مخزن cng

یکی از تجهیزات لازم برای تبدیل سوخت مصرفی خودرو از بنزین و گازوئیل به گاز طبیعی مخزن ذخیره سوخت است متان جز اصلی گاز طبیعی است که تقریبا ۹۰ در صد آن را تشکیل می دهد دمای بحرانی این گاز پائین تر از منهای ۱۶۰ درجه است یعنی در دمای بالاتر از منهای ۱۶۰ درجه تحت فشار به مایع تبدیل نمی شود و لذا برای ذخیره بیشتر گاز فشار الزامی است به همین دلیل طبق اکثر استانداردهای موجود در دنیا گاز طبیعی در فشار ۲۰۰ بار در مخزن شارژ می شود فشار کاری ۲۰۰ بار و خستگی ناشی از پر و خالی شدن مداوم در طول عمر خودرو رعایت شرایط خاصی را در فرایند تولید ازمایش و نگهداری، الزامی می کند

مقایسة انواع مخازن

مخازن دارای فشار‌ کاری bar200 در دمای C 15 برای گاز طبیعی می‌باشند که بیشینة فشار پرکردن bar 260 است. حداقل فشار آزمون به‌کار رفته در ساخت مخزن bar 300 (5/1 برابر فشار‌کاری) می‌باشد. حداقل فشار انفجار در مخازن نوع اول نباید ازbar 450 کمتر باشد، برای مخازن کامپوزیتی نوع دوم، سوم و چهارم که دارای الیاف کربنی هستند، پوستة کامپوزیتی می‌بایست دارای حداقل فشار انفجار bar470 باشد. برای مخازن نوع اول، همچنین برای آسترهای مخازن نوع دوم و سوم می‌بایست از فولاد یا آلومینیوم استفاده کرد. کامپوزیت نیز شامل الیاف شیشه، آرامید یا کربن است که با رزین‌های ترموست (اپوکسی، پلی‌استر، ونیل‌استر و غیره) یا رزین‌های پلی‌آمید، پلی‌اتیلن و غیره آغشته شده‌اند.

 

محدودیت‌های طراحی

محدودیت‌هایی که در طراحی مخازن اغلب خودروها مشترکند عبارتند از: وزن‌، قیمت و ایمنی. پارامتر وزن یکی از پارامترهای مهم است که در مورد ذخیرة گاز در ایستگاه‌ سوخت‌رسانی سیار نیز حائز اهمیت است. همچنین مسألة ایمنی یکی از مسائلی است که همواره در کنار دو مسألۀ دیگر باید مورد توجه قرار گیرد

اصول حاکم برای طراحی مخازن CNG

در طراحی مخازن نوع اول، از استانداردهای مختلفی استفاده می‌شود. ضخامت مخزن از رابطة مخازن جدار‌نازک به‌دست می‌آید. انتهای عدسی‌شکل مخزن به‌صورت نیمکره در‌نظر گرفته می‌شود. بدین لحاظ ضخامت وسط عدسی می‌بایست برابر یا بزرگتر از ضخامت پوستة استوانه‌ای باشد. برای رسیدن به روابطی جهت به‌‌دست آوردن ضخامت لایه‌های کامپوزیتی، بعضی فرضیات منطقی در مورد طراحی لحاظ شده‌اند. این فرضیات عبارتند از: 1. تمامی الیاف در مخزن تحت کشش می‌باشند. 2. هنگامی‌که مخزن، تحت فشار قرار می‌گیرد هیچ گشتاور خمشی به‌وجود نمی‌آید. 3. کل مقاومت سازه را مقاومت کششی در طول الیاف تشکیل می‌‌دهد. 4. مخزن متقارن است و شامل یک قسمت استوانه‌ای‌ شکل با دو انتهای نیمکره‌ای، می‌باشد. 5. ضخامت مخزن در مقایسه با قطر آن ناچیز است، بنابراین می‌توان فرض کرد که قطر مخزن در لایة خارجی و داخلی یکی است (مخازن جدار‌نازک هستند). 6. الیاف آزاد هستند تا در هنگام تولید، خود را تنظیم کنند بنابراین هیچ‌گونه نا‌همسانی در کشش آن‌ها وجود ندارد 7. هیچ تنش برشی بین دو لایة مجاور وجود ندارد. 8. الیاف‌پیچی به شیوه‌های محیطی یا ضربدری مطابق با تکنیک‌های عملی انجام می‌شود. 9. الیاف‌پیچی محیطی در دو انتها عملی نمی‌باشد. 10. الیاف‌پیچی مارپیچی در سرتاسر طول مخزن پیوسته‌ است. 11. فشار در داخل مخزن هیدرواستاتیکی است. باید توجه داشت که در مخازن نوع دوم و سوم بر طبق استاندارد، در فشار داخلی صفر و در حالتی که فشار اتوفرتاژ داریم تنش در آستر نباید از 95% تنش تسلیم آن بیشتر شود و همچنین در فشار ‌کاری نیز تنش در آستر نباید از 60% تنش تسلیم بیشتر باشد

