Рис. 4 - Гидродинамическое поле с отображением линейных интегралов скоростей в верхней части емкости
Уравнение, характеризующее движение криопродукта внутри горизонтального цилиндра:
(7)
где a - коэффициент теплоотдачи стенки сосуда, - внешний диаметр цилиндра, - коэффициент теплопроводности при температуре - температура стенки, - среднемассовая температура, - коэффициент объемного расширения при - коэффициент динамической вязкости при .
Уравнение соотношения перепада температуры, времени хранения и толщины слоя температурного расслоения:
(8)
где - температура поверхности раздела, - температура неперемешанной жидкости, - плотность теплового потока в боковой стенке, - высота жидкости, R - радиус сосуда, м; Pr - число Прандтля; - толщина слоя температурного расслоения, м; t - время хранения, с.
Полученные данные математического моделирования показали, что применяемые допущения теоретического анализа вносят значительные корректировки по отношению к результатам, выявленным при выполнении численного исследования процесса изохорного нагрева бинарной системы «жидкость-пар». Такие упрощения как постоянство среднемассовой температуры , описание температурного расслоения профилем ш, не зависящем от времени и радиального расстояния, могут быть применимы в ходе аналитического исследования на небольших временных отрезках (малых изменениях давления ), поскольку процесс изменения температур СПГ в реальном криобаке имеет длительный характер и при программном расчете требует большого числа итераций. Однако допущение отсутствия тепло- и массообмена на границе раздела фаз вносит значительную погрешность при осуществлении расчетов, описании процессов на границе раздела фаз и выявлении динамики роста избыточного давления в баке.
бездренажный изотермический гофрированный компенсатор
Заключение
Результаты численного моделирования термодинамических процессов криопродукта в гофрированном сосуде перспективной модели топливного бака на базе программного комплекса Star-CCM+ показали, что развитие пограничного слоя начинается не в нижней точке криососуда и зависит от геометрии бака, температурного градиента, плотности теплового потока, его равномерности и др.
Зона однородной температуры (неперемешанная жидкость) при условии рассмотрения однокомпонентного топлива (объемная доля в СПГ составляет единицу) и отсутствия фракционной стратификации при наличии «старой» и «новой» жидкой фазы остается стабильной на длительном промежутке времени без потери гидродинамической устойчивости.
Время наступления критического избыточного давления в баке на практике оказывается меше, чем при исследовании аналитической модели, вследствие существования неучитываемых при инженерном расчете теплофизических и гидродинамических факторов, таких как формирование слоя температурного расслоения, граничащего с газообразной средой слоем прогретой жидкости, что исключает процесс конденсации пара и, как следствие, усиливает скорость повышения рабочего давления.
Наличие гофрированных участков сосуда не оказывает значительного воздействия на формирование температурных и гидродинамических полей в общем объеме исследуемого внутреннего пространство.
Список литературы
1. Мовчан Е. П. Создание эффективных автомобильных криобаков для СПГ / Е. П. Мовчан // Технические газы. - 2009. - №3. - С. 68-72.
2. Бармин И. В. Сжиженный природный газ вчера, сегодня, завтра / И. В. Бармин, И. Д. Кунис. - М.: Изда-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. - 256 с.
3. Каганер М. Г. Тепловая изоляция с использованием вакуума / М. Г. Каганер. - М.: ВНИИКИМАШ, 1963. - 45 с.
4. Пат. 118717 Российская Федерация, МПК F17C 9/00. Бак криогенный топливный транспортного средства, работающего на сжиженном природном газе / Колгушкин Ю. В.; заявитель и патентообладатель ОАО «НПО «ГЕЛИЙМАШ». - № 2012110491/06; заявл. 20.03.2012; опубл. 27.07.2012, Бюл. № 21. - 11 с.
