Efficiency of LNG cold energy recovery in standalone refrigerated containers

Full Text

Введение

В условиях роста объема грузовых железнодорожных перевозок и дефицита вагонного парка, для перевозки термолабильных грузов применяются рефрижераторные контейнеры (рефконтейнеры) со встроенной холодильной установкой [1–4]. С целью ускорения перевозок, широкое распространение получили автономные рефконтейнеры с навесным дизельным генератором и топливным баком. Энергетическая автономность рефконтейнера позволяет избежать формирования рефрижераторных сцепов и обеспечивает сохранность груза при мультимодальных перевозках в ряде транспортных ситуаций, включая возможные простои из-за очередей в транспортных узлах или других нештатных логистических ситуациях.

Применение дизельных генераторов снижает привлекательность автономных рефрижераторных контейнеров из-за чувствительности топлива к низким температурам и негативного воздействия на окружающую среду, а также в контексте стабильного роста цен на дизельное топливо [5–6]. Напротив, низкие цены на природный газ привели к росту популярности сжиженного природного газа (СПГ) среди мировых логистических компаний. Мировая практика показывает, что экономическая целесообразность перехода с дизельного топлива на СПГ достигается, если стоимость сжиженного природного газа на 20% ниже стоимости дизельного топлива, независимо от затрат на техническое переоснащение [7]. По состоянию на конец 2024 года в Российской Федерации розничная цена СПГ составила около 20,0 руб./л, в то время как средняя розничная цена дизельного топлива достигла 68,0 руб./л, что обеспечивает экономическую целесообразность перехода с дизельного топлива на СПГ.

Эффективность энергетической установки СПГ дополнительно возрастёт при условии утилизации низкопотенциальной энергии СПГ. Известные способы применения СПГ для охлаждения холодильных камер предполагают полное замещение рефрижераторных установок на традиционных фреонах, что приводит к нарушению принципов непрерывной холодильной цепи, исключает автономность рефрижератора и сужает диапазон доступных для перевозки грузов из-за трудностей с регулировкой температурного режима [8–12]. В данной работе описана комбинированная система холодоснабжения с оценкой ее эффективности.

Структура рефрижераторного контейнера с утилизацией холода СПГ

В основе утилизации холода СПГ для охлаждения груза в рефрижераторном контейнере лежит возможность отбора сжиженного газа из топливного контура. Регазификация СПГ осуществляется в спиральновитом теплообменном аппарате, предназначенном для эксплуатации в диапазоне криогенных температур.

В зависимости от состава СПГ, для полной регазификации перед подачей в газовый генератор потребуется до 925 кДж/кг [13]. Доступная для утилизации эксергия е_спг, Дж/кг, принята без учета механической эксергии из-за относительно небольшой разницы между начальным и конечным давлением СПГ, и определяется как изменение тепловой энергии с учетом необратимых потерь:

$e_{\text{спг}}=h\left(T,p\right)-h_0(T_0,p_0)-T_0\left[s\left(T,p\right)-s_0(T_0,p_0)\right]$ (1)

Тепловая производительность теплообменного аппарата описывается с помощью уравнения теплового баланса [14, С. 65] с учетом мощности теплового потока, площади рабочей поверхности, температурного напора и характера течения рабочего тела:

$Q_{\text{спг}}=G_{\text{спг}}\cdot \left(h_{\text{вых}}-h_{\text{вх}}\right)$ (2)

$h_{\text{вых}}=h_{\text{вх}}+L+c_{\text{р}}^{\text{г}}\left({Т}_{\text{г}}-{Т}_{\text{нас}}\right)+\frac{R·T_{\text{г}}}{М}\ln \left(\frac{P_{\text{спг}}}{P_{\text{газ}}}\right)$ (3)

$h_{\text{вх}}=c_{\text{р}}^{\text{ж}}\left({Т}_{\text{спг}}-{Т}_{\text{газ}}\right)$ (4)

где Q_спг – производительность теплообменного аппарата, Вт; G_спг – массовый расход СПГ, кг/c; h_вх – энтальпия на выходе из теплообменника, Дж/кг; h_вых – энтальпия на входе в теплообменник, Дж/кг; L – скрытая теплота испарения СПГ, Дж/кг; T_г – температура газа после регазификации, К; T_наc – температура насыщения, К; c_гp –удельная теплоёмкость газа, Дж/(кг·К); P_газ – давление газа на выходе, Па; P_спг – давление жидкости на входе, Па; M – молярная масса газа, кг/моль; c^ж_p – удельная теплоёмкость СПГ, Дж/(кг·К); R – универсальная газовая постоянная; T_спг – температура хранения СПГ, K; T_реф – референтная точка, K.