مراحل انجام طراحی

برای انجام طراحی باید مراحل زیر را طی کرد: 1. مشخص‌کردن مقدار گازی که باید ذخیره شود (از قانون گازهای کامل می‌توان برای محاسبة مورد نظر استفاده کرد). 2. مشخص‌کردن حجم گاز فشرده‌شده که همان حجم داخلی مخزن CNG است. 3. قطرهای داخلی و خارجی مخزن براساس فرمول حداکثر تنش تعیین می‌شوند. قطر و ضخامت دیوارة مخزنCNG به‌وسیلة حداکثر تنش در سطح داخلی مخزن به‌دست می‌آید. حداکثر تنش معمولاً به‌وسیلة حداکثر تنش مجاز براساس جنس ماده محدود می‌شود (با در‌نظر گرفتن یک ضریب اطمینان). 4. طول را می‌توان با توجه به حجم مورد نظر تعیین کرد

مراحل محاسبة قیمت مخزن

برای محاسبة قیمت مخزن باید دو بخش کلی را درنظر گرفت: 1. هزینة ثابت مربوط به رگولاتورها، شلنگ‌ها، شیرها و هزینة کارکرد و غیره (Cost1) 2. قیمت مخزن به‌صورت تابعی از وزن (Cost2) Cost = Cost1+ Cost2

انواع مخازن CNG

مخازن CNG به چهار دستة کلی تقسیم می‌شوند:1- مخازن CNG-I2- مخازن CNG-II3- مخازن CNG-III4- مخازن CNG-IV

1- مخازن CNG-I

نمونه‌هایی از مخازن CNG-I را در شکل مشاهده می کنید. این مخازن بدون درز و از جنس فولاد یا آلومینیوم می‌باشند. گر‌چه نوع آلیاژ مورد استفاده و همچنین تنش‌های طراحی این‌گونه مخازن در استاندارد مشخص نگردیده‌است ولیکن این‌گونه مخازن فولادی یا آلومینیومی باید آزمون‌های کارایی را بگذرانند. آزمون‌ها به‌دلیل اطمینان از چقرمگی و مقاومت در برابر تنش، خوردگی و ترک در جنس به‌کار رفته، صورت می‌گیرند. همچنین آزمون‌های سختی و فشار هیدرواستاتیک جهت اطمینان از استحکام مخزن نیز انجام می‌گیرند.

2- مخازن CNG-II

نمونه‌هایی از مخازن CNG-II را در شکل مشاهده می کنید. این نوع مخازن دارای یک لایة آستری از جنس فولاد یا آلومینیوم بدون‌درز است و قسمت استوانه‌ای این آستری، توسط الیاف شیشه، آرامید، کربن یا مخلوطی از آن‌ها که آغشته به رزین است به‌صورت محیطی پیچیده ‌شده‌است. ساختار کامپوزیتی این مخازن، این امکان را به‌وجود می‌آورد که بتوان از ضخامت قسمت فلزی کاست و درنتیجه مخزن سبک‌تری به‌دست آورد. این مخازن در جهت شعاعی (به جز دو قسمت ابتدایی و انتهایی) تقویت شده‌اند. مبنای طراحی این نوع مخازن بر توانایی آستر فولادی یا آلومینیومی در تحمل فشار بالا می‌باشد. در مورد این نوع مخازن CNG این نکته شایان توجه است که فشار اضافی و دمای بالاتر باعث از بین رفتن کیفیت پوشش کامپوزیت نخواهد شد. این نوع مخازن از الیاف پیچی پیوسته ساخته می‌شوند که برای ساخت آن‌ها از آسترهای فولادی یا آلومینیومی استفاده می‌گردد و به آن‌ها مخازن پیچش‌ محیطی گفته‌ می‌شود. این مخازن از سال 1980 میلادی ساخته می‌شوند و مبنای طراحی آن‌ها توانایی آسترهای فولادی در تحمل بیشینة فشار پرشدن مخزن می‌باشد. این امر به طراحان اجازة استفاده از آسترهایی با تحمل تنش بیشتر از حد معمول را می‌دهد

