LNG重卡無(wú)相變換熱冷能利用空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 方 付一珂 范曉偉 朱彩霞

(中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 鄭州 450007)

LNG重卡無(wú)相變換熱冷能利用空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 方 付一珂 范曉偉 朱彩霞

(中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院 鄭州 450007)

闡述了LNG重型卡車(chē)空調(diào)系統(tǒng)冷能利用的設(shè)計(jì)原理，以L(fǎng)NG為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬試驗(yàn)檢驗(yàn)了該系統(tǒng)的可行性。開(kāi)發(fā)了基于LNG無(wú)相變低溫?fù)Q熱冷能利用空調(diào)系統(tǒng)替代蒸汽壓縮制冷機(jī)組，通過(guò)理論計(jì)算和空調(diào)系統(tǒng)裝置實(shí)驗(yàn)表明：在環(huán)境溫度30—35 ℃，LNG由儲(chǔ)存溫度-160 ℃汽化至環(huán)境溫度15 ℃，流量為25.194 kg/h時(shí)，理論計(jì)算冷量釋放達(dá)6.13 kW，冷回收換熱器空調(diào)冷媒的進(jìn)出口溫度達(dá)-9 ℃、-15 ℃；重卡空調(diào)進(jìn)、出口空氣溫度達(dá)35 ℃、14 ℃，空調(diào)出風(fēng)量為0.278 m3/s，靜態(tài)運(yùn)行時(shí)實(shí)際回收冷量1.69 kW，回收率達(dá)27.6%。設(shè)計(jì)冷回收空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行良好，制冷迅速，滿(mǎn)足重卡駕駛室空調(diào)冷負(fù)荷，這樣既為L(zhǎng)NG船舶和汽車(chē)等交通工具空調(diào)系統(tǒng)提供了一個(gè)有效的解決方案，又利于冷能回收，緩解傳統(tǒng)電壓縮空調(diào)對(duì)燃料的消耗。

LNG重卡 空調(diào)系統(tǒng) 冷能回收 無(wú)相變 系統(tǒng)研究

1 引 言

LNG(Liquefied Natural Gas)在汽化過(guò)程中釋放大量的冷量，而正常情況下，這部分冷量通常在LNG汽化器中被舍棄了，不僅造成了大量能源的浪費(fèi)，甚至還會(huì)造成環(huán)境污染。LNG冷能利用在汽車(chē)領(lǐng)域一般用于客車(chē)空調(diào)和冷藏車(chē)，這樣可以取代原有的機(jī)械式制冷機(jī)組，不僅節(jié)省了投資，而且消除了機(jī)械制冷帶來(lái)的能源消耗及噪聲污染，具有節(jié)能和環(huán)保的雙重意義。德國(guó)梅塞爾公司成功試制了世界上首臺(tái)LNG冷藏車(chē)，并于1997年底在德國(guó)RFWF零售連鎖店投入使用，其穩(wěn)定的運(yùn)行工況、良好的冷藏效果以及輕污染的環(huán)保優(yōu)勢(shì)得到了科隆地區(qū)政府的認(rèn)可。隨著LNG汽車(chē)的迅速增長(zhǎng)，車(chē)用LNG消費(fèi)量的激增[1]，冷能回收問(wèn)題變得日益迫切?；厥者@部分冷量，不僅能有效利用能源[2]，而且減少了機(jī)械制冷的大量電能消耗，具有非常重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)及環(huán)保利用價(jià)值。針對(duì)LNG重型卡車(chē)一方面需要將低溫液化天然氣汽化成常溫燃料進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒，另一方面駕駛空間又存在制冷需求問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)研發(fā)LNG冷能利用重卡空調(diào)系統(tǒng)，相對(duì)于常規(guī)電壓縮空調(diào)系統(tǒng)，本系統(tǒng)設(shè)備簡(jiǎn)單，節(jié)能、高效、環(huán)保，不僅可為緩解傳統(tǒng)電壓縮空調(diào)對(duì)燃料的消耗，同時(shí)可有效回收LNG釋放的冷量，為L(zhǎng)NG安全氣化及冷能回收提供了一個(gè)有效的解決方案，也是制冷空調(diào)產(chǎn)業(yè)應(yīng)對(duì)能源安全、氣候變化和結(jié)構(gòu)升級(jí)的重要突破口。

