利用LNG低溫特性給卡車空調(diào)制冷的可能性分析

楊源，史澄輝，余謙，郭杜鵬

（西安德森新能源裝備制造有限公司技術(shù)部，陜西 西安 710021）

利用LNG低溫特性給卡車空調(diào)制冷的可能性分析

楊源，史澄輝，余謙，郭杜鵬

（西安德森新能源裝備制造有限公司技術(shù)部，陜西 西安 710021）

文章簡要的介紹了LNG(液化天然氣)在重型卡車空調(diào)制冷上的應(yīng)用，利用LNG溫度維持在-163℃的特點，分析了其代替汽車空調(diào)壓縮機的可實施性，提高重型卡車空調(diào)制冷效率。

道路運輸；新能源；LNG；空調(diào)

CLC NO.: U473.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-67-02

前言

中國地域遼闊，隨著改革開放與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，物流運輸行業(yè)蓬勃向上。時代的進(jìn)步與人民生活水平的提高，機動車保有量不斷增長，機動車排放環(huán)保問題日益凸顯，新的清潔能源則不斷受到重視。隨著LNG 汽車的迅速增長，車用LNG消費量的激增[1]，冷能回收問題變得日益迫切?；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)保利用價值但常規(guī)汽車空調(diào)因其自身工作原理的限制，導(dǎo)致其占用汽車發(fā)動機部分動力用于制冷工作，且無法在熄火的狀態(tài)下制冷[2]。因此，本文希望利用LNG自身的低溫特性，替代常規(guī)空調(diào)壓縮機制冷的方式，達(dá)到不占用發(fā)動機動力，熄火狀態(tài)下亦可使用的效果。

1 LNG在重卡上的使用特點

1.1 LNG自身特點

LNG（Liquefied Natural Gas的縮寫），液化天然氣低溫液體。LNG與汽油、柴油相比，HC含量降低了70%以上，CO含量降低了90%以上，NOx含量降低了35%，尤其是柴油車特有的固體顆粒物含量幾乎降低了100%，減排二氧化碳90%，綜合減排80%；同時LNG燃點高于汽油燃點223℃，安全性更高；LNG相比汽油和柴油，使用成本降低30%、動力持平[3]。因此在中遠(yuǎn)途物流市場上頗受歡迎。

1.2 LNG氣瓶

LNG在重型卡車的使用上，儲存于車用液化天然氣氣瓶中，氣瓶作為LNG重型卡車的“燃料箱”，能夠自動提供連續(xù)穩(wěn)定的氣體，且具有可重復(fù)充裝功能。氣瓶整體可在環(huán)境溫度（-40℃～60℃）下使用，因內(nèi)膽灌裝有LNG，內(nèi)部溫度通常在-163℃左右，工作時內(nèi)部壓力通常為0.6MPa～1.2MPa（5）。

2 常規(guī)重卡空調(diào)使用狀態(tài)

柴油卡車在行駛的狀態(tài)中，發(fā)動機帶動空調(diào)壓縮機運轉(zhuǎn)，壓縮機壓縮制冷劑，制冷劑經(jīng)過高壓、熱交換等物理變化，產(chǎn)生冷氣[4]。但壓縮機的運轉(zhuǎn)，必然會造成一部分動力的損失。據(jù)測試，在車輛正常行駛的條件下，影響車輛能耗的各種部件中，車用空調(diào)是高能耗的附屬配件，占車輛能耗中的10% - 20%（與車輛速度有關(guān)），而其中50%用于空調(diào)壓縮機的驅(qū)動（5）。在停車休息時，考慮到功耗、噪音、尾氣污染等，無法一直讓發(fā)動機運轉(zhuǎn)來帶動空調(diào)壓縮機制冷。所以在熱天休息時，車廂內(nèi)無法降溫的問題凸顯嚴(yán)重。

為了解決停車時駕駛室內(nèi)制冷問題，應(yīng)運而出了多種非官方零部件改裝方案。常見的有：（1）在駕駛室后加裝單缸柴油機直接驅(qū)動空調(diào)壓縮機，價格便宜、容易安裝、經(jīng)濟(jì)性好；（2）加裝單獨開發(fā)的柴油壓縮機成品，結(jié)構(gòu)更加緊湊，但成本稍高；（3）加裝小型家用空調(diào)壓縮機，同時加裝一個柴油發(fā)電機組。

1）溫度傳感器感受冷排溫度，溫度低于設(shè)定溫度，直接啟動風(fēng)扇。

2）若溫度高于設(shè)定溫度，電磁閥A1關(guān)閉，A2開啟，B1關(guān)閉，B2關(guān)閉，B3開啟。

3）因罐內(nèi)本身存在壓力，使得LNG液體通過出液口進(jìn)入電磁閥A2路。

4）冷排上的溫度傳感器感受到溫度降低后，電磁閥A1、A2、B1、B2、B3關(guān)閉。

5）管路內(nèi)部LNG逐漸升溫，部分汽化，導(dǎo)致管路內(nèi)壓力升高到一定值（如2.5MPa）時，電磁閥B2開啟，降壓到一定值（如1.9MPa）時，電磁閥B2再次關(guān)閉。

