مقدمه

مشکلات ناشی از ذخیره‌سازی سوخت گاز، به‌عنوان یک مانع بزرگ در توسعه سریع خودروهای گاز‌سوز جلوه کرده‌است. در حال حاضر سه مبنا برای ذخیره‌سازی سوخت‌های گازی که جزء اصلی آن‌ها متان است، وجود دارد:
1. گاز طبیعی فشرده (CNG)
2. گاز طبیعی مایع‌شده (LNG)
3. گاز طبیعی جذب‌شده (ANG)
امروزه استفاده از گاز طبیعی فشرده بیشترین کاربرد را از بین سه روش فوق دارد. مخازن ذخیره گاز تحت فشار بالا، که در حال حاضر برای خودروهای گازسوز کاربرد دارند، نسبت به آنچه که ده سال پیش مورد استفاده واقع می‌شد، به‌طرز قابل‌توجهی تکامل‌ یافته‌اند. در مخازن فعلی، نسبت وزن بر واحد حجم گاز ذخیره‌شده در مقایسه با مخازن اولیه، به بیش از نصف کاهش یافته و مخازن در اندازه‌ها و شکل‌های متفاوت تولید شده‌‌اند. البته توسعه و پیشرفت در این راه با کاربرد استانداردهای جدیدISO با سرعت بیشتر قابل پیش‌بینی و انتظار است. این در حالی است که دیگر روش‌های ذخیره‌سازی گاز در مراحل اولیه توسعۀ خود هستند.
به‌کارگیری گاز طبیعی فشرده به‌عنوان سوخت وسائط نقلیه در مقیاس وسیع در دو دهه 50 و 60 میلادی در ایتالیا و روسیه آغاز شد. مخازن اولیه، مخازن فولادی بودند که با مشخصات صنعتی- ملی گوناگون ساخته می‌شدند تا این‌که در اواخر سال 1970 میلادی با وضع مقررات جدید در ایتالیا، مخازن فولادی کم‌وزن به بازار عرضه شدند. در آمریکای شمالی نیز تبدیل سوخت وسائط نقلیه به گاز طبیعی در مقیاس وسیعی، از سال 1980 میلادی به‌بعد آغاز گردید. مخازن سبک‌وزن ساخته‌شده از آستر فلزی پیچیده‌شده با الیاف شیشه‌ای که برای کاربردهای فضایی توسعه یافته بودند‏‏‏‏‏‏، در سال 1977 میلادی به بازارهای صنعتی وارد شدند. در سال 1982 میلادی مخازنی که با آستر آلومینیومی با پیچش محیطی الیاف شیشه ساخته شده‌بودند در صنعتCNG مورد استفاده قرار گرفتند. سازندگان مخازن فولادی این روند را تا طرح‌های سبک‌‌وزن‌تر برای CNG با تولید کردن آسترهای فولادی پیچیده‌شده با الیاف شیشه‌ای که در سال 1985 میلادی آغاز شده بود، دنبال کردند. برای این‌که وزن مخزن را برای کار‌بردهای CNG کاهش دهند، سازندگان بسیاری، طرح‌های کامپوزیتی کاملاً پیچیده‌ای را توسعه دادند و آسترهای فلزی یا پلاستیکی را برای مخزن محتوی گاز به‌کار بردند. در اواخر دهه 80 میلادی کاربردهای عملی مخازن CNG با آسترهای پلاستیکی تقویت‌شده درسوئد، روسیه و فرانسه شروع شد. به‌دنبال توسعه استانداردهای مخازن گاز طبیعی در آمریکای شمالی، طرح‌هایی با آسترهای نسبتاً نازک آلومینیوم یا آسترهای پلاستیکی تقویت‌شده کاملاً پیچیده‌شده با پوشش الیاف شیشه و الیاف کربن بعد از سال 1992 میلادی به بازار معرفی شدند. شکل 1 نمونه‌هایی از این مخازن را نشان می‌دهد.
مشخصات عمده فناوری‌های ذخیره‌سازی سوخت گاز طبیعی در جدول 1 خلاصه شده‌اند. برای مقایسه؛ بنزین، اتانول و متانول نیز در این جدول فهرست شده‌اند. مقایسه فناوری‌های ذخیره گاز طبیعی و فناوری‌های ذخیره سوخت‌های مایع رایج، براساس ذخیره انرژی یکسان در هر سیستم سوخت بیان شده‌است.