2 LNG冷能利用重卡空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式

LNG冷能利用重卡空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須考慮到LNG安全汽化及冷能回收、設(shè)置蓄冷裝置的問(wèn)題[3]，參考一些技術(shù)總結(jié)，須采用能耐低溫的載冷劑作為蓄冷介質(zhì)，經(jīng)過(guò)無(wú)相變蓄冷[4-5]后，將其與LNG進(jìn)行冷能傳遞和冷能循環(huán)利用，解決冷能回收利用、蓄冷、維持重卡車(chē)內(nèi)溫度恒定等問(wèn)題。

汽車(chē)空調(diào)負(fù)荷是變化的，保證空調(diào)制冷量的調(diào)節(jié)也是非常重要的。汽車(chē)運(yùn)行的不穩(wěn)定帶來(lái)LNG汽化的不連續(xù)，為了保證汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)供冷的連續(xù)及冷量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，在LNG冷量回收的同時(shí)，還需要采用蓄冷技術(shù)，在不增加冷能損耗的前提下，將LNG汽化后產(chǎn)生的多余冷量暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，以滿(mǎn)足不同行車(chē)工況下的冷量需求。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及工藝原理說(shuō)明

(1)總體設(shè)計(jì)方案

圖1是LNG冷能利用重卡空調(diào)系統(tǒng)的流程圖，包括LNG儲(chǔ)液罐，汽化器，緩沖罐，載冷劑儲(chǔ)液罐和循環(huán)泵。LNG經(jīng)LNG儲(chǔ)液罐流出，在汽化器中與載冷劑進(jìn)行逆流熱交換，釋放冷量后成為常溫燃料進(jìn)入緩沖罐，再經(jīng)降壓調(diào)壓閥汽化進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)供重卡使用。載冷劑經(jīng)儲(chǔ)液罐流出，進(jìn)入汽化器得到LNG釋放的冷能后，溫度降低，冷能蓄存在載冷劑儲(chǔ)液罐中，從汽化器中出來(lái)的低溫載冷劑經(jīng)泵加壓進(jìn)入空調(diào)，之后通過(guò)風(fēng)機(jī)將冷量傳遞到駕駛室，達(dá)到調(diào)節(jié)室溫的目的。在這個(gè)過(guò)程中載冷劑始終只是溫度變化而沒(méi)有發(fā)生相變，從空調(diào)出來(lái)后進(jìn)入到汽化器中與LNG進(jìn)行熱交換，溫度降低后進(jìn)入循環(huán)泵，從而完成整個(gè)循環(huán)[6]。

圖1 LNG冷能利用重卡空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖1.LNG儲(chǔ)液罐；2.低溫?fù)Q熱器；3.載冷劑儲(chǔ)液罐；4，5.循環(huán)泵；6.緩沖罐；7.重卡空調(diào)器；8.出液?jiǎn)蜗蜷y；9.截止閥；10.過(guò)流閥。Fig.1 LNG cold energy utilization heavy truck air conditioning system design flow chart

(2)系統(tǒng)工藝原理

LNG重卡冷能利用空調(diào)裝置由汽化器、循環(huán)泵、空調(diào)、載冷劑儲(chǔ)液罐、熱力交換器等組成。本裝置通過(guò)汽化器收集LNG的汽化潛熱，通過(guò)循環(huán)泵來(lái)提供動(dòng)力把冷量輸運(yùn)至空調(diào)為其提供冷量。空調(diào)末端的感溫觸點(diǎn)可感知溫度(空調(diào)末端換熱器的表面溫度)的變化，通過(guò)反饋系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度進(jìn)而調(diào)節(jié)流入空調(diào)的載冷劑流量，使空調(diào)維持所設(shè)置的溫度。當(dāng)LNG的汽化潛熱超過(guò)需求量時(shí)，反饋系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)流向熱力交換器的閥門(mén)使載冷劑與熱水換熱從而使流向空調(diào)的載冷劑溫度不致過(guò)低而影響空調(diào)的性能。載冷劑儲(chǔ)液罐不僅能夠儲(chǔ)存一定量的載冷劑，而且具有蓄冷能力、保證系統(tǒng)的循環(huán)壓力恒定。圖2為L(zhǎng)NG冷能利用空調(diào)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

