Обоснование методов проектирования систем хранения СПГ при транспортировке речным транспортом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Иванов Лев Владимирович

• Иванов Лев Владимирович
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Иванов Лев Владимирович

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. Современное состояние техники и технологий транспортирования сжиженного природного газа

1. 1 Оценка перспектив использования водной транспортировки сжиженного природного газа в Российской Федерации

1.2 Анализ вариантов транспортировки СПГ речным и каботажным транспортом

1.3 Анализ существующих технических решений, применяемых при малотоннажном транспортировании СПГ с использованием судов-газовозов

1.4 Анализ существующих технических судовых систем хранения СПГ

1.5 Теоретические основные проектирования резервуаров для хранения СПГ

1.6 Теоретические основы прогнозирования времени бездренажного хранения СПГ

1.7 Обзор методов, применяемых при численном моделировании процессов хранения СПГ

1.8 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Выбор и обоснование конструкции криогенных судовых хранилищ

2.1 Методика определения геометрических параметров судовых резервуаров

2.2 Физическая модель криогенного резервуара

2.3 Методика определения тепловых потоков из окружающей среды

2.4 Математическое описание теплофизических процессов в резервуаре при бездренажном хранении

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Моделирование и оптимизация криогенных судовых резервуаров

3.1 Алгоритм оптимизации конструкции криогенных судовых резервуаров

3.2 Исследование процесса бездренажного хранения СПГ в судовых резервуарах

3.3 Оптимизация режима эксплуатации системы криогенных судовых резервуаров

3.4 Модификация математической модели резервуара для исследования режима

работы с отбором топлива

3.5 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Список иллюстративного материала

Приложение А

Приложение В

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы

Энергетическая безопасность северных отдаленных населенных пунктов России обеспечивается за счет доставки угля и дизельного топлива (ДТ) по крупным сибирским рекам. Эта логистическая схема носит название «Северный завоз». Удаленное расположение объектов производства ДТ от мест его потребления значительно снижает эффективность логистической схемы. Проблема снабжения населенных пунктов топливом может быть решена за счет использования сжиженного природного газа (СПГ), который производится в северных регионах, что уменьшает плечо доставки энергоресурсов. СПГ значительно экологичнее, чем уголь и ДТ, что критически важно в северных регионах. Единственным рациональны способом транспортирования СПГ до потребителей является малотоннажный водный транспорт. Низкая плотность населения, большие расстояния между населенными пунктами, отсутствие крупных единичных потребителей и значительные ограничения допустимой осадки судна делает применение иностранных технических решений в области малотоннажного водного транспорта СПГ недостаточно эффективными. В связи с этим становится актуальным вопрос о разработке технических и логистических решений, адаптированных к специфическим условиям эксплуатации в северных регионах России.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обоснование методов проектирования систем хранения СПГ при транспортировке речным транспортом»

Цель работы

Выбор и обоснование методики проектирования и оптимизации криогенных судовых резервуаров для транспортирования СПГ речным транспортом.

Задачи работы

1) Выполнить анализ логистических схем и технических решений, применяемых для организации малотоннажного водного транспорта СПГ;

2) Обосновать методику определения наиболее рационального типа, формы и размера криогенного резервуара для речной транспортировки СПГ;

3) Создать математическую модель судового малотоннажного криогенного резервуара для хранения СПГ;

4) Разработать методику оптимизации конструкции судовых резервуаров

СПГ;

5) Предложить способ повышения эффективности водного транспортирования СПГ при работе с отбором части груза для использования в качестве судового топлива.

Научная новизна работы

Уточнены принципы построения криогенных судовых малотоннажных резервуаров для транспортирования СПГ.

Разработаны математическая модель, описывающая изменение характеристик фаз СПГ в процессе его водного транспортирования, и методика оптимизации конструкции судовых малотоннажных криогенных резервуаров.

Теоретическая значимость работы

Разработана модель криогенного резервуара, учитывающая режим движения пристеночного криофлюида при естественной конвекции и площадь контакта между жидкой фазой и внутренней поверхностью сосуда.

Разработан гибридный метод моделирования процесса бездренажного хранения СПГ, совмещающий описание конвективного переноса теплоты методом

конечных объемов и аналитическое описание изменения транспортных и теплофизических параметров СПГ в резервуаре при бездренажном хранении СПГ.

Практическая значимость работы

Разработанная методика проектирования системы криогенных резервуаров применима для создания новых проектов малотоннажных судов-газовозов или проектов модернизации существующих судов.

Математическая модель, описывающая процесс хранения СПГ, упрощает автоматическое управление процессом хранения СПГ при его транспортировании для повышения безопасности и эффективности эксплуатации криогенных резервуаров.

Положения выносимые на защиту

1) Выявлены факторы, влияющие на определение районов для реализации автономной газификации с использованием водного транспортирования СПГ и выбор логистической схемы снабжения СПГ.

2) Дополнен инструментарий для проектирования судовых криогенных малотоннажных резервуаров.

3) Создана математическая модель малотоннажного судового криогенного резервуара для хранения СПГ.

4) Сформирован алгоритм оптимизации конструкции резервуара и оптимизации режимов его последующей эксплуатации.

5) Представлены результаты вычислительного эксперимента по определению оптимальных параметров системы криогенных резервуаров.

Апробация работы

Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на ряде международных конференций:

1) VIII Конгресс Молодых Ученых - 15-19 апреля 2019 - Университет ИТМО, СПб

2) IX Конгресс Молодых Ученых - 15-18 апреля 2020 - Университет ИТМО, СПб

3) X Конгресс Молодых Ученых - 14-17 апреля 2021 - Университет ИТМО, СПб

4) XII Конгресс Молодых Ученых - 3-6 апреля 2023 - Университет ИТМО,

СПб

5) IX Международная научно-техническая конференция Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке 13 -15 ноября 2019 -Университет ИТМО, СПб

6) XI Международная научно-техническая конференция Искусственный холод в XXI веке 15 -17 ноября 2023 - Университет ИТМО, СПб

7) L научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО 1-4 февраля 2021 - Университет ИТМО, СПб

8) LII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО 31 января - 3 февраля 2023 - Университет ИТМО, СПб

9) Инновационное развитие технологий производства СПГ 20 сентября 2019 РГУ Нефти и Газа им. Губкина, Москва

10) XII международная научно-техническая конференция Техника и технологии нефтегазового производства 16-19 февраля 2022 - Омский Государственный технический университет, Омск

11) XI международная научно-техническая конференция Техника и технологии нефтегазового производства 24-27 февраля 2021 - Омский Государственный технический университет, Омск.

Достоверность научных положений

Достоверность научных положений, представленных в диссертационном исследовании основана на применении известных методов построения математической модели.

Математическая модель верифицирована путем сопоставления экспериментальных данных, полученных независимыми исследовательскими группами с результатами численного моделирования. Показано качественное совпадение результатов.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационного исследования внедрены:

1) В рамках работ, выполняемых по проекту № 620151 «Выбор и обоснование технологии изменения теплофизических параметров сжиженного природного газа для сокращения потерь от испарения при его накоплении, хранении и транспортирования» в учебный процесс Университета ИТМО;

2) В рамках работ, выполненных по проектам «Разработка программы и анализ перспектив речного транспорта сжиженного природного газа для автономной газификации отдаленных северных прибрежных населенных пунктов», «Оптимизация системы хранения груза для танкера-газовоза класса река-море, адаптированного под специфические условия работы в восточной Сибири», «Программа оптимизации параметров эксплуатации криогенных резервуаров для повышения эффективности эксплуатации и повышения безопасности» в проектную деятельность «Проектный Офис Развития Арктики ПОРА»;

3) В рамках дисциплины магистерской подготовки «Системы производства, хранения и транспортирования сжиженного природного газа».

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 21 печатная работа. В том числе: 12 работ в изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 4 работы в журналах с ненулевым импакт-фактором (входящих в международной базу данных Scopus/Web of Science).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы из 123 наименований. Работа изложена на 171 странице, включая 60 рисунков и 15 таблиц.

Содержание работы

Введение

Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования, сформулирована его цель и задачи, которые необходимо решить для реализации цели исследования. Во введении описаны научная новизна, положения, выносимые на защиту, и практическая ценность работы. Изложена структура диссертационного исследования и дана краткая характеристика её разделов.

Глава 1

Первая глава диссертации посвящена обзору и анализу средств и методов, применяемых при малотоннажном водном транспортировании СПГ. Определены регионы, где может эффективно осуществляться речной транспорт СПГ. Для реализации проектов автономной газификации подходят населенные пункты на побережье Обской и Тазовской губы (ЯНАО), северные населенные пункты

расположенные на побережье реки Енисея ниже Дудинки, и реки Подкаменной Тунгуски (Красноярский край), а также находящиеся в заречном районе реки Лена. Была выявлена специфика водного транспорта в отдаленных северных регионах России: большие расстояния между потребителями, отсутствие крупных индивидуальных потребителей, короткое окно навигации, низкие доступные значения осадки судов, низкий уровень развития бункеровочной инфраструктуры, моральное и физическое устаревание применяемых судов в северных пароходствах.

Рассмотрены логистические схемы и технические решения, применяемые в Японии, Греции, Индонезии и Европе и сделан вывод, что применение существующих решений в специфических условиях эксплуатации судов в северных регионах России недостаточно эффективно. Анализ применяемых логистических моделей показал, что наиболее рациональной моделью для доставки СПГ является модель «milk run», которая подразумевает выгрузку части груза из судовых танков по ходу движения судна по маршруту между потребителями.

Рассмотрены различные системы хранение груза: независимые танки различных типов и встроенные мембранные танки. Проведен анализ, в ходе которого выявлены различные преимущества и недостатки каждой из существующих систем судового хранения СПГ. Анализ показал, что наиболее рациональным является применение танков типа С, которые работают под давлением и могут быть выполнены с различными формами. На рисунке 1 приведен внешний вид танков типа С различной формы.

Рисунок 1 - Танки типа С различной формы

Главным преимуществом танков типа С является простота конструкции и вариативность формы, что позволяет их эффективно применять как при строительстве новых судов, так и при модернизации уже существующих.

Не существует исследований, посвященных комплексному проектированию формы и геометрических характеристик резервуара, параметров прочности криогенного танка, а также теплофизическому моделированию теплоизоляции танка и режиму его будущей эксплуатации. По этой причине литературный обзор разделен на соответствующие части.

В первой части литературного обзора рассмотрены работы, посвященные моделированию корпусов судов малотоннажных газовозов. В проанализированных работах уделяется большое внимание соответствия корпуса судна условиям навигации: допустимые габаритные размеры судна и максимально -допустимая осадка. Именно параметр осадки является лимитирующим, когда речь идет о совокупной массе системы криогенных танков и транспортируемого СПГ. Осадка судна рассчитывается согласно выражению:

Dra.fi = А • (Ь • В • Св • рш)-1, (1)

где Св - кубический коэффициент корпуса судна, рм> - относительная плотность воды.

Во второй часть литературного обзора проанализированы работы, посвященные прочностным расчетам и оптимизации формы резервуаров типа С. Анализ показал, что наиболее эффективными с точки зрения массы и удельного значения теплопритоков являются полусферические днища резервуаров. Выбор формы резервуара типа С определяется из соотношения доступной ширины грузового пространства к значению габаритного диаметра танка.

В третьей части литературного обзора рассмотрены научные работы, в которых моделируется изменение характеристик СПГ в процессе транспортирования. Определено, что для наиболее точного описания процессов хранения СПГ следует принимать допущение об отсутствии термодинамического равновесия между СПГ и его паром. Теплопритоки из окружающей среды следует рассматривать раздельно к паровой и к жидкой фазе. Паровая фаза оказывается в

перегретом состоянии, относительно температуры насыщенного пара при текущем давлении. Механизмом передачи теплоты от пара к жидкости является естественная конвекция.