مبنای مقایسه، یک مخزن 45 لیتری بنزین است که اکثراً در خودروهای شخصی متوسط استفاده می‌شود. با فرض ذخیره گاز طبیعی برای 320 کیلومتر و با مصرف بنزین 8/11 لیتر در 100 کیلومتر، سه مخزن 50 لیتری گاز نیاز می‌باشد. همچنین در خودروهایی با مصرف بنزین 8/8 لیتر در 100 کیلومتر، دو مخزن 50 لیتری گاز و در خودروهایی با مصرف بنزین 7 لیتر در 100 کیلومتر، یک مخزن 50 لیتری گاز لازم است. با افزایش نسبت تراکم خودروهای گازسوز، می‌توان تا 15 درصد مصرف سوخت را کاهش داد که باعث کاهش وزن مخزن و هزینه ذخیره گاز می‌گردد. افزایش نسبت تراکم موتور از افزایش حجم مخزن ذخیره گاز طبیعی فشرده اقتصادی‌تر است.

برای دانلود رایگان قسمت های بیشتراز فایل به انتهای مطلب مراجعه کنید

فهرست مطالب

چکیده………………………………………………………………… 1
مقدمه………………………………………………………………… 2
عملکرد و شرایط مخازن CNGا……………………………………… 6
تعیین مخزن با توجه به نوع خودرو………………………………….. 7
انواع مخازن CNG ا……………………………………………………11
مخازن CNG-I ا………………………………………………………..11
مخازن CNG-IIا………………………………………………………. 12
مخازن CNG-III ا………………………………………………………14
مخازن CNG-IV ا……………………………………………………….15
4-4-1 اجزای مخزن CNG-IV ا……………………………………….16
مقایسه انواع مخازن…………………………………………………. 19
فناوری تولید مخازن گاز طبیعی فشرده ……………………………..20
تولید مخازن نوع ……………………………………………………..1 20
6-1-1 تولید مخزن از ماده اولیه ورق ………………………………….20
6-1-2 تولید مخزن از ماده اولیه لوله………………………………….. 23
6-1-3 تولید مخزن از ماده اولیه شمشال……………………………. 23
تولید مخازن نوع2……………………………………………………… 24
6-2-1 الیافپیچی………………………………………………………. 24
تولید مخازن نوع 3………………………………………………………. 26
6-3-1 ساخت کامپوزیتهای پیشرفته………………………………….. 26
تولید مخازن نوع 4 ………………………………………………………….28
طراحی مخازن…………………………………………………………… 29
الزامات طراحی………………………………………………………….. 29
محدودیتهای طراحی……………………………………………………… 30
اصول حاکم برای طراحی مخازن CNGا………………………………….. 30
مراحل انجام طراحی……………………………………………………….. 31
مراحل محاسبه قیمت مخزن……………………………………………… 32
استانداردهای مخازن………………………………………………………… 32
استاندارد ISO ا………………………………………………………………..34
تعدادی از استانداردهای مخازن CNG ا……………………………………..36
8-2-1 استاندارد (CNG4) ISO/FDIS/11439 ا………………………………36
8-2-3 استانداردهای ملی ایران………………………………………………. 40
آزمون‌های مخازن CNG ا……………………………………………………….43
آزمون‌های کیفی حین تولید………………………………………………… 43
9-1-1 بازرسی اولتراسونیک……………………………………………….. 44
9-1-2 آزمون سختیسنجی …………………………………………………44
9-1-3 آزمون تعیین حجم………………………………………………………. 45
9-1-4 کنترلهای لازم برای مخازن کامپوزیتی ………………………………….45
آزمونهای تأیید ایمنی مخازن……………………………………………………. 45
بازرسی…………………………………………………………………………. 52
10-1 نحوه انجام بازرسی……………………………………………………… 53
10-2 ویژگی‌های بازرس……………………………………………………….. 58
مکانیزمهای آسیب…………………………………………………………….. 58
11-1 آسیبهای معمول در مخازن ذخیره گاز طبیعی………………………… 60
11-1-1 بهوجود آمدن آسیب درهنگام شکلدهی آستر…………………….. 60
11-1-2 آسیب در هنگام ایجاد پوشش کامپوزیت……………………………. 60
اطلاعات مربوط به علامتگذاری مخزن …………………………………………..62
فناوریهای جدید در مخازن CNG ا…………………………………………………63
سیستم ذخیرهسازی ISSا……………………………………………………… 63
مخازن تطابق‌پذیر ……………………………………………………………………..65
مخازن با قطر بزرگتر …………………………………………………………………66
طراحی نوع خاصی از مخزن CNG ساختهشده از جنس آلومینیوم و پلاستیک تقویتشده 68
مراجع …………………………………………………………………………………70