Рефрижераторная установка 40-футового рефконтейнера, в большинстве случаев, рассчитана на температурный диапазон от -25℃ до +30℃ и обеспечивает холодопроизводительность до 5,0 кВт в зимний период и до 4,0 кВт в летний период, в качестве рабочего тела применяется фреон R-404a (реже R-134) [15]. Типовое устройство автономного рефрижераторного контейнера приведено на Рис. 1.

 

Рис. 1. Типовое устройство автономного рефрижераторного контейнера

Fig. 1. Typical design of an autonomous refrigerated container

 

Для полного замещения фреонового контура 40-футового рефконтейнера, необходим постоянный расход СПГ не менее 9,7 кг/ч. Требуемый расход сопоставим с потреблением СПГ двигателем крупнотоннажного автомобильного транспорта. Расход топлива на газовый генератор рефрижераторного контейнера значительно ниже: максимальная мощность навесной энергоустановки не превышает 24,0 кВт, а усредненный расход СПГ при замещении дизельного топлива составит до 4,5 кг/ч. Расчетная холодопроизводительность при указанном расходе составит от 1,06 до 1,64 кВт.

Требуемый фактический запас дизельного топлива на рейс G_д, кг:

$G_{\text{д}}=\mathrm{1,1}g\left[{\tau }_{\text{в}}+{{\upsilon }_x}_1\left({\tau }_{\text{г}}-{\tau }_{\text{в}}\right)+{\upsilon }_{x2}\left({\tau }_{\text{об}}-{\tau }_{\text{г}}\right)\right]$ (5)

где 1,1 – коэффициент, учитывающий разогрев дизеля перед запуском; g – удельный расход дизельного топлива; τ_в – продолжительность первоначального охлаждения (нагрева) воздуха в рабочем пространстве рефрижераторного контейнера; τ_г – продолжительность охлаждения груза; τ_об – полное время рейса; υ_x1(x2) – коэффициент работы холодильного оборудования, определяемый как:

${\upsilon }_{x1\left(2\right)}=\frac{Q_{\text{об}}}{\left(1-\frac{\Delta t_{\text{к}}}{\Delta t_{\text{м}}}\right)Q_{\text{х}}}\le 1$ (6)

где Q_об – мощность оборудования, Вт; Δt_к – расчётный тепловой напор через ограждающие конструкции рефконтейнера; Δt_к – максимальный температурный напор через ограждающие конструкции рефконтейнера, при котором прекращается полезная работа холодильных машин; Q_х – паспортная мощность холодильных машин.

Тогда требуемый фактический запас топлива на рейс G_спг, кг, и холодильный эксергетический потенциал Е_спг, Дж:

$G_{\text{спг}}=\mathrm{1,79}{G}_{\text{д}}$ (7)

$E_{\text{спг}}=G_{\text{спг}}·{е}_{\text{спг}}$ (8)

где 1,79 – теоретический коэффициент перевода запаса дизельного топлива в СПГ, принятый как соотношения значений удельной теплоты сгорания СПГ и дизельного топлива с усредненными значениями плотности [16].

Наибольшая эффективность утилизации холода СПГ достигает в случае, если СПГ используется как единственное рабочее тело в цикле охлаждения [17]. Однако, из-за снижения теплопроводности металлов при низких температурах [18] и высокого температурного напора, обусловленного значительной разницей между температурой среды и СПГ, а также в целях повышения энергоэффективности процесса, для утилизации холода от СПГ в рабочем пространстве рефрижераторного контейнера предусмотрена установка дополнительной каскадной системы с диоксидом углерода (R744) в качестве рабочего тела (Рис. 2).