圖2 LNG冷能利用空調(diào)系統(tǒng)樣機(jī)Fig.2 LNG cold energy utilization air conditioning system prototype

3 冷能利用熱力計(jì)算

3.1 LNG重卡可回收冷量分析

采用軟件 EES( Version9.699)開(kāi)發(fā)熱力計(jì)算程序，其中混合工質(zhì)的熱力參數(shù)通過(guò)接口程序EES-REFPROP調(diào)用軟件 REFPROP(Version 9.0)得到。

LNG由儲(chǔ)存狀態(tài)溫度升溫至飽和液態(tài)時(shí)釋放冷量QW為：

(1)

式中：m為L(zhǎng)NG 的消耗量，kg；cp為定壓比熱容，kJ /( kg·K)；TL為L(zhǎng)NG 飽和液態(tài)溫度，K；TS為儲(chǔ)罐內(nèi)LNG存儲(chǔ)溫度，K。

LNG從飽和液態(tài)溫度升溫至飽和蒸汽狀態(tài)汽化潛熱Qr為：

(2)

式中：hv為L(zhǎng)NG飽和氣態(tài)焓值，kJ/kg；hL為L(zhǎng)NG飽和液態(tài)焓值，kJ/kg。

LNG由飽和蒸汽溫度到環(huán)境溫度時(shí)汽化顯熱Qx為：

(3)

式中：Tk為L(zhǎng)NG汽化后的環(huán)境溫度，K；TV為L(zhǎng)NG飽和氣態(tài)溫度，K。

LNG由存儲(chǔ)溫度汽化至環(huán)境溫度過(guò)程中釋放冷量Q為：

(4)

重卡駕駛室空調(diào)制冷量Qc為：

(5)

式中：V為冷卻裝置風(fēng)量，m3/h；r為測(cè)量風(fēng)量V時(shí)的空氣比容，m3/kg；i1為冷卻裝置進(jìn)風(fēng)口空氣的焓，kJ/kg；i1為冷卻裝置出風(fēng)口空氣的焓，kJ/kg。

3.2 LNG重卡利用冷量的計(jì)算分析

典型的LNG由4個(gè)組分構(gòu)成：97.5%甲烷、1.8%乙烷、0.2%丙烷、0.5%氮?dú)猓居?jì)算采用某重型卡車(chē)，功率300馬力，設(shè)定工況LNG進(jìn)口狀態(tài)：-160 ℃、1.0 MPa，出口狀態(tài)：15 ℃、0.8 MPa，按照公式(1)—(4)計(jì)算結(jié)果如表1所示：

在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，根據(jù)上式計(jì)算得LNG汽化至15 ℃釋放的冷量為9.95 kW(汽化潛熱值為876.51 kJ /kg)。目前這種回收方式的冷能回收率通常保持在30%左右[7]，可供回收的冷量約為2.99 kW。

表1 靜態(tài)測(cè)試計(jì)算結(jié)果Table 1 Static test results

4 結(jié)果與分析

4.1 LNG制冷量的影響因素分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣溫度一般為10—40 ℃，圖3顯示了耗氣量為40.89 kg/h下的LNG重卡在LNG汽化至不同溫度下提供冷量的變化趨勢(shì)。結(jié)果表明：LNG由儲(chǔ)存溫度汽化到10 ℃時(shí)，釋放冷量達(dá)9.83 kW，理論可供回收的冷量約為2.95 kW，在汽化溫度即內(nèi)燃機(jī)入口溫度越高，LNG汽化釋放冷量越多。

