Автомобильный топливный бак на сжиженном природном газе (Национальный Исследовательский Университет ИТМО)
|
Есть приложения.
Введение………………………………………………………………………….6
1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ АВТОМОБИЛЬНОГО ТОПЛИВНОГО БАКА И ПРИМЕНЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА………….7
1.1 Сжиженный природный газ как автомобильное топливо…………...……7
1.2 Конструктивные особенности криогенных топливных баков……………9
2 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ АВТОМОБИЛЬНОГО ТОПЛИВНОГО БАКА СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА…11
2.1 Исходные данные для расчета на прочность бака…………… ………….11
2.2 Расчет инерционных усилий…………13
2.3 Расчет сосуда на прочность……14
2.3.1 Расчет обечайки……………14
2.3.2 Расчет днища сосуда……………17
2.4 Расчет элементов опор……… .….17
2.4.1 Минимальная площадь поперечного сечения растяжек……….…..17
2.4.2 Расчет сварных швов……………………………………………...….18
2.4.3 Расчет трубы внутренней……………………………………...……..19
2.5 Расчет кожуха бака на прочность……………………………………… ....20
2.5.1 Расчет обечайки кожуха…………………………………………..….21
2.5.2 Расчет днища кожуха…………………………………………… ..….23
3 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ БАКА ДЛЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА………25
3.1 Исходные данные теплового расчета бака…………………………… ..…25
3.2 Определение теплопритоков к жидкому криоагенту…………….…..…..25
3.2.1 Теплоприток по опорам и растяжкам…………………………… .....25
3.2.2 Теплоприток по трубопроводам…………9
3.2.3 Теплоприток через изоляцию………30
3.2.4 Теплоприток к сосуду бака…………………………………….…….31
3.3 Потери испарения……………31
3.4 Продолжительность бездренажного хранения сжиженного природного газа в баке……3
3.5 Газификатор метана………36
4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ТОПЛИВНОГО БАКА……………....42
4.1 Пневмогидравлическая схема топливного бака…………………….……42
4.2 Расчет адсорбера……………………44
4.3 Расчёт количества поглотителя водорода………………………….….….46
4.4 Расчет предохранительного клапана………………………………… …...48
4.5 Указатели уровня жидкого метана…………………………………… .….51
Заключение………………………………………………………………… …..53
Список использованных источников………54
Приложения……………………………………………………………… …….58
Введение………………………………………………………………………….6
1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ АВТОМОБИЛЬНОГО ТОПЛИВНОГО БАКА И ПРИМЕНЕНИЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА………….7
1.1 Сжиженный природный газ как автомобильное топливо…………...……7
1.2 Конструктивные особенности криогенных топливных баков……………9
2 РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ АВТОМОБИЛЬНОГО ТОПЛИВНОГО БАКА СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА…11
2.1 Исходные данные для расчета на прочность бака…………… ………….11
2.2 Расчет инерционных усилий…………13
2.3 Расчет сосуда на прочность……14
2.3.1 Расчет обечайки……………14
2.3.2 Расчет днища сосуда……………17
2.4 Расчет элементов опор……… .….17
2.4.1 Минимальная площадь поперечного сечения растяжек……….…..17
2.4.2 Расчет сварных швов……………………………………………...….18
2.4.3 Расчет трубы внутренней……………………………………...……..19
2.5 Расчет кожуха бака на прочность……………………………………… ....20
2.5.1 Расчет обечайки кожуха…………………………………………..….21
2.5.2 Расчет днища кожуха…………………………………………… ..….23
3 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ БАКА ДЛЯ СЖИЖЕННОГО ПРИРОДНОГО ГАЗА………25
3.1 Исходные данные теплового расчета бака…………………………… ..…25
3.2 Определение теплопритоков к жидкому криоагенту…………….…..…..25
3.2.1 Теплоприток по опорам и растяжкам…………………………… .....25
3.2.2 Теплоприток по трубопроводам…………9
3.2.3 Теплоприток через изоляцию………30
3.2.4 Теплоприток к сосуду бака…………………………………….…….31
3.3 Потери испарения……………31
3.4 Продолжительность бездренажного хранения сжиженного природного газа в баке……3
