Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка ресурсосберегающих технологий использования криогенных топлив на основе природного газа и водорода

Номер контракта: 14.577.21.0151

Руководитель: Тукмаков Алексей Львович

Должность: главный научный сотрудник

Организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ"
Организация докладчика: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
криогенная жидкость, пузырьковая жидкость, инверсия структуры потока, парогазокапельная среда, адиабатической расширение, газовзвесь, инерционная сепарация фаз, численное моделирование, односкоростная двухтемпературная модель пузырьковой жидкости, двухскоростная двухтемпературная модель парогазокапельной среды

Цель проекта:
1)Создание энерго- и ресурсосберегающих технологий подготовки сжиженного водорода и природного газа к транспортировке, хранению и использованию на основе математического и физического моделирования динамики гетерофазных сред с фазовыми переходами. 2) Цель реализуемого проекта состоит в разработке энерго- и ресурсосберегающих технологий подготовки сжиженного водорода и природного газа к транспортировке, хранению и использованию; в разработке экспериментального образца газификатора-подогревателя сжиженного природного газа, а также эскизной конструкторской документации на экспериментальный образец газификатора-подогревателя сжиженного природного газа; в создании экспериментального стенда для исследования процесса подготовки природного газа к использованию и его одоризации и эскизной конструкторской документации на него; в разработке программы и методики экспериментальных исследований модулей экспериментального образца газификатора-подогревателя сжиженного природного газа: парогенератора, сепаратора, теплообменника; в формулировке технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики; в разработке проекта ТЗ на ОКР по теме: «Разработка и создание опытно-промышленного образца газификатора-подогревателя криогенной жидкости».