圖3 LNG汽化至不同溫度下提供的制冷量變化Fig.3 Diagram of cooling capacity changes with LNG gasification to different temperatures

圖4 LNG換熱量與流量的關(guān)系Fig.4 LNG heat transfer and flow

計(jì)算LNG汽化至10 ℃，制冷量隨LNG流量的增加呈上升趨勢(shì)，當(dāng)m=35 kg/h時(shí)制冷量達(dá)8.41 kW，理論可供回收的冷量約為2.52 kW，對(duì)于LNG 重卡內(nèi)燃機(jī)流量大(40.89 kg/h)，駕駛室空調(diào)冷負(fù)荷需求量小，并且供應(yīng)以L(fǎng)NG為燃料的工程車(chē)輛及船舶等交通運(yùn)輸工具工作空間的冷量，同時(shí)可有效降低重卡、船舶等的運(yùn)行費(fèi)用，可將LNG冷能直接用于空調(diào)系統(tǒng)。

圖5 駕駛室空調(diào)系統(tǒng)制冷量與出風(fēng)口風(fēng)量的關(guān)系Fig.5 Relationship between cab air conditioning system refrigerating capacity and outlet air volume

通過(guò)對(duì)LNG流量及駕駛室空調(diào)出風(fēng)量的計(jì)算分析，駕駛室內(nèi)空調(diào)出風(fēng)口風(fēng)量為0.278 m3/s時(shí)達(dá)到1.62 kW，其駕駛室空調(diào)出風(fēng)量與LNG制冷量變化關(guān)系如圖5所示，隨著出風(fēng)量的增加，LNG空調(diào)冷量增加，可以根據(jù)室外環(huán)境及人體需要適當(dāng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳送風(fēng)狀態(tài)。也可調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的載冷劑流量調(diào)節(jié)閥，根據(jù)風(fēng)機(jī)盤(pán)管的制冷效果和外界環(huán)境情況，進(jìn)一步調(diào)節(jié)駕駛室溫度。

4.2 LNG重卡實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果分析

表2 LNG重卡空調(diào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Table 2 Air conditioning of LNG heavy truck experimental results analysis

結(jié)果表明本文開(kāi)發(fā)基于LNG無(wú)相變低溫?fù)Q熱冷能利用空調(diào)系統(tǒng)，其冷能回收率達(dá)27.6%，有效利用了能源，具有顯著的節(jié)能環(huán)保意義。

5 結(jié) 論

LNG作為一種清潔、高效能源，其規(guī)?；脤?duì)中國(guó)大氣污染防治有重要意義。LNG在汽車(chē)工業(yè)中的發(fā)展優(yōu)勢(shì)非常明顯，研究開(kāi)發(fā)利用可再生能源驅(qū)動(dòng)的汽車(chē)空調(diào)系統(tǒng)，是汽車(chē)空調(diào)技術(shù)發(fā)展與進(jìn)步的必然要求。該新型LNG冷能利用空調(diào)系統(tǒng)可在保證LNG正常氣化供應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行無(wú)相變冷量交換。通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析，研究結(jié)果表明：

(1)本系統(tǒng)供應(yīng)以L(fǎng)NG為燃料的重卡等交通運(yùn)輸工具工作空間的冷量，能有效控制動(dòng)態(tài)環(huán)境下LNG的冷能釋放，且具有蓄能作用，提高LNG汽化和冷能利用之間在空間和時(shí)間上的同步性，即使汽車(chē)在停車(chē)過(guò)程中，依然能夠保證供冷需求，達(dá)到降低重卡運(yùn)行費(fèi)用的目的。

(2)當(dāng)駕駛室內(nèi)空調(diào)出風(fēng)口風(fēng)量為0.278 m3/s時(shí)制冷量達(dá)到1.62 kW，其冷能回收率達(dá)27.6%。

(3)系統(tǒng)完全適用于LNG重卡等工程車(chē)輛，可以回收LNG汽化的冷能用于汽車(chē)空調(diào)制冷，且隨著發(fā)動(dòng)機(jī)LNG消耗量的增加，制冷量隨之增加，實(shí)現(xiàn)LNG冷能充分合理利用，本系統(tǒng)改裝及使用成本較低，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

1 王 強(qiáng), 厲彥忠, 張朝昌. 液化天然氣(LNG)冷能回收及其利用[J]. 低溫工程,2002(4) :28-31.