3.5 Газификатор метана………36
4 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ТОПЛИВНОГО БАКА……………....42
4.1 Пневмогидравлическая схема топливного бака…………………….……42
4.2 Расчет адсорбера……………………44
4.3 Расчёт количества поглотителя водорода………………………….….….46
4.4 Расчет предохранительного клапана………………………………… …...48
4.5 Указатели уровня жидкого метана…………………………………… .….51
Заключение………………………………………………………………… …..53
Список использованных источников………54
Приложения……………………………………………………………… …….58
Перспективы и эффективность применения сжиженного природного газа (СПГ) как моторного топлива подтверждается современными исследованиями, но с практической стороны данная тенденция затрудняется недостаточной инфраструктурой и конструктивными особенностями криогенных баков. Специфичность данных систем, заключающаяся в комплексном влиянии условий (Р,Т) криогенных технологий и физико-химических свойств топлива, обуславливает необходимость в повышенной безопасности при эксплуатации и особые требования к проектированию и конструированию. Поэтому актуальным остается выбор конструктивных решений, позволяющих достичь эффективного и безопасного применения СПГ в автомобильном баке.
Цель работы – проектирование автомобильного топливного бака для СПГ.
Для достижения цели были определены следующие задачи:
- провести анализ применения СПГ как моторного топлива и конструкций автомобильных баков СПГ;
- провести прочностные, тепловые и технологические расчеты автомобильного бака СПГ;
- подобрать основное и вспомогательное оборудование для топливного бака.
Научная новизна работы представлена уточнением технологических задач при выборе конструктивных решений автомобильного бака СПГ.
Теоретическая значимость выражается в создании предпосылок для повышения эффективности при внедрении автомобильных баков СПГ в эксплуатацию за счет прогнозирования условий безопасной и надежной работы, оптимальных инженерных решений и соответствующего оборудования.
Практическая значимость результатов работы заключается в перспективе их применения на производствах, занимающихся конструированием криогенных топливных систем.
В работе применялись теоретические и эмпирические методы исследования.
Цель работы – проектирование автомобильного топливного бака для СПГ.
Для достижения цели были определены следующие задачи:
- провести анализ применения СПГ как моторного топлива и конструкций автомобильных баков СПГ;
- провести прочностные, тепловые и технологические расчеты автомобильного бака СПГ;
- подобрать основное и вспомогательное оборудование для топливного бака.
Научная новизна работы представлена уточнением технологических задач при выборе конструктивных решений автомобильного бака СПГ.
Теоретическая значимость выражается в создании предпосылок для повышения эффективности при внедрении автомобильных баков СПГ в эксплуатацию за счет прогнозирования условий безопасной и надежной работы, оптимальных инженерных решений и соответствующего оборудования.
Практическая значимость результатов работы заключается в перспективе их применения на производствах, занимающихся конструированием криогенных топливных систем.
В работе применялись теоретические и эмпирические методы исследования.
1. ГОСТ Р 52857.1–2007 Сосуды и аппараты, Нормы и методы расчета на прочность. Общие требования.
2. ГОСТ Р 52857.2–2007 Сосуды и аппараты, Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек.
3. ГОСТ 6533–78 Днища эллиптические отбортованные стальные для сосудов, аппаратов и котлов.
4. ГОСТ Р 56218-2014 Автомобильные транспортные средства, работающие на сжиженном природном газе. Криогенные системы питания.
5. ГОСТ 3826-82 Сетка тканная с квадратными ячейками.
6. ГОСТ 12.2.085-2002 Сосуды, работающие под давлением. Клапаны предохранительные. Требования безопасности.
