Термодинамическая оценка потенциала использования сжиженного природного газа в автономном рефрижераторном вагоне

Введение. Для энергоснабжения холодильных установок автономных рефрижераторных вагонов обычно используют дизель-генераторные силовые установки. С целью повышения энергетической эффективности предлагается замена дизеля на газопоршневой двигатель, с переходом от дизельного топлива к сжиженному природному газу и внедрением контура рекуперации холода от регазификации сжиженного природного газа для дополнительного холодоснабжения грузового помещения совместно с основной холодильной установкой. Эта замена потребует комплексной оценки потенциала утилизации физической эксергии, доступной в процессе регазификации. Целью работы является определение термодинамических границ и  обоснование выбора рабочих параметров рекуперации холода при регазификации сжиженного газа в  теплообменнике, расположенном в  грузовом помещении рефрижераторного вагона и включенном в топливную линию энергетической установки.

 Материалы и  методы. В  исследовании применено численное термодинамическое моделирование открытого цикла регазификации для сжиженного природного газа, предназначенного для использования в качестве моторного топлива. Использован энергетический и эксергетический анализ, метод тепловых балансов. Рассчитаны показатели удельной холодопроизводительности и эксергетического КПД второго рода относительно цикла Карно.

Результаты. Рассмотрена схема рекуперации холода сжиженного природного газа в открытом цикле с криогенным насосом. Представлены результаты численного моделирования теплофизических процессов регазификации. Проведена оценка зависимостей удельной холодопроизводительности и эксергетического КПД от рабочего давления, определены параметры, исключающие кипение газа вне контура рекуперации. Установлено, что повышение давления в линии регазификации обеспечивает рост термодинамической эффективности системы при незначительном снижении энтальпийного потенциала.

Обсуждение и  заключение. Сформулированы критерии эксергетической эффективности для автономных систем, позволившие перейти от энтальпийной оценки потенциала рекуперации сжиженного природного газа к эксергетической. Выявлен диапазон рабочих давлений и  температур, в  котором достигается термодинамический оптимум рекуперации холода от сжиженного природного газа. Данный режим является необходимым условием для гидравлической устойчивости системы подачи топлива, позволяет упростить конструкцию рефрижераторного вагона и унифицировать схему подачи топлива при переходе на сжиженный природный газ.

1. Колин С.А., Кондратенко С.Е., Бортников Н.А. К вопросу оценки экономических издержек от загрязнения воздуха городским транспортом (на примере Санкт-Петербурга) // Газовая промышленность. 2021. № 6 (817). С. 98–104. EDN: https://elibrary.ru/psnndf.

2. Banaszkiewicz T., Chorowski M., Gizicki W., Jedrusyna A., Kielar J., et al. Liquefied natural gas in mobile applications — opportunities and challenges. Energies. 2020;13(21):5673. https://doi.org/10.3390/en13215673.

3. Ворон О.А. Использование сжиженного природного газа в комбинированной энергосиловой установке автономного рефрижераторного вагона // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2019. Т. 78, № 3. С. 188–192. https://doi.org/10.21780/2223-9731-2019-78-3-188-192. EDN: https://elibrary.ru/rocdwh.

4. Бродянский В.М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. М.: Энергоатомиздат, 1988. 288 с. Brodyanskiy V.M., Fratsher V., Mikhalek K. Exergetic method and its applications. Moscow: Energoatomizdat; 1988. 288 p. (In Russ.).

5. Khor J.O., Walnum H.T., Ertesvåg I.S., RomagnoliA. Recovery of cold energy from LNG regasification. Energy Conversion and Management. 2018;174:539–555. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2018.08.028.

6. Dorosz P., Wojcieszak P., Malecha Z. Exergetic analysis, optimization and comparison of LNG cold exergy recovery systems for transportation. Entropy. 2018;20(1):59. https://doi.org/10.3390/e20010059.

7. Noor Akashah M.H., Mohammad Rozali N.E., Mahadzir S., Liew P.Y. Utilization of cold energy from LNG regasification process: A review of current trends. Processes. 2023;11(2):517. https://doi.org/10.3390/pr11020517. EDN: https://elibrary.ru/jsuvbv.

8. Zonfrilli M., Facchino M., Serinelli R., Chesti M., De Falco M., Capocelli M. Thermodynamic analysis of cold energy recovery from LNG regasification. Journal of Cleaner Production. 2023;420(4):138443. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138443. EDN: https://elibrary.ru/jjbxhu.

9. Wang Yu., Ren J. J., Bi M.Sh. Analysis on the heat transfer performance of supercritical liquified natural gas in horizontal tubes during regasification process. Energy. 2023;262:125444. https://doi.org/10.1016/j.energy.2022.125444. EDN: https://elibrary.ru/diisus.

10. Chen B., Zou T., Li H., He W. Simulative and experimental research on the heat exchanger for cold energy recovery of liquefied natural gas. Applied Thermal Engineering. 2024;237:121798. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2023.121798. EDN: https://elibrary.ru/djffyr.

11. Wei A., Yu L., Qiu L., Zhang X. Cavitation in cryogenic fluids: A critical research review. Physics of Fluids. 2022;34(10):101303. https://doi.org/10.1063/5.0102876. EDN: https://elibrary.ru/ejevgt.

12. КиселевИ.Г., КомиссаровС.Б., МонастырскийД.Я. Оцелесообразности использования сжиженного природного газа на рефрижераторных контейнерах с навесными дизель-генераторами // Бюллетень результатов научных исследований. 2021. №4. С.104–113. https://doi.org/10.20295/2223-9987-2021-4-104-113. EDN: https://elibrary.ru/gqvuyv.