Wang Qiang, Li Yanzhong, Zhang Chaochang. Recovery and utilization of LNG (Liquefied Natural Gas) cold energy [J]. Cryogenics, 2002(4):28-31.

2 顧安忠, 石玉美, 汪榮順. 中國(guó)液化天然氣的發(fā)展[J]. 石油化工技術(shù)經(jīng)濟(jì),2004(1):1-7.

Gu Anzhong , Shi Yumei , Wang Rongshun. The Development of China Liquefied Natural Gas[J]. Techno-economics In Petrochemicals, 2004(1):1-7.

3 王良健. 某冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其經(jīng)濟(jì)性分析[D].南京：南京師范大學(xué),2014.

Wang Liangjian. Design of an ice-storage air conditioning system and its economic analysis[D].Nanjing: Nanjing Normal University,2014.

4 李興仁. 低溫相變蓄冷材料及其蓄冷特性的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 重慶：重慶大學(xué),2004.

Li Xingren. The characteristics study of Low-temperature phase change material for cool storage [D]. Chongqing：Chongqing University,2004.

5 曹興中. 各種載冷劑的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性比較[J]. 低溫與特氣,2013(3):9-12.

CAO Xingzhong. Technical And Economical Comparison of Various Secondary Refrigerants[J]. Low Temperature and Specialty Gases, 2013(3):9-12.

6 肖 星. 一種利用LNG冷能的空調(diào)系統(tǒng)研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2012.

Xiao Xing. The Research on a New Air-condition System By Using LNG Cold Energy[D]. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology,2012.

7 余黎明. 高效利用LNG冷能的途徑探析[J]. 化學(xué)工業(yè), 2014(5):1-12.

Yu Liming. The Analysis of Efficient Use of LNG Cold Energy Pathway[J]. Chemical Industry, 2014(5):1-12.

8 王雨帆, 李玉星, 王武昌, 等. LNG接收站冷能用于輕烴回收工藝[J]. 石油與天然氣化工, 2015(2):60-65.

Wang Yufan, Li Yuxing, Wang Wuchang, et al. Process of light hydrocarbons from LNG with cryogenic energy utilized in LNG terminal[J].Chemical Engineering of Oil & Gas, 2015(2):60-65.

Study on heavy truck air conditioning system utilizing LNG cold energy based on heat exchange without phase change

Wang Fang Fu Yike Fan Xiaowei Zhu Caixia

(School of Energy and Environmental, Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007,China)

A heavy truck air conditioning system utilizing the LNG cold energy based on heat exchange without phase change was designed, and its feasibility was verified through the computer simulation and experimental study. Calculation results show that under the condition that environment temperature is 30-35 ℃ and LNG flow rate is 25.194 kg/h, the cold energy released from LNG that gasified from -160 ℃ to 15 ℃ reaches 6.13 kW. The air temperature at the inlet and outlet of heavy truck air conditioning system is 14℃ and 35℃ respectively, and the air volume is 0.278 m3/s. The recycling of cold energy is 1.69 kW for static running, indicating a recovery rate of 27.6%. The air conditioning system based on LNG cold energy recovery exhibits good cooling capacity and runs stably, meeting the cooling load of the air conditioning system in heavy truck cabs.

LNG heavy truck; air conditioning system; cold recycling; no phase change；system research

2015-09-12；

2016-02-18

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目資助(No.152102210363)。

王 方，男，40歲，博士，副教授。

TB61,TB657

A

1000-6516(2016)01-0064-05