Четвертая часть выполненного литературного обзора посвящена анализу методик численного моделирования процессов теплопередачи при хранении СПГ в резервуарах. Анализ показал, что наиболее часто для описания процессов естественно-конвективной теплопередачи, применяются модели турбулентности с осреднением по Рейнольдсу (КЛШ).

Вторая глава посвящена разработке методики проектирования криогенных судовых резервуаров. На основании анализа различных нормативных документов, приняты ограничительные параметры, уменьшающие доступный объем грузового пространства судна. Определение типа резервуара осуществляется на основании соотношения между объемом надпалубного и подпалубного грузового пространства. По нормам безопасности, призматические танки не могут выступать над поверхностью палубы. Анализ показал, что призматические танки являются более эффективным средством хранения СПГ если доля подпалубного пространства составляет больше 0,7. График зависимости приведен на рисунке 2.

Глава 2

0,75

ой 0,7

о

Призмати

ю

у = -0,3101х + 0,8392

о > 0,65

ос ■—■

о 0,45

у = 1,5575х -0,4795

0,4

0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 Доля подпалубного пространства (х)

Рисунок 2 - График зависимости полезного использования грузового

пространства

Толщина стенок криогенного резервуара определяется исходя из условия частичного заполнения. Минимальная толщина рассчитывается с учетом нагрузок, создаваемые движением СПГ внутри танка:

где ар - безразмерное ускорение, 2$ - максимальный уровень жидкости.

Максимальная толщина стенок принимается исходя из максимального значения допустимой осадки судна. При увеличении толщины стенок танка увеличивается и масса системы хранения, что приводит к увеличению осадки. Алгоритм определения толщины стенки танка представлен на рисунке 3.

1,Т|Г Н. В. II. X, Б^ьаг- форма танка, максимально допустимая осадка, параметр] стали

Определение допустимых напряжений

Определение нагрузки от слошинга

Определение минимально допустимой толщины стенок

Расчетамассывсей системы хранения СПГ

Уменьшить габаритный

Увеличить толщину стенок на 1 мм

Расчет осадки судна при полной загрузке

диаметр танка на 1 мм

Нет

Нет

1

Рисунок 3 - Алгоритм определения толщины стенки танка

Увеличение давления в резервуаре в процессе хранения приводит к снижению плотности СПГ, что вызывает увеличение объема жидкой фазы СПГ. Это приводит к изменению площади контакта между внутренней поверхностью стенки резервуара и фазой, а также площади раздела жидкой и паровой фазы. Площадь контакта представлена как функция от текущей доли жидкой фазы в резервуаре. На основании текущей доли заполнения резервуара жидкой фазой СПГ рассчитывается высота столба жидкости. Для определения высоты столба жидкости применен метод Ньютона, представленный на рисунке 4.

Рисунок 4 - Алгоритм для определения текущей высоты заполнения резервуара

жидкой фазой

При помощи рассчитанного значения высоты заполнения резервуара определяются необходимые площади для определения теплопритоков:

Qv = f(hzap, Tv), Ql = f(hzap, TL), Qvl = f(hzap, Tv - TL ), (3)

где hzap - высота заполнения резервуара жидкой фазой, Tv - температура паровой фазы, Tl - температура жидкой фазы.

Применение классических корреляций для определения коэффициента естественно-конвективной теплоотдачи к насыщенной жидкости приводит к значительным ошибкам. Моделирование всех процессов методом конечных объемов требует значительных вычислительных мощностей. Для моделирования процессов теплопередачи применен комбинированный подход, где метод конечных объемов применяется только описания естественной конвекции. Метод реализован в программе Fluent. Специфика процесса теплопередачи подразумевает, что жидкость в пристеночной зоне может двигаться в ламинарном или турбулентном режиме. Для моделирования турбулентного режима применена модель к-ю с тормозящими функциями. Принято допущение о несжимаемости жидкости. Моделирование осуществляется в двухмерной постановке. При помощи метода конечных объемов получены значения коэффициента теплоотдачи к насыщенной жидкости, которые используются для определения теплопритоков из окружающей среды. Подобный комбинированный подход позволяет повысить точность расчетов и не требует значительных вычислительных ресурсов.

Моделирование процессов тепло- и массообмена производилось в диапазоне давлений от 0,1 до 2 МПа, что соответствует диапазону давлений для судовых танков типа С. Диапазон температурных напоров варьировался от 0,07 до 0,3 К, что соответствует хорошо изолированному резервуару.

Разработанная модель была верифицирована по экспериментальным данным: замеренной плотности теплового потока, точке начала пузырькового кипения метана и толщине переходного теплового слоя. На рисунке 5 изображен полученный участок кривой кипения метана.

10000

1000

со

100

10

у = 77,347х2 + 908,44х - 34,591 R2 = 0,9973

0,5

1,5 ДТ, К

2,5

Рисунок 5 - Участок кривой кипения

Поток теплоты из окружающей среды к паровой фазе определяется при помощи числа Нуссельта:

Ыи = 0,27 • На*0'25, где модифицированное число Релея для плотности теплового потока:

дФ-ч-ь4

Яа *=

V •X

(4)

(5)

где характеристический размер Ь*:

I*

V

(6)

где V - объем паровой фазы, Бу - площадь контакта между паровой фазой и внутренней поверхностью танка. Отсюда коэффициент конвективной теплоотдачи для паровой фазы:

а¥ =

Ыи • Л

ь*

(7)

Таким образом могут быть получены значения коэффициентов теплоотдачи для всего необходимого диапазона давлений и плотности тепловых потоков. Для каждого временного слоя значения тепловых потоков через изоляцию к пару и жидкости определяются по формулам:

_ = т0-ту ; а = Т0-ТЬ ч"41 ~

1

0

1

2

3

где Я - термическое сопротивление тепловой изоляции.

Описаны значения потоков теплоты из окружающей среды в любой момент времени. Моделирование процесса хранения СПГ в судовом резервуаре осуществляется пошагово. На каждом шаге решаются уравнения теплового баланса для паровой и жидкой фазы. По данным, полученным из решения уравнения теплового баланса определяются текущие значения характеристик СПГ в резервуаре. В разработанной математической модели принято допущение, что испарение СПГ осуществляется не на каждом временном шаге. Условием наличия испарения является отношения энтальпии жидкой фазы к энтальпии насыщенной жидкости при текущем давлении. Уравнения теплового баланса составлены с учетом возможного отбора фаз из резервуара для использования в качестве судового топлива. При одновременном отборе паровой и жидкой фазы, доля отбираемого пара определяется из условия поддержания постоянного давления в резервуаре. Доля отбираемого пара определяется с использованием метода Ньютона.

Глава 3

Третья глава посвящена разработке алгоритма оптимизации конструкции криогенного судового резервуара для повышения объема транспортируемого СПГ Алгоритм оптимизации основан на использовании ограничительных параметров: максимально допустимой осадки судна, минимально -допустимой толщины стенки танка, минимальному времени бездренажного хранения, а также доступному грузовому пространству судна. Время бездренажного хранения является функцией от толщины тепловой изоляции танка, максимально-допустимого избыточного давления паров в резервуаре, а также уровня первоначального заполнения резервуара. Алгоритм оптимизации конструкции судового резервуара приведена на рисунке 6.

Нет

Вычисление времени бездренажного хранения

Рисунок 6 - Алгоритм оптимизации конструкции криогенного судового

резервуара

Во время оптимизации необходимо учитывать будущие режимы работы при частичном заполнении резервуаров. На рисунке 7 приведен график роста давления при частичном заполнении резервуаров.

Рисунок 7 - Графики роста давления паров в резервуаре

Пример работы алгоритма продемонстрирован на определении оптимальной системы танков для судов, используемых при осуществлении «Северного завоза»: Ленанефть Проект 621, Ленанефть Р77 и Я8В62 Ленамакс. График, на котором приведена зависимость времени бездренажного хранения от уровня первоначального заполнения резервуаров при различной толщине изоляции на примере судна Я8В62, изображен на рисунке 8.

■300 мм

100 мм

150 мм

170 мм

800

т

* 700 ^

ш 600 х

о. 500

X

2 400

I 300

(И

£ 200

!100 <и ю ос

<и о. со

0

10 20 30 40 50 60 70

Уровень первоначального заполнения, %

80

90

100

Рисунок 8 - Расчетное время бездренажного хранения при разной толщине изоляции и различном первоначальном заполнении танка для судна «Ленамакс»

Для судна Ленанефть Р77 применение алгоритма оптимизации конструкции криогенных танков позволяет увеличить объем перевозимого СПГ на 7,41%. Для судна Ленанефть Проект 621 - алгоритм позволяет предупредить сброс паров СПГ

0

из-за превышения давления благодаря увеличению толщины изоляции от начальных 300 до 320 мм.

В случае, если время перегона судна до первого потребителя меньше, чем максимальное время бездренажного хранения, количество доставляемого СПГ до первого потребителя может быть увеличено. Режим эксплуатации может быть оптимизирован таким образом, чтобы время судового хранения СПГ соответствовало времени транспортирования. Подобная оптимизация режима способна повысить объем транспортирования больше, чем на 3%.

Одним из путей повышения эффективности транспортирования СПГ с использованием водного транспорта является использование СПГ в качестве судового топлива. На рисунке 9 представлен график зависимости времени работы судовых резервуаров СПГ от времени первоначального заполнения в различных

-двутопливный -газодизель -бездренажный

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Уровень первоначального заполнения, %

Рисунок 9 - Сравнение режимов работы судовых резервуаров

Зависимость, представленная на рисунке 9 демонстрирует, что при высоких уровнях первоначального заполнения резервуара при работе в режиме отбора жидкой фазы - изначально резервуар может быть заполнен на максимально -допустимый уровень - 0,98. Это позволяет перевести дополнительный объем СПГ до первого потребителя.

режимах работы.

400

т

I 350 х

£ 300

(И

X 250 о

о 200 х

150

I 100

с!

^

си 50 ю

о)

а

Сй

0

0

Применение алгоритма оптимизации конструкции танка вместе с оптимизацией режима эксплуатации способно увеличить объем перевозимого СПГ более, чем на 10% и предупредить опасные режимы работы резервуара, при которых пары СПГ сбрасываются в окружающую среду.

Заключение

В диссертационном исследовании было показано, что проблема снабжения энергоресурсами отдаленных населенных пунктов в северных района России может быть решена за счет водного малотоннажного транспортирования СПГ. Наиболее рациональными районами для реализации проектов автономной газификации СПГ являются Ямало-Ненецкий Автономный Округ, Красноярский край и Республика Саха (Якутия). Для повышения эффективности транспортирования СПГ была разработана методика, позволяющая проектировать системы судового хранения СПГ для малотоннажных судов-газовозов. Методика адаптирована под специфические условия эксплуатации судовых резервуаров в северных регионах России. Разработанная методика позволяет определять тип и форму резервуара, а также оптимизировать конструкцию резервуара. Предложен способ повышения эффективности транспортирования СПГ за счет оптимизации режимов эксплуатации системы судовых криогенных резервуаров. Показана возможность повышения эффективности транспортирования СПГ за счет использования части СПГ в качестве судового топлива на судах-газовозах. Совокупность выполненных исследований повышает перспективы реализации программы автономной газификации.

Основные результаты работы

1. На основе анализа организации малотоннажной транспортировки определены технические решения, эффективные в специфических условиях отдаленных регионов Российской Федерации

2. Разработана методика определения оптимальных параметров судовых резервуаров для хранения СПГ;

3. Разработана математическая модель криогенного малотоннажного судового резервуара;

4. Предложен алгоритм оптимизации загрузки судна, позволяющий значительно увеличить объем транспортируемого судном СПГ;

5. Показана эффективность транспортирования СПГ малотоннажным речным транспортом при использовании СПГ в качестве основного судового топлива.

