цилиндрического типа; 5 - слой экранно-вакуумной тепловой изоляции; 6 - пневматические амортизаторы; 7 - неподвижные опоры; 8 - герметичная мембрана; 9 - шарнирные соединения; 10 - датчик давления; 11 - компрессор; 12 - автоматический клапан; 13 - распределительный коллектор; 14 - обратный клапан; 15 - трубопроводом подачи воздуха; 16 - фильтр грубой очистки; 17 - датчик положения емкости; 18 - датчик положения жидкой фазы; 19 - бак-компенсатор поплавкового типа; 20, 21 - цилиндрические стержни; 22, 23 - шарниры; 24 - соединительная трубка; 25 - сливная трубка; 26 - обратный клапан; 27 - перфорированная трубка; 28 - отверстия; 29 - заправочная горловина; 30 - заправочный трубопровод; 31 - запорно-регулировочный вентиль с пневмоприводом; 32 - обратный клапан; 33 - металлорукав; 34 - блок управления; 35, 36, 37, 38 - система связи.
Криогенный топливный бак 1 включает наружную защитную оболочку 2 из нержавеющей стали, которая сообщается с промежуточной оболочкой 3 посредством тепловых мостов цилиндрического типа 4, обеспечивающих жесткую связь двух оболочек. Пространство между защитной оболочкой 2 и промежуточной оболочкой 3 содержит слой экранно-вакуумной тепловой изоляции 5.
Пневматические амортизаторы 6, закрепленные с внутренней стороны промежуточной оболочки 3 неподвижными опорами 7, связаны с герметичной мембраной 8 из аустенитной никелированной стали шарнирными соединениями 9, что делает возможным изменение ее расположения относительно горизонтальной плоскости. Крепление герметичной мембраны 8 осуществляется четырьмя парами пневматических амортизаторов 6, которые расположены под углом к вертикальной оси емкости с двух торцевых сторон в нижней и верхней областях полусферической части. Каждый пневматический амортизатор 6, внутри которого расположен датчик давления 10, связан с компрессором 11 через автоматический клапан 12, регулирующий количество подаваемого воздуха, распределительный коллектор 13 и обратный клапан 14 трубопроводом подачи воздуха 15. Перед компрессором устанавливается фильтр грубой очистки 16 для предотвращения попадания в систему трубопроводов частиц пыли и грязи из атмосферы.
На внешней поверхности герметичной мембраны 8 размещен датчик положения емкости 17. Во внутренней полости герметичной мембраны 8 установлен бак-компенсатор поплавкового типа 9, содержащий внутри себя датчик положения жидкой фазы 18. Крепление бака-компенсатора поплавкового типа 19 выполнено с двух сторон к внутренней поверхности промежуточной оболочки 3 цилиндрическими стержнями 20 и 21 с шарнирами 22 и 23, за счет которых совершаются отклонения бака-компенсатора поплавкового типа 19 относительно вертикали. Внутренняя полость бака-компенсатора поплавкового типа 15 сообщается с пространством герметичной мембраны 8 криогенного топливного бака 1 посредством соединительной трубки 24. В нижней части бака-компенсатора поплавкового типа 19 установлена сливная трубка 25 с обратным клапаном 26, предназначенная для удаления жидкой фазы топлива при снижении уровня заполнения герметичной мембраны 8.
Подача сжиженного газа производится с помощью перфорированной трубки 27 с отверстиями 28, обеспечивающей струйное поступление криогенной жидкости во внутреннюю полость герметичной мембраны 8. Перфорированная трубка 27 соединена с заправочной горловиной 29, посредством которой выполняется заполнение топливного бака 1 сжиженным газом, заправочным трубопроводом 30 через запорно-регулировочный вентиль с пневмоприводом 31 и обратный клапан 32, обеспечивающий однонаправленное движение сжиженного газа. Часть заправочного трубопровода 30, расположенная в пространстве между промежуточной оболочкой 3 и герметичной мембраной 8 выполнена в виде металлорукава 33, тем самым, обеспечивается подвижность емкости СПГ и недопущение упругих деформаций заправочного трубопровода 30.
Датчики давления 10 в пневматических амортизаторах 6 соединены с блоком управления 34 системой связи 35. Кроме того, блок управления 34 также сообщается с компрессором 11, датчиком положения емкости 17 и датчиком положения жидкой фазы 18 системами связи 36, 37 и 38 соответственно.
