Результат интеллектуальной деятельности: Цистерна для транспортирования сжиженного природного газа

Изобретение относится к области криогенной техники, а именно к специальным транспортным средствам для перевозки сжиженного природного газа (СПГ) по автомобильным дорогам и железнодорожным путям.

Известна автомобильная цистерна для хранения и транспортирования сжиженного природного газа (см. патент РФ на полезную модель №115309 МПК В60Р 3/22, опубл. 27.04.2014), содержащая основную оболочку, закрепленная на автомобильной либо железнодорожной платформе, внутри которой размещен сосуд для перевозки сжиженного природного газа, а пространство между основной оболочкой и сосудом заполнено изолирующим материалом.

Недостатком является увеличение температуры наружной основной оболочки воздействием солнечной радиации при продолжительной транспортировке цистерны в дневное время суток, особенно с температурой окружающей среды около и выше 40°C, что не только ухудшает теплотехнические параметры хладоносителя, но и приводит к нарушению температурного режима сжиженного природного газа.

Известна цистерна для транспортирования сжиженного природного газа (см. патент РФ на полезную модель №115640 МПК В60Р 3/22, B61D 5/00, F17C 1/12, B65D 88/12, опубл. 10.10.2015.), содержащая основную оболочку, закрепленную на автомобильной платформе, на внутренней поверхности основной оболочки подвешивается сосуд, предназначенный для перевозки сжиженного природного газа; пространство между основной оболочкой и сосудом заполнено изолирующим материалом, при этом между основной оболочкой и сосудом для перевозки сжиженного природного газа установлена и закреплена дополнительная оболочка, а пространство между основной и дополнительной оболочкой используют для перевозки жидкостей, имеющих температуру кипения выше температуры окружающего воздуха и температуру плавления, сопоставимую с температурой кипения перевозимой криогенной жидкости, пространство между дополнительной оболочкой и сосудом заполнено изолирующим материалом, кроме того, внешняя поверхность основной оболочки покрыта тонковолокнистым базальтовым материалом, выполненным в виде витых пучков, продольно вытянутых снизу вверх.

Недостатком является энергоемкость при длительной эксплуатации цистерны для транспортирования сжиженного природного газа, определяемая внеплановыми демонтажными работами, обусловленными интенсивными коррозийным разрушением внутренней поверхности сосуда, предназначенного для перевозки сжиженного природного газа, как при этапе подготовки с продувкой азотом и сбросе его в окружающую среду, так и на этапе слива СПГ с созданием избыточного давления с помощью паров СПГ. В эти переходные этапы эксплуатации цистерны на внутренней поверхности сосуда образуются паровые пузырьки, приводящие к микроразрыву его материала. Следовательно, осуществляется кавитационное разрушение (см., например, стр. 38. Попов В.М. Водоотливные установки // Справочное пособие - М.: Недра, 1990 - 254 с., ил.) в целом корпусе сосуда.

Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание нормированных энергозатрат при длительной эксплуатации цистерны для транспортировки сжиженного природного газа путем устранения дополнительных демонтажных работ сосуда из-за коррозийного разрушения, за счет покрытия внутренней его поверхности нанообразной стеклоподобной пленкой из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом.

Технический результат по обеспечению энергосберегающей длительной эксплуатации транспортного средства для перевозки сжиженного природного газа достигается тем, что цистерна для транспортировки сжиженного природного газа содержит основную оболочку, закрепленную на автомобильной платформе, на внутренней поверхности основной оболочки подвешивается сосуд, предназначенный для перевозки сжиженного природного газа; пространство между основной оболочкой и сосудом заполнено изолирующим материалом, при этом между основной оболочкой и сосудом для перевозки сжиженного природного газа установлена и закреплена дополнительная оболочка, а пространство между основной и дополнительной оболочкой используют для перевозки жидкостей, имеющих температуру кипения выше температуры окружающего воздуха и температуру плавления, сопоставимую с температурой кипения перевозимой криогенной жидкости, пространство между дополнительной оболочкой и сосудом заполнено изолирующим материалом, при этом внутренняя поверхность сосуда, предназначенного для перевозки сжиженного природного газа, покрыта нанообразной пленкой, выполненной из оксида тантала ионно-плазменным методом.

На фиг. 1 представлена схема цистерны, на фиг. 2 - развертка внешней поверхности основной оболочки, на фиг. 3 - сосуд, предназначенный для перевозки сжиженного природного газа, внутренняя поверхность которого покрыта нанообразной стеклоподобной пленкой из оксида тантала, нанесенная ионно-плазменным методом.