7. ГОСТ 12532-88 Клапаны предохранительные прямого действия.
8. ТУ 6-16-2352-2015 Активированный уголь СКТ-4.
9. Акулов Л.А. и др. Теплофизические свойства и фазовое равновесие криопродуктов. Справ. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. – 567 с.
10. Буйлова, М. В. Перспективы применения сжиженного природного газа в качестве топлива грузовых автомобилей / М. В. Буйлова, Р. А. Вилаев // Информационные технологии и инновации на транспорте: Материалы 5-ой Международной научно-практической конференции, Орёл, 22–23 мая 2019 года / Под общей редакцией А.Н. Новикова. – Орёл: Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева, 2020. – С. 309-315.
11. Вдовичев, А. А. Численное моделирование процессов тепломассообмена сжиженного природного газа в гофрированном криобаке / А. А. Вдовичев // Международный научно-исследовательский журнал. – 2020. – № 6-1(96). – С. 6-12. – DOI 10.23670/IRJ.2020.96.6.001.
12. Данилова Г.Н. и др. Сборник задач по процессам теплообмена в пищевой и холодильной промышленности. – М.: Пищевая промышленность, 1976. – 240 с.
13. Дрючин, Д. А. Оценка влияния технологических параметров и эксплуатационных факторов на эффективность применения компримированного природного газа на автомобильном транспорте / Д. А. Дрючин, А. С. Тищенко // Интеллект. Инновации. Инвестиции. – 2017. – № 11. – С. 16-19.
14. Ерохов, В. И. Эффективность применения сжиженного природного газа в качестве моторного топлива / В. И. Ерохов // Организация и безопасность дорожного движения: Материалы IX всероссийской научно-практической конференции (с международным участием), посвящённой памяти профессора, доктора технических наук Резника Л.Г., Тюмень, 16 марта 2016 года. – Тюмень: Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2016. – С. 392-400.
15. Каганер М.Г. Тепломассообмен в низкотемпературных теплоизоляционных конструкциях. – М.: Энергия, 1979. – 256 с.
16. Ким И.П., Калина А.А. Неразъемные соединения и соединения с натягом. Белорусский национальный технический университет. – Минск, 2010. http://rep.bntu.by/bits
17. Лиховидов, Д. В. Применение криогенных технологий для топливных систем, работающих на сжиженном природном газе / Д. В. Лиховидов, Н. С. Калинин, В. А. Свиридов // Наука и военная безопасность. – 2021. – № 3(26). – С. 69-72.
18. Макарова В.И. и др. Закономерности процесса газовыделения из металлов при комнатных температурах. // Вопросы атомной науки и техники. Вып. 4(14), 1980. – С. 72–76.
19. Мешалкин, Д. С. Применение сжиженного природного газа в качестве моторного топлива / Д. С. Мешалкин, М. М. Ларченко, В. С. Яблокова // Научный форум: Инновационная наука: сборник статей по материалам VI международной научно-практической конференции, Москва, 28 августа – 04 2017 года. – Москва: Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр науки и образования", 2017. – С. 30-34.
20. Мовчан Е. П. Анализ конструкций криогенных топливных баков для транспортных средств и пути решения проблем внедрения СПГ в качестве моторного топлива // Вестник МАХ. 2004. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-konstruktsiy-kriogennyh-toplivnyh-bakov-dlya-transportnyh-sredstv-i-puti-resheniya-problem-vnedreniya-spg-v-kachestve-motornogo (дата обращения: 23.01.2022).
21. Патент № 2737831 C1 Российская Федерация, МПК F02M 21/02, B60K 15/07, F17C 13/00. Бак криогенный топливный транспортного средства, работающего на сжиженном природном газе: № 2019131083: заявл. 02.10.2019: опубл. 03.12.2020 / В. Г. Быков; заявитель Общество с ограниченной ответственностью "Югорский машиностроительный завод".
