بخشی از مقاله
مقدمه
با توجه به مشكلات روزافزون آلودگي هوا و عواقب زيست محيطي آن به دليل استفاده از سوخت هاي دودزا (گازوئيل و بنزين و …) كه حجم عمده اي از اين آلودگي توسط وسايل نقليه شخصي يا عمومي توليد مي گردد، استفاده از سوخت گاز طبيعي به دليل توليد حداقل گازهاي آلوده كننده، درصد اولويت هاي دولت ها جهت جايگزين نمودن اين سوخت بار ديگر سوخت هاي موجود در وسايل نقليه قرار دارد.
از مزاياي عمده سوخت گاز طبيعي نسبت به سوخت بنزيني مي‌توان به موارد زير اشاره نمود:
گاز طبيعي در مجموع داراي آلودگي كمتري نسبت به سوخت هاي فسيلي بوده و از لحاظ شرايط عملكردي موتور وضعيت بهتري از بنزين دارند، چراكه نسبت تراكم مناسب براي موتورهاي با سوخت گاز طبيعي14:1 است، در حالي كه عدد اكتان بنزين 90 مي‌باشد و سبب افزايش راندمان و كارآيي موتورهاي گازي مضر مي‌گردد.
چنانچه موتور براي شرايط گاز سوز طراحي شود، قدرت بيشتري از موتورهاي بنزيني دارند. راندمان سوخت گاز حدود 15% بيشتر از بنزين است و همچنين ارزش حرارتي آن نيز حدود 13% بيشتر از سوخت بنزين است. قيمت گاز طبيعي در مقايسه با بنزين براي انرژي سوخت يكسان حدود يك سوم بنزين معادل مي‌باشد. گاز طبيعي آلودگي منواكسيدكربن را تا 90%، اكسيد نيتروژن را حدود 30% و هيدروكربن ها را تا 50% كاهش داده و تقريباً عاري از مواد سرطان زا مي باشند. اين مزيت ها مهمتريت عواملي هستند كه مشوق انتخاب گاز طبيعي به عنوان سوخت خودرو است ولي به اين نكته كمتر توجه مي‌شود كه آمار ايمني خودروهاي گازسوز (NGV) نسبت به تقريباً همه سوختهاي متداول يا جايگزين امروز، مطلوب ترين وضعيت را دارد. بطوريكه گاز طبيعي را به صورت سوختي با ايمني برابر يا حتي ايمني تر از ساير سوختهاي نفتي معرفي مي‌كند.
دلايل اين ايمني بيشتر عبارتند از:
• گاز طبيعي داراي دانسيته حدود 6/0 نسبت به هوا است در نتيه به محض نشت‌كردن، سريعاً در هوا پخش مي‌گردد و تجمع نمي يابد.
• گاز طبيعي در يك دامنه بسيار محدود (نسبت گاز به هواي 4 تا 15 درصد ) محترق مي‌گردد، درغير اينصورت صورت احترافي رخ نمي دهد.
• از سويي لزومي ندارد صاحب جايگاه با خطر نشت از مخزن زيرزميني است و پنجه نرم كند در حاليكه اين يك نكته قابل ملاحظه و مهم در مورد سوختهاي مايع است.
بنابراين درخصوص خودرو گاز طبيعي سوز نكته ايمني مهم متوجه مخزن و متعلقات آن است و آن هم بيشتر به سبب فشار كاري بالايي است كه با آن كار مي‌گردد.
اين مقاله سعي دارد به معرفي اجمالي مخازن CNG و ازمونهاي مرتبط با آنها بپردازند، استانداردهاي مربوط به آنها را بيان كند و مختصري به تكنولوژي ساخت آنها اشاره داشته باشد.
سعي شده اس مطالب تا حد امكان مختصر، اما مفيد و منسجم باشند تا خواننده در فرصتي كوتاه بتواند اطلاعات قابل توجه و مفيدي راجع به مخازن تحت فشار در خودروهاي گازسوز بدست آورد.
بخش اول
انواع مخازن CNG
مخازن CNG برحسب ساختار مي توانند بر چهار نوع باشند:
مخازن نوع اول ـ مخازن تمام فلزي (CNG-1)
اين مخازن از جنس فولاد يا آلومينيوم هستند و شرايط تركيب شيميائي آنها در استاندارد مربوطه ذكر گرديده است.
مخازن نوع دوم ـ مخازن كمرپيچ (CNG-2)
اين نوع مخازن داراي يك لايه داخلي (Liner) از جنس فولاد يا آلومينيوم بدون دز است و قسمت استوانه اي اين لايه داخلي توسط الياف شيشه، آراميد، يا مخلوطي از آنها كه آغشته به رزين است پيچيده شده و اين ساختار كامپوزيتي كه به مخزن داده شده اين امكان را بوجود مي آورد كه بتوان از ضخامت قسمت فلزي كاست و در نتيجه مخزن سبكتري را بدست آورد.
رزيني كه در ساختار مخزن كامپوزيتي استفاده مي‌شود مي تواند از نوع گرما نرم (Thermoplastic) يا گرما سخت (Thermo-setting) باشند.