Публикации по теме работы

В международных изданиях, индексируемых в базе данных Scopus/WoS:

1. Ivanov L.V., Baranov A.Yu., Novitskaya A.V. Method of type-C liquified natural gas tank modelling based on volume optimization for future «milk-run» exploitation // Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, №3(23) - 2023, pp 659-667;

2. Баранов А.Ю., Валентинова К.А., Иванов Л.В. Моделирование испарения сжиженного природного газа в мобильных резервуарах // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, №4(20) -2020. С 595-602;

3. Ivanov L.V., Baranov A.Y. Analysis of the effect of current filling level on the holding time in small-scale stationary cylindrical horizontal LNG tanks // AIP Conference Proceedings - 2023, Vol 2784, pp 030011;

4. Ivanov L.V., Baranov A.Y., Tsvetkov V.A., Vasilenok A.V., Andreev A.M. Change of exploitation parameters of a vessel after the switch to the usage of LG as the main fuel // IOP Conference Series: Material Science and Engineering - 2021, Vol 1111, №1, pp 012021;

В изданиях из списка ВАК РФ:

1. Иванов Л.В., Анохин А.В., Зайцев А.В. Анализ мембранных систем ранения груза для танкеров газовозов // Морской Вестник, №2(70) - 2019. С 21-24;

2. Баранов А.Ю., Иванов Л.В. Анализ конструкционных особенностей систем хранения груза для модернизации речного танкер класса река-море // Морской Вестник, №3(71) - 2019. С 18-21;

3. Иванов Л.В., Баранов А.Ю., Плужникова Д.В. Перспективы использования водного транспорта СПГ для автономной газификации отдаленных регионов // Газовая Промышленность, №2(796) - 2020. С 52-58;

4. Баранов А.Ю., Иванов Л.В. Конструкционный анализ типов корпусов криогенных барж-резервуаров хранения СПГ // Морской Вестник, №1(73) - 2020. С 17-20;

5. Иванов Л.В., Анохин А.В., Баранов И.В., Миронова Д.Ю. Анализ возможностей снижения эксплуатационных затрат при транспортировке топливных ресурсов // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Экономика и экологический менеджмент, №2 - 2020. С 81-93;

6. Иванов Л.В., Баранов А.Ю. Анализ технических и логистических решений, применяемых при транспорте СПГ малотоннажными газовозами // Газовая промышленность, №4(815) - 2021. С 80-86;

7. Иванов Л.В., Баранов А.Ю., Малышева Т.А., Андреев А.М. Методика подбора криогенных резервуаров для модернизации проектов малотоннажных судов // Вестник международной академии холода, №1 - 2021. С 40-45;

8. Иванов Л.В., Баранов А.Ю. Выбор эффективных систем удержания груза (СПГ) для самоходного и буксирно-баржевого транспорта // Вестник международной академии холода, №2 - 2021. С 39-44;

9. Баранов А.Ю., Иванов Л.В., Соколова Е.В. Методика оценочного проектирования систем хранения груза малотоннажных судов-газовозов // Морской Вестник, №1(77) - 2021. С 38-40;

10. Баранов А.Ю., Иванов Л.В., Андреев А.М. Расчет режимов бездренажной эксплуатации судовых криогенных танков типа «С» // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические Науки, №1(48) - 2021. С 8-17;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иванов Лев Владимирович, 2024 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Глава Республики Саха (Якутия). Указ № 883 от 12.12.2019. О государственной программе Республики Саха (Якутия) «Развитие энергетики Республики Саха (Якутия) на 2020-2024 годы» (с изм. на 14,07.2020) [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/ document/561697846 (дата обращения: 04.03.2021).

2. Климентьев А.Ю., Книжников А.Ю. Перспективы и потенциал использования СПГ для бункеровки в арктических регионах России. М.: Всемирный фонд дикой природы (WWF), 2018.

3. Савосин Д. Подписан контракт на строительство СПГ-терминала Утренний проекта Арктик СПГ-2 // Информационно-аналитический портал Neftegaz.RU [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://neftegaz.ru/news/spg-szhizhennyy-prirodnyy-gaz/618854-podpisan-kontrakt-na-stroitelstvo-spg-terminala-utrenniy-proekta-arktik-spg-2/ (дата обращения 07.03.2021).

4. Иванов Л.В., Баранов А.Ю., Плужникова Д.В. Перспективы использования водного транспорта СПГ для автономной газификации отдаленных регионов // Газовая промышленность. 2020. № 2 (796). С. 52-58.

5. Григорьев Е.А. Экономическая оценка ресурсосберегающих технологий работы речных судов: дис.... к.э.н. 08.00.05. Новосибирск: Сибирский государственный университет путей сообщения, 2014.

6. Engblom К. LNG to Power in remote locations - the optimal way [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.researchgate.net/profile/ Kenneth-Engblom/publication/322293960_LNG_to_Power_in_remote_locations-the_optimal_way/links/5a512e3daca2725638c59221/LNG-to-Power-¡n-remote-locations-the-optimal-way.pdf (дата обращения: 04.03.2021).

7. APEC Energy Working Group. Study on Optimal Use of Small-scale Shallow-draft LNG Carriers and FSRUs in the APEC Region [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.apec.org/Publications/2020/04/Study-on-Optimal-Use-of-Small-scale-Shallow-draft-LNG-Carriers-and-FSRUs-in-the-APEC-Region (дата обращения: 04.03.2021).

8. Budiyanto М.А., Pamitran A.S.t Yusman T. Optimization of the Route of Distribution of LNG using Small Scale LNG Carrier: A Case Study of a Gas Power Plant in the Sumatra Region, Indonesia // IJEEP. 2019. Vol. 9. No. 6. P. 179-187 DOI: 10.32479/ijeep.8103.

9. Budiyanto M.A., Riadi A., Buana I.G.N.S., et al. Study on the LNG distribution to mobile power plants utilizing small-scale LNG carriers // Heliyon. 2020. Vol. 6. No. 7. Article ID e04538. DOI: 10.1016/j.heliyon.2020.e04538.

10. Asia Pacific Energy Research Centre (APERC), Institute of Energy Economics. Small-scale LNG in Asia Pacific. Tokyo: APERC Institute of Energy Economics, 2019 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://aperc.or.jp/file/2019/9/27/small-scale+lng+in+asia+pacific.pdf (дата обращения: 04.03.2021).

11. Riviera Maritime Media Ltd. Kakurei Maru handles pressure build-up on Japanese coast [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www. rivieramm.com/news-content-hub/news-content-hub/kakurei-maru-handles-pressure-build-up-on-japanese-coast-50708 (дата обращения: 04.03,2021).

12. Strantzali E., Aravossis K., Livanos G.A., et al. A Novel Multicriteria Evaluation of Small-Scale LNG Supply Alternatives: The Case of Greece // Energies. 2018, Vol. 11. No. 4. P. 903. DOI: 10.3390/enll040903.

13. Strantzali E., Aravossis K., Livanos G.A. Evaluation of future sustainable electricity generation alternatives: The case of a Greek island // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017. Vol. 76. P. 775-787. DOI: 10.1016/j.rser.2017.03.085.

14. Riviera Maritime Media Ltd. Japan back small-scale logistics to buoy gas-fuelled shipping [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www. riviera mm.com/opinion/japan-backs-small-scale-lng-logistics-to-buoy-gas-fuelled-shipping-29780 (дата обращения: 04.03.2021).

15. UNECE WPG. LNG Chapter 2 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.unece.org/fileadmin/DAM/energy/se/pdfs/wpgas/session/lst_ Session_Group_Experts_on_gas/2 _-_Chapter_2_LNG_Study.pdf (дата обращения: 04,03.2021),

16. Riviera Maritime Media Ltd. Rethinking coastal LNG in Japan [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.rivieramm.com/news-content-hub/news-content-hub/rethinking-coastal-lng-in-japan-41557 (дата обращения: 04.03,2021).

17. Duran М. Japan's 1st LNG bunkering vessel ready to start ops // Offshore Energy [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.offshore-energy.biz/japans-lst-lng-bunkering-vessel-ready-to-start-ops/ (дата обращения: 04.03.2021).

18. NYK Line. NYK Receives Delivery of Japan's First LNG-fueled Vessel [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.nyk.com/english/ news/2015/004066.html (дата обращения: 04.03.2021).

19. Boos E.J., Hoebee W., Peeperkorn M.G.C.M., et al. The Small-Scale LNG Facility in Rotterdam // Ports 2016: Port Planning and Development: Proceedings of the 14th Triennial International Conference. New Orleans, LA. USA: American Society of Civil Engineers, 2016. P. 193-202. DOI: 10.1061/9780784479902.020.

20. Anthony Veder Group. Anthony Veder Gas Tanker Fleet [Электронный ресурс], Режим доступа: https://anthonyveder.com/wp-content/ uploads/2020/09/Anthony-Veder-Fleet-list.pdf (дата обращения: 04.03.2021).

21. Возможности и перспективы развития малотоннажного СПГ в России / под ред. А.Ю, Климентьева, Т.А. Митровой, С.А. Капитонова, М.: Московская школа управления СК0ЛК0В0, 2018.

22. Manfred Seitz. Masterplan for LNG on Rhine-Main-Danube [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.prodanube.eu/ images/2015-06-10_LNG_Masterplan^Status-June_2015.pdf (дата обращения: 04.03.2021).

23. Hang Y., Bell M.G.H., Fu X., et al. Inland shipping network of LNG-fueled ships under emission control, - The case of China's Belt and Road shipping corridor along the Yangtze river // Working Paper ITLS-WP-19-09 [Электронный ресурс). Режим доступа: https://ses.library.usyd.edu.au/ bitstream/handle/2123/20385/ITLS-WP-19-09.pdf?sequence=l&isAllowed=y (дата обращения: 04.03.2021).

24. Wan С., Yan X.t Zhang D., etal. Emerging LNG-fueled ships in the Chinese shipping industry: a hybrid analysis on its prospects // WMU Journal of Maritime Affairs. 2015. Vol. 14. No. 1. P. 43-59. DOI: 10.1007/sl3437-015-0080-6.

25. Duran M. China's 1st hybrid inland ship sets sail on Yangtze River // Offshore Energy [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www. offshore-energy.biz/chinas-lst-hybrid-inland-ship-sets-sail-on-yangtze-river/ (дата обращения: 04.03.2021).

26. Bashar A. Small-scale LNG Carriers [Электронный ресурс]. Режим доступа: httpsV/wwwjnnovasjonnorge.no/globalassets/arrangementer/l— abdul-bashar.small.color.pdf/ (дата обращения: 04.03.2021).

27. Росводресурсы, ФГУП «РосНИИВХ». Проект нормативов допустимого воздействия по бассейну реки Обь. Книга 2. Пояснительная записка (отв. исполнитель А.П. Носаль) [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.old.salekhard.org/files/ndv-0b-2-pz.pdf (дата обращения: 04.03.2021).

28. Tanaka К. Study of Small Scale LNG Carrier / Bunkering Ship with DF Engine [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www,classnk.or.jp/ classnk-rd/assets/pdf/4_Study_of_Small_Scale_LNG_Carrier.pdf (дата обращения: 04.03.2021).

29. Guerrero С. Assessment of innovative small scale LNG carrier concepts // 19th International Conference and Exhibition on Liquefied Natural Gas. Shanghai: IGU, 2019 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.gti.energy/wp-content/uploads/2019/10/181-LNG19-04April2019-Guerrero-Carlos-paper.pdf (дата обращения: 04.03.2021).

30. Maillard S, Taking advantages of membrane for small-scale LNG value chain [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://lng-world.com/

Ing bal¡2014/slides/LNG%20Bali%20-%20Day%201%20PDF/2014-05-19 LNG%20transport%20Handling%20Storage%206TT.pdf (дата обращения: 04.03.2021).

31. GTT Group. Membrane tanks on inland gas tankers [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/ doc/2018/dgwpl5ac2/WP15-AC2-33-inf2 5e.pdf (дата обращения: 04.03.2021).

32. Каир M., Lozowicka D., Sl^czka W. A concept of an inland LNG barge designed for operation on the Odra waterway // Zeszyty Naukowe. Transport / Politechnika Sl^ska. 2017. Vol. 95. P. 75-87. DOI: 10.20858/sjsutst.2017.95.8.