 

Рис. 2. Каскадная холодильная система для утилизации холода от СПГ

Fig. 2. Cascade refrigeration system for LNG cold energy utilization

 

В первом контуре системы производится регазификация СПГ и нагрев топлива от -162°С до 5°С за счет тепловых притоков в спиральновитом теплообменном аппарате. Далее газ собирается в газовый коллектор, затем подается в топливную линию газового генератора. Второй контур нагревает СПГ за счет отвода теплоты от конденсатора диоксида углерода. Для контроля подачи СПГ в систему заложен трехходовой регулирующий клапан. С целью исключения процесса дросселирования жидкой фазы в регулирующем клапане, предполагается отбор СПГ температурой не ниже -120 °С.

Требуемая холодильная нагрузка Q_хол основной установки с фреоном должна компенсировать поступления теплоты Q_общ в холодильную камеру контейнера [19]:

$Q_{\text{хол}}=Q_{\text{общ}}=Q_{\text{н}}+Q_{\text{п}}+Q_{\text{р}}$ (9)

где Q_н, Q_п, Q_р – непрерывные, периодические и разовые теплопритоки в контейнер, соответственно, Вт.

$Q_{\text{н}}=Q_1+Q_2+Q_3+Q_4+Q_5$ (10)

$Q_{\text{п}}=Q_5 +Q_6+Q_7+Q_8$ (11)

$Q_{\text{р}}=Q_9+Q_{10}$ (12)

где Q₁ – теплоприток через ограждающие поверхности контейнера; Q₂ – приток наружного воздуха через неплотности; Q₃ – теплоприток, учитываемый в случае необходимости охлаждения груза в процессе перевозки; Q₄ – теплоприток от физиолого-биохимических процессов в плодоовощах; Q₅ – теплоприток из-за нагрева кузова от солнечной радиации; Q₆ – теплоприток от приточного свежего воздуха; Q₇ – теплоприток от электрооборудования; Q₈ – теплопоступление от испарителя при удалении снеговой шубы. Q₉ – теплоприток в случае открытия створок контейнера; Q₁₀ – теплоприток при предварительном охлаждении контейнера.

При нормальных условиях эксплуатации, подобранная в соответствии с нормативными требованиями холодильная установка рефрижераторного контейнера компенсирует все указанные теплопоступления в объем холодильной камеры. Тем не менее, контейнерные перевозки широко используются в глобальных перевозках: смена транспорта и климатических поясов приводят к эксплуатации рефконтейнера в экстремальных условиях.

Тогда каскадная система охлаждения СПГ-CO2, размещенная в фальшпотолке контейнера, позволит добиться компенсации поступлений теплоты от наиболее нагруженных поверхностей вследствие воздействия солнечной радиации, от биохимических тепловыделений плодоовощей и позволит значительно ускорить подготовку рабочего объема рефконтейнера перед загрузкой продуктов и ускорить охлаждение груза, если таковое требуется.

Оценка эффективности внедрения утилизации холода СПГ

Для оценки эффективности описанной каскадной системы охлаждения на основе утилизации холода от СПГ необходимо оценить работу встроенной холодильной установки рефконтейнера в контексте скорости подготовки рефконтейнера к загрузке и охлаждения груза в процессе ожидания отправки и/или транспортировки.

Связь мощности холодильных установок и скорости охлаждения груза в рабочем объеме рефконтейнера принимается в виде

$\frac{dT}{dt}=\frac{Q_{\text{реф}}}{G_{\text{гр}}·C_{\text{гр}}+G_{\text{т}}·C_{\text{т}}}·k_{\text{т}}$ (13)

где Q_реф – полная холодильная мощность рефконтейнера, Вт; G_гр, G_т – масса груза и тары соответственно, кг; с_гр, с_т – удельная теплоемкость груза и тары соответственно; k_т – коэффициент, характеризующий отношение реального потока теплоты от груза к максимальному тепловому потоку при отсутствии термического сопротивления груза:

$k_{\text{т}}=\frac{\lambda ·F}{\lambda ·F+b_{\text{г}}·Q_{\text{уст}}}$ (14)

где λ – теплопроводность груза, Вт/(м·K); F – площадь поверхности теплообмена, м²; b_г – толщина слоя груза, м. Чем ниже теплопроводность, тем меньше эффект от увеличения мощности холодильной системы рефрижератора.