22. Патент на полезную модель № 170383 U1 Российская Федерация, МПК F02M 21/02, F17C 13/00, B60K 15/03. Бак криогенный топливный транспортного средства, работающего на сжиженном природном газе: № 2016118509: заявл. 12.05.2016 : опубл. 24.04.2017 / О. М. Попов, С. А. Смирнов, Ю. В. Колгушкин, М. В. Алексеев; заявитель Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "ГЕЛИЙМАШ" (ОАО "НПО "ГЕЛИЙМАШ").
23. Патент СССР 1104104 Вакуумный химический поглотитель водорода и способ получения его носителя.
24. Попова, М. Е. Тепловая изоляция для систем сжиженного природного газа / М. Е. Попова, Е. Н. Грэдинарь // Поколение будущего: взгляд молодых ученых - 2021: сборник научных статей 10-й Международной молодежной научной конференции, Курск, 11–12 ноября 2021 года. – Курск: Юго-Западный государственный университет, 2021. – С. 240-243.
25. Солнцев Ю.П., Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике: Справочник. − Л.: Машиностроение, 1982. − 312 с.
26. Справочник по физико-техническим основам криогеники / Под ред. М.П. Малкова. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 432 с.
27. Справочник. Вакуумная техника / Под ред. Е.С. Фролова, В.Е. Минайчева. – М.: Машиностроение, 1992. – 480 с.
28. Шак А. Промышленная теплопередача, 1961. – 524 с.
29. http://www.saranskpribor.ru/product-catalog/ (Электронный ресурс).
2. ГОСТ Р 52857.2–2007 Сосуды и аппараты, Нормы и методы расчета на прочность. Расчет цилиндрических и конических обечаек, выпуклых и плоских днищ и крышек.
3. ГОСТ 6533–78 Днища эллиптические отбортованные стальные для сосудов, аппаратов и котлов.
4. ГОСТ Р 56218-2014 Автомобильные транспортные средства, работающие на сжиженном природном газе. Криогенные системы питания.
5. ГОСТ 3826-82 Сетка тканная с квадратными ячейками.
6. ГОСТ 12.2.085-2002 Сосуды, работающие под давлением. Клапаны предохранительные. Требования безопасности.
7. ГОСТ 12532-88 Клапаны предохранительные прямого действия.
8. ТУ 6-16-2352-2015 Активированный уголь СКТ-4.
9. Акулов Л.А. и др. Теплофизические свойства и фазовое равновесие криопродуктов. Справ. – СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. – 567 с.
10. Буйлова, М. В. Перспективы применения сжиженного природного газа в качестве топлива грузовых автомобилей / М. В. Буйлова, Р. А. Вилаев // Информационные технологии и инновации на транспорте: Материалы 5-ой Международной научно-практической конференции, Орёл, 22–23 мая 2019 года / Под общей редакцией А.Н. Новикова. – Орёл: Орловский государственный университет им. И.С. Тургенева, 2020. – С. 309-315.
11. Вдовичев, А. А. Численное моделирование процессов тепломассообмена сжиженного природного газа в гофрированном криобаке / А. А. Вдовичев // Международный научно-исследовательский журнал. – 2020. – № 6-1(96). – С. 6-12. – DOI 10.23670/IRJ.2020.96.6.001.
12. Данилова Г.Н. и др. Сборник задач по процессам теплообмена в пищевой и холодильной промышленности. – М.: Пищевая промышленность, 1976. – 240 с.
13. Дрючин, Д. А. Оценка влияния технологических параметров и эксплуатационных факторов на эффективность применения компримированного природного газа на автомобильном транспорте / Д. А. Дрючин, А. С. Тищенко // Интеллект. Инновации. Инвестиции. – 2017. – № 11. – С. 16-19.
