Регистрация / Вход
Прислать материал

14.577.21.0151

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.577.21.0151
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ"
Название доклада
Разработка ресурсосберегающих технологий использования криогенных топлив на основе природного газа и водорода
Докладчик
Тукмаков Алексей Львович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Научно-техническая задача состоит в разработке энерго- и ресурсосберегающих технологий подготовки сжиженного природного газа к транспортировке, хранению и использованию на основе математического и физического моделирования процессов тепломассообмена в элементах газификатора; в создании эскизной конструкторской документации и экспериментального образца газификатора-подогревателя сжиженного природного газа, в формулировке технических требований и предложений по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей индустриального партнера; в разработке проекта ТЗ на ОКР по теме: «Разработка и создание опытно-промышленного образца газификатора-подогревателя криогенной жидкости».Цель работы: создание нового типа газификатора-подогревателя сжиженного природного газа, принцип работы которого основан на газификации жидкости при адиабатическом расширении в соплах, что позволит использовать газификаторы сжиженного природного газа в энергоустановках с нестационарным режимом работы. Другая особенность разрабатываемого газификатора состоит в возможности в процессе работы устройства понижать температуру жидкости в криостате -хранилище топлива.
Актуальность и новизна исследования
Актуальность и новизна исследования состоит в том, что использование предлагаемого устройства позволит расширить инфраструктуру потребления сжиженного природного газа, в том числе, и для локальных потребителей, снизить потери, связанные с транспортировкой и хранением криогенного топлива и увеличить долю его использования на транспорте и в коммунальном хозяйстве.
Описание исследования

Адиабатическое расширение жидкости в дросселирующих устройствах, в каналах переменного сечения и соплах широко используется в технологиях, использующих фазовые переходы жидкость- пар, жидкость- пар- твердая фаза. При расширении жидкости в дросселирующем устройстве, вследствие падения давления до значений, равных или меньших давления насыщения, в потоке происходят фазовые превращения жидкость-пар, жидкость- пар-кристаллическая фаза.  Как правило, в таких процессах фазовые переходы начинаются в области минимального сечения сопла, где давление  падает ниже давления насыщения. Жидкость вскипает, далее происходит инверсия структуры течения и переход к парокапельному потоку, который движется в диффузоре сопла и попадает в инерционный сепаратор, где несущая среда (пар) отделяется от дисперсной фазы (капли, твердые частицы). Процесс определяется формой сопла, перепадом давления на входе-выходе и  температурой жидкости. Варьирование температуры жидкости приводит к изменению ее перегрева относительно линии фазового равновесия и задает интенсивность фазового перехода, скорость парообразования и возможность появления твердой фазы при адиабатическом расширении и охлаждении среды в расширяющейся части сопла. Оптимальные режимы течения и парообразования при адиабатическом расширении жидкостей в соплах с максимальным выходом пара в зависимости от температуры жидкости, перепада давления, формы дросселирующего устройства могут быть найдены путем проведения физических и численных экспериментов. Для описания течения вскипающей жидкости применяется  односкоростная двухтемпературная с двумя давлениями модель двухфазного течения Иорданского-Когарко-Вингардена. Система включает в себя уравнения движения несущей среды в эйлеровых координатах и уравнения, описывающие динамику паровых пузырьков в лагранжевых координатах. Для описания движения несущей фазы применяется система уравнений Навье-Стокса с реалистичным уравнением состояния, в которой учитывается обмен массой, импульсом и энергией между жидкостью и ее паром. Система уравнений включает в себя уравнение неразрывности, уравнения сохранения  составляющих импульса и уравнение сохранения полной энергии несущей фазы. Правая часть системы содержит слагаемые, учитывающие межфазный обмен массой, импульсом и энергией. В качестве уравнения неразрывности берется уравнение для средней плотности несущей фазы. Динамика дисперсной фазы описывается системой уравнений, которая решается на лагранжевой стадии метода. В систему входит уравнение Рэлея- Ламба для радиуса пузырька и уравнения для давления  и температуры пара. Система уравнений записывается в обобщенных криволинейных координатах и решается неявным конечно-разностным методом Стегера-Уорминга с факторизацией пространственного оператора и пригодна для описания различных структурных форм многофазного потока.  Такие течения могут  сопровождаться как  охлаждением жидкости при ее расширении и испарении, так  и нагревом в зоне конденсации. При описании динамики парогазокапельного течения на основе неравновесной модели учитывающей кинетику испарения-конденсации предполагается, что среда сжимаемая, вязкая и теплопроводная, скоростное скольжение фаз отсутствует. При этих допущениях  применима односкоростная модель двухфазной среды, включающая в себя уравнения неразрывности для пара, средней плотности капель и смеси в целом, уравнения сохранения составляющих импульса и полной энергии, а также уравнения кинетики фазовых переходов. Наряду с неравновесной моделью течения парогазокапельных смесей в каналах переменного сечения, используется равновесная модель, основанная на предположении о том, что при отклонении системы от равновесия, происходит испарение жидкости или конденсация пара, при которых давление смеси мгновенно возвращается на кривую равновесия. Из этого условия определяется равновесная плотность и температура смеси. Динамика дисперсных смесей в нелинейных волновых полях исследуется на основе численного решения системы уравнений полидисперсной многоскоростной и многотемпературной газовзвеси со скоростным и температурным скольжением фаз. Системы уравнений записываются в обобщенных криволинейных координатах и решаются явным методом Мак-Кормака с расщеплением по пространственным направлениям и со схемой нелинейной коррекции. Экспериментальные исследования гидродинамики потоков и условий теплоотдачи рабочих тел в каналах с интенсификаторами теплообмена проводились с использованием научного оборудования кафедры ТиЭМ КНИТУ-КАИ, а также УНУ «Научно-метрологический центр КАИ».

