جایگاه سوخت CNG و ساختار آن

گاز طبیعی فشرده یا (CNG (Compressed natural gas سوختی است که عمدتا به عنوان جایگزین برای بنزین و گازوئیل به کار می­‌رود. این سوخت از بنزین و گازوئیل آلایندگی کمتری دارد و در حالت نشت نیز از آن­ها خطر کمتری دارد. زیرا گاز از هوا سبک­تر بوده و به سرعت پراکنده می­‌شود.

CNG با فشرده سازی گاز طبیعی تا اندازه­ای که حجمی که اشغال می­‌کند به یک درصد حالت اولیه برسد، بدست می‌­آید. گاز طبیعی عمدتا از متان تشکیل شده از چاه گاز یا فرآوری زباله ( بیوگاز) بدست می­‌آید. این گاز در خودرو­های پایه گاز سوز به عنوان سوخت اصلی و در خودرو­های دوگانه سوز پایه بنزینی به عنوان سوخت جایگزین مورد استفاده قرار می­‌گیرد.

جایگاه سوخت CNG و ساختار آن

در سال 2013 بیش از 18 میلیون خودرو CNG در دنیا فعال بوده‌­اند. که بیشترین سهم از این خودرو­ها مربوط به ایران بوده است. ایران بزرگترین ناوگان خودرو­های گاز سوز جهان را با 5/3 میلیون خودرو در اختیار دارد. بعد از ایران پاکستان و آرژانتین با بیش از 2 میلیون خودرو در رتبه­ بعدی ناوگان CNG دنیا قرار دارند.

اگر بخواهیم مزایا و معایب جایگاه سوخت را به صورت کلی بررسی کنیم؛ آلایندگی گاز طبیعی از بنزین و گازوئیل کمتر است، در ایران گاز طبیعی به وفور و با قیمت مناسب در دسترس است. در مقابل هزینه احداث جایگاه CNG به نسبت جایگاه بنزین و گازوئیل بالاتر است. از طرف دیگر کاهش پیمایش خودرو، افزایش استهلاک خودرو، نیاز به تقویت شاسی و سیستم خنک کاری خودرو، از معایب این سوخت می‌­باشد. لازم به ذکر است گاز طبیعی چگالی انرژی پایینی دارد و در حجم مساوی یک چهارم گازوئیل انرژی تولید می­‌کند.

برخلاف جایگاه­‌های سوخت بنزین یا دیزل، جایگاه­های CNG، گوناگونی­‌های زیادی در اندازه و ظرفیت سیستم توزیع سوخت دارند. احداث و بهره برداری جایگاه سوخت CNG به سادگی جایگاه سوخت بنزین و گازوئیل نیست. برای احداث جایگاه CNG برای عرضه خرده فروشی یا ناوگانی گاز طبیعی لازم است تا محاسبات دقیق و صحیح و ترکیبی انجام گیرد. این محاسبات برای تعیین فشار و نحوه و مقدار ذخیره گاز مورد نیاز با در نظر گرفتن نوع وسایل نقلیه متقاضی سوخت، انجام می­‌گیرد.

سوخت CNG

اگر محاسبات مذکور به صورت صحیح و دقیق انجام پذیرد، نوع و ظرفیت کمپرسور و مقدار ظرفیت مخزن به درستی انتخاب خواهد شد. انتخاب صحیح مخزن و کمپرسور نیز در هزینه سوخت و تعداد خودروهایی که می­توانند در جایگاه سوخت گیری کنند تاثیر گذار است.

برای احداث جایگاه سوخت دو نوع زیر ساخت وجود دارد: 1.سوخت گیری زماندار 2.سوختگیری سریع. تفاوت اصلی این دو نوع ساختار در مقدار ظرفیت سوخت ذخیره شده­ در دسترس و اندازه­ی کمپرسور است. این دو متغیر در مقدار سوختی که انتقال می­‌یابد و مدت زمان سوخت­گیری تاثیر گذار است. اکثر جایگاه‌­های سوخت CNG یکی از ساختار را اجرا می­‌کنند، با این حال جایگاه­‌هایی هستند که هر دو ساختار به صورت ترکیبی به کار گیرند.