Основные планируемые результаты проекта:
Сжиженный природный газ (СПГ) является одним из наиболее перспективных энергоносителей. Если задача производства сжиженного природного газа упирается только в создание производственных мощностей по получению СПГ, то технологии газификации СПГ требуют дополнительной проработки. В частности, не решена проблема газификации СПГ в случае, когда текущий расход газа при его потреблении меняется в широком диапазоне. Существующие технологии газификации, основанные на испарении СПГ за счет нагрева от внешних источников, рассчитаны на постоянный расход и обладают временным запаздыванием при быстром изменении расхода. Предлагаемая схема газификации, основанная на использовании внутренней энергии СПГ при адиабатическом расширении жидкости в соплах позволит получить ряд преимуществ, расширяющих область применения криогенных топлив. К таким преимуществам относится высокая производительность испарителя-парогенератора на основе сопла Лаваля; возможность быстро менять расход газа при изменении режима потребления; возможность охлаждения жидкостей ниже температуры тройной точки, что позволяет увеличить устойчивость и уменьшить потери при хранении криогенных топлив. Возможность получения многофазной среды с температурой, лежащей ниже тройной точки для рассматриваемой жидкости позволяет понизить температуру СПГ в емкости-хранилище, добавив туда дисперсную фазу с выхода сопла-испарителя, что снижает потери СПГ при хранении. Разработка акустических технологий очистки газов и совершенствование технологий сепарации в полях массовых сил повысит качество топлива. Можно прогнозировать, что полученные в ходе выполнения ПНИЭР конструкторско- технологические решения и фундаментальные результаты могут быть применены при создании энергетических установок на автомобильном и водном транспорте, для газификации промышленных предприятий и объектов коммунального хозяйства.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом, создаваемым с использованием результатов проекта является газификатор- подогреватель криогенных жидкостей (сжиженный природный газ, жидкий водород), позволяющий работать с переменной производительностью при изменяющемся в широком диапазоне расходе топлива, а также позволяющий в процессе газификации охлаждать криогенную жидкость, находящуюся в хранилище.
В основу разработки положен эффект охлаждения вещества при адиабатическом расширении потока в соплах. Устройство включает в себя термостатированную емкость для криогенной жидкости, откуда жидкость подается в жидкостный теплообменник, а затем в парогенератор- испаритель, в качестве которого используется сопло Лаваля. Температура жидкости на входе, форма сопла и перепад давления на входе-выходе выбираются так, чтобы реализовывался сверхкритический режим течения, при котором в окрестности минимального сечения происходит вскипание жидкости и инверсия структуры потока. В результате в расширяющейся части сопла распространяется поток паро-капельной структуры. Поток подается в инерционный сепаратор, в котором несущая среда (газ) отделяется от дисперсной фракции (капли). Газ направляется в газовый теплообменник, в котором температура газа повышается до температуры, требуемой для работы энергетической установки, а затем- в энергетическую установку. Дисперсная фаза, содержащая капли жидкости, а также твердые частицы (если температура при расширении потока падает ниже тройной точки) направляется в криостат- хранилище, в результате чего температура жидкости в нем снижается. Как следствие, снижается интенсивность испарения и увеличивается время ее хранения.
2.Новизна предлагаемого способа и устройства газификации в целом защищена патентом РФ Система подачи криогенного топлива в энергетическую установку . Патент РФ на изобретение Ru, № 2347934. Дата выдачи 10.06.2009. Авторы В.Г.Тонконог, С.Н. Арсланова - участники проекта. Проект содержит ряд новых, защищенных охранными документами технологических решений, повышающих повысить эффективность работы газификатора- подогревателя. К ним относятся решения по повышению качества сепарации фаз за счет интенсификации процесса коагуляции частиц различных фракций в нелинейных волновых полях, генерируемых в проточных акустических резонаторах, а также конструкция устройства, обеспечивающего коагуляцию частиц различных фракций при распылении крупнодисперсных капель на входе в сепарирующее устройство.
3. Используемые в мировой практике газификаторы криогенных жидкостей, основанные на нагреве газифицируемой жидкости от внешних, в том числе и атмосферных тепловых источниках способны обеспечить стационарное энергопотребление. По этой причине использование их на автомобильном транспорте, где режимы работы принципиально нестационарны, затруднительно. Предлагаемые в проекте решения позволяют разработать конкурентноспособную продукцию.
4. Заявленные результаты достигаются в ходе выполнения запланированных и отраженных в плане-графике проекта экспериментальных, теоретических, конструкторских работ и работ Предприятия- индустриального партнера по изготовлению и испытанию элементов разрабатываемого оборудования.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Можно прогнозировать, что полученные в ходе выполнения ПНИЭР конструкторско- технологические решения и фундаментальные результаты могут быть применены при создании энергетических установок на автомобильном и водном транспорте, могут использоваться для газификации промышленных предприятий и объектов коммунального хозяйства. От внедрения результатов проекта, к которым относятся технология газификации криогенной жидкости на основе использования внутренней энергии при адиабатическом расширении и технология охлаждения криогенной жидкости и получения шуги при адиабатическом расширении можно ожидать снижения потерь при транспортировке и хранении криогенных топлив на основе природного газа и водорода до 20%.

Текущие результаты проекта:
За отчетный период, в соответствии с планом-графиком выполнения обязательств:
-Разработана математическая модель и выполнено математическое моделирование динамики полидисперсных газовзвесей на основе многоскоростной многотемпературной модели в двумерной постановке. Выполнено численное моделирование течения коагулирующих полидисперсных газовзвесей в каналах при волновом воздействии на поток, описаны закономерности процесса.
-Разработаны методики экспериментального определения интегральных и локальных характеристик двухфазного потока (расхода, полей концентрации фаз); составлены критериальные уравнения для определения предельных перегревов и критического расхода, реализуемых в процессах дросселирования криогенных жидкостей через каналы различной геометрии; описаны режимы течения двухфазных сред.
-Проведен анализ способов и устройств подачи криогенных топлив в транспортные установки и системы снабжения углеводородным топливом локальных потребителей; обоснованы технические и технологические решения по созданию газификаторов: конструкция, размеры, режимы работы.
-Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный стенд «Разомкнутый расходный контур».
-Проведена модернизация экспериментального стенда «Разомкнутый расходный контур», состоящая в разработке и изготовлении рабочих участков, позволяющих визуализировать поток.
-Разработаны программы и методики исследовательских испытаний подготовки природного газа к использованию и его одоризации.
-Выполнены исследовательские испытания процесса подготовки природного газа к использованию и его одоризации.