 

17

انواع مخازن CNG
مخازن CNG به چهار دسته کلی تقسیم می‌شوند. در ادامه به توضیح انواع مختلف مخازن CNG پرداخته می‌شود.
مخازن CNG-I
نمونه‌هایی از مخازن CNG-I در شکل 3 نشان داده شده‌اند. 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.

مخازن CNG-II
نمونه‌هایی از مخازن CNG-II در شکل 4 نشان داده شده‌اند. این نوع مخازن دارای یک لایه 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 بیشینه فشار پرشدن مخزن می‌باشد. این امر به طراحان اجازه استفاده از آسترهایی با تحمل تنش بیشتر از حد معمول را می‌دهد.

مخازن CNG-III
نمونه‌هایی از مخازن CNG-III در شکل 5 نشان داده شده‌اند. این مخازن دارای یک لایه آستری از جنس فولاد یا آلومینیوم بدون‌درز بوده و تمام این لایه 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 ذخیره 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.
مخازن CNG-IV
این نوع مخازن دارای یک آستری از جنس پلیمر بدون درز هستند و تمام این لایه 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 عمده 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 در خودروهای 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. در شکل 6 نمونه‌ای از این مخازن نشان داده شده‌است.
4-4-1 اجزای مخزن CNG-IV
شکل 7 نشانگر مقطعی کامل از یک مخزن CNG-IV است. این مخازن به‌طور کلی از 5 جزء اصلی تشکیل می‌شوند.

