Материал: Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

11.Мелькумов, В. Н. Формирование конвективных воздушных потоков при действии в помещении источника тепла / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов, С. П. Павлюков, Р. Н. Кузнецов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Сер.: Строительство и архитектура. — 2008. —

№12. — С. 76—80.

12.Мелькумов, В. Н. Моделирование задымленности помещений сложной конфигурации в начальной стадии пожара / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов, В. В. Гулак // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2010. — № 3 (19). — С. 131—139.

13.Мелькумов, В. Н. Прогнозирование фильтрации газа в грунте при его утечке из подземного газопровода / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов, С. П. Павлюков, А. В. Черемисин // Известия ОрелГТУ. Сер.: Строительство. Транспорт. — 2008. — № 3/19 (549). — С. 61—65.

14.Мелькумов, В. Н. Моделирование процесса ремонта внутридомового газового оборудования / В. Н. Мелькумов, Г. А. Кузнецова // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. —

2013. — № 1 (29). — С. 101—108.

15.Павлюков, С. П. Анализ состава и продолжительности эксплуатации газового оборудования / С. П. Павлюков, Г. А. Кузнецова, А. Н. Кобелев // Инженерные системы и сооружения. — 2012. — № 3 (8). — С. 16—23.

16.Awni, Al. Analysis of mechanical system ventilation performance in an atrium by consolidated model of fire and smoke transport simulation / Al. Awni, D. Hamzeh // International Journal of Heat and Technology. — 2015. —

№30 (3). — P. 121—126. — DOI: 10.18280/ijht.330318.

17. Juan, C. R. Numerical modeling of the natural ventilation of underground transformer substations / C. R. Juan, M. Beiza, G. Jon, A. Rivas, A. Raúl, G. S. Larraona, I. de Miguel // Applied Thermal Engineering. — 2013. — Vol. 51, № 1—2. — P. 852—863.

18. Ramponi, R. CFD simulation of cross-ventilation flow for different isolated building configurations: Validation with wind tunnel measurements and analysis of physical and numerical diffusion effects / R. Ramponi, B. Blocken // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. — 2012. — Vol. 104—106. — P. 408—418.

19. Ratnieks, J. Mathematical modelling of airflow velocity and temperature fields for experimental test houses / J. Ratnieks, A. Jakoviĉs, S. Gendelis // Proceedings of the 10th Nordic Symposium on Building Physics, 15— 19 June 2014. — Lund, Sweden, 2014. — P. 871—878.

20. Shu, K. Reasonable layout and numerical simulation of compound ventilation mode in power transformer room / K. Shu, Y. Huang, S. Zhang // Building Energy Efficiency. — 2010. — Vol. 38, № 1. — P. 34—38.

References

1. Kuznetsov, I. S. Algoritmy poiska optimal'noi trassy prokladki avtomobil'noi dorogi / I. S. Kuznetsov,

G.A. Kuznetsova, A. G. Mkrtchyan // Inzhenernye sistemy i sooruzheniya. — 2014. — № 2 (15). — S. 73—79.

2.Kuznetsov, I. S. Integrirovannye karty vliyayushchikh faktorov dlya vybora optimal'noi trassy avtomobil'noi dorogi / I. S. Kuznetsov, G. A. Kuznetsova, A. G. Mkrtchyan // Inzhenernye sistemy i sooruzheniya. — 2014. — № 2 (15). — S. 67—72.

3.Kuznetsov, S. N. Modelirovanie rasprostraneniya vrednykh veshchestv v soobshchayushchikhsya pomeshcheniyakh / S. N. Kuznetsov, K. A. Sklyarov, A. V. Cheremisin // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2008. — № 1. — S. 108—112.

4.Loboda, A. V. Ispol'zovanie metoda konformnykh otobrazhenii dlya opredeleniya polei skorostei vozdushnykh potokov v zadachakh ventilyatsii / A. V. Loboda, S. N. Kuznetsov // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2011. — № 1 (21). — S. 15—22.

5.Mel'kumov, V. N. Vzaimodeistvie ventilyatsionnykh vozdushnykh potokov s konvektivnymi potokami ot istochnikov teploty / V. N. Mel'kumov, S. N. Kuznetsov // Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. — 2009. — № 1. — S. 63—70.

№4. — S. 172—178.

7.Mel'kumov, V. N. Nestatsionarnoe pole kontsentratsii prirodnogo gaza v skvazhine pri ego utechke iz podzemnogo gazoprovoda / V. N. Mel'kumov, S. N. Kuznetsov, S. P. Pavlyukov, A. V. Cheremisin // Privolzhskii nauchnyi zhurnal. — 2008. — № 4. — S. 98—103.