33. Каир M., lozowicka D. The conceptual design algorithm of inland LNG barges // Management Systems in Production Engineering. 2017. No. 1 (25). P. 16-21. DOI: 10.1515/mspe-2017-0002.

34. VEKA Group. VEKA Group. DEEN Shipping Reveal Inland LNG Carrier Ship Design (The Netherlands) [Электронный ресурс]. Режим доступа: https:// www.offshore-energy.biz/veka-group-deen-shipping-reveal-inland-lng-carrier-ship-design-the-netherlands/ (дата обращения: 04.03.2021).

REFERENCES

(1) Head of the Republic of Sakha (Yakutia). Decree No. 883 of 12 December 2019. On the State Program of the Republic of Sakha (Yakutia)

"Development of the energy sector of the Republic of Sakha (Yakutia) for 2020-2024" (with rev. of 14 July 2020). Available from: http://docs.cntd.ru/ document/561697846 [Accessed: 4 March 2021]. (In Russian)

(2) Klimentyev AYu, Knizhnikov AYu. Prospects and Potential of LNG Use for Bunkering in the Arctic Regions of Russia. Moscow: WWF, 2018. (In Russian)

(3) Savosin D. A contract was signed for the construction of the Utrenniy LNG terminal of the Arctic LNG-2 project. Available from: https://neftegaz.ru/ news/spg-szhizhennyy-prirodnyy-gaz/618854-podpisan-kontrakt-na-stroitelstvo-spg-terminala-utrenniy-proekta-arktik-spg-2/ [Accessed:

7 March 2021]. (In Russian)

(4) Ivanov LV, Baranov AYu, Pluzhnikova DV. Prospects of using LNG water transport for autonomous gasification of remote regions. Gas Industry [Gazovaya promyshlennost']. 2020: 796(2): 52-58. (In Russian)

(5) Grigoriev EA. Economic assessment of resource-saving technologies of river vessels operation. PhD thesis. Siberian Transport University; 2014. (In Russian)

(6) Engblom K. LNG to Power in remote locations - the optimal way. Available from: https://www.researchgate.net/profile/Kenneth-Engblom/ publication/322293960_LNG_to_Power_in_remote_locations-the_optimal_way/links/5a512e3daca2725638c59221/LNG-to-Power-in-remote-locations-the-optimal-way.pdf [Accessed: 4 March 2021].

(7) APEC Energy Working Group. Study on Optimal Use of Small-scale Shallow-draft LNG Carriers and FSRUs in the APEC Region. Available from: https:// www.apec.org/Publications/2020/04/Study-on-0ptimal-Use-of-Small-scale-Shallow-draft-LNG-Carriers-and-FSRUs-in-the-APEC-Region [Accessed: 4 March 2021].

(8) Budiyanto MA, Pamitran AS, Yusman T. Optimization of the Route of Distribution of LNG Using Small Scale LNG Carrier: A Case Study of a Gas Power Plant in the Sumatra Region. Indonesia. IJEEP. 2019; 9(6): 179-187.

(9) Budiyanto MA. Riadi A, Buana I.G.N.S. Kurnia G. Study on the LNG distribution to mobile power plants utilizing small-scale LNG carriers. Heliyon. 2020; 6(7): Article ID e04538.

(10) APERC Institute of Energy Economics. Small-scale LNG in Asia Pacific. Tokyo: APERC Institute of Energy Economics; 2019. Available from: https:// aperc.or.jp/file/2019/9/27/small-scale+lng+in+asia+pacific.pdf [Accessed: 4 March 2021].

(11) Riviera Maritime Media. Kakurei Maru handles pressure build-up on Japanese coast. Available from: https://www.rivieramm.com/news-content-hub/ news-content-hub/kakurei-maru-handles-pressure-build-up-on-japanese-coast-50708 [Accessed: 4 March 2021].

(12) Strantzali E, Aravossis K, Livanos GA, Chrysanthopoulos N. A Novel Multicriteria Evaluation of Small-Scale LNG Supply Alternatives: The Case of Greece. Energies. 2018; 11(4): 903.

(13) Strantzali E, Aravossis K, Livanos GA. Evaluation of future sustainable electricity generation alternatives: The case of a Greek island. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2017; 76: 775-787.

(14) Riviera Maritime Media. Japan back small-scale logistics to buoy gas-fuelled shipping. Available from: https://www.rivieramm.com/opinion/japan-backs-small-scale-lng-logistics-to-buoy-gas-fuelled-shipping-29780 [Accessed: 4 March 2021].

(15) UNECE WPG. LNG Chapter2. Available from: https://www.unece.org/fileadmin/DAM/energy/se/pdfs/wpgas/session/lst_Session_Group_Experts_on_ gas/2_-_Chapter_2_LNG_Study.pdf [Accessed: 4 March 2021].

(16) Riviera Maritime Media. Rethinking coastal LNG in Japan. Available from: https://www.rivieramm.com/news-content-hub/news-content-hub/ rethinking-coastal-lng-in-japan-41557 [Accessed: 4 March 2021].

(17) Duran M. Japan's 1st LNG bunkering vessel ready to start ops. Available from: https://www.offshore-energy.biz/japans-lst-lng-bunkering-vessel-ready-to-start-ops/ [Accessed: 4 March 2021].

(18) NYK Line. NYK Receives Delivery of Japan's First LNG-fueled Vessel. Available from: https://www.nyk.com/english/news/2015/004066.html [Accessed: 4 March 2021].

(19) Boos EJ, Hoebee W. Peeperkorn MGCM, Sibbes R. The Small-Scale LNG Facility in Rotterdam. In: Oates D. Burkhart E, Grob J. (eds.) Ports 2016: Port Planning and Development: Proceedings of the 14th Triennial International Conference, 12-15 June 2016, New Orleans, LA, USA. New Orleans. LA. USA: American Society of Civil Engineers; 2016. p. 193-202.

(20) Anthony Veder. Anthony Veder Gas Tanker Fleet. Available from: https://anthonyveder.com/wp-content/uploads/2020/09/Anthony-Veder-Fleet-list. pdf [Accessed: 4 March 2021].

(21) Klimentyeva AYu, Mitrova TA, Kapitonov SA (eds.). Opportunities and Prospects for the Development of Small-Tonnage LNG in Russia. Moscow: SK0LK0V0 Moscow School of Management; 2018. (In Russian)

(22) Manfred Seitz. Masterplan for LNG on Rhine-Main-Danube. Available from: https://www.prodanube.eu/images/2015-06-10_LNG_Masterplan_Status-June_2015.pdf [Accessed: 4 March 2021].

(23) Hang Y, Bell MGH, Fu X, Ged YE. Inland shipping network of LNG-fueled ships under emission control, - The case of China's Belt and Road shipping corridor along the Yangtze river. Available from: https://ses.library.usyd.edu.au/bitstream/handle/2123/20385/ITLS-WP-19-09. pdf?sequence=l&isAllowed=y [Accessed: 4 March 2021].

(24) Wan C. Yan X, Zhang D, Shi J, Fu S, Ng AK. Emerging LNG-fueled ships in the Chinese shipping industry: a hybrid analysis on its prospects. WMU Journal of Maritime Affairs. 2015; 14(1): 43-59.

(25) Duran M. China's 1st hybrid inland ship sets sail on Yangtze River. Available from: https://www.offshore-energy.biz/chinas-lst-hybrid-inland-ship-sets-sail-on-yangtze-river/ [Accessed: 4 March 2021].

(26) Bashar A. Small-scale LNG Carriers. Available from: https://www.inn0vasj0nn0rge.n0/gl0balassets/arrangementer/l—abdul-bashar.small.color.pdf/ [Accessed: 4 March 2021].

(27) Federal Water Resources Agency, Russian Research Institute for Integrated Water Management and Protection. Draft permissible impact standards for the Ob River basin. Book 2. Explanatory note (executive director Nosal AP). Available from: http://www.old.salekhard.org/files/ndv-0b-2-pz.pdf [Accessed: 4 March 2021]. (In Russian)

(28) Tanaka K. Study of Small Scale LNG Carrier / Bunkering Ship with DF Engine. Available from: https://www.classnk.or.jp/classnk-rd/assets/pdf/4_ Study_of_Small_Scale_LNG_Carrier.pdf [Accessed: 4 March 2021].

(29) Guerrero C. Assessment of innovative small scale LNG carrier concepts. In: IGU, GTI, 11F LNG2019: Proceedings of the 19th International Conference and Exhibition on Liquefied Natural Gas, 1-5 April 2019, Shanghai, China. Shanghai: IGU; 2019. Available from: https://www.gti.energy/wp-content/ uploads/2019/10/181-LNG19-04April2019-Guerrero-Carlos-paper.pdf [Accessed: 4 March 2021].

(30) Maillard S. Taking advantages of membrane for small-scale LNG value chain. Available from: http://lng-world.com/lng bali2014/slides/LNG%20 Bali%20-%20Day%201%20PDF/2014-05-19_LNG%20transport%20Handling%20Storage%20GTT.pdf [Accessed: 4 March 2021].

(31) GTT Group. Membrane tanks on inland gas tankers. Available from: https://www.unece.org/fileadmin/DAM/trans/doc/2018/dgwpl5ac2/WP15-AC2-33-inf25e.pdf [Accessed: 4 March 2021].

(32) Kaup M, Lozowicka D. Sl^czka W. A concept of an inland LNG barge designed for operation on the Odra waterway. Zeszyty Naukowe. Transport / Politechnika Sl^ska. 2017; 95: 75-87.

(33) Kaup M, Lozowicka D. The conceptual design algorithm of inland LNG barges. Management Systems in Production Engineering. 2017; 25(1): 16-21.

(34) VEKA Group. VEKA Group, DEEN Shipping Reveal Inland LNG Carrier Ship Design (The Netherlands). Available from: https://www.offshore-energy.biz/ veka-group-deen-shipping-reveal-inland-lng-carrier-ship-design-the-netherlands/ [Accessed: 4 March 2021].

УДК 621.642

Методика подбора криогенных резервуаров для модернизации проектов малотоннажных судов

Л. В. ИВАНОВ1, д-р техн. наук А. Ю. БАРАНОВ2, канд. техн. наук Т. А. МАЛЫШЕВА1, А. М. АНДРЕЕВ3

1 Университет НТМО ЮОО «Научно производственное предприятие «КРИОН» ттц «СИНТЕЗ», АО «ШИЭФА» E-mail: [e-mail]

В статье рассмотрены существующие корабельные системы продуктовых и топливных танков. При проектировании новых или реконструкции существующих танкеров для перевозки СПГ, необходимо решать задачу выбора типа криогенных резервуаров. Криогенные резервуары малого объема существенно отличаются от криогенных танков океанских танкеров, размерами, конструктивными решениями и режимом эксплуатации. Задача формирования парка речных и каботажных СПГ танкеров необычайно актуальна для Российской Федерации, в виду малой плотности населения, неразвитости дорожной сети и удаленности населенных пунктов от источников природного газа. Учитывая масштабы проблемы наиболее привлекательным с инвестиционной точки зрения вариантам производства таких судов, является модернизация выработавших свой ресурс нефтеналивных танкеров. При такой модернизации необходимо заменить продуктовые емкости для нефтепродуктов криогенными цистернами. Нужно максимально использовать грузоподъемность и объем трюмного пространство судна, а также обеспечить удовлетворительные показатели потерь СПГ от испарения. Ключевые слова: CCS, LNT A-BOX. IHI SPB. LNG LPV, двудольные танки, мультидольные танки.

