НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 629.7.082.6

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

hocleric@rambler.ru

Введение

Актуальность исследованиЯ поведения сжиженного природного газа (СПГ) в системах хранениЯ горючего на стартовых комплексах обуславливается преимуществами применения пары жидкий кислород - СПГ для ракет-носителей различного класса, поскольку СПГ, как горючее, имеет ряд преимуществ при использовании вместо ракетного керосина [1].

В настоящее время проводятся работы по обоснованию технического облика многоразовой ракетно-космической системы, для которой применение пары компонентов топлива жидкий кислород - СПГ является наиболее перспективной из-за высоких энергетических характеристик, чистоты сгорания топлива, его меньшей стоимости по сравнению с авиационным керосином и жидким водородом [2, 3].

Постановка задачи

При использовании СПГ в системах хранения на стартовом комплексе существует возможность протекания негативного явления, получившего название "ролловер", возникающего при дозаправке емкости хранилища новой дозой СПГ, физические параметры которой отличаются от имеющейся, с возникновением через некоторое время перемешивания новой и имеющейся в хранилище порций СПГ с резким увеличением давления в газовой подушке [4, 5]. Данный рост давления может привести к разрушению хранилища и разливу компонента, а при возникновении искры и к пожару на стартовом комплексе космодрома.

Время наступления процесса перемешивания СПГ с резким увеличением давления после дозаправки хранилища по проведенным оценкам [4, 6] и экспериментальным данным [7] может составлять от нескольких часов до десятков часов.

Определение времени наступления ролловера является важным вопросом безопасности при хранении СПГ на стартовых комплексах. Из-за разных технологических систем хранения, в случае малого времени до протекания явления, необходимо применение специальных средств для исключения последствий ролловера, которые должны предусматриваться при проектировании данной системы.

Методы исследованиЯ

Исследование влияние различных факторов на времЯ наступления  ролловера проводилось на основе анализа результатов, полученных численным моделированием [4, 5] различных условий хранениЯ СПГ и характеристик хранилищ.

Хранилища СПГ подразделяются на горизонтальные цилиндрические, вертикальные цилиндрические и сферические [5]. ДлЯ каждого из этих типов, внешний теплоприток рассчитываетсЯ по разному, поэтому и исследованиЯ должны проводиться отдельно.

В основу моделирования тепломассобменных процессов при ролловере в хранилищах СПГ стартовых комплексов положено уравнение термодинамики необратимых процессов [8]:

,

где   - средняя плотность смеси, и каждого из компонентов соответственно;

 - средняя энтальпия смеси, и каждого из компонентов соответственно;

 - коэффициент теплопроводности;

 - температура;

 - концентрации компонентов;

 - коэффициент взаимодиффузии;

 - термодиффузионное и бародиффузионное отношениЯ;

 и  - давление и времЯ.

Данное уравнение дополнялось уравнениями, описывающими квазистационарную теплопередачу через стенки хранилищ [9] и начальные параметры порций СПГ после пополнения хранилищ. Полученная система уравнений решалась методом конечных разностей, а правомерность полученных  результатов проверялась сравнением с опубликованными экспериментальными данными [7] протекания явления ролловер в вертикальном хранилище с объемом 500 м³ [10] с характеристиками стратифицированных  слоев СПГ, представленными в таблице 1 [7].

Таблица 1.

Характеристика верхнего и нижнего слоев СПГ в экспериментальном хранилище [7]

Время до наступления явления ролловер, определяемое по моменту выравниваниЯ плотностей СПГ в нижнем и верхнем слоях газа, в экспериментальном хранилище объемом 500 м³ составило 62,4 часа после дозаправки хранилища второй дозой [7].

Результаты моделирования изменения средних плотностей и температур слоев СПГ в сравнении с экспериментальными данными [7] представлены на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Сопоставление изменения средних плотностей слоев СПГ от времени по результатам численного расчета и эксперимента [7]

Рис. 2. Сопоставление изменения средних температур слоев СПГ от времени по результатам численного расчета и эксперимента [7]

При численном моделировании явления ролловера время до его наступлениЯ составило 60,7 часа, что отличаетя от экспериментального значениЯ на 2,7 %. Остальные расчетные характеристики по сравнению с экспериментальными данными имеют следующие погрешности:

·       температура верхнего слоя  - 1,1 %;

·       температура нижнего слоя - 0,5 %;

·       плотность верхнего слоя - 0,9 %;

·       плотность нижнего слоя - 0,9 %;

·       разница плотностей слоев - 3 %.