3- مخازن CNG-III

مونه‌هایی از مخازن CNG-I را در شکل مشاهده می کنید. . این مخازن دارای یک لایة آستری از جنس فولاد یا آلومینیوم بدون‌درز بوده و تمام این لایة داخلی توسط الیاف شیشه، آرامید، کربن یا مخلوطی از آن‌ها که آغشته به رزین است در راستای محیطی و محوری پیچیده ‌شده و این ساختار کامپوزیتی که به مخزن داده می‌شود، این امکان را به‌وجود می‌آورد که بتوان از ضخامت قسمت فلزی کاست و درنتیجه مخزن سبک‌تری را نسبت به مخازن نوع اول و دوم به‌دست آورد. این مخازن با الیاف کامپوزیت در جهت محیطی و محوری تقویت شده‌اند. این‌گونه مخازن از اواسط دهه70 میلادی برای ذخیرة گاز اکسیژن در مصارف پزشکی استفاده می‌شوند. تقویت این مخازن با الیاف کامپوزیت در دو جهت، قابلیت تحمل فشار را نسبت به مخازن نوع دوم، افزایش می‌دهد.

4- مخازن CNG-

IV

نمونه‌هایی از مخازن CNG-I را در شکل مشاهده می کنید. این نوع مخازن دارای یک آستری از جنس پلیمر بدون درز هستند و تمام این لایة داخلی توسط الیاف شیشه، آرامید، کربن یا مخلوطی از آن‌ها که آغشته به رزین است پیچیده ‌شده و این ساختار تمام کامپوزیت از سبک‌ترین انواع مخازن CNG می‌باشد. این مخازن با الیاف کامپوزیت در جهات شعاعی و محوری تقویت شده‌اند. این‌گونه مخازن قابلیت تولید در ابعاد بزرگتر و با قطر بیشتر را دارند. مخازن نوع 4 دارای کمترین وزن می‌باشند که حتی با سیستم سوخت بنزینی قابل مقایسه هستند. اشکال عمدة این مخازن ایجاد نشتی به مرور زمان در محل اتصال نافی فلزی و آستر پلیمری می‌باشد. همچنین به‌علت عدم انتقال حرارت مناسب آستری پلاستیکی، حین سوخت‌گیری سریع در این مخازن افزایش دمای نسبتاً بیشتری ایجاد می‌شود. از جمله مزایای این نوع مخازن احتمال کم ترکیدگی مخزن در حوادث می‌باشد. این مخازن بسیار شبیه مخازن نوع سوم هستند و تنها از لحاظ نوع و جنس آسترها تفاوت دارند. این نوع از مخازن برای کاربرد درخودروهای گازسوز بسیار مناسب هستند و پتانسیل طراحی و ساخت برای عمرهای طولانی را دارا می‌باشند. آزمون‌های خستگی انجام‌شده روی تعداد زیادی از این مخازن، عمر این مخازن را بیش از 100000 سیکل سوخت‌گیری نشان داده‌اند که در مقایسه با سایر مخازن بالاتر است

استانداردهای مخازن

گاز طبیعی فشرده که به‌عنوان سوخت در خودروها به‌کار می‌رود تا فشارbar 200 فشرده می‌شود. وجود فشار بالا در سیستم سوخت‌رسانی این خودروها و تجهیزات مرتبط با آن‌ها نظیر تجهیزات سوخت‌گیری و کمپرسورها، این نیاز را ایجاد می‌کند که الزامات ایمنی بالایی در این تجهیزات رعایت شود. در ایران به موازات توسعه این صنعت توجه به تدوین استانداردها و مقررات و نیز کیفیت و ایمنی آغاز شده و تعداد قابل توجهی استاندارد مرتبط با CNG به وضعیت استاندارد ملی در آمده‌است. سازمان‌های بین‌المللی که در این زمینه فعالیت دارند ISO و CEN می‌باشند که هر کدام از کمیته‌های فنی مسئولیت تدوین یک مجموعه استاندارد مرتبط با یک موضوع را به‌عهده دارند. در شرکت بین‌المللی استاندارد ISO گروه TC8SC3 WG17 روی استانداردهای مخازن کار می‌کنند. در کمیته اروپایی استاندارد CEN، گروه TC326، روی مخازن ذخیره خودروهای NGV و گروه TC282 روی سیستم‌های کوچک ذخیره مخازن CNG کار می‌کنند. برخی از استانداردهای معروف در این زمینه عبارتند از: 1. ISO 15501-1 سیستم سوخت خودرو با گاز طبیعی فشرده – الزامات ایمنی. 2. ISO 15501-2 سیستم سوخت خودرو با گاز طبیعی فشرده‌ – روش‌های آزمون. 3. ISO 11439 مخازن گاز – مخازن گاز طبیعی فشرده و پر‌فشار برای ذخیره روی خودرو. برخی از استانداردهای رایج بین‌المللی در جدول 3 خلاصه شده‌اند. همزمان با توسعه و گسترش استفاده از سوخت CNG در خودروها، کشورهای مختلف مجموعه‌‌ای از استانداردها را در این زمینه پذیرفته‌اند. در هر حال نیاز به یک استاندارد بین‌المللی در این زمینه حس می‌شد. در این زمینه استانداردISO موارد خاصی را برای سوخت CNG طی چندین سال تهیه کرده‌است. این استاندارد به طراحی و ساخت مخازن ذخیرة گاز برای خودروهای مختلف کمک ‌می‌کند. این استاندارد هم‌اکنون در حال توسعه و گسترش برای تبدیل به یک استاندارد کامل است. فعالیت‌های لازم جهت نیل به استاندارد توسعه‌یافته در این زمینه توسط ANGV در حال انجام است که هدف آن تدوین استانداردی خاص برای مخازن CNG است. در این زمینه یک گروه متخصص از طرف کمیتة بین المللی ISO جهت فعالیت و بررسی‌های لازم تعیین شده‌است.