Топливный криогенный бак работает следующим образом. При осуществлении бездренажной заправки криогенного топливного бака 1 СПГ направляется через заправочную горловину 29 по заправочному трубопроводу 30, содержащему запорно-регулировочный вентиль с пневмоприводом 31, обратный клапан 32 и гибкий участок в виде металлорукава 33, к перфорированной трубке 27, расположенной внутри герметичной мембраны 8. По причине наличия многочисленных отверстий 28 на перфорированной трубке 27 в ходе поступления в емкость криогенного топлива выполняется орошение газообразной фазы СПГ, оставшейся от предыдущего заполнения топливного бака 1, тем самым обеспечивается охлаждение газообразного метана, сопровождающееся понижением избыточного давления, и, как следствие, предотвращается возможное стравливание паров в систему дренажа (на фигуре не показана).
Герметичная мембрана 8, установленная внутри промежуточной оболочки 2, поверх которой расположен слой экранно-вакуумной тепловой изоляции 3 и наружная защитная оболочка 2 выполнена из аустенитной никелированной стали. Экранно-вакуумная тепловая изоляция 5 обеспечивает минимальные теплопоступления внутрь топливного бака 1. При этом с целью недопущения дополнительного теплопритока крепление промежуточной оболочки 3 и наружной защитной оболочки 2 производится тепловыми мостами цилиндрического типа 4.
Заправка топливного бака 1 продолжается до 75% заполнения герметичной мембраны 8 сжиженным газом, после чего запорно-регулировочный вентиль с пневмоприводом 31 перекрывает подачу криогенного топлива. По мере увеличения уровня СПГ происходит всплывание бака-компенсатора поплавкового типа 19 за счет цилиндрических стержней 20 и 21 с шарнирами 22 и 23, соединяющими его с внутренней поверхностью герметичной мембраны 8. Бак-компенсатор поплавкового типа 19 обеспечивает безопасное хранение СПГ: его внутренняя полость содержит газообразное топливо и предназначена для заполнения жидким метаном в случае его температурного расширения через соединительную трубку 24. При уменьшении степени заполнения сжиженного газа избытки топлива удаляются с помощью сливной трубки 25 с обратным клапаном 26.
Система поддержания устойчивого равновесия СПГ работает следующим образом. В случае начинающегося качения топливного бака 1 при переменном движении транспортного средства с целью предотвращения возникновения состояния неустойчивого равновесия как поверхности сжиженного газа, так и основной массы криогенного топлива: возрастания толчков и ударов СПГ о стенки герметичной мембраны 8, срабатывает датчик положения жидкой фазы 18 внутри бака-компенсатора поплавкового типа 19, чувствительный элемент которого (на фигуре не показан) регистрирует положение зеркала сжиженного метана. Датчик положения жидкой фазы 18 направляет сигнал по системе связи 38 к блоку управления 34, который параллельно анализирует поступающую информацию с датчика положения емкости 17 по системе связи 37 об угле отклонения верхней части герметичной мембраны 8 по отношению к плоскости топлива.
Для погашения кинетической энергии жидкости и поддержания горизонтального положения свободной поверхности сжиженного газа, набегающего на боковые стенки сосуда блок управления 34 подает сигнал через систему связи 36 компрессору 11, который производит забор воздуха, нагнетая его в пневматические амортизаторы 6 через обратный клапан 14 распределительный коллектор 13 и автоматические клапаны 12 по трубопроводам подачи воздуха 15, и, тем самым, регулирует их жесткость. Подача воздуха осуществляется только в ту группу пневматических амортизаторов 6, которая должна увеличить свою длину; в других пневматических амортизаторах 6 происходит сжатие стержня путем удаления воздуха по специальным выпускным трубопроводам в атмосферу (на фигуре не показаны). Подтверждение выполненного механического действия регистрируется блоком управления 34 с помощью датчика положения емкости 17, а информация о жесткости пневматических амортизаторов 6 считывается с датчиков давления 10 в каждом пневматическом амортизаторе 6.
Таким образом, разработанная система регулирования положения емкости СПГ дает возможность уменьшить кинематику топлива в жидком состоянии, тем самым увеличить время бездренажного хранения, что позволит повысить энергетическую и экономическую эффективность системы локального хранения сжиженного газа, применяемой на автотранспорте.