Результаты исследования

При работе над проектом была разработана математическая модель и выполнено математическое моделирование динамики полидисперсных газовзвесей на основе многоскоростной многотемпературной модели в двумерной постановке, описаны результаты моделирования течения коагулирующих полидисперсных газовзвесей в каналах при волновом воздействии на поток.

Для описания течения парогазокапельной смеси в диффузоре сопла-парогенератора была разработана математическая модель и выполнено математическое моделирование течения парогазокапельной смеси на основе односкоростной однотемпературной модели в диффузионном приближении в двумерной постановке в соплах Лаваля при различных расходах, температурах, перепадах давления и массовых концентрациях компонентов (пар, газ, мелкие капли жидкости).

Для описания начальной стадии работы сопла в различных режимах была разработана  математическая модель и выполнено математическое моделирование динамики вскипающей жидкости в каналах переменного сечения на основе односкоростной двухтемпературной модели пузырьковой жидкости с двумя давлениями.

 Численно исследовалось течение двухфазной среды при разрушении струи жидкости в окрестности минимального сечения с переходом к парогазокапельному потоку в диффузорной части сопла с учетом кинетики фазовых переходов.

Экспериментально  исследовались условия теплоотдачи при кипении рабочих тел в каналах с шероховатыми поверхностями.

На основе математической модели парогазокапельной смеси численно моделировались течения в парогенераторах и центробежных сепараторах при различных расходах, температурах, перепадах давления и массовых концентрациях компонентов смеси. 

Практическая значимость исследования
Технологии использования сжиженного природного газа (СПГ) позволяют расширить сеть потребителей природного газа в коммунальном хозяйстве, в промышленности и на транспорте. В настоящее время развитие рынка СПГ сдерживается отсутствием оборудования для создания инфраструктуры, связанной с применением этого вида топлива на этапах получения, логистики, регазификации СПГ и газоснабжения. Предлагаемые в проекте технические решения позволяют создавать газификаторы- подогреватели СПГ, работающие как в стационарных, так и в нестационарных режимах регазификации СПГ и нагрева газа до температуры, требуемой энергоустановкам. Возможность получения шуги в процессе работы устройства может быть использована для увеличения сроков хранения СПГ в криостате-хранилище. Поскольку предлагаемый принцип работы позволяет выполнять регазификацию топлива в нестационарных режимах, устройство может быть использовано для создания автомобиля на сжиженном природном газе.