Информации о статье:

Поступила в редакцию 03.02.2021. принята к печати 02.03.2021 БОГ 10.17586/1606-4313-2021 -20-1-40-45 Язык статьи — русский Для цитирования:

Иванов Л. В., Баранов А. Ю., Малышева Т. А„ Андреев А. М. Методика подбора криогенных резервуаров для модернизации проектов малотоннажных судов // Вестник Международной академии холода. 2021. № 1. С. 40^4-5 ЭО!: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-40-45

Selection of cryogenic tanks for modernization of small-scale LNG carriers

L. V. IVANOV1, D. Sc. A. Yu. BAKA\OV!,/7; D. T. A. MALYSHEVA1, A. M. ANDREEV3

lITMO University 2LLC «Research and Production Enterprise «KRION» lSTC «SINTEZ», JSC «NIIEFA» E-mail: [e-mail]

The article examines the existing ship systems of food andfuel tanks. When designing new or renovating existing LNG carriers, it is necessary to solve the problem ofchoosing the type of cryogenic tanks. Cryogenic timks ofsmall-scale volume differ significantly from cryogenic tanks ofocean tankers in size, design solutions and operating mode. The task of forming afleet ofinhmd mid coastal LNG carriers is extremely relevantfor the Russian Federation due to its low population density, underde]'eloped road network, and the remoteness of settlements from natural gas sources. Taking into account the scale of the problem, the most attractive option for production of such vesselsfrom an investment point of view is the modernization of out-of-date oil tankers. With such modernization, it is necessary to replace the product tanks for dieselfuel with cryogenic tanks. It is necessary to maximize the use of the cargo capacity and volume of the ship hold space as well as to ensure satisfactory rates of LNG losses from evaporation. Keywords: CCS. LNT A-BOX. IHI SPB. LNG LPV. bilobe tanks, multilobe tanks.

Arlk le info:

Received 03/02/2021. accepted 02/03/2021 DOI: 10.17586/1606-4313-2021 -20-1 -40-45 Article in Russian For citation:

Ivanov L. V.. Baranov A. Yu.. Malysheva T. A.. Andieev A. M. Selection of cryogenic tanks for modernization of small-scale LNG carriers. Journal of International Academy of Refrigeration. 2021.No 1. p. 40-45. DOI: 10.17586/1606-4313-2021-20-1-40-45

Введение

Сжиженный природный iяч (СПГ) является экологичным и дешевым энергоносителем. Потребность пасс-ленных пунктов северных регионов России в энергоресурсах целесообразно покрывать, используя CIГГ вместо традиционного дизельного топлива (ДТ). Учитывая особенности этих территорий, единственным рациональным способом транспортировки достаточных объемов СПГ является водный транспорт. Для транспортирования СПГ применяются ра зличные системы судовых криогенных танков. В специфических российских условиях, где источник СПГ в северном регионе (терминал Сабстта или строящийся терминал Утренний) располагается в морском районе навигации, а потребители распределены по берегам Обской, Тазовской губы и крупных магистральных рек, для перевозки СПГ рационально использовать суда смешанного типа плавания («река-море»)

Однако разработка новых проектов малотоннажных специализированных танкеров-газовозов потребует больших затрат времени и денежных средств. Более удобным решением представляется использование уже выпущенных проектов корпусов нефтеналивных речных танкеров, которые могут быть модернизированы и адаптированы под транспортирование СПГ. Первоочередной задачей для такой модернизации является определение наиболее подходящего типа гру зовых криогенных танков, которые будут установлены на модернизированном судне. Сходный подход был предложен в Т Горвегии для модернизации вспомогательных судов для использования в качестве СПГ бункеровщиков [1].

Существующие типы криогенных танков

Для морской крупнотоннажной транспортировки СПГ наибольшее распространение получили мембранные системы хранения. Это связано с их высокими к компактности и удельному весу системами хранения крио-продукта. Наиболее часто используются, разработанные компанией GTT. системы Mark III и No96 [2] Использование мембранной конструкции накладывает жесткие ограничения на условия их эксплуатации. При морской транспортировке, эти танки эксплуатируются только в заполненном, объем паровой части танка не более 10%, или практически пустом, объем паровой части танка более 90%, состоянии. Танкер полностью заполняется криогенной жидкостью в месте загрузки и полностью опорожняется от нее в месте выгру зки.

Для речной или каботажной перевозки СПГ такой режим эксплуатации, а следовательно и конструкция мембранных танкеров не подходят. Малотоннажные СПГ танкеры должны иметь возможность двигаться в условиях частичного заполнения судовых криогенных резервуаров, что позволит отгружать СПГ по маршруту движения судна. Эта логистическая концепция получила название «milk run» «принципом молоковоза» и применяется для доставки СПГ потребителям Индонезии [3].

Непригодность для такой транспортировки танков выполненных по мембранной технологии связана с тем, что движение судна вызывает слошинг. возникновение

болн криопродукта внутри танка. Для тонкой мембраны динамические нагрузки вызванные слошингом губитель-

ны, поэтому мембранные хранилища защищают от разрушения технологически.

Компания GTT адаптировала систему хранения Mark III Flex под условия эксплуатации малотоннажных танкеров. Снижение вреда от слошинга достигается за счет увеличения плотности и армирования теплоизоляции [4]

Недостатком таких систем является то, что мембранные танки являются неотъемлемой частью корпуса. Это не позволяет встраивать их в уже существующие суда. По этой причине они не могут быть рассмотрены для возможного проекта модернизации речных танкеров для перевозки СПГ

Для организации системы хранения криогенного груза на речных су дах являются вкладные независимые танки. Кодекс перевозки сжиженных газов наливом (IGC) регламентирует три основных вида независимых танков: А. В и С [5].

Криогенные тапки типа А представляют собой призматические резервуары с полным двойным барьером, они соответствуют установленным речным регистром методами расчета судовых конструкций [6]. Известны два варианта практической реализации криогенного танка типа А, это системы хранения LNT А-ВОХ и Torgy A-Tank.

Система I.NT А-ВОХ в последние годы получила широкое распространение. Спущено на воду судно «Saga Dawn», на котором установлены танки этой системы [7]. Тепловая изоляция толщиной 350-400 мм нанесена на внешнюю поверхность вторичного (внешнего) барьера танка, т. е. находится в пространстве между боротом судна и вггорым барьером. Средняя, ширина этого пространства 600 мм [8]-[9], поэтому нанесение изоляции не создает препятствий внешнего для обследования поверхности танка специалистами. Система хранения СПГ полностью вписана в габариты корпуса судна, которое имеет плоскую палубу. Динамические нагрузки, создаваемые СПГ. распределяются на первом герметичном барьере, и не воздействуют па тепловую изоляцию. Из-за этого в конструкции применена неармированная теплоизоляция с низкой плотностью и теплопроводностью. Заявленный коэффициент BOR (удельные потери криогенного груза от испаряемости) для этого судна составил 0,15% в сутки. Средний удельный вес системы хранения груза составляет от 90 кг/м3 для танков объемом 5000 м3 до 50 кг/м3 для танков объемом 20 тыс. м3. Допустимое внутреннее давление паров СПГ не более 0,4 МПа [10] Танки типа А легко могут быть адаптированы к различным формам корпусов судов, поэтому уже разработаны и одобрены проекты судов станками такого типа это проекты «Wuhan Мах» на 28,5 тыс. м3 СПГ и «Yichang Мах» на 12 тыс. м3 СПГ [11].

Система Torgy A-Tank ориентирована на меньшие объемы перевозимого СПГ малотоннажными судами. Танки этой системы работают в дренажном режиме при атмосферном давлении |10|, при условии, что весь образующийся отпарной газ отводится из танка. Призматический дизайн системы позволяет ей выступать над поверхностью палу бы. В настоящее время строятся 2 самоходные бункеровочные баржи с малой осадкой, которые будут эксплуатировать на Балтике [12].

Танки типа В — независимые танки с частичным вторичным барьером, который выполнен в виде поддона.

Рис. 2. Расположение танков Рис. 2. Arrangement of the tanks

Схема расположения криогенных резервуаров в корпусе судна зависит от типа судна и геометрических параметров корпуса. Малотоннажные СПГ танкеры относятся к классу 2G.

Минимальное расстояние от наружной обшивки до поверхности изоляции криогенного танка определяется в зависимости от объема танка. Согласно DNVGL 4.1.1.1, Это расстояние равняется В/15 или d (в зависимости от того, что меньше). В — ширина судна, d — защитное расстояние от наружной поверхности борта до металла танка.

— Для Г< 1000 м3, расстояние d составляет с/=0,8 м;

— Для 1000 <Г<5000м5 —¿=0.75+0.2174000 м.

Максимальный объем одного тапка для танкера 2G

ограничен 3000 м3. Минимальное расстояние внутри корпуса между танками зависит от их формы. Для плоских поверхностей призматических танков расстояние составляет 600 мм. Для танков с покатой поверхностью — 380 мм. Трюмное пространство судна должно быть ограничено с обеих сторон коффердамами (узкими непроницаемыми для газов отсеками) толщиной не менее 600 мм.

Дискуссионным вопросом являются габаритные ограничения размеров танка в надпалубном пространстве. Так, в правилах РРР (часть IX. 1.2.1.6) указано, что грузовое пространство Судна состоит из подпалубного и надпалубного пространства. Надпалубное пространство по высоте ограничено уровнем 3 м над поверхностью палубы. При этом, правило 6.3.10 не допускает призматическим танкам возвышаться над верхней палубой судна. В тоже время, в статье [26] указывается, что танк не должен выступать из подпалубного пространства судна более, чем наполовину.

Обобщая эти рекомендации можно вывести условие расположения танка над палубой: /?н < 3 или /г„ < DU, если /¡„>0/2.

Здесь ltH — высота надпалубного пространства, м; hn — высота подпалубного пространства, м.

Максимальная длина одного танка определяется по формуле:

1=1оа- 0.2,

где loa — максимальная длина судна, м.

Из анализа малотоннажного флота и существующих правил логично заключить, что техническое решение

об установке призматических танков исходит из соотно-

шения между объемами подпалубного и надпалубного пространств.

Расчеты приводятся на примере модернизации танкера Ленанефть 621, Корпус судна имеет следующие параметры: ширина корпуса 14,8 м, высота борта 5,2 м, толщина двойного дна 0.8 м, толщина двойного борта 1,2 м. длина трюма 70 м.

Расположенные в этом корпу се призматические и двудольные танки типа С показаны на рис. 2.

Площадь поперечного сечения подпалубного пространства рассматриваемого судна составит:

5п=6 -йп; £„=54,6 м2,

где Ъ — ширина трюмного пространства, м; Ип — высота подпалубного трюмного пространства, м.

Площадь надпалубного пространства:

5„=6'/гн; 5„=37,2 м:,

где — высота надпалубного трюмного пространства, м.

Доля площади сечения, пригодного для размещения систем хранения груза, приходящаяся на подпалубное пространство составляет п„= 0,595, соответственно доля надпалубного пространства и„=0.405.

Для призматического танка коэффициент полезного использования пространства пригодного для размещения системы хранения составляет 45 %, а для двудольного танка этот показатель достигает 65%.

Двудольный танк позволяет лучше использовать использования пространства пригодного для размещения системы хранения, за счет того вывода значительной части объема танков в надпалубное пространство. В случае модернизации судна Ленанефть 621 с установкой призматических танков расчетный объем перевозимого СПГ составляет 2540 м3. Для системы хранения составленной из двудольных танков этот объем возрастает до 3880 м3.

Для судов с другой формой корпуса доля падпалуб-ного пространства будет меньше. Например для судна с шириной Л=30 м; высотой трюма — 10 м, доля подпалубного пространства возрастет до нп=0,77, доля надпалубного пространства уменьшится до «„=0,23. В результате коэффициент использования пространства призматическими танками составит 72%, для двудольных танков 60%.

На рис. 3 изображен график зависимости использования общего пространства от доли подпалубного пространства для призматических и двудольных танков,

0.6 0,65 0.7 0,75 3.8 «SS

Доля поцпэлубного пространства

Рис. 3. Зависимость использования пространства от доли подпалубного пространства для танков различных типов Fig. 3. Dependence of the Space usage on the volume of underdeck space for various tanks

Для судов большого размера выгоднее использовать призматические танки. Значение доли подпалубного пространства. после которого становится выгоднее использование призматических танков, составляет 0.7.