6）循環(huán)步驟4），直至冷排溫度傳感器感受溫度已經(jīng)達(dá)到駕駛室設(shè)定溫度，保留汽化后的LNG，待駕駛時溫度升高后再制冷使用，或發(fā)車后用于驅(qū)動。

7）若一次進(jìn)液未達(dá)到設(shè)定溫度，則管道內(nèi)與氣瓶內(nèi)壓力相同且≤1.9MPa(主安全閥起跳壓力)，LNG無法通過壓力傳送至冷排。溫度傳感器感受溫度接近/等于車內(nèi)溫度傳感器溫度，則重復(fù) 步驟1）- 步驟5）。

在車輛停止時使用該空調(diào)系統(tǒng)，需要考慮到LNG使用量。部分LNG需要直接排向大氣中，雖然對環(huán)境沒有直接污染、很快散逸[5]，但是因為是易燃品，所以過大的消耗量依舊不是最佳選擇。

總體設(shè)計上如果所有LNG都經(jīng)過冷排再進(jìn)入各個管道，可以取消電磁閥A。但電磁閥A的設(shè)計，主要考慮是在不使用空調(diào)時，大量LNG經(jīng)過冷排，會使冷排長期處于冷凍狀態(tài)，可能導(dǎo)致冷排大量結(jié)冰堵塞，甚至影響冷排的使用壽命。但如果冷排本身材料達(dá)到常冷也不損壞，則會有以下優(yōu)點：1）節(jié)約一副管路和電磁閥；2）開啟空調(diào)時，冷排本身溫度就低，空調(diào)制冷效果快；3）冷排直接與空氣接觸，可以促進(jìn)LNG的汽化效果。

在所有的環(huán)節(jié)中，LNG依舊處于卡車供氣管道中，不需要借助任何的載冷劑，空氣直接與冷排接觸，只存在溫度的改變，不存在任何的相變，完成整個循環(huán)[6]。

2.1 系統(tǒng)在各種工況下切換的模式分析

還需要考慮車輛在幾種工作狀態(tài)交替的情況下，系統(tǒng)的設(shè)計是否存在缺陷。以下是可能遇到的各種轉(zhuǎn)換情況：1、開車時使用空調(diào)，停車后，空調(diào)依然開啟。2、開車時使用空調(diào)，停車后關(guān)閉空調(diào)。3、開車時不使用空調(diào)，停車后開啟空調(diào)。4、開車時不使用空調(diào)，停車后也不開啟空調(diào)。

經(jīng)過3.1.2中敘述的理論進(jìn)行推導(dǎo)，未發(fā)現(xiàn)可能會出現(xiàn)的失效或失控現(xiàn)象，可以滿足車輛在各種工況中的使用。

LNG卡車行駛過程中，供冷量隨著耗氣量的增加而增加，隨著風(fēng)量的增加而增加。在室內(nèi)干球溫度為35℃，濕球溫度為24℃下，風(fēng)機風(fēng)量為482m3/ h，LNG耗氣量為10kg/h時，產(chǎn)出制冷量為4.0kW[7]。而現(xiàn)有傳統(tǒng)氣體壓縮式汽車空調(diào)制冷量為3.0kW時，即可滿足汽車空調(diào)絕大部分熱負(fù)荷[8]。

2.2 LNG空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)點

LNG自身溫度低至-163℃，依靠LNG作為冷源，有以下優(yōu)點：1、不消耗發(fā)動機所產(chǎn)生的能量，提高發(fā)動機功率利用率；2、夜間停車熄火后依然可以制冷，沒有噪音；3、超過車載空調(diào)壓縮機的制冷能力，有更高的制冷效率；4、使用時幾乎是“0成本”；5、智能化控制，操作簡便。

4 結(jié)論

重型卡車是現(xiàn)代物流必不可少的重要組成部分，在全球物流中起到了中流砥柱的作用。在近年嚴(yán)禁超載的交通政策下，更多的司機、車輛加入了物流行業(yè)。隨著車輛的增加，環(huán)保、能耗、司機舒適度的優(yōu)化和改進(jìn)都更加迫切。

LNG相對于目前大量應(yīng)用的石油能源，擁有更廣闊的市場前景。通過理論論證，利用LNG進(jìn)行制冷可以實現(xiàn)，填補了目前市場空白，而且具備如下優(yōu)點：減少了車輛所需裝配的空調(diào)壓縮機成本，提升了LNG利用率，增加了LNG氣化效率，節(jié)省發(fā)動機動力，擁有更高的經(jīng)濟(jì)效益，車輛熄火時也可繼續(xù)使用空調(diào)制冷。

[1] 王強,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.

[2