14. Ерохов, В. И. Эффективность применения сжиженного природного газа в качестве моторного топлива / В. И. Ерохов // Организация и безопасность дорожного движения: Материалы IX всероссийской научно-практической конференции (с международным участием), посвящённой памяти профессора, доктора технических наук Резника Л.Г., Тюмень, 16 марта 2016 года. – Тюмень: Тюменский государственный нефтегазовый университет, 2016. – С. 392-400.
15. Каганер М.Г. Тепломассообмен в низкотемпературных теплоизоляционных конструкциях. – М.: Энергия, 1979. – 256 с.
16. Ким И.П., Калина А.А. Неразъемные соединения и соединения с натягом. Белорусский национальный технический университет. – Минск, 2010. http://rep.bntu.by/bits
17. Лиховидов, Д. В. Применение криогенных технологий для топливных систем, работающих на сжиженном природном газе / Д. В. Лиховидов, Н. С. Калинин, В. А. Свиридов // Наука и военная безопасность. – 2021. – № 3(26). – С. 69-72.
18. Макарова В.И. и др. Закономерности процесса газовыделения из металлов при комнатных температурах. // Вопросы атомной науки и техники. Вып. 4(14), 1980. – С. 72–76.
19. Мешалкин, Д. С. Применение сжиженного природного газа в качестве моторного топлива / Д. С. Мешалкин, М. М. Ларченко, В. С. Яблокова // Научный форум: Инновационная наука: сборник статей по материалам VI международной научно-практической конференции, Москва, 28 августа – 04 2017 года. – Москва: Общество с ограниченной ответственностью "Международный центр науки и образования", 2017. – С. 30-34.
20. Мовчан Е. П. Анализ конструкций криогенных топливных баков для транспортных средств и пути решения проблем внедрения СПГ в качестве моторного топлива // Вестник МАХ. 2004. №1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-konstruktsiy-kriogennyh-toplivnyh-bakov-dlya-transportnyh-sredstv-i-puti-resheniya-problem-vnedreniya-spg-v-kachestve-motornogo (дата обращения: 23.01.2022).
21. Патент № 2737831 C1 Российская Федерация, МПК F02M 21/02, B60K 15/07, F17C 13/00. Бак криогенный топливный транспортного средства, работающего на сжиженном природном газе: № 2019131083: заявл. 02.10.2019: опубл. 03.12.2020 / В. Г. Быков; заявитель Общество с ограниченной ответственностью "Югорский машиностроительный завод".
22. Патент на полезную модель № 170383 U1 Российская Федерация, МПК F02M 21/02, F17C 13/00, B60K 15/03. Бак криогенный топливный транспортного средства, работающего на сжиженном природном газе: № 2016118509: заявл. 12.05.2016 : опубл. 24.04.2017 / О. М. Попов, С. А. Смирнов, Ю. В. Колгушкин, М. В. Алексеев; заявитель Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "ГЕЛИЙМАШ" (ОАО "НПО "ГЕЛИЙМАШ").
23. Патент СССР 1104104 Вакуумный химический поглотитель водорода и способ получения его носителя.
24. Попова, М. Е. Тепловая изоляция для систем сжиженного природного газа / М. Е. Попова, Е. Н. Грэдинарь // Поколение будущего: взгляд молодых ученых - 2021: сборник научных статей 10-й Международной молодежной научной конференции, Курск, 11–12 ноября 2021 года. – Курск: Юго-Западный государственный университет, 2021. – С. 240-243.
25. Солнцев Ю.П., Степанов Г.А. Материалы в криогенной технике: Справочник. − Л.: Машиностроение, 1982. − 312 с.
26. Справочник по физико-техническим основам криогеники / Под ред. М.П. Малкова. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 432 с.
27. Справочник. Вакуумная техника / Под ред. Е.С. Фролова, В.Е. Минайчева. – М.: Машиностроение, 1992. – 480 с.
28. Шак А. Промышленная теплопередача, 1961. – 524 с.
29. http://www.saranskpribor.ru/product-catalog/ (Электронный ресурс).