1. آستر
این قسمت معمولاً از مواد پلیمری، الاستومری یا پلی‌اورتان با چگالی بالا (HDPE) تولید می‌شود. ماده HDPE تا‌کنون در ساخت اجزای سیستم سوخت اتومبیل‌های زیادی استفاده شده‌است. این ماده در صنعت توزیع گاز طبیعی قدمتی 25 ساله دارد. بعلاوه این ماده با استاندارد
Type III Cat 5, Class C ASTM 1248, Grade P34
بخوبی مطابقت دارد. خواص عمده و کلی این نوع آسترها به‌شرح زیر است:
الف- مقاومت خوب و نسبتاً بالایی در مقابل نشت گاز ایجاد می‌نمایند.
ب – با قطعه نافی فلزی تداخل کرده و سازه مناسبی جهت آب‌بندی ایجاد می‌کنند.
پ – سازه اولیه و مناسبی جهت الیاف پیچی ایجاد می‌نمایند.
ت – به‌دلیل پایین بودن مدول الاستیسیته آن‌ها، براحتی نیروهای ناشی از فشار داخلی را به سازه اصلی منتقل می‌کنند.
ث – این آسترها مقاومت بالایی در مقابل ترک‌های محیطی ناشی از تنش دارند.
ج – ارزان هستند و براحتی شکل می‌گیرند.
2. نافی فلزی
دو وظیفه اصلی این قطعه که از اجزای حساس و مهم یک مخزن CNG به‌شمار می‌آید، به‌شرح زیر است:
الف – زمینه مناسب را جهت الیاف‌پیچی کامپوزیتی جهت ساخت مخازن مهیا می‌کند.
ب – وسیله ارتباط ورود و خروج گاز را بین مخزن و تأسیسات خارجی مخزن به‌عهده دارد.
به‌دلیل شکل فلنجی، الیاف‌پیچی روی آن بسهولت انجام گرفته و فرآیند با مشکل مواجه نخواهد شد. رزوه‌های روی نافی فلزی نقش تأسیساتی و ارتباطی بین تجهیزات خارجی و نافی را فراهم می‌نماید و براحتی می‌توان شیرآلات و اتصالات لازم جهت تغذیه و مصرف گاز را روی آن تعبیه کرد. درنهایت در قسمت پهن فلنجی شکل نافی شیارهایی ایجاد می‌گردد که این شیارها وظیفه اصلی جلوگیری از نشت گاز را فراهم می‌کنند و همچنین باعث استحکام بین آستر و نافی نیز می‌گردد. نافی‌هایی که تاکنون در مخازن CNG‌ استفاده شده‌اند، دارای شکل‌های مختلف و متنوعی هستند. این قطعات معمولاً از آلومینیوم آلیاژی 6061 یا فولاد آلیاژی ساخته می‌شوند.
3. قسمت کامپوزیتی مخزن
همان‌طور که در قسمت‌های قبلی توضیح داده شد، هر قسمتی از یک مخزن CNG وظیفه خاصی را به‌عهده دارد. جز‌ء کامپوزیتی مخزن که از یک کامپوزیت هیبرید با لایه‌های مختلف (کربن- شیشه- اپوکسی) تشکیل می‌شود توسط فرآیند الیاف پیچی تولید می‌گردد. انتخاب الیاف کربنی به‌دلیل نسبت بالای مقاومت به وزن، خواص خستگی عالی، عدم حساسیت به شرایط محیطی و قابلیت اطمینان آن، می‌باشد. در‌حالی‌که الیاف شیشه‌ای مقاومت اندکی دارد و هدف اصلی استفاده از این ماده کامپوزیتی، بهبود تحمل مخزن نسبت به صدمات و ضربه‌های احتمالی می‌باشد. در ‌واقع وظیفه اصلی قسمت سوم یک مخزنCNG تحمل فشار داخلی مخزن است.
4. فوم‌های قالبی تزریق‌شده
بعد از اتمام ساخت بدنه اصلی مخزن، فوم‌های قالبی تزریق‌شده روی قسمت گنبدی‌شکل مخزن نصب می‌گردند که این عمل باعث دوام و بقای یک مخزن کامپوزیتی می‌شود.
5. رنگ مخزن
در‌نهایت پس از اتمام ساخت مخزن، سطح آن توسط رنگ خاصی (پلی اورتان) پوشش داده‌می‌شود. این عمل علاوه بر حفاظت از قطعات خارجی مخزن باعث زیبایی کار نیز می‌گردد.
مقایسه انواع مخازن
انواع مختلف مخازن CNG در شکل 8 به‌صورت مقایسه‌ای نشان داده شده‌اند. در این شکل نسبت وزن به حجم مخازن جهت مقایسه ارائه شده‌است.
از دیگر مشخصه‌های مخازن، راندمان حجمی مخزن می‌باشد که از تقسیم حجم داخلی مفید مخزن بر حجم کل مخزن به‌دست می‌آید. به‌طور معمول مخازنی که از مواد با مقاومت کششی بالا ساخته می‌شوند، راندمان حجمی بیشتری دارند، چراکه این مواد با ضخامت کمتر می‌توانند فشار بالاتری را تحمل نمایند. به‌طور مثال یک مخزن نوع اول دارای راندمان حجمی 90% بوده و یک مخزن نوع سوم با الیاف شیشه، دارای راندمان حجمی 74% می‌باشد. در جدول 2 نمونه‌هایی از طرح‌های مختلف مخازن، از نظر راندمان حجمی با یکدیگر مقایسه شده‌اند.