Форма танка типа С зависит от ширины трюмного пространства. При условии, что габаритный диаметр танка вместе с теплоизоляцией составляет:

D=2r=hH+hn.

Существует мнение, что оптимальное расстояние между центрами долей в двудольном танке варьируется от 0,357? до 0,75/?. Это соотношение получено из анализа напряжений, толщины стенок и стоимости сооружения танков подобной конструкции [21].

Тогда можно вывести зависимость формы танка типа С от ширины трюмного пространства:

— цилиндрические танки — Ь < 1,35 (й„+/0-

— двудольные ганки — 1,35 (/?H+/?j < Ь < 1,8

— мультидольные танки —Ь > 1.8 (/)„ l h„).

После определения типа, формы, объема и количества танков на судне, может быть определен общий вес систем хранения груза.

Заключение

В результате проведенного исследования предложена методика выбора типа, формы и размеров криогенных танков для хранения СПГ при разработке проектов малотоннажных нефтеналивных судов. Данная методика позволяет определить наиболее подходящий тип и форму криогенных танков, по известным размерам трюма и корпуса судна. При доле подпалубного пространства в общем грузовом пространстве судна больше 0,7 более рационально использовать для модернизации призматические ганки. При использовании танков типа С. форма и размеры хранилища определяется в зависимости от соотношения параметров высоты и ширины трюмного пространства.

Литература/References

rivieramm.com/news-content-hub/convert-yoiir-existing-osv-to-a-small-scale-lng-bunker-vessel-54037 (Date of request 19.11.2020)

2, GIIGNL, Annual Report. 2020. [Electronic resource]: https://giignl. org/sites/default/files/PUBLIC AREA/Publications/ giignl - 2020 annual report - 04082020.pdf (Date of request 15.11.2020)

3, Muhammad Arif Budiyanto, Agus Sunjarianto Pamitran. Triana Yusman. Optimization of the Route of Distribution of LNG using small scale LNG carrier: A case study of a gas power plant in the Sumatra Region, Indonesia, international Journal of Energy' Economics and Policy, 2019, 9 (6), pp 179—187 https://doi. org/10.32479/ijeep. 8103

4 GTT. Membrane tanks on inland gas tankers. 2018. [Electronic resource]: https://www.unece.org/fileadmin/D4M'trans/doc/2018/ dgwpl5ac2/WPl 5-AC2-33-inf25e.pd f (Date of request 15.11.2020)

5. IGC Code Int. Code for Construction and Qquipment of Ships Carryong Liquified Gases in Bulk {MSC. 177 (79))

6. Российский речной регистр. Правила технического наблюдения за постройкой судов и изготовлением материалов и изделий дня судов (ПТНП) 2019. [Russian River Register-Rules lor technical supervision of the construction of ships and the manufacture of materials and products for ships (PTNP). 2019. (in Russian)]

7. John Synder. Unique mid-scale LNG carrier lifts first cargo in Singapore. 2020. [Electronic resource]: https://www.rivieramm. com/news-content-hub/news-content-hub/unique-mid-scale-lng-carncr-lifts-first-cargo-in-singaporc-59109 (Date of request 15.11.2020)

8. David Wu. LNT A-Box lor Small & Mid scaled LNG Carriers, 2019, P. 46.

9. Simple containment solution diversifies market. 2019 [Electronic re source]: https://] nt ma ri ne.com/wp-content/uploads/2020/06/ simple-containment-solutions-diversifies-market.pdf (Date of request 15.11.2020)

10. LNT A-Box. General presentation. 2016. [Electronic resource] http://www.lngnewtech.com/images/documents/161021-LNT-General-presentation.pdf (Date of request 15.11.2020)

11. IMO, Type A LNG containment system tank Torgy A-box. [Electronic resourcej: https://www.torgy.no/component/k2/ download/55 ¿40944607 c3de948a3e36 c46062beb72 (Date of request 15.11.2020)

12 Peter Pospiech. LNG Supply BV and Torgy LNG AS build selt-propelled LNG bunker barges 2017. [Electronic resource]: http:// www.veus-shipping.com/2017/04/lng-supply-bv-and-torgy-lng-as-build-self-propelled-lng-bunker-barges/ (Date of request 15.11.2020)

13. Study on oplimal use of small-scale shallow-draft LNG carriers and FSRUs in the APEX Region. APEC Energy Working Group, Berkeley Resear Group, LLC. 2020

14. Japan's SPB containment system comes of age, 2017 [Electronic resource]: https://www.rivieramm.com/news-content-hub/news-content-hub/japans-spb-containment-system-comes-of-age-30031 (Date of request 15.11.2020);

15. Nagata Yoshinori, Tanoue Akira,Kida Takayouki, Kawai Takashi. 1HI-SPB tank for LNG-fueled ship. 1H1 Engineering Review. 2015. Vol. 47. No 2. Pp. 15-21.

16. NLI LNG storage solution General Presentation. 2013. [Electronic resource]: http://mailing.ztw.pl/iiles/Baltexpoa013/prezentacje/15_ rancs nli prcscntation_no2.pdf(Datc of request 18,11 2020)

17. LNG Bunker Barge design. 2013. [Electronic resource]: https:// www.rivicramm.com/news-contcnt-hub/lng-bunkcr-bargc-design-40032 (Date of request 15,11.2020)

18. John Snyder. New gas containment tank gets «Digital Twin» ready AiP. 2020. [Electronic resource]: https://www.rivieramm.com/ news-content-hub/news-content-hub/new-gas-containment-tank-gcts-lsquodigital-twin-readvrsquo-aipnbsp-60876 (Date of request 18.11.2020)

19 Баранов А Ю., Пеанов Л. В. Конструкционный анализ типов корпусов криогенных барж-резервуаров хранения СПГ ■ Морской Вестник. 2020 № 1 (73). С. 17-20. [Baranov A Yu., IvanovL. V Structural analysis of hull types of cryogenic barges-LNG storage tanks. Sea Bulletin. 2020. No. 1 (73). pp. 17 20. (in Russian)]

20. Mathias Jansson Innovations in large volume LNG fuel gas handling solutions. [Electronic resource]: https://www.slidcsharc. net/MathiasJanssonl innovatioiis-in-laige-volume-lng-fuel-gas-handling-solutions (Date of request 18.11.2020)

21. Mohammadreza Salarkia, Sa'id Golabi, Bchzad Amirsalari. Optimum Design of Liquified Natural Gas Bi-lobe tanks using finite element, genetic algorithm and neural network. J. Appl Comput. Klech., 2020. 6 (4). DOE 10.22055/JACM. 2019.14801

22. Lattice Pressure vessel brochure. 2017. [Electronic resource]: http:// lattice.tjlink.co.kr/pdf'Lattice Pressure Vessel Brochure 2017. pdf (Date of request 19.11.2020)

23. Patent — Tank arrangement Publication number — 20190078734. Warstila Finland OY (Vaasa). Inventor Soren Karlsson F17C3/02 (20060101). [Electronic resource]: https://patents.justia.com/ pate nt/20190078734# description (Dale of request 19.11.2020)

24 Rhus Berry Asia Pacific: first LNG-fuelled ship with lattice pressure vessel tank now in service. 2019. [Electronic resource]: https:// www.buiikerspot.com/asia/48747-asia-paeific-first-lng-fuclled-ship-with-lattice-pressure-vessel-tank-now-in-service (Date of request 19.1E2020)

25. DNVGL. Rules for classification. Ships. Part 5 Ship types. Chapter 7 Liquefied gas tankers. 2017.

26. Milan Kalajdzic. Darko Bobic. Unconvetional inland LNG carrier design for the river Danube. 23th Symposium on Theory and Practice of Shipbuilding SORTA 2018, 27-29 Sep 2018. Split. Croatia. [Electronic resource]: https://www.researchgate. net/publication/336579736 (Date of request 23.11.2020).

Сведения об авторах

Иванов Лев Владимирович

Аспирант факультета энергетики и экотехнологий Университета ИТМО. 191002, Сапкт-1 Еетербург, ул. Ломоносова, 9. [e-mail]

Information about authors

Ivaiiov Lev Y

Graduate student of Faculty of Energy and Ecotechnology of If MO University, 191002. Russia, SI. Petersburg, Lomonosov str.. 9, [e-mail]

Баранов Александр Юрьевич

Д. т. н. профессор, руководитель департамента научных исследований ООО «Научно-производственное предприятие «КРИОН» 197375. Санкт-Петербург, Макулатурный проезд, 4. литер А, [e-mail]

Baranov A leksandr Yu.

D. Sc., Professor, Head of R&D department ofLLC «Research and Production Enterprise «KRJON». Russia, 197375, St. Petersburg, Makulaturniy passage. 4A, [e-mail]

Малышева Татьяна Алексеевна

К. т. н, доцент, доцент факультета программной инженерии и компьютерной техники Университета ИТМО, 197101. Сапкт-11етербург. Кронверкский проспект, 49. [e-mail]

Malysheva Tatiana A.

Ph. D , Docent, Docent of the Faculty of Software Engineering and Computer Systems of ITMO University, 197101, St Petersburg, Kronverkskiv prospect, 49. [e-mail]

Андреев Анатолий Михайлович

Инженер-исследователь 1 категории, лаборатория БЛ-2, отдел БИ-2, НТЦ «СИНТЕЗ», АО «НИИЭФА», 96641, Санкт-Петербург пос Металлострой. дорога на Металлострой, 3, [e-mail]

Andreev Anatoliv M.

Research engineer of the 1st category, BL-2 laboratories, Bl-2 department, STC «SINTEZ», JSC «NIIEFA», 96641, St. Petersburg, pos Metallostroy, road to Metallostroy. 3. [e-mail]

О Перечне рецензируемых научных изданий

В соответствии с приказом Минобрнауки России от 25 июля 2014 г.. 1 декабря 2015 г. сформирован Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук.

Вестник Международной академии холода включен в Перечень рецензируемых научных изданий (по состоянию на 01.03.2021 г.) под№ 405.

Подробная информация о группах научных специальностей / научным специальностям и соответствующим им отраслям науки, по которым журнал включен в Перечень, на сайте ВАК в разделе «Документы»

htlps ://vak.minobrnaiiki.gov.ru/dociimenls#tab = lab: éditions-

УДК 004.942

Методика определения коэффициента конвективной теплоотдачи к СПГ на основе метода конечных элементов

Л. В. ИВАНОВ1 д-р техн. наук А. Ю. БАРАНОВ2, А. Ю. ИКОННИКОВА1. М. В. БАРАНОВ2

1 Университет ИТМО -Научно-производственное предприятие «КРИОН» E-mail: [e-mail]

В статье описан способ определения коэффициента конвективной теплоотдачи на основе табличных данных, полученных при .моделировании естественной конвекции методом конечным элементов. Существующие методы расчета коэффициентов конвективной теплоотдачи пригодны только для описания процессов теплопередачи в недогретой жидкости и перегретом паре. При хранении криогенных жидкостей флюид находится в насыщенном состоянии. Точные значения коэффициентов конвективной теплоотдачи для криогенных жидкостей при различных давлениях и значениях теплового напора могут быть рассчитаны при помощи существующих программных продуктов. Но, численное моделирование в специализированных САПР-комплексах (ANSYS, COMSOL и др.) это долгий процесс, связанный с использованием значительных вычислительных мощностей, что ограничивает его использование для моделирования нестационарных процессов в крупных физических объектах. В работе предложен метод определения значений коэффициентов конвективной теплоотдачи с пользованием метода конечных элементов. Численное моделирование процесса конвекции выполнено с использованием модели Volume of Fuid (VoF) и приближения Бусинеска. При выборе модели турбулентности учитывалось в.зияние теплового напора на режим движения жидкости. С использованием предложенной методики составлена таблица коэффициентов конвективной теплоотдачи жидкого метана для диапазона рабочих давлений от 0,1 МПа до 2 МПа и рагзичных значениях теплового напора. Использование подобных таблиц позволит значительно упростить моделирование процессов конвективного переноса теплоты в криогенных систем. Ключевые слова: конвективная теплоотдача, криогеника. хранение СПГ. CFD. Ansys Fluent.