8.Mel'kumov, V. N. Nestatsionarnye protsessy formirovaniya sistemami ventilyatsii vozdushnykh potokov v pomeshcheniyakh / V. N. Mel'kumov, S. N. Kuznetsov, A. V. Cheremisin, K. A. Sklyarov // Izvestiya OrelGTU. Ser.: Stroitel'stvo i transport. — 2007. — № 3—15. — S. 36—42.

9.Mel'kumov, V. N. Osobennosti teplomassoobmena potoka dvukhfaznogo teplonositelya na lopasti vikhrevogo zavikhritelya / V. N. Mel'kumov, V. A. Lapin, A. N. Kobelev // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2008. — № 3. — S. 119—124.

10.Mel'kumov, V. N. Otsenka akkumuliruyushchei sposobnosti ventiliruemykh obˈemov dlya snizheniya trebuemogo vozdukhoobmena v pomeshcheniyakh / V. N. Mel'kumov, I. S. Kuznetsov, L. Yu. Guseva, A. V. Cheremisin // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. — 2007. — T. 3, № 1. — S. 205—207.

36

11.Mel'kumov, V. N. Formirovanie konvektivnykh vozdushnykh potokov pri deistvii v pomeshchenii istochnika tepla / V. N. Mel'kumov, S. N. Kuznetsov, S. P. Pavlyukov, R. N. Kuznetsov // Vestnik Volgogradskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. Ser.: Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2008. — № 12. — S. 76—80.

12.Mel'kumov, V. N. Modelirovanie zadymlennosti pomeshchenii slozhnoi konfiguratsii v nachal'noi stadii pozhara / V. N. Mel'kumov, S. N. Kuznetsov, V. V. Gulak // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2010. — № 3 (19). — S. 131—139.

13.Mel'kumov, V. N. Prognozirovanie fil'tratsii gaza v grunte pri ego utechke iz podzemnogo gazoprovoda / V. N. Mel'kumov, S. N. Kuznetsov, S. P. Pavlyukov, A. V. Cheremisin // Izvestiya OrelGTU. Ser.: Stroitel'stvo. Transport. — 2008. — № 3/19 (549). — S. 61—65.

14. Mel'kumov, V. N. Modelirovanie protsessa remonta vnutridomovogo gazovogo oborudovaniya / V. N. Mel'kumov, G. A. Kuznetsova // Nauchnyi vestnik Voronezhskogo GASU. Stroitel'stvo i arkhitektura. — 2013. — № 1 (29). — S. 101—108.

15. Pavlyukov, S. P. Analiz sostava i prodolzhitel'nosti ekspluatatsii gazovogo oborudovaniya / S. P. Pavlyukov, G. A. Kuznetsova, A. N. Kobelev // Inzhenernye sistemy i sooruzheniya. — 2012. — № 3 (8). —

S.16—23.

16.Awni, Al. Analysis of mechanical system ventilation performance in an atrium by consolidated model of fire and smoke transport simulation / Al. Awni, D. Hamzeh // International Journal of Heat and Technology. — 2015. — № 30 (3). — P. 121—126. — DOI: 10.18280/ijht.330318.

17. Juan, C. R. Numerical modeling of the natural ventilation of underground transformer substations / C. R. Juan, M. Beiza, G. Jon, A. Rivas, A. Raúl, G. S. Larraona, I. de Miguel // Applied Thermal Engineering. — 2013. — Vol. 51, № 1—2. — P. 852—863.

18.Ramponi, R. CFD simulation of cross-ventilation flow for different isolated building configurations: Validation with wind tunnel measurements and analysis of physical and numerical diffusion effects / R. Ramponi, B. Blocken // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. — 2012. — Vol. 104—106. — P. 408— 418.

19.Ratnieks, J. Mathematical modelling of airflow velocity and temperature fields for experimental test hous-

es / J. Ratnieks, A. Jakoviĉs, S. Gendelis // Proceedings of the 10th Nordic Symposium on Building Physics, 15— 19 June 2014. — Lund, Sweden, 2014. — P. 871—878.

20. Shu, K. Reasonable layout and numerical simulation of compound ventilation mode in power transformer room / K. Shu, Y. Huang, S. Zhang // Building Energy Efficiency. — 2010. — Vol. 38, № 1. — P. 34—38.

ORGANIZATION OF EFFECTIVE AIR EXCHANGE

IN INDUSTRIAL PREMISES

S. N. Kuznetsov

Voronezh State Technical University

Russia, Voronezh, tel.: (473)271-53-21, e-mail: kuznetvrn@mail.ru

S. N. Kuznetsov, D. Sc. in Engineering, Prof. of the Dept. of Heat and Gas Supply and Oil and Gas Business

Statement of the problem. Development of energy-efficient schemes of the organization of air exchange in industrial premises requires consideration of the nature of air movement which depends on the type of air distribution.