Цистерна для транспортировки сжиженного природного газа включает в себя наружную оболочку 1, выполненную из стальных цилиндрических обечаек и эллиптических днищ, соединенных на сварке. Наружную оболочку 1 крепят на автомобильной либо железнодорожной платформе. На внутренней поверхности наружной оболочки 1 предусмотрены кронштейны для крепления цепей и опоры для подвешивания дополнительной оболочки 2. Дополнительная оболочка 2 представляет собой сварную конструкцию из стальных обечаек и эллиптических днищ. Пространство между основной 1 и дополнительной 2 оболочками используют для перевозки жидкостей (хладоносителей), имеющих высокую, относительно окружающего воздуха, температуру кипения, и температуру плавления, сопоставимую с температурой кипения перевозимого сжиженного природного газа. К внутренней поверхности дополнительной оболочки 2 с помощью опор и кронштейнов крепят сосуд 3, предназначенный для перевозки сжиженного природного газа. Сосуд 3 выполнен в виде сварной конструкции из цилиндрических обечаек и эллиптических днищ, изготовленных из сталей с содержанием никеля или из алюминиевых сплавов. Пространство между дополнительной оболочкой 2 и сосудом 3 заполняют теплоизолирующим материалом, в качестве которого может выступать вакуумная слоистая изоляция или вакуумная порошковая изоляция. Цистерна снабжена запорно-регулирующей арматурой, предназначенной для управления процессами отключения, распределения, сброса потоков рабочих сред путем изменения площади проходного сечения, которая включает в себя вентиль «наддув азотом» 4, вентиль «наддув-газосброс» 5, вентиль «газосброс» 6, вентиль «выдача в сторонний насос» 7, вентиль «байпас» 8; контрольно-измерительными приборами для получения значений измеряемых величин в установленном диапазоне, которые расположены на щите приборов 9; оборудованием для очистки, которое включает в себя вентили «продувка-сброс» 10, фильтр для азота 11, фильтры 12, 13, 14, 15; оборудованием для проведения сливо-наливных операций, которое включает в себя вентиль «наполнение-слив СПГ» 16 и вентиль «наполнение-слив хладоносителя» 17. Для автоматического поддержания давления в контролируемом участке используют электроклапан «СПГ в испаритель» 18. Цистерна оборудована средствами безопасности, такими как: мембранный предохранитель дополнительной оболочки 19 и предохранительное устройство сосуда 20. Вентиль «вакуумирование» 21 используют для создания вакуума в изолирующем материале. Безопасный сброс паров СПГ осуществляют через открытый вентиль «газосброс через БДУ» 22 и безопасное дренажное устройство (БДУ) 23. Также в цистерне установлено испарительное оборудование для нагрева и испарения природного газа: испаритель 24 и вентиль «СПГ в испаритель» 25. Заполнение цистерны производят на специально оборудованных площадках. Внешняя поверхность 26 наружной оболочки 1 покрыта тонковолокнистым базальтовым материалом 27, выполненным в виде витых пучков 28, продольно вытянутых снизу вверх. Внутренняя поверхность 29 сосуда 3, предназначенного для перевозки сжиженного природного газа, покрыта нанообразной стеклоподобной пленкой 30, выполненной из оксида тантала ионно-плазменным методом.

Цистерна работает следующим образом.

При выполнении этапа - подготовки цистерны к наливу и этапа - слива сжиженного природного на внутренней поверхности 29 сосуда 3, предназначенного для перевозки сжиженного природного газа, образуются паровые пузырьки, которые, соединяясь и коагулируя, укрепляются с последующим "схлопыванием". В результате в зоне контакта парового пузырька с внутренней поверхностью 29 при "схлопывании" резко падает давление и наблюдается явление кавитационного разрушения с микроразрывом материала сосуда 3. Это приводит к необходимости проведения демонтажных работ, связанных с обработкой внутренней поверхности 29 сосуда 3, что при длительной эксплуатации цистерн способствует увеличению энергозатрат на транспортировку сжиженного природного газа.

При покрытии внутренней поверхности 29 сосуда 3 нанообразной стеклоподобной пленкой 30 из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом, образующиеся паровые пузырьки как при этапе подготовки цистерн к наливу, так и на этапе слива сжиженного природного газа, скользят по нанообразной стеклоподобной пленке 30 без соединения, коагуляции и укрупнения (см., например, Литвинова В.А., Саврук Е.Н. Наноразмерные пленки оксида тантала, полученные ионно-плазменным методом // Сборник трудов региональной научно-практической конференции "Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике" Томск ТСХИ НГАУ - вып. 12 - 2010 - с 299-301.)

Следовательно отсутствует "схлопывание" паровых пузырьков, и как следствие, коррозийное разрушение материала сосуда 3, предназначенного для перевозки сжиженного газа, что способствует поддержанию нормированных энергозатрат при длительной эксплуатации цистерн.