سوخت گیری سریع

معمولا جایگاه­های سوخت پر سرعت برای محل­هایی که وسایل نقلیه به صورت تصادفی برای سوخت­گیری مراجعه می­کنند و سوخت گیری سریع برای آن­ها در اولویت است، مناسب هستند. لذا تمام جایگاه­های CNG عمومی حتما این ساختار را دارند. لازم به ذکر است دیسپنسر CNG می­تواند در کنار دیسپنسر بنزین و یا دیگر سوخت­ها قرار گیرد.

برای یک جایگاه سوخت که خودرو­های سبک در آن سوخت­گیری می­‌کنند، فضای مورد نیاز برای جایگیری تجهیزات در اندازه­ یک پارکینگ در نظر گرفته می‌­شود. ایستگاه­های سوخت­ گیری سریع گاز را از خط اصلی در فشار کم می­‌گیرند. سپس در جایگاه از یک کمپرسور برای فشرده کردن آن و افزایش فشار استفاده می­‌کنند. پس از فشرده سازی، گاز درون انشعابات مخازن ذخیره می­‌شود. به این صورت گاز طبیعی فشرده برای سوخت­گیری سریع در دسترس است.

متقاضیان سوختی که در جایگاه­ای CNG از نوع سوخت­گیری سریع اقدام به سوخت گیری می­کنند؛ از لحاظ مدت زمان سوخت­گیری تجربه‌­ای مانند سوخت­گیری در جایگاه­های معمول بنزین و گازوئیل دارند. بنابراین برای پرکردن مخزن CNG یک خودرو در جایگاه سوخت­گیری سریع کمتر از 5 دقیقه که زمان لازم برای پر کردن باک 20 گالنی است، طول می­‌کشد. این زمان برای خودرو­های سنگین و اتوبوس­‌ها دو برابر است.

گاز طبیعی فشرده شده در جایگاه سوخت گیری سریع با فشار بالا (psi 4300) در انشعابات مخزن ذخیره شده است. لذا دیسپنسر می­تواند سریعا گاز را به خودرو متقاضی عرضه کند. دیسپنسر برای محاسبه فشار و مقدار گاز عرضه شده به صورت معادل با گالن یا لیتر بنزین ( با در نظر گرفتن دما) از سنسور استفاده می­‌کند.

سوخت گیری سریع سوخت CNG

سوخت گیری زماندار

این نوع از جایگاه­ها در درجه اول برای سوخت گیری ناوگان­ها مورد استفاده قرار می­گیرند. بهترین عملکرد جایگاه زماندار برای خودروهایی با مخزن بزرگ است که هرشب در مکانی مشخص سوخت گیری می­کنند. در این جایگاه­ها نیز گاز طبیعی با فشار کم از خط اصلی به کمپرسور منتقل می­شود.

تفاوت این جایگاه­ها با جایگاه­های سریع در این است که در این جایگاه­ها برخلاف جایگاه­های سریع، گاز بعد از کمپرسور در مخازن فشار بالا ذخیره نمی­شود. بلکه به صورت مستقیم از کمپرسور به خودروی متقاضی عرضه می­شود. اندازه کمپرسور مورد نیاز بستگی به اندازه­ی خودرو­های ناوگان مورد نظر دارد.

لازم به ذکر است در این مدل هم یک مخزن میانی کوچک وجود دارد. اما وظیفه آن عرضه سوخت به خودروها نیست. هدف از استفاده این مخزن جلوگیری از روشن و خاموش شدن­های بی مورد و پی در پی کمپرسور است. که باعث بالا رفتن مصرف برق، سایش و استهلاک و کوتاه شدن عمر کمپرسور می­شود. البته در بعضی موارد در این روش نیز از مخزن ذخیره برای کامل کردن فرآیند سوخت گیری خودرو­های سنگین در زمانی که بار جایگاه زیاد است (در طول روز) استفاده می­شود.