Информации о статье:

Посту пила в редакцию 14.04.2023. одобрена после рецен зироваюи 07.07.2023, принята к печати 17.07.2023 DOI: 10.17586/1606-4313 -2023-22-3-74-79 Язык статьи — русский Д. ш цитировании:

Иванов Л. В., Баранов А. Ю., Иконникова А. Ю., Баранов М. В. Методика определения коэффициента конвективной теплоотдачи к СПГ на основе метода конечных элементов // Вестник Международной академии холода. 2023. № 3. С. 74-79. DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-3-74-79

Calculation of natural convection heat transfer coefficient towards LNG based on finite element method

L. V. IVANOV1, D. Sc. A. Yu. BARANOV2, A. Yu. IKONNIKOVA1, M. V. BARANOV2

ЧТМО University 2Scientific and Production Enterprise «KRYON» E-mail: [e-mail]

In this paper a method of calculation of heat transfer coefficient for natural convection based on the data obtained from finite element method is presented. Existing classical methods of calculating heat transfer coefficient are only suited for subcooled liquid and overheated vapor. Fluid is in saturated state under storage conditions of cryogenic liquid. Precise coefficient of heat transfer for different cryogenic fluids under different working parameters might he determined with existing software products for numerical modelling. Numerical modeling with special software (ANSYS, COMSOL etc) is time consuming process that requires significant computing power, that is why its usage for large and transient object and processes is limited. In this paper, a method of modelling of heat transfer coefficients based on finite element method for future classical parametric modelling is presented. Numerical model is based on VoF model and Boussinesq approximation. When choosing turbulence model, the change of theflow mode during natural convection with an increase of heat difference is taken into account. With the computational fluid dynamics obtained, a data sheet of heat transfer coefficients for liquid methane under wide range of working pressures from 0.1 MPa to 2 MPa and various temperature differences was created. The use of such tables might make modelling cryogenic systems easier. Keywords: convective heat transfer, cryogenic. LNG storage. CFD. Ansys Fluent.

Article info:

Received 14/04/2023. approved after reviewing 07/07/2023, accepted 17/07/2023 DOl: 10.17586/1606-4313-2023-22-3-74-79 Article in Russian For citation:

Ivanov L. V.. Baranov A. Yu.. Ikonnikova A. Yu„ Baranov M. V. Calculation of natural convcction heat transfer coefficient towards LNG based on finite element method. Journal of International Academy of Refrigeration. 2023. No 3. p. 74-79. DOI: 10.17586/1606-4313-2023-22-3-74-79

Введение

При моделировании криогенных систем очень важную роль играет тепловой расчет подвода теплоты через тепловое ограждение, который предполагает оценку интенсивности переноса теплоты между внутренней поверхностью ограждения и криопродуктом, что в свою очередь требует определения коэффициента конвективной теплоотдачи. При расчете коэффициентов теплопередачи не следует считать теплопроводность теплоизоляционного материала и стенок резервуара единственным механизмом, осуществляющим передачу теплоты из окружающей среды к криогенной жидкости. Существенное значение имеет эффективность переноса теплоты от внутренней стенки теплового ограждения, которая при определенных условиях определяется естественной конвекцией жидкости или пара. Движение криоагента в пристеночном слое при естественной конвекции быстро может происходить в различных режимах. Из-за крайне малой вязкости жидкостей режим движения становится турбулентным уже при малых тепловых напорах.

Специфика переноса теплоты через тепловое ограждение криогенных хранилищ криогенных хранилищ заключается в том, что плотность тепловых потоков мала, а криоагент находится в насыщенном состоянии. Популярные методы расчета интенсивности конвективного переноса теплоты хорошо описывают только теплоотдачу от поверхности к недогрстой жидкости или перегретому пару [1], При математическом описании теплоотдачи к системе из насыщенной жидкости и насыщенного пара наблюдаются значительные расхождения результатов расчета с экспериментальными данными.

Также существует проблема определения граничных условий вычислительного эксперимента. При моделировании процессов теплопередачи через тепловую изоляцию используется граничное условие второго рода, то есть задастся постоянное вычисляемое значение плотности теплового потока, зависящее от параметров тепловой изоляции. Но. традиционные формулы для определения коэффициента конвективной теплоотдачи используют граничное условие первого рода — заданну ю разность температур между греющей поверхностью и криоагентом.

Предлагаемый способ определения коэффициента конвективной теплоотдачи основан на использовании метода конечных элементов. Моделирование процессов, происходящих в крупных объектах, описываемыми сетками с большим количеством элементов, а также с большим количеством рассматриваемых процессов, описываемыми отдельными дифференциальными уравнениями приводит к усложнению расчетной модели. Сложные модели требуют значительных вычислительных мощностей для решения.

Однако, при помощи расчетных комплексов можно рассчитать значения коэффициента конвективной теплоотдачи: для различных сочетаний значений плотности теплового потока через тепловое ограждений резервуара и давлениях в парожидкостной системе. С помощью таких расчетов можно составить таблицы, которые будут пригодны для использования при параметрическом моделировании процессов тепломассобмепа в парожидкостной системе. Практика показывает, что параметрическое модулирование процессов парожидкостной системе требует значительно меньших затрат машинного времени, по сравнению с традиционными методиками, например методом конечных элементов.

В статье [2] авторы используют для моделирования передачи тепла через тепловое ограждение мембранного танка к СПГ программу STAR-CCM+, для того чтобы оценить объем парообразования. При моделировании конвективного переноса теплоты использована модель турбулентности RK-E и модель испарения Розенау (Rohsenow). С учетом этого все процессы рассмотрены как нестационарные.

Авторы статьи [3] применили модель VoF (Volume of Fuid) для исследования процессов испарения и конденсации паров ацетона в АБХМ. В численном эксперименте использована модель турбулентности Transitional SST (Shear Stress Transport) которая рекомендована для переходного режима движения жидкости.

В работе [4| авторы использовали ПО Ansys Fluent для моделирования процессов тепломассобмена на всех участках кривой кипения Авторы представляют объект моделирования в виде двухмерного геометрического объекта — расчетной зоне Для сохранения постоянного давления в процессе моделирования в верхней части расчетной зоны предусмотрен выход для образующегося пара. Моделирование переноса теплоты осуществляется с у четом нсстационарности процессов. Авторами принято допущение о ламинарном режиме движения в переходном слое криоагента. В качестве криогента рассматривается жидкий азот. Используется модель расчета агрегатного состояния —VoF. Граничные условия на стороне подогрева определяются двумя способами: фиксированной величиной теплового потока и фиксированным значением температуры греющей поверхности.

Авторы статьи [5] исследуют конвективный тепло-перенос в небольшом резервуаре СПГ при различных значениях давления и уровнях заполнения резервуара жидкостью. При построении математической модели авторы используют модель турбулентности SST К-с и модель VoF. Все теплофизические параметры определяются как функция от температуры в системе.

В работах [6, 7] авторы рассматривают конвекцию в резервуаре СПГ при атмосферном и повышенном давлении. Аналогично с подходом, изложенным в статье [3], они используют нестационарную постановку задачи и для поддержания постоянного давления в системе наверху расчетной зоны располагают выход пара. Для расчета текущего значения плотности жидкости авторы применяют приближение Бусинсска.

В работе [8] авторы описывают математическую модель крупнотоннажного резервуара для СПГ. в которой они моделируют перенос теплоты за счет естественной конвекции жидкости до момента начала пузырькового кипения. Результаты численного моделирования температуры начала пузырькового кипения совпадают с экспериментальными.

На основании проведенного обзора литерату ры создана модель, описывающая конвективный тепломассообмен в резервуаре. В разработанной модели нет допущения о постоянстве режима движения флюида в пристеночной зоне. В зависимости от режима движения подбирается модель турбулентности: для ламинарного режима, переходного и турбулентного.

Математическая модель

Главной проблемой математического моделирования переноса теплоты через ограждение криогенных емкостей к жидкости является несоответствие начальных данных и граничных условий,

Главной проблемой, возникающей при математическом моделировании переноса теплоты через тепловое ограждение к криогенным емкостям, является постановка граничных условий.

В большинстве случаев математические модели строятся с использованием граничных условий 1 рода, которые предполагают использование фиксированного значения температуры внутренней поверхности теплового ограждения, В то же время при тепловом расчете криогенных резервуаров чаще используют граничное условие второго рода, т. е. задают фиксированное значение плотности теплового потока через тепловое ограждение.

Уравнение теплопроводности в интегральной форме

[8]:

а г®, <1 г5, , х (дт

dx> о

ду

Н>

Та-Т & I у I I у

—-=-= а„ + а, — +<xJ —

Т-Тл 3, 0 Ms, s,

сюда получается приолиженное выражение, описывающее температуру внутри пограничного теплового слоя:

(3)

э _з ¡/ 1

По чакону Ньютона — Рихмана:

9 = -л(Тм-ТВй1Л)=а AT,

(4)

где с\ — плотность теплового потока. Вт/м-1. Тепловой

поток через изоляцию может быть определен по у равнению Фурье:

HfL-

Отсюда:

--Li's®]

Из уравнения (1):

£Э = 3 Х_ o~2's,*

Отсюда:

3 X а =---.

2 5,

(5)

(б)

(7)

(8)

(1)

где Тю — температура на греющей поверхности. К: Т — температура основного слоя. К; 7\ — температура на внешней поверхности теплового слоя. К.

Т5 можно разложить уравнение в степенной ряд по степеням у/5,.

(2)

Граничные условия для 9 следуют из граничных

условий для 7:

у=0, 9= 0;

Эти граничные условия дают следующие значения коэффициентов а: ао=3/2, К[=0. а;=0. а3=-1/2 и т. д. От-

Толщина теплового пограничного слоя [10|:

6, = %/яД Та, (9)

X

где « =--температуропроводность теплового по-

С„ р

граничного слоя. Все теплофизические значения принимаются для средней температуры теплового пограничного слоя.

Метод численного моделирования

Для нахождения значения коэффициента конвективной теплоотдачи необходимо определить значение теплового напора. Для это используется метод конечных элементов на базе ПО Ansys Fluent.

Поскольку СПГ состоит больше чем на 95% из метана — в данной модели принято допущение о том, моделируемую жидкость рассматривается как жидкий метан.

Задача решается в двухмерной постановке, что значительно упрощает и снижает вычислительную сложность.

По значениям базы данных REFPROP [11] были составлены полиномы, описывающие зависимости тепло-физических параметров метана от давления. Температура в системе принимается равной температуре насыщения метана при заданном давлении.

Т^=/(Р). (П)

Поверхностное натяжение жидкости: а = 3,46302Ю 7 Г2 2,7686-10 4 Г+3,9533-10 2. (12)

Удельная теплоемкость жидкости: Ср =1,0129-10 2 -Т3 -3,7380-Т2 +4,6912-10" ■71-1,6407-10J. (13)

Теплопроводность жидкости: X = -1,2451 ■ 10"7 -Т2 -1,3894 ■ 10"3 ■ Т +0,3405. (14)

Вязкость жидкости:

и = 8,0862 10"12 Т3 -3,0593-10"9 Тг +4,2524 -10 7 -Т -1,6354 • 10 s.

(15)

Плотность жидкости определяется в соответствии с корреляцией Буссинеска [12]:

р=р(Г)=ро(1-р0), (16)

где р — коэффициент теплового расширения; 9 — отклонение температуры от начального заданного условия, 9=Г— Г0.

При решении задач, включающих в себя испарение или конденсацию, для корректного расчета задастся плотность наиболее легкого флюида в системе.

Теплофизические свойства пара метана задаются постоянными для каждого значения давления.

Режим движения флюида при условии естественной конвекции определяется в зависимости от значения числа Рслея.

Ra = Gr ■ Pr

. jr ß AT f lift

Heating

Рис. I Расчетная модель Fig. I. Calculation model

— Ra > 510s— турбулентный неразвитый режим, используется модель Standard k-omega.

Для моделирования турбулентности выбрана модель k-omcga. которая более корректно описывает эффекты, происходящие в вязком ламинарном подслое жидкости. Для корректной работы модели турбулентности используется расчетная сетка с мелким шагом разбиения около поверхности нагрева. Использование модели k-omega связано с соблюдением условий. Так безразмерная длина от центроида ячейки до стенки:

у+~1. (18)

Высота первой ячейки определятся по формуле [15]:

h' -

У и

0,058-Re '

(19)

(17)

Поскольку в модели рассматривается конвективный теплоперенос теплоты нсдогрстой жидкостью, значение характерного размера I принимается равным толщине теплового пограничного слоя [13].

Граничное условие задается в виде условия первого рода — устанавливается фиксированная разница температур между греющей поверхностью и флюидом. Это позволяет рассчитывать значение числа Релея и определять режим движения жидкости. В зависимости от режима движения выбирается модель турбулентности. Также принимается условие прилипания, т. е. нулевая скорость на границе стенка-ноток (no-slip condition). Угол краевого смачивания принимается постоянным и составляет 5°. Участок верхней границы расчетной области является отверстием для выхода образовавшегося пара.

При значениях числа Релея [14]:

— Ra < 107— ламинарный режим, используется модель Laminar.

— 107< Ra < 510s— переходный режим, используется модель Transition k-kl-omega.

Pressure Outlet

где V — скорость движения потока жидкости в пристеночной зоне. Скорость естественной конвекции криогенных жидкостей составляет от 0,001 до 0,01 м/с [16].

На основании полученного значения высоты первого ряда ячеек, касающегося стенки, строится расчетная сетка.

В ходе численного решения решается уравнение неразрывности [17]:

^ + = (20)

где £„, — масса, добавленная в неразрывную фазу, г; Уравнение Навье-Стокса:

—(pu) + V(pu-L.) = -Vp + V(i} + f:

(21)

где т-тензор напряжении: р£—гравитационные силы:

внешние силы т = ц

(vü+vi3,,)-|v¡;-/j> (22)

где ц — молекулярная вязкость: /— единичный тензор. Уравнение энергии:

0(рЯ)

dt

(23)

рде к — энтальпия вещества, Дж/кг; Л— диффузионный поток, моль/ (мг,с); ^ — теплота химических реакций и распределенных источников тепла, Дж; Е — энергия:

E = h-

р+ 2

(24)

Для моделирования массопереноса применяется модель Ли [17] в сочетании с моделью УоЕ Выбор обоснован наличием четкой границы раздела жидкой и газообразной фаз.

Критерии сходимости решений дифференциальных уравнений установлены Ю-3 для уравнения энергии, параметров к и и' из модели турбулентности. Шаг изменения значения плотности теплового потока на греющей поверхности не превышает 10 3Вт/м-.

Расчеты были выполнены для диапазонов давлений от0,1 до 2 МПа и температурных напоров от 0,002 до 0,12 К. Результаты моделирования приведены в табл. 1.

Значении тепловых потоков

Characteristics of heat Hows

Таблица 1 Table 1

Температурный напор, К Давление. МПа

0,1 0,2 0,3 0.4 0,5 0,7 0,9 1,1 1.4 1,7 2

0,12 452.78 478.78 491.07 501.83 511,06 528,35 606,30 619,66 630,29 645,37 662,51

0.1 377,31 398,98 409,25 418.07 425,89 440.08 505,32 516,39 525,58 537.85 552,03

0,07 264,11 279,29 286,47 292,65 298,01 345.81 353,26 361,46 367,90 376,49 381,88

0,05 188,65 199,49 204,62 208,91 212,87 217,36 224,81 231.61 262,78 268,91 274,93

0,04 150,92 159,59 163,50 165,68 170.28 176,13 179.66 185.29 210,22 215.13 222.31

0,03 113.19 119.69 122,62 125.38 127.80 132,08 134.40 138.97 157,66 161,35 165,22

0.02 75,45 79,79 81.85 83,68 85,20 88.04 89,14 92,64 95,47 98.19 100.87

0,01 37,72 39,90 40,92 41.81 42.59 44,02 45,73 46,32 47,76 49,10 50,43

0,008 30,14 31,92 32,74 33,44 34,08 35,22 36,42 37,06 38,21 39,28 40,35

0,005 18.86 19,95 20,46 20,90 21,30 22,01 22.68 23.16 23,88 24,55 25,22

0,003 11.32 11,97 12,28 12,54 12,78 13,21 13.62 13,90 14,33 14,73 15,13

0,002 7,55 7,98 8,18 8,36 8,52 8,80 9,02 9,26 9,55 9,82 10,09

Температура, К

OXC№<« 1.ШСЫН U№k« ЭЛССОс-M 1Ш« S.WCOc W

Y. м

Рис. 2. Изменение толщины тейпового слоя при АТ=0,12 К и Р = 0,1 МП а

Fig. 2. Changes of thermal layer width at AT = 0.12 К and P = 0.1 МПа

На рис. 2 изображен график изменения температуры по толщине переходного теплового слоя. Полученные значения толщины теплового слоя коррелируют со значениями. получаемыми аналитически по формуле (9). Сравнение результатов, получаемых численным моделирование и аналитической формулой (9) представлено в табл. 2. По полученным данным видно, что значения, получаемые разными методами, одного порядка и сходны между собой.

Заключение

Для проведения теплового расчета криогенных резервуаров необходимо определять значение коэффициента конвективной теплоотдачи от внутренней поверхности теплового ограждения к криопродукту.

Таблица 2

Сравнение толщин переходного теплового слоя, определенных разными способами

Table 2

Widths of transitional thermal layer calculated by different methods

Температурный напор, ' К Численный истод, мм Аналитическая формула. мм

0,12 0,34 0,217186

0.1 0,29 0,198263

0.07 0,199 0,165879

0.05 0.19 0,140193

0,04 0,185 0,125393

0.03 0,188 0,108593

0,02 0,157 0,088666

0,01 0,1 0,062696

0,008 0,098 0,056077

0.005 0,089 0,044333

0,003 0,079 0,03434

0,002 0,04 0,028039

Существующие методы оценки величины коэффициента теплоотдачи при естественной конвекции крио-продуктов обеспечивает вычисления с достаточной точностью только для условий недогретой жидкости или перегретого пара. В тех случаях, когда флюид находится в насыщенном состоянии, эти методы неприменимы. Для расчета коэффициента теплопередачи применяются формулы, использующие значение теплового напора, который при моделировании теплоизоляции криогенных резервуаров это значение является неизвестным, и применяется другое граничное условие — фиксированный тепловой поток на греющей поверхности.

На основе использования методов вычислительной гидродинамики были составлены таблицы значений коэффициента теплоотдачи, которые позволяют установить связь между разными граничными условиями и определять значения теплового напора при различных давлениях в системе и параметрах изоляции. 1 Годобные таблицы могут быть составлены для наиболее используемых

криоагентов: азот, метан, водород и др. Численное моделирование методом конечных элементов больших и сложных систем является крайне ресурсоемким и времяза-тратным процессом. Однако использование подобных

таолиц в сочетании с параметрическим моделированием позволяет добиться точных и быстрых результатов моделирования без использования серьезных вычислительных мощностей.

Adrian Bejan. Convection Heat Transfer. Fourth Edition. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, USA, 2013. Gyu-Mok Jeon, Jong-Chun Park, Seongim Choi. Multiphase-thermal simulation on BOG/BOR estimation due to phase change in cryogenic liquid storage tanks .Applied Thermal Engineering. 5 February 2021, Vol. 184, 116264. https://doi.Org/10.1016/j. applthermaleng. 2020.116264

Ilayder I Mohammed, Donald Giddins, Gavin S. Walker. CFD multiphase modelling of the acctonc condensation and evaporation process in a horizontal circular tube. International Journal of Heut and Mass Transfer. May 2019. Vol. 134,P 1159— 1170. https://doi.Org/10.1016/j. ijheatmasstransfer. 2019.02.062 Yi Liu, Tomasz Olewski, LucN. Vechot Modeling of cryogenic liquid pool boiling by CFD simulation. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2015. Vol. 35, p. 125—134. Ferrin J. L.. Perez-Perez L J. Numerical simulation of natural convection and boil-otf in a small size pressurized LNG storage tank. Computers and Chemical Engineering. 2020. Vol. 138 P. 106840 https://doi.0rg/lO.lOl6/j. compchemeng. 2020.106840 Sangcun Roh, Gihun Son. Numerical study of natural convection in a liquefied natural gas tank. Journal of Mechanical Science and Technology. 2012, 26 (10), p. 3133-3140. DOI 10.1007/ s 12206-012-0820-x

Sangeun Roh, Gihun Son, Gildal Song, Junghong Bae Numerical study of transient convection 111 a pressurized LNG storage tank Applied Thermal Engineering 2013. Vol. 52. p. 209-220. http:// dx.doi.0rg/lO.lOl6/j. applthermaleng. 2012,11.021

Литература/References

8. Abdullah Saleem. Shamsizzaman Farooq. Iftekhar A. Karimi.

Raja Banerjee Wall superheat 1 the incipient nucleate boiling condition for natural and forced convection: A CFD approach. Computers and Chemical Engineering 2020 vol 134 p 106718. https://doi.0rg/lO.lOl6/j. compchemeng. 2019.106718

9. Фабрикант H. Я. Аэродинамика. M.: Наука, 1964. 816 с. [FabrikantN. Ya. Aerodynamics. M.: Nauka, 1964. 816 p. (in Russian)]

10. Chi-Ych Han, Peter Griffith The mechanism of heat transfer in nucleate pool boiling — Part I: Bubble initiation, growth and departure. International Journal о Heat and Mass Transfer. 1965, vol 8, pp 887-904. https://doi.org/10.1016/0017 -9310(65)90073-6

11. NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties Database (REFPROP): version 10. [Electronic resource]: URL: https://www.nist.gov/srd/refprop (date of application 28.03.2023)

12. Natural convection and buoyancy driven flows. [Electronic resource]: URL https://www.afs.enea.it/project/neptunius/docs/ fluent htm]/ug/node470, htm (date of application 29.03,2023);

13. Belmedani M . Belgacem A., Rebiai R. Analysis of natural convcction on liquid nitrogen under storage conditions. Journal of Applied Sciences 2008. 8 (14): 2544-2552.

14 Furst J.. Straka P. Prihoda J.. Simurda D, Comparison of several models of the laminar/turbulent transition. EPJ Web ofConferences. 2013. Vol . 45, p. 01032. DOI: 10.1051/epjeonf/20134501032

15. Ansys Fluent Users Guide Ansys Inc. 2013.

16. Randal F, Barron Cryogenic Heat Transfer CRC Press Boca Raton 1999. DOI: https://doi.org/10.1201/bl5230

17. ANSYS Fluent Theory Guide Ansys Inc. 2013.

Сведения об авторах Иванов Лев Владимирович

Аспирант, инженер, Университет ИТМО, 191002, Санкт-Петербург, ул. Ломоносова, 9, ^Мп^таи.га^ОКСЮ 0000-0002-6916-7154

Information about authors

Ivanov Lev V.

Postgraduate student. Engineer. ITMO University, Russia, 191002, St. Petersburg. Lomonosova str., 9, [e-mail]. ORC1D 0000-0002-6916-7154

Баранов Александр Юрьевич

Д. т. п.. профессор. Научно-производственное предприятие «КРИОН», 197375, Санкт-Петербург, Макулатурный проезд, 4, литер А. [e-mail], ORCID 0000-0002-9263-8153

Икошшкова Анастасия Юрьевна