При продолжительной транспортировке цистерны в дневное время суток с солнечной радиацией и высокой температурой наружного воздуха, например, около 40°C и более, наблюдается интенсивный прогрев внешней поверхности 26 наружной оболочки 1 и теплота окружающей среды теплопроводностью от нагретой внешней поверхности 26 передается хладоносителю. В связи с тем что наружная оболочка 1 выполняется из стальных цилиндрических обечаек и эллиптических днищ с коэффициентом теплопроводности от 45 Вт/(м⋅К) и более (см., например, стр. 312 Нащокин В.В. техническая термодинамика и теплопередача М. (1980 - 369 с., ил.), то по всей площади внешней поверхности 26 наружной оболочки 1 наблюдается теплоприток к хладоносителю, с последующим снижением его теплотехнических параметров, что в конечном итоге, ухудшает качественные показатели транспортируемого сжиженного природного газа. При покрытии цистерны тонковолокнистым базальтовым материалом 27, благодаря его теплоизоляционным свойствам, устраняется теплоприток из окружающей среды, особенно при получении солнечной радиации, расположение тонковолокнистого базальтового материала 27 в виде витых пучков 28, продольно вытянутых снизу вверх, приводит к аккумулированию тепловой энергии с равномерным распространением теплового потока сверху вниз (см., например, Волокнистые материалы из базальтов Украины, издательство «Техника» (Киев 1971 - 76 с., ил.), что способствует поддержанию нормированного температурного режима транспортируемого сжиженного природного газа. Кроме того, выполнение теплотехнического базальтового материала 27 в виде витых пучков 28, обеспечивает надежное противодействие при эксплуатации цистерны атмосферным осадком, не допуская разрушения теплоизоляционного покрытия внешней поверхности 26 наружной основной оболочки 1.

При введении цистерны для транспортировки сжиженного природного газа в эксплуатацию выполняется:

1 этап. Подготовка цистерны к наливу. На первом этапе проверяют техническое состояние составных частей цистерны, производят контроль газовой среды сосуда 3 для установления залитой ранее жидкой фазы СПГ, затем цистерну отогревают. Через вентиль «наддув азотом» 4 и фильтр для азота 11 в цистерну подают газообразный азот при температуре выше температуры кипения хладоносителя. С помощью вентилей «продувка-сброс» 10 осуществляют продувку азотом и сброс азота в окружающую среду. Сброс охлажденного газа производят через вентиль «наддув-газосброс» 5 и фильтр 12, затем происходит стыковка с внешними коммуникациями, после чего цистерну подают на второй этап.

2 этап. Налив жидкой фазы СПГ. В сосуд через фильтр 13 и открытый вентиль «наполнение-слив СПГ» 16 передавливанием из сторонней емкости подают сжиженный природный газ, при этом вентиль «наддув-газосброс» 5, через который осуществляют газосброс, открыт. Перед наполнением производят захолаживание сосуда 3 и коммуникаций путем подачи небольшого количества СПГ. Количество СПГ и давление в сосуде 3 контролируют с помощью приборов, расположенных на панели щита приборов 9. После наполнения сосуда 3 вентили «наддув-газосброс» 5 и «наполнение-слив» 16 закрывают и производят выдержку для испарения СПГ в коммуникациях и сброса в них давления. После выдержки отстыковывают внешние коммуникации. Через вентиль «наполнение-слив хладоносителя» 17 проводят наполнение полости между наружной оболочкой 1 и дополнительной оболочкой 2. Газосброс при наполнении осуществляют через открытый вентиль «газосброс» 6.

3 этап. Транспортировка. Транспортировку производят при открытом вентиле «наддув-газосброс» 5. Давление в сосуде 3, при транспортировке поддерживают автоматически с помощью электроклапана «СПГ в испаритель» 18 и испарителя 24. На линии также предусмотрен ручной вентиль «СПГ в испаритель» 25, с помощью которого вручную регулируют давление в сосуде 3.

4 этап. Слив СПГ. Слив СПГ производят либо в стороннюю емкость, либо путем выдачи природного газа. Слив СПГ производят под избыточным давлением его газообразной фазы через открытый вентиль «наполнение-слив СПГ» 16. Избыточное давление создают либо с помощью паров СПГ, поступающих от испарителя 24, либо от стороннего источника, подключенного к линии наддува-газосброса через вентиль «наддув-газосброс» 5. В процессе слива СПГ по щиту приборов 9 контролируют давление и количество СПГ. Хладоноситель из полости через открытый вентиль «наполнение-слив хладоносителя» 17 сливают с помощью дополнительно подключенного стороннего насоса. При этом вентиль «газосброс» 6 открыт. Затем производят отогрев цистерны. Существует возможность выдачи СПГ с помощью дополнительно подключенного стороннего насоса через вентиль «выдача в сторонний насос» 7 и фильтр 14, а также газосброс через открытый вентиль «байпас» 8 и фильтр 15.

5 этап. Налив, транспортировка и слив хладоносителя. Налив, транспортировку и слив хладоносителя производят в той же последовательности, что и для жидкой фазы СПГ. После слива хладоносителя цистерну подают на отогрев.

Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в обеспечении нормированных энергозатрат при длительной эксплуатации цистерны для транспортировки сжиженного природного газа, путем устранения интенсивного коррозийного разрушения материала сосуда, обусловленного возникновением кавитационного воздействия образующихся паровых пузырьков, за счет покрытия внутренней поверхности сосуда, предназначенного для перевозки сжиженного природного газа нанообразной стеклоподобной пленкой из оксида тантала, полученной ионно-плазменным методом.