جدول 3: برخی از استانداردهای رایج بین‌المللی [28].

کد استاندارد

دبیرخانه - شرکت حمایت کننده

ISO11439

ISO-IANGV (تصویب‌شده به‌عنوان استاندارد CEN)

ECER110

شرکت ملل

ANSI/CSANGV2

موسسة استاندارد کانادا

CSAB5Pt2

کانادا

METI/KHK9

ژاپن

FMVSS304

مدیریت ملی ایمنی ترافیک بزرگراه‌ها وابسته به وزارت راه ایالات متحده

استاندارد ISO

هدف نهایی گروه TC8SC3 WG17، ارائة گواهی با عنوان مخازن تحت فشار بالا روی خودرو، برای ذخیره گاز طبیعی به‌عنوان یک سوخت، ‌می‌باشد. نیازمندی‌های استاندارد براساس عملکرد چندین ساله این کمیته در سراسر جهان است (به‌خصوص در ایتالیا، نیوزیلند، کانادا و ایالات متحده). استانداردها براساس فشار پایةbar 200 و دمای استاندارد C 15 تدوین شده‌اند. این استانداردها اجازة استفاده از سایر فشارها را مشروط بر طراحی و ساخت تجهیزات، براساس آن فشار ‌می‌دهند. موارد و خواسته‌های منحصر ‌به‌فرد استاندارد بیشتر در زمینة ماده، جنس، روش‌های شکل‌دهی و ساخت سیستم‌های گازسوز ‌می‌باشد. استاندارد، نیازهای خاص صنایع اتومبیل‌سازی را درنظر گرفته و همچنین نیازمندی‌های ذخیرة یک گاز غیرهمگن در محل ثابتی در خودرو را با امکان شارژ مجدد به دفعات زیاد و محدودیت‌های مخازن گاز طبیعی درنظر ‌می‌گیرد. در استانداردهای پیشین اکثر مواردی که در مورد مخازن ذخیره گاز معین شده بودند مربوط به ذخیره گاز، تحت فشار بالا در استفاده‌های صنعتی مختلف بود. ولی تعدادی از کار‌افتادگی در این مخازن مشاهده شد که نشان داد طراحی و ساخت این مخازن برای خودروهای گازسوز چندان مناسب نیست. استاندارد جدید به‌دنبال روش‌هایی جهت ساخت مخازنی مقاوم و سبک برای استفاده در خودروهای گاز‌سوز ‌می‌باشد که قیمت این مخازن کم بوده و دارای ایمنی کافی جهت عمر طولانی تحت فشار بالا، باشد. بدین ترتیب مواردی در این استانداردها مشخص شد که جزئیات سرویس‌دهی، طراحی و نحوة استفاده از مخازن فشار‌بالای گاز را در خودروهای گازسوز مشخص نمودند. همچنین استانداردها به‌دنبال تأمین اطمینان ساخت مخازن فشار‌بالا به‌طوری بودند که عمر این مخازن از مقدار زمان کارکرد این مخازن در خودرو، بیشتر باشد تا در طول عمر مفید خود دچار خستگی، از کارافتادگی‌ و شکست نگردند. این مسأله به نشت پیش از شکست (LBB) موسوم است و درحال حاضر یکی از مهمترین قسمت‌های طراحی مخزن گاز طبیعی است. مطابق با استانداردهای جدید، مخازن گاز باید در انتهای عمر مفید خود از‌ کار ‌افتاده شوند. همیشه عمر مخزن بیش از عمرخودرو است یعنی قبل از این‌که مخزن از‌ کار ‌افتاده شود عمر مفید خودرو پایان یافته‌است. عمر کلی و دراز مدت مخازن به عواملی مثل شرایط‌ کاری، شرایطی که مخزن تحت آن شرایط نگهداری ‌می‌شود و فشار پرشدن مخزن بستگی دارد. توجه خاصی به مخازن فشار‌بالای کامپوزیتی در این زمینه‌ها شده‌است، زیرا از نظر آسیب‌های مکانیکی وارده حساس‌تر هستند.