مدت زمان سوخت­گیری در این جایگاه­ها به تعداد خودرو­هایی که در حال سوخت گیری هستند، اندازه­ی کمپرسور و مقدار ظرفیت مخزن میانی (بافر) بستگی دارد. لذا فرآیند سوخت گیری ممکن است از چند دقیقه تا چند ساعت زمان ببرد.

یکی از مزیت­های این نوع جایگاه­های CNG این است که دما در هنگام بارگیری و فشرده سازی گاز درون مخزن خودرو کمتر بالا می­رود. لذا مخزن می­تواند مقدار گاز بیشتری در خود جای دهد وکاملتر پر شود. دیگر مزیت این روش این است که مدیر ناوگان می­تواند زمان بارگیری خودرو­هایش را در زمانی انجام دهد که بار کاری جایگاه کم است (مثلا شب­ها). بدین صورت سوخت گیری خودرو­ها در زمان کمتری انجام می­پذیرد.

به طور کلی ساختار و معماری یک جایگاه سوخت CNG از نوع زمانداز بستگی به خودروهای ناوگانی دارد که می­خواهند در آنجا سوخت گیری کنند. برای مثال سوخت گیری اتوبوس­ها نیاز به کمپرسور بزرگتری دارد که بتواند در هر دقیقه معادل 8 تا 9 گالن سوخت عرضه کند. در حالی که کامیون­های جمع آوری زباله می­توانند با کمپرسور کوچکتری که معادل 3 گالن سوخت در دقیقه عرضه می­کند، سوخت گیری کنند. برای بعضی از ناوگان­ها شدت سوخت­گیری تا نصف گالن در ساعت نیز کافی است. این اختلاف در اندازه­ی سیستم این نوع جایگاه سوخت CNG باعث می­شود که هزینه­ی احداث آن بسیار متفاوت باشد.­

سوخت گیری زمان بر سوخت CNG

سوخت گیری به صورت ترکیبی

جایگاه‌­های سوخت ترکیبی شامل تجهیزات هر دون نوع جایگاه سوخت گیری سریع و زماندار در یک سیستم می­شوند. خودرو­های متقاضی سوخت می‌­توانند به قسمت سوخت گیری سریع متصل شوند و از طریق انشعابات مخزن ذخیره سازی سوخت گیری شوند. یا در قسمت سوخت­گیری زماندار به صورت مستقیم از کمپرسور سوخت گیری می­‌شوند.

 در واقع خودرو پس از ورود به جایگاه با توجه به نیازاش یکی از دو بخش سوخت گیری سریع و زماندار را انتخاب می­‌کند. البته باید در نظر داشت هزینه احداث و بهره‌­برداری جایگاه سوخت ترکیبی از دو نوع جایگاه دیگر بیشتر است. اما اگر قسمت سوخت گیری سریع آن در اختیار عموم قرار داشته باشد می‌­تواند منبع درآمد خوبی باشد.

سوخت گیری CNG به صورت ترکیبی

پرکردن مخزن CNG ، فرآیندی تاثیرپذیر

برخلاف سوخت­های مایع که در طیف گسترده­ای از دما حجم یکسانی دارند. گاز طبیعی فشرده شده یا CNG به طور قابل توجهی با تغییر دما تغییر حجم داده و منقبض و منبسط می­‌شود. به عبارن دیگر گرما باعث می­‌شود مولکول­های گاز جنبش بیشتری داشته باشند و گاز منبسط شود، بالعکس سرما باعث می­‌شود مولکول­های گاز متراکم شوند.

در دما و فشار استاندارد صنعت، یک مخزن CNG معمولا معادل 20 گالن بنزین گنجایش دارد. اما برای مثال در یک روز گرم تابستانی، مولکول­های CNG منبسط خواهند شد. لذا تنها می­‌توانند تا 75% ظرفیت مخزن در حالت سرد را پر کنند.