17

فناوری تولید مخازن گاز طبیعی فشرده
تولید مخازن نوع 1
مخازن گاز طبیعی فشرده نوع 1 معمولاً از ماده اولیه خام به سه شکل مختلف ورق، لوله یا شمشال تولید می‌‌گردند. بنابراین فرایند تولید مخازن نوع 1 با استفاده از سه شکل مواد اولیه مذکور مراحل تولید متفاوتی را درپی خواهد داشت. در تولید مخازن نوع 1 شکل‌دهی این مواد خام بیشترین حجم کار را به‌خود اختصاص می‌دهد. در زیر به توضیح مراحل ساخت مخازن
نوع 1 با به‌کارگیری هر یک از سه نوع ماده اولیه می‌پردازیم.
6-1-1 تولید مخزن از ماده اولیه ورق
برای تولید مخازن فولادی نوع 1 از ورق، در ابتدا ورق‌هایی از جنس AISI4130 یا AISI4140 انتخاب می‌شوند. ورق‌های فولادی در ابعاد و اندازه‌های گوناگونی توسط سازندگان ساخته می‌شوند. سازندگان مخازن باید با توجه به ابعاد و اندازه‌های مخازن تولیدی خود، ورق‌های مورد نیاز را طوری انتخاب کنند که کمترین دورریز را داشته باشند. بعد از این‌که ورق‌ها فراهم شدند عملیات آنیلینگ روی آن‌ها انجام می‌شود. بعد از این مرحله ورق‌های پیچیده‌شده، مسطح‌سازی می‌شوند و برای برش‌کاری آماده می‌گردند. ورق‌ها پس از آماده‌سازی به‌صورت دایروی و به ابعاد مورد نیاز طوری بریده می‌شوند که کمترین تنش‌های فشاری و ترک‌های احتمالی در آن‌ها به‌وجود آید. بعد از انجام برش‌کاری، ورق‌ها در سیکل روغنکاری قرار می‌گیرند، این عمل به‌منظور جلوگیری از به‌وجود آمدن آسیب‌های احتمالی حین مراحل بعدی انجام می‌شود. در مرحله بعد ورق‌ها تحت کشش عمیق سرد قرار می‌گیرند و به‌صورت لیوانی‌شکل در می‌آیند. روغن‌کاری قبل از عملیات کشش سرد اثرات اصطکاک را از بین می‌برد و باعث سهولت در انجام عملیات کشش می‌گردد. بعد از انجام کشش عمیق سرد مجدداً مخازن آنیلینگ می‌شوند و سپس در سیکل روغنکاری قرار می‌گیرند. این عملیات برای بهتر انجام‌شدن کشش سرد عمیق بعدی، نرم‌شدن مخازن و تنش‌زدایی به‌کار می‌رود. سپس مجدداً مخازن تحت عملیات کشش سرد قرار می‌گیرند تا مخزن به ابعاد مورد نظر برسد. بعد از انجام این مراحل برای این‌که سطح استوانه‌ای مخزن دارای ضخامت‌های یکسانی باشد مخازن تحت عملیات فلوفرمینگ قرار می‌گیرند. در این مرحله عیوب ریخته‌گری موجود در ورق‌ها نیز تا حدودی از بین‌ می‌رود. حال‌ که قسمت استوانه‌ای مخازن آماده شده، باید سطح مخزن با استفاده از روش اولتراسونیک برای آزمایش این‌که سطح مخزن دارای ضخامت یکنواخت می‌باشد یا نه، مورد بازرسی قرار ‌گیرد.



  مقطع کارشناسی ارشد

بلافاصله بعد از پرداخت به ایمیلی که در مرحله بعد وارد میکنید ارسال میشود.


فایل pdf غیر قابل ویرایش

قیمت25000تومان

خرید فایل word

قیمت35000تومان