5. Архаров А. М. Криогенные системы: Учебник для студентов вузов по специальностям «Техника и физика низких температур» и «Холодильная, криогенная техника и кондиционирование»: В 2 т. Т.2. Основы проектирования аппаратов, установок и систем / А. М. Архаров, И. А. Архаров, В. П. Беляков и др.; под ред. А. М. Архарова, А. И. Смородина. - М.: Машиностроение, 1999. - 720 с.
6. Сорокин А. П. Сжиженный метан за рубежом / А. П. Сорокин, Л.М. Черняк. - М.: «НЕДРА», 1965. - 135 с.
7. Кларк Д. Криогенная теплопередача. - В кн.: Успехи теплопередачи: Пер. с англ. / Д. Кларк. - М.: Мир, 1971. - С. 361-567.
8. Беляков В.П. Криогенная техника и технология / В.П. Беляков. - М.: Энергоиздат, 1982. - 272 с.
9. Уляшева В. М. Численное моделирование распределения воздуха веерными диффузорами в офисных помещениях / В. М. Уляшева, А. А. Вдовичев // Материалы XVI Международной научной конференции «Качество внутреннего воздуха и окружающей среды». - 2018. - №1. - С. 154-159.
10. Солдатов Е. С. Численное исследование нестационарного тепломассообмена в криогенном резервуаре долговременного хранения с подвижной границей раздела фаз / Е.С. Солдатов // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. - 2019. - Т. 5. - №2. - С. 148-159.
11. Кузьминов А. В. Метод расчета турбулентных течений несжимаемой жидкости на основе двухслойной (k-е)-модели / А. В. Кузьминов, В. Н. Лапин, С. Г. Черный // Вычислительные технологии. - 2001. - Т. 6. - № 5. - С. 73-86.
12. ГОСТ Р 57431-2017. Газ природный сжиженный. Общие характеристики. - Введ. 2018-01-01. - М.: Стандартинформ, 2017. - 16 с.
13. Саровский инженерный центр. Руководство пользователя STAR-CCM+ версии 8.02. Перевод документации CD-adapco. Моделирование кипения с использованием модели Объема Жидкости (VOF) (VOF: Boiling). 2010. - 25 с.
14. Великанова Ю. В. Гидромеханика многофазных сред: учебное пособие / Ю. В. Великанова. - Самара.: Самарский государственный технический университет, 2009. - С. 166.
15. Алешин А. Е. Компьютерное моделирование тепломассопереноса в канале регенеративного теплообменника / А. Е. Алешин, А. В. Циганкова, Т. В. Рябова // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия «Холодильная техника и кондиционирование». - 2015. - № 1. - С. 1-7.
16. ГОСТ Р 56217-2014. Автомобильные транспортные средства, использующие газ в качестве моторного топлива. Общие технические требования к эксплуатации на сжиженном природном газе, техника безопасности и методы испытаний. - Введ. 2015-06-01. - М.: Стандартинформ, 2015. - 20 с.
Аннотация
В статье рассматривается перспективная модель топливного СПГ-бака, позволяющая увеличить время бездренажного хранения за счет обеспечения постоянной степени заполнения изотермического сосуда жидкой фазой топлива. Выполнено технологическое описания способа поддержания неизменяемой объемной доли криогенного топлива в сжиженном состоянии путем использования гофрированной конструкции сосуда по типу сильфонного осевого компенсатора. Осуществлена постановка задачи программного расчета с использованием метода конечных объемов, позволяющего описать распределение физических параметров двухфазной системы «жидкость-газ» с учетом наличия теплопритока к стенкам рассматриваемого гофрированного сосуда. Приведены результаты численного эксперимента бездренажного хранения криожидкости без стравливания продукта в систему питания двигателя внутреннего сгорания, выявлены недостатки аналитического исследования процессов тепломассопереноса и гидродинамики СПГ в криогенной изотермической емкости.
Ключевые слова: сжиженный природный газ, топливный криогенный бак, бездренажное хранение, тепломассообмен, свободно-конвективное движение, моделирование гидродинамического поля бинарной системы.