تجهیزات سوخت گیری با استفاده از دیسپنسر­های سوخت گیری سریعی که به تنظیم کننده دما مجهز شده­‌اند، بهینه می‌­شوند. این تنظیم کننده‌­های هوا کمک می‌­کنند تا دما در حالت استاندارد خود حفظ شود. بنابراین خودرو­ها می­توانند تا حداکثر ظرفیت مخزن خود سوخت گیری کنند.

مقدار CNG که می‌­تواند در مخزن خودرو­ها ذخیره شود از عامل­‌های گوناگونی تاثیر پذیر است که در زیر مشاهده می­‌کنیم:

نرخ سوخت گیری:

 اگر نرخ سوخت گیری افزایش یابد، دمای مولکول­های سوخت به طرز چشمگیری افزایش می­­­یابد. زمانی که سوخت گرم می­شود، منبسط شده و تراکم مولکول­های آن کاهش می­‌یابد. لذا زمانی که سوخت به فشار استاندارد می­رسد به ازای یک حجم مشخص انرژی کمتری می­‌تواند تولید کند. زیرا مولکول­های گازی کمتری در آن حجم وجود دارند.

بنابراین در روش سوخت­گیری زماندار که با سرعت کمتری انجام می­‌پذیرد، می­توان مخزن را به نسبت روش سریع، کامل­تر پر کرد. این روش به مولکول­های CNG اجازه را می‌­دهد تا بر خلاف جنبش زیاد ناشی از گرم و فشرده شدن، متراکم باقی بمانند.

دمای محیط:

دمای محیط بیرون نیز بر دمای CNG تاثیرگذار است. در زمانی که دمای محیط بالا است، مولکول­های CNG کمتر متراکم شده‌­اند. لذا در مقایسه با حالت دمای پایین، در حجم مساوی انرژی کمتری تولید می­‌کند. بنابراین مولکول­های CNG که در مخازنی که در محیط گرم قرار دارند ذخیره شده­‌اند، انرژی کمتری در واحد حجم نسبت به CNG ذخیره شده در مخازنی که در هوای سرد قرار دارند تولید می­‌کنند.

نرخ فشار :

به طور معمول فشار استاندارد برای سیستم سوخت گیری CNG، psi 3600  است. در بعضی از جایگاه‌­ها برای ضریب ایمنی بیشتر اسن فشار تا psi3000 هم می‌­رسد.این فشار با فرض دمای 70 درجه فارنهایت برای محیط، در نظر گرفته شده است.

مخازن سوخت CNG طوری طراحی شده‌­اند تا 125% فشار عملکردی خود را بتوانند تحمل کنند. لذا مخزن psi 3000 می­‌تواند تا psi 3750 و مخزن psi 3600 تا psi 4500 را بارگیری شود. این ویژگی به مخزن اجازه می­دهد که در روز­های گرم که دمای سوخت ناشی از فشرده سازی و گرمای محیط بالا می‌­رود و منبسط می‌­شود نیز بتوان عملیات سوخت­گیری را انجام داد. به صورت کلی می­توان گفت به ازای 10 درجه فارنهایت افزایش یا کاهش دما از 70 درجه، فشار psi100  افزایش یا کاهش می­‌یابد.

انوع مخزن CNG :

به طور کلی چهار نوع مخزن داریم. تفاوت این مخزن‌­ها در طراحی، روش ساخت و جنس است. جنس مخزن تعیین کننده دما و مقدار سوختی است که می‌­تواند در مخزن ذخیره شود. برای مثال مخازن فیبر کربن در مقایسه با مخازن فولادی گرمای بیشتری در خود ذخیره می­‌کند. لذا به علت منبسط شدن مولکول­های CNG در شرایط قرارگیری در هوای گرم، ظرفیت این مخازن کاهش می‌­یابد.