مخازن تحت فشار چگونه مخازنی هستند؟

مخازن(ظروفی) که حاوی سیالات (مایع یا گاز) تحت فشار بالاتر از 100 کیلو پاسکال(یک بار) هستند. اینگونه مخازن به دو گونه Fired همچون دیگهای بخار(بویلرها) که مخزن از طریق کوره یا مشعل گرم میشود و Unfired مثل مخازن اکسیژن و هیدروژن طبقه بندی میشوند.

مثالهای مختلفی از مخازن تحت فشار را در صنایع مختلف همچون برجهای تقطیر در پالایشگاههای نفت و پتروشیمی ها و همچنین مخازن راکتور هسته ای در نیروگاههای هسته ای می توان نام برد.

مخازن تحت فشار برای اینکه کارکردی ایمن داشته باشند در فشار و دمای ویژه ای طراحی میشوند که اصطلاحا فشار طراحی (Design pressure) و دمای طراحی (Design temperature) گفته میشود. طراحی و ساخت اینگونه تجهیزات تحت فشار بدون اصول و استفاده از کدها و استانداردهای طراحی بسیار خطرناک و حادثه آفرین خواهد بود.

به همین خاطر، جهت طراحی و تایید آن از استانداردهای رایجی همچون استاندارد امریکایی ASME Boiler and pressure vessel code(BPVC) و یا استاندارد انگلیسی BS PD 5500 (Pressure vessel code) استفاده میگردد.

بازرس باید با هر یک از استانداردهای مربوطه آشنایی داشته باشد و در صورت لزوم بتواند قسمتهای مختلف استانداردها را تفسیر نماید.

همانگونه که اشاره شد شکل مخازن میتواند بصورت کروی و یا استوانه ای طراحی شود. بدون در نظر گرفتن شکل مخازن، جرم مخازن تحت فشار رابطه مستقیم با حجم و فشار آن دارد. در زیر رابطه جرم مخازن تحت فشار کروی را میبینید:

که در آن M جرم ، p فشار، V حجم، d دانسیته ماده بکار رفته در مخزن و s حداکثر تنش کاری که آن ماده میتواند تحمل کند میباشد. اشکال دیگر در مقایسه با شکل کروی عدد ثابت بزرگتر از 2/3 دارند. در اینجا 2/3 را ثابت مربوط به شکل مخزن مینامند.

بطور مثال در نظر بگیرید برای یک موشک میخواهیم یک محفظه سوخت از هلیم تحت فشار طراحی کنیم بگونه ای که کمترین جرم یا وزن را داشته باشد.

خوب ،همانطور که گفتم باید از شکل کروی با ضریب عددی 2/3 استفاده کنیم تا کمترین جرم را داشته باشیم.همین طور از الیاف کربنی که دانسیته کمی دارند جهت تامین مواد مخزن (حداقل d/s) و هلیم سرد (حداقل M/PV) .

خوب به نظر شما طراحی به همین سادگی است.

ساده نیست! شاید تعجب کنید اگر بگویم که ساده تر از آن چیزی است که شما فکرش را بکنید. امروزه برنامه های نرم افزاری مختلفی در دسترس کاربران میباشد که میتوان رایج ترین آنها را نام برد همچون PVElite و Compress .که به سادگی میتوان مخازن بسیار پیچیده ای را با آنها طراحی نمود.

همانطور که میدانید صحبت از هر چیزی ساده است ولی عمل کردن و انجام آن سخت تر. و اینجاست که وظیفه یک بازرس و ناظر بخوبی آشکار میشود.

بازرس و گروههای مرتبط با کنترل کیفی ، باید با مراحل ساخت آشنا باشند و بدانند در هر مرحله از پروسه ساخت چه وظیفه ای دارند و چه چیزهایی را باید کنترل کنند تا محصول مطابق با استاندارد و داده های طراحی تولید شود.

در جلسات آتی در مورد یک سیستم مدیریت کیفی موثر صحبت خواهم کرد