Results. A mathematical model of air distribution in a premises using the continuity equation, Reynolds averaged system stationary Navier-Stokes equations and k- turbulence model was developed. It was found that the most effective is the ventilation circuit with fresh air supply jets plane vertically down the center of a room, and at the angle of 20 to the vertical on the sides of the room. At the same time fresh air enters the operating area and only then is removed using local suction. Rising flows are above the bath and take out harmful substances from the operating area to the upper area of a premises.

Conclusion. The proposed approach makes it possible to calculate and choose a system of air flows in a premises which mostly effectively uses fresh air and to enhance ventilation efficiency at no additional cost.

Keywords: ventilation, air distribution, mathematical model, continuity equation, Navier-Stokes equation, equation of k- turbulence model.

37

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

УДК 621.642.86

СИСТЕМА РЕЗЕРВНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ГАЗОВЫМ ТОПЛИВОМ

О. Н. Медведева, В. О. Фролов

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А., Строительно-архитектурно-дорожный институт

Россия, г. Саратов, тел.: (8452)99-88-93, e-mail: medvedeva-on@mail.ru

О. Н. Медведева, д-р техн. наук, проф. кафедры теплогазоснабжения, вентиляции, водообеспечения и прикладной гидрогазодинамики ЗАО «Независимая электросетевая компания» Россия, г. Саратов

В. О. Фролов, канд. техн. наук, инженер-проектировщик

Постановка задачи. Разработка научных основ проектирования автономных систем газоснабжения на базе сжиженного природного газа представляет собой актуальную научно-техническую задачу, учитывающую вариативность определяющих факторов и характерных особенностей современных систем газоснабжения. Для этого требуется проведение технико-экономической оптимизации схемно-параметрических решений систем автономного газоснабжения потребителей.

Результаты. Разработан численный алгоритм и его компьютерная реализация для техникоэкономической оценки основных параметров разработанной схемы автономного газоснабжения потребителей. Результатом разработок является повышение эффективности и уровня безопасности способа транспортировки сжиженного природного газа с использованием новой конструкции транспортной цистерны.

Выводы. Особенностью предлагаемого способа транспортировки сжиженного природного газа потребителям является то, что данная технология может быть использована в качестве дополнения к традиционной газификации посредством строительства газопроводной распределительной сети и позволит обеспечить потенциальных потребителей газовым топливом. Реализация предлагаемого способа не требует существенной реконструкции газотранспортной системы.

Ключевые слова: природный газ, сжиженный природный газ, транспортная цистерна, автономные системы газоснабжения, технико-экономическая оптимизация.

Введение. Специфика развития газоснабжения некоторых регионов РФ такова, что при значительной удаленности населенных пунктов друг от друга необходимо инвестировать значительные средства в строительство газопроводов-отводов большой протяженности, учитывая в том числе низкие объемы потребления газа, особенно в начальный период эксплуатации газопроводов, природно-климатические и географические условия. Таким образом, автономная газификация с использованием природного газа в сжиженном виде выступает как дополнительный ресурс в регионах, где прокладка трубопроводов экономически нецелесообразна или технически невозможна, являясь альтернативным решением проблемы гази-

фикации [3, 5, 7, 8, 10, 13, 17].

Также следует отметить, что имеющиеся в настоящее время рекомендации по определению зон эффективного использования энергоресурсов носят весьма ориентировочный характер, так как не учитывают многообразие взаимосвязанных факторов, определяющих механизм оптимального функционирования газораспределительных систем. Одним из основных факторов конкурентоспособности СПГ является удаление потребителей газа от источника газоснабжения, и чем удалѐннее потребитель, тем эффективнее вариант газоснабжения

© Медведева О. Н., Фролов В. О., 2016

38

СПГ [5, 8, 11]. Интенсивное развитие газотранспортной системы требует обоснования вида топлива в динамической постановке. Особую актуальность приобретает техникоэкономическое обоснование газификации объектов в два этапа:

1 этап — при отсутствии сетевого газа газоснабжение потребителей сжиженным газом; 2 этап — по мере подключения опорного пункта к магистральным газопроводам пере-

вод потребителей на сетевой природный газ [11].

Принцип двухстадийной газификации потребителей (сначала сжиженным, затем сетевым природным газом) позволит обеспечить население газообразным топливом независимо от темпов развития газораспределительной системы и даст значительную экономию интегральных затрат.