Результаты исследования и их обсуждение

По результатам выполненных расчетов выявлено, что время до наступления явления зависит от состава СПГ, а так же степени заполнения, характеристик изоляции и геометрии хранилища. В качестве варьируемых параметров, влияющих на время возникновения ролловера в хранилищах СПГ,  при проведении расчетного анализа использовались  следующие  величины:

1.           Термическое сопротивление изоляции;

2.           Геометрия хранилища при сохранении постоянного объема (для вертикальных и горизонтальных цилиндрических хранилищ);

3.           Концентрация компонентов слоев (разность концентраций метана между слоями );

4.           Степень заполнения хранилища предыдущей и последующей  дозами СПГ.

  На рис. 3-6 приведены результаты расчетов длЯ горизонтально расположенных цилиндрических хранилищ.

Рис. 3. Влияние изменения характеристики изоляции на время наступления явления ролловера

Рис. 4. Влияние изменения геометрии хранилища на время наступления явления ролловера при постоянном объеме

Рис. 5. Влияние начальной концентрации метана на время наступления явления ролловера в нижнем стратифицированном слое

Рис. 6. Влияние степени заполнения нижнего слоя на время наступления явления ролловера

Данные расчетов для цилиндрических вертикальных и сферических хранилищ имеют схожий характер.

Увеличение времени до наступления ролловера происходит при увеличении термического сопротивления изоляции хранилища, увеличение радиуса хранилища (однако изготовление хранилищ с большим радиусом может вызвать ряд технологических трудностей при изготовлении обечаек, а так же создание дополнительных препятствий при их транспортировке и размещении на космодроме [5]) при постоянном объеме за счет уменьшения его длины, при увеличении разности концентраций метана между слоями, а также при увеличении объема нижнего с учетом одинаковой степени заполнениЯ хранилищ СПГ суммарной дозой. Увеличение времени позволяет применять ряд технических решений для предотвращения ролловера в хранилище СПГ на космодроме: применение барботажа с использованием самого компонента или применение замкнутых насосных систем перекачки компонента из емкости в емкость [5]. Выбор безопасного способа хранениЯ СПГ позволит снизить стоимость системы заправки стартового комплекса.

Список литературы

1.    Исследование вопросов производства и использования СПГ в качестве альтернативного топлива в различных отраслях народного хозяйства: отчет / «Крион» при МЭИ. М., 1994. 125 с.

2.    Кузин А.И., Лозин С.Н., Лехов П.А., Семенов А.И., Мамин В.В. Исследования ГКНПЦ им. М. В. Хруничева по обоснованию многоразовой требуемой размерности ракетно-космической системы // Авиакосмическая техника и технология. 2010. № 1. С. 3-12.

3.    Кузин А.И., Рачук В.С., Коротеев А.С. и др. Обоснование выбора компонентов ракетного топлива для двигательных установок первой ступени многоразовой ракетно-космической системы // Авиакосмическая техника и технология. 2010. № 1. С. 19-55.

4.    Королев Н.С. Математическое моделирование явления ролловер в системах хранения сжиженного природного газа // Актуальные проблемы российской космонавтики: материалы XXXVII академических чтений по космонавтике. М.: Комиссия РАН, 2013. C. 383-384.

5.    Бармин И.В., Кунис И.Д. Сжиженный природный газ вчера, сегодня, завтра / Под ред. А.М. Архарова. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 256 с.

6.    Королев Н.С. Анализ возникновения явления «ролловер» в системах хранения сжиженного природного газа // Актуальные проблемы российской космонавтики: Материалы XXXVI академических чтений по космонавтике. М.: Комиссия РАН, 2012. C. 353-354.

7.    The European fuels conference 11^th annual meeting // HYDROCARBON WORLD. Paris, France: World Refining Association, 2010. Vol. 4, iss. 2. C. 35-38.

8.    Королев Н.С. К построению математической модели явления ролловер в хранилище СПГ // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2012. № 3. Режим доступа:http://technomag.edu.ru/doc/345773.html (дата обращения 01.12.2012).

9.    Чугунков В.В. Теплопередача при сложном теплообмене на поверхностях конструкций. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. 28 с.

10. Uznanski D., Château E., Gorieu O., Legrandais J.-P. Investigations into the aging extent of the 9% nickel 500 mlng storage tank of the nantes cryogenic testing station. Paris, France: Gaz de France, 2003.