مخازن نوع سوم ـ مخازن تمام پيچ (CNG-3)
اين نوع مخازن داراي يك لاية داخلي از جنس فولاد يا آلومينيوم بدون درز است و تمام اين لايه داخلي توسط الياف شيشه، آراميد، كربن يا مخلوطي از آنها كه آغشته به رزين است پيچيده است و اين ساختار كامپوزيتي كه به مخزن داده شده اين امكان را بوجود مي آورد كه بتوان از ضخامت قسمت فلزي كاست و در نتيجه مخزن سبك تري را نسبت به دو نوع اول بدست آورد.
مخازن نوع چهارم ـ مخازن تمام كامپوزيت (CNG-4)
اين نوع مخازن داراي يك لايه داخلي (Liner) از جنس پليمر بدون درز است. و تمام اين لايه داخلي توسط الياف شيشه، آراميد، كربن يا مخلوطي از آنها كه آغشته به رزين است. پيچيده شده و اين ساختار تمام كامپوزيت يكي از سبكترين انواع را در مخازن CNG تأمين مي نمايد. در ساخت اين نوع مخازن از تكنولوژي بالايي استفاده شده است و تعداد سازندگااني كه از اين نوع مخازن توليد مي كنند، بسيار معدود است و قيمت آنها نيز بالاتر از ساير انواع مي باشند.
استفاده از مخازن CNG در جهان
خودروهاي گازسوز طبيعي بيش از پنجاه سال است كه در جهان مورد استفاده قرار مي گيرند. استفاده از اين خودروها از سال 1970 به دليل مزاياي زيست محيطي و اقتصادي روبه افزايش و به خصوص استفاده از كامپوزيت ها از سال 1980 توسعه يافته است. در حال حاضر بيش از دو ميليون خودرو در جهان براي استفاده از CNG ساخته و يا تبديل شده اند.
اين خودروها و مخازن آنها سابقة عمومي عالي از خودشان داده اند در حاليكه مخزن فولادي در دنيا متداول ترند، بازار آمريكاي شمالي توسط مخازن كامپوزيت اشغال شده‌اند. بسياري از كارخانه هاي سازنده مخازن CNG داراي سابقه طولاني توليد تسليحات بوده اند و بعداً به توليد اين مخزن روي آورده اند.
بخش دوم
آزمونهاي مخازن
به منظور اطمينان از ساخت صحيح و مطابق با استاندارد مخازن CNG ، آنها را تحت آزمونها و شرايط مختلفي قرار مي دهند. يك مخزن وقتي مورد تأييد قرار مي‌گيرد و گواهي استاندارد مربوطه را دريافت مي‌كند كه آزمونهاي آن استاندارد را با موفقيت پشت سر بگذارد.
تعداد اين آزمونها بسته به نوع مخزن متفاوت است. در مورد مخازن كامپوزيت (بخصوص نوع چهارم) آزمونها مفصل و سختگيرانه تر است و چون آزمونهاي خاص مرتبط با مواد پليمري را هم شامل مي شود، تعداد آزمونها بيشتر است.
اين آزمونها را مي‌توان براساس هدف آنها در سه نوع رده بندي نمود. هريك از آزمونها در يكي از اين سه رده قرار مي گيرند:
1. آزمونهاي تحمل آسيب
2. آزمونهاي محيطي
3. آزمونهاي چرخة عمر
در اين‌جا به اختصار به شرح اين آزمونها مي پردازيم:
1. آزمونهاي تحمل آسيب
آزمون نفوذ گلوله
پس از اين آزمون مخزن نبايد به ذرات خرد تقسيم شود. استفاده از الياف شيشه و كربن تحمل اين آسيب را افزايش مي‌دهد. هرچه ضخامت ديوارة كامپوزيت افزايش يابد، كه اين معمولاً با افزايش قطر و فشار همراه است، مقاومت آن در برابر تأثير آسيب افزايش مي يابد. در اين آزمون مخزن با يك گلوله جنگي به قطر 62/7 ميلي متر طوري مورد اصابت قرار مي‌گيرد كه حداقل يك سمت آزمون سوراخ شود. مخزن بايد تا فشار 200 برابر پر شده باشد.
آزمون سقوط
در اين آزمون يك يا چند مخزن تكميل شده بدون اعمال فشار داخلي و شير، در دماي محيط تحت آزمون قرار مي گيرند. يك مخزن بصورت افقي از فاصله 8/1 متري از سطح زمين انداخته مي‌شود. يك مخزن بصورت عمودي به صورت انداخته مي‌شود كه انرژي پتانسيل آن 488 ژول باشد، ولي در هيچ حالتي ارتفاع عدسي پاييني مخزن نبايد از 8/1 متر بيشتر باشد.
يك مخزن نيز بايد تحت زاوية 45 درجه از ارتفاعي روي عدسي انداخته شود كه فاصله مركز گرازش آن از زمين 8/1 متر باشد.