مراحل پر شدن مخزن سوخت­گیری سریع CNG

در این قسمت مراحل پر شدن مخزن خودرو در جایگاه از نوع سوخت گیری سریع به صورت مرحله به مرحله توضیح داده می‌­شود.

1. گاز به سرعت سرد می­‌شود؛ CNG به سرعت از دیسپنسر (فشار بالا) به مخزن سوخت خودرو (فشار پایین) حرکت می­‌کند. گاز به علت انبساط شدید سریعا سرد می­‌شود. قانون ژول-تامسون در این حالت قابل مشاهده است.

2.  فشار بالا می­رود، دما افزایش می­‌یابد؛ با ورود بیشتر گاز به مخزن، فشار آن افزایش می­‌یابد و بدین ترتیب دمای داخلی مخزن بالا می‌­رود. گرمایی که طی این فرآیند تولید می­‌شود گرمای بازتراکم نامیده می­‌شود. با اینکه دما درون مخزن افزایش می‌­یابد، نازل همچنان طبق قانون ژول-تامسون سرد است.

3. گاز گرم می­‌شود؛ از آنجا که مخزن با سرعت زیادی پر می‌­شود، گرمای ایجاد شده در مخزن زمان کافی برای انتقال به محیط اطراف از طریق دیواره مخزن را ندارد. با گرم­تر شدن گاز،مولکول­ها با سرعت و فرکانس بیشتری به یکدیگر و دیواره مخزن برخورد کرده و فشار مخزن افزایش می­‌یابد. بنابراین در یک روز گرم که مولکول­های گاز سریع­تر حرکت می­‌کنند تعداد کمتری از آن­ها در مخزن جای می‌گیرد.

4. مخزن همچنان پر می­‌شود؛ برخلاف سوخت­های مایع که نازل زمانی جریان را قطع می­‌کند که سطح مایع درون مخزن خودرو بالا بیاید. نازل و دیسپنسر CNG زمانی جریان را قطع می­‌کنند که مخزن به فشار مطلوب برسد. فشاری که مطلوب با توجه به عوامل گوناگونی تعیین می­‌شود. از جمله آن می‌­توان به دما و مقدار فشاری که مخزن در صورت افزایش دما می­‌تواند تحمل کند، اشاره کرد.

5. دیسپنسر خاموش می­‌شود، اپراتور قطع می‌­شود؛ معمولا دیسپنسر جریان را زمانی که فشار مخزن به psi 4100 می­‌رسد قطع می­‌کند. عموما در این حالت مخزن معادل 15.5 گالن بنزین پر شده است. به دلیل گرم شدن گاز درون مخزن و اشغال حجم بیشتر، مخزن نمی­‌تواند بیتر از این مقدار سوخت گیری شود.

6. سرد شدن گاز تا دمای محیط؛ داخل مخزن پس از پایان عملیات سوخت­گیری سرد شده و به دمای محیط می­رسد و سرعت حرکت مولکول­های گاز کاهش می‌­یابد. فشار گاز مخزن به psi 3600 می‌­رسد. اگر دمای محیط بالا یا پایین برود، فشار مخزن نیز به همین نسبت افزایش و کاهش می‌­یابد. مخزن طوری طراحی شده که بتواند در مقابل این نوسان فشار مقاوم باشد.

مراحل پر شدن مخزن سوخت­گیری سریع CNG

در قسمت بعدی مقاله انواع تجهیزات به کار رفته در جایگاه CNG را اعم از درایر، فیلتر، جداساز هوا، دیسپنسر و کمپرسور بررسی خواهیم کرد.

اثر ژول – تامسون: در ترمودینامیک به تغییرات دمای ایجاد شده در اثر تغییرات فشار در آنتالپی ثابت نسبت داده می‌شود، که بیانگر تغییرات ترمودینامیکی در گاز یا مایع، هنگام عبور از یک ولو یا دریچه متخلخل می‌باشد. به مقدار نسبت این تغییرات نیز ضریب ژول- تامسون گویند.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

همچنین ببینید
بستن
دکمه بازگشت به بالا