Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках этапа была осуществлена доработка в части монтажа датчиков температуры и активных систем терморегулирования конструкций масштабированных адсорбционных аккумуляторов метана (МАПГ): • цилиндрической конфигурации закрытого типа (65 и 98л); • конформной конфигурации в виде плоской сотовой конструкции закрытого типа (24 л); • элемента планарной трубной конструкции проточного типа объемом (15 л). Также была проведена модернизаций экспериментальных стендов для исследования термодинамических параметров их циклической работы. Осуществлен первоначальный выбор углеродных нанопористых адсорбентов, потенциально пригодных для снаряжения МАПГ и проведены комплексные исследования их физико-химических и текстурных свойств, по результатам которых были выбраны два оптимальных сорбента KS-HA и PAC-3. Исследованы адсорбционные, кинетические и термодинамические характеристики адсорбентов по метану в интервале давлений до 20 МПа и температурах 243–333 К. Выполнена отработка режимов компактирования сорбентов и выполнена наработка партий формованного сорбента KS-HAМ высокой плотности для снаряжения МАПГ. Цилиндрические и конформные МАПГ были снаряжены сорбентами различной конфигурации и формы – рассыпным (KS-HA), компактированным (KS-HAМ), а также в виде комбинированного слоя компактированного и рассыпного адсорбента. Проведены экспериментальные исследования циклической работы цилиндрического МАПГ закрытого типа (65л), заполненного рассыпным гранулированным нанопористым активным углем KS-HA, с наружным воздушным терморегулированием в режимах: • тупиковой заправки метаном с температурой 20°C и предварительно охлажденным до минус 45 °C газом; • выдачи газа с постоянным расходом 5-20 л/мин; • заправки МАПГ с дросселированием газа; • резкой нестационарности (с переменным расходом в рамках одного цикла). Для данного МАПГ показано, что в режиме тупиковой заправки предварительное охлаждение газа не дает существенного преимущества в емкости, как и заправка с дросселированием, из-за высоких величин выделяющейся теплоты адсорбции. После дросселирования с 10 до 5 МПа температура газа снизилась примерно на 20 К, а пиковые ее значения в центре адсорбционного слоя и стенок практически совпали с результатами заправки метаном без предварительного охлаждения. Показано, что нестационарный режим выдачи газа со ступенчатым понижением расхода практически не снижает активную емкость МАПГ по сравнению с выдачей при постоянном расходе. Однако режимы с повышением расходов выдачи приводят к снижению Va до 20%. Исследована циклическая работа цилиндрического МАПГ закрытого типа (98 л), заполненного комбинированным слоем адсорбционного материала (KS-HA и KS-HAM), в режимах с наружным воздушным и жидкостным терморегулированием. Показано, что терморегулирование с помощью теплообменных аппаратов с циркулирующим теплоносителем более эффективно, чем наружное воздушное терморегулирование и позволяет сократить время заправки более чем в 4 раза, а также увеличить активную емкость при выдаче. Экспериментальные исследования циклической работы конформного МАПГ планарной сотовой конструкции (24 л), заполненного компактированным сорбентом KS-HAM показали, что жидкостное терморегулирование в целом более эффективно, чем воздушное. Однако зафиксирована, небольшая разница в активной емкости (4-6%), что можно объяснить влиянием на процессы заправки и выдачи наличия зазоров между моноблоками и внутренними стенками МАПГ, ограничивающих теплоперенос. При этом при выдаче газа минимальная температура стенок в режиме с воздушным терморегулированием составила 5 ºC и 17,2 ºC в режиме с жидкостным, что более предпочтительно с точки зрения реальной эксплуатации. Изучена циклическая работа конформного МАПГ в виде элемента планарной трубной конструкции проточного типа (15 л), заполненного компактированными моноблоками адсорбента KS-HAM в виде наборов из четырех секторов цилиндра. Исследование проводили в режимах: • тупиковых заправок с циркуляцией охлажденного этанола через внутренний теплообменник и без; • проточной заправки циркулирующим охлажденным газом; • проточной заправки с дополнительной циркуляцией охлажденного этанола через внутренний теплообменник. Максимальную эффективность с точки зрения количества газа продемонстрировала проточная заправка с одновременной циркуляцией и охлажденного газа, и этанола, которая позволила достичь значений полной емкости в 1,3-1,6 раз выше по сравнению с тупиковой заправкой без жидкостного терморегулирования. Проточная заправка охлажденным газом была эффективнее тупиковой с циркуляцией этанола. В целом, заправки с терморегулированием показали большую эффективность по объемной емкости (до 164,5 м3(НТД)/м3), чем заправки без терморегулирования (до 122,4 м3(НТД)/м3), а проточные заправки показали большую эффективность по сравнению с тупиковыми. Исследовано влияние макропараметров адсорбентов на характеристики циклической работы МАПГ. Показано, что плотность упаковки и теплопроводность адсорбционных материалов оказывают наибольшее влияние на эти процессы. Результаты проведенных исследований показали, что наличие принудительного активного терморегулирования МАПГ позволяет сократить время заправки и/или увеличить количество выдаваемого газа потребителю. При этом увеличение длительности заправки приводит к получению дополнительной емкости системы АПГ, однако итоговая эффективность в конце цикла заправка-выдача определяются эффективностью системы терморегулирования и режимом выдачи газа. Результаты теоретических и экспериментальных исследований циклической работы в различных термодинамических условиях цилиндрических МАПГ, снаряженных адсорбентами различной конфигурации опубликованы в журналах «ChemEngineering» (Q2) и «Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces» (Q3), которые индексируются в Scopus, Web of Science и иных базах данных. Также результаты исследований представлены в трех докладах на конференциях: • 16-я Международная конференция «Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология», 30 октября – 1 ноября 2024, г. Москва. • Всероссийский симпозиум с международным участием «Адсорбенты и промышленные адсорбционные процессы в XXI веке», РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, 24 сентября 2024. Дополнительно размещена информация о проекте на сайте НТЦ «Адсорбционные технологии» (https://adsorbtech.ru/24-79-00135).