پس از اين آزمون مخزن در 3000 چرخه در دماي محيط تحت چرخة فشار بين 20 الي 260 بار قرار گرفته و سپس تحت 12000 چرخة ديگر قرار مي‌گيرد. مخزن در 300 چرخة اول نبايد دچار نشت يا گسيختگي شود، ولي در 12000 چرخة بعدي مي تواند دچار نشت شود.
نكتة مهمي كه در مورد اين آزمون وجود دارد اين است كه وقتي مخازن تحت فشار هستند در مقابل آسيب هاي ناشي از سقوط مقاومترند، چراكه فشار داخلي از فرورفتگيهايي كه مي تواند در ديواره ايجاد آسيب نمايد تا حدودي جلوگيري مي نمايد؛ به همين دليل مخازن بدون اعمال فشار تحت آزمايش قرار مي گيرند.
آزمون تحمل خرابي (تحمل شكاف)
اين آزمون شبيه سزي بريدگي ها و سايش هايي است كه ممكن است طي عمر كاري براي مخزن رخ دهد. (اين آزمون مخصوص مخازن كامپوزيت است) در اين آزمون دو شكاف يكي به طول 25 ميليمتر و به عمق 25/1 ميليمتر و ديگري بطول 200 ميليمتر و عمق 75/0 ميليمتر در جهت طولي، روي ديواره مخزن ايجاد مي‌شوند و مخزن در دماي محيط تحت چرخة فشار بين 20 الي 260 بار قرار مي گيرد؛ مخزن تحت 3000 چرخة اول نبايد گسيخته شود، ولي در 12000 چرخة بعدي مي تواند دچار نشتي شود.
آزمون تصادف
اين آزمون كه در استاندارد FMVSS303 پيشنهاد شده است، براي شبيه سازي تصادف مي‌باشد. مخازن پس از طي اين آزمون نبايد دچار نشت يا گسيختگي شوند.
2. آزمونهاي محيطي
شامل شرايط حدي محيطي كه يك مخزن NGV در طول عمر كاري خود مي تواند با آنها مواجه شود مي‌باشد.
آزمون قرار گيري در معرض مايعات خورنده: در اين آزمون مخزن در معرض مايعات خورنده اي كه در محيط خودرو يافت مي‌شود، قرار مي‌گيرد. اين مايعات عبارتند از: اسيدسولفوريك، سديم هيدروكسيد، مخلوط متانول / بنزين، نيترات آمونيوم، مايع شستشوي شيشه.
مخزن به مدت 30 دقيقه در معرض پدهايي كه آغشته به هريك از اين مايعات هستند قرار مي‌گيرد. در يك آزمون ديگر كه به منظور شبيه سازي محيط بران اسيدي / آب نمك جاده انجام مي شود، با غوطه ور كردن بخشي از مخزن در مخلوط مشخصي از آب يون زدايي شده، كلريد سديم، كلريد كلسيم و اسيدسولفوريك انجام مي‌شود.
پس از اين آزمون ها مخزن در معرض چرخة فشار و آزمون تقليل يافته تركيدن قرار مي‌گيرد. در آزمون محيط اسيدي قسمتي از مخزن كه تحت فشار هيدرواستاتيك 260 بار است به مدت 100 ساعت در معرض محلول اسيدسولفوريك 30%قرار مي‌گيرد. و سپس تا مرحلة تركيدن، فشار هيدرواستاتيك افزايش مي يابد. فشار تركيدن بايد از 85% فشار طراحي تركيدن بيشتر باشد.
آزمون قرارگيري در معرض دماهاي حدي
اين آزمون ها شبيه سازي كننده دماهاي حدي محيطي است كه در خودرو وجود خواهد داشت . اين دماهاي حدي عبارتند از: دماي حدي پايين C40- و دماي حدي بالاي C 28. دماي حدي بالا در همه جاي خارج محفظه موتور وجود دارد و مي تواند در اثر تشعشع گرمايي خورشيد يا شرايط كاري بوجود آيد. دراين آزمون، مخزن در دماي 100 درجه سلسيوس به مدت 200 ساعت تحت فشار 260 بار قرار مي‌گيرد. سپس تحت آزمون هيدرواستاتيك، آزمون نشت و آزمون تركيدن قرار مي‌گيرد كه بايد در همة آزمون ها قبول شد.
آزمون گسيختگي تحت تنش تنش سريعي
اين آزمون براي بررسي افت استقامت الياف و يا رزين در اثر دما و زمان وقتي تحت بار قرار دارد انجام مي‌شود، در نتيجه اين آزمون، مخصوص مواد كامپوزيت است. اين آزمون تحت حداكثر فشار پرشدن و در دماي C 65 و در يك دورة 1000 ساعته انجام مي‌شود. اين افزايش دما موجب تسريع زمان آزمون با ضريبي معادل 32 مي‌شود و علاوه بر آن تغييرات استقامت در اثر افزايش دما مورد بررسي قرار مي‌گيرد.
در اين آزمون مخازني كه داراي مشكلاتي در پايداري محيطي هستند شناسايي مي‌شوند.