Для иллюстрации эффекта произведен расчет охлаждения рефконтейнера для перевозки красных помидоров. Параметры окружающей среды приняты для зимнего, переходного и летнего периодов г. Новороссийка, принятые в расчете параметры приведены в Табл. 1:

 

Таблица 1. Условия перевозки красных помидоров

Table 1. Transportation conditions for red tomatoes

Категория	Параметр	Зимний период	Переходный период	Летний период
Условия	Температура среды	+7 ℃	+15 ℃	+30 ℃
	Температура груза	+10 ℃	+13 ℃	+20 ℃
Контейнер	Тип	40-футовый рефконтейнер
	Загрузка	0,9 от максимальной
	Рабочая температура	до -18 ℃
Груз	Наименование	Помидор красный
	Масса объекта	0,02 кг
	Целевая температура	+8 ...+1 ℃
Тара	Тип	Перфорированные ящики
	Размеры	600×400×200 мм
	Скважность	30 %

 

Паспортная холодильная мощность стандартного рефконтейнера принимается 3800 ккал/ч (4,42 кВт). Результаты сравнения эффективности охлаждения системой без СПГ и с СПГ приведены в Табл. 2.

 

Рис. 3. Зависимость времени охлаждения пустого и загруженного рефконтейнера по сезонам (красные помидоры)

Fig. 3. Cooling time dependence of empty and loaded refrigerated containers by season (red tomatoes)

 

Таблица 2. Влияние утилизации холода СПГ на время подготовки и охлаждения груза

Table 2. Effect of LNG cold energy utilization on cargo preparation and cooling time

Период	Полное расчетное время	Доп. мощность СПГ	Итоговое время	Сокращение времени
Зимний	43 ч 48 мин	1,06 кВт	35 ч 24 мин	-19,18%
		1,64 кВт	32 ч 00 мин	-26,95%
Переходный	52 ч 30 мин	1,06 кВт	42 ч 24 мин	-19,24%
		1,64 кВт	38 ч 30 мин	-26,67%
Летний	68 ч 54 мин	1,06 кВт	55 ч 24 мин	-19,62%
		1,64 кВт	50 ч 18 мин	-26,98%

 

Результаты расчета подтверждают, что использование системы утилизации холода СПГ позволяет значительно сократить время, необходимое для охлаждения рабочего пространства рефконтейнера и перевозимого груза. Наибольший эффект наблюдается в летний период, обеспечивая сокращение подготовки рефконтейнера и охлаждения перевозимого груза до 27% в зависимости от холодопроизводительности системы.

Заключение

В статье рассмотрен способ утилизации низкопотенциальной энергии сжиженного природного газа для охлаждения автономного рефрижераторного контейнера и дана оценка его эффективности.

В соответствии с международным опытом [7], при условии разницы в розничной цене на СПГ и дизельное топливо не менее 20%, применение СПГ сохраняет экономическую целесообразность; окупаемость достигается в срок до 1,5 лет при учете сохранения правительственных мер по защите климата.

• Разработана и приведена функциональная схема каскадной холодильной установки с отводом холода СПГ в контур с диоксидом углерода.
• Расчетное уменьшение полного времени охлаждения внутреннего объема рефконтейнера и груза составляет до 27% в летний период.
• Ожидаемый результат внедрения утилизации холода заключается в значительном снижении времени на подготовку рабочего пространства рефконтейнера и охлаждении груза, что обеспечит меньшую загрузку транспортных узлов.
• В случае задержки транспортировки груза, утилизация холода от СПГ позволит снизить нагрузку на основную установку и улучшить контроль за температурным режимом в различных климатических условиях, обеспечивая сохранность грузов при длительных перевозках.

Исходя из вышеизложенного, эффективности предлагаемых мер по утилизации низкопотенциальной энергии СПГ для повышения холодильной мощности автономных рефрижераторных контейнеров достаточно для осуществления мероприятий, связанных с внедрением утилизации. Результаты исследования предназначены для внедрения в транспортные системы, что окажет положительное влияние на развитие экологически чистой и экономически эффективной логистики.

Авторы заявляют, что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

The authors state that:

1. They have no conflict of interest;
2. This article does not contain any studies involving human subjects.

About the authors

Dmitry Y. Monastyrsky

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Email: swen_88@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-3528-8490
SPIN-code: 1010-3575

post-graduate student

Russian Federation, St. Petersburg

Igor G. Kiselev

Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University

Author for correspondence.
Email: tatkiselev4.igor@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-0862-9669
SPIN-code: 7398-3334

Dr. Sci. (Engineering), professor

Russian Federation, St. Petersburg

References

Supplementary files