1. Разработка оригинальной конструкции автомобильной цистерны для доставки сжиженного природного газа. В результате анализа имеющегося на сегодняшний день криогенного оборудования для транспортирования газа в жидкой фазе потребителям, удаленным от магистралей сетевого газа [1, 14—16, 18—20], была разработана новая конструкция криоцистерны [6, 9, 12]. Новизна предлагаемого решения заключается в устройстве в цистерне дополнительной оболочки. Данное мероприятие позволит снизить теплопередачу к перевозимому топливу и улучшит эксплуатационные возможности устройства. Недостатками существующих автоцистерн для транспортирования СПГ является то, что при движении автоцистерны перевозимая жидкость интенсивно перемешивается и нагревается. Во многих конструкциях отсеки для перевозки недостаточно теплоизолированы, от корпуса цистерны и к жидкости через перегородки передается тепло от окружающей среды, из-за чего возникают потери сжиженного газа на испарение за счет внешних теплопритоков, что уменьшает предельные сроки транспортирования [9].

Поставленная задача решается следующим образом: в криогенной цистерне, содержащей основную оболочку с размещенным внутри сосудом для перевозки жидкой фазы, предлагается закрепить дополнительную оболочку и использовать ее пространство для перевозки хладоносителей. При этом пространство между основной оболочкой и сосудом заполнено изолирующим материалом (рис. 1).

Рис. 1. Предлагаемая модель криогенной цистерны

Цистерна работает по следующему циклу:

1.Предварительно проверяется техническое состояние цистерны и ее отогрев. Для продувки цистерны при температуре выше температуры кипения хладоносителя в цистерну закачивается азот, затем цистерну стыкуют с внешними коммуникациями;

2.В сосуд цистерны передавливанием из сторонней емкости закачивается СПГ, далее выдерживается некоторое время для испарения в коммуникациях и сброса давления. Затем заполняют полость между наружной и дополнительной оболочками хладоносителем;

39

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

3.Осуществляется процесс транспортировки СПГ (при открытом вентиле «наддув — газосброс»);

4.Производится выдача природного газа или слив жидкой фазы в емкость хранилища. При этом избыточное давление, необходимое для слива, создается либо с помощью паров СПГ (от испарителя), либо с помощью стороннего источника;

5.Проводится слив хладоносителя, после чего цистерну отогревают (~ до температуры, соответствующей температуре окружающей среды, или частичным отогревом до температуры 218 К).

2.Оригинальный способ доставки СПГ потребителям с возвращение холодильно-

го потенциала СПГ. В условиях постоянно возрастающих цен на энергоносители проблема сбережения электроэнергии при производстве и транспортировке СПГ в системе снабжения отдаленных населенных пунктов представляется достаточно актуальной [2, 4]. Решение поставленной энергосберегающей задачи видится в усовершенствовании отдельных частей системы газоснабжения с целью сведения к минимуму количества бесполезно расходуемого холода. В данной работе предлагается использовать холодильный потенциал, полученный в процессе регазификации СПГ, для предварительного охлаждения природного газа в цикле сжижения на заводе по производству газа [7]. На рис. 2 представлена схема разработанного способа сжижения газа.

Оригинальный способ доставки газа осуществляется следующим образом:

подготовленный для сжижения природный газ предварительно охлаждают в теплообменном аппарате 6, направляют в блок сжижения и подают в хранилища СПГ;

из хранилищ СПГ жидкая фаза газ при помощи насоса 2 закачивается в криогенную цистерну [10], а в пространство между оболочками цистерны закачивается хладоноситель (температура хладоносителя составляет примерно минус 27 °С для холодного периода);

цистерна транспортирует СПГ потребителям газа;

у потребителей СПГ и хладоноситель подаются в теплообменный аппарат, где продукты через разделяющую стенку обмениваются тепловой энергией. В результате теплообмена хладоноситель понижает свою температуру примерно до минус 130 °С, а СПГ нагревается ориентировочно до минус 25 °С и испаряется;

под собственным давлением, равным примерно 1,2 МПа, газ подается в редуцирующий блок, где происходит снижение давления примерно до 0,2 МПа, и направляется в газораспределительную сеть;

отработанный хладоноситель после теплообменного аппарата закачивается обратно

вкриогенную цистерну и возвращается на завод по сжижению;

на заводе по сжижению хладоноситель подается в теплообменный аппарат для предварительного охлаждения сетевого газа путем теплообмена.

В результате указанных процессов происходит экономия энергии, затрачиваемой на получение холода, благодаря тому, что при использовании одного и того же вещества (хладоносителя) для предварительного охлаждения сетевого газа затрачивается меньшее количество энергии на последующее охлаждение и сжижение природного газа в блоке сжижения.

3. Технико-экономическое обоснование применения схемы с возвратом хладоно-

сителя. Определим величину экономического эффекта от использования разработанного способа транспортировки сжиженного природного газа [6].

В качестве целевой функции используем суммарные затраты на топливо и электроэнергию при использовании нового способа доставки и новой конструкции цистерны, руб./(кг СПГ):

где cT — стоимость топлива, руб.; L — длина пробега цистерны от завода до потребителя и обратно, км; q2 — норма расхода топлива на транспортную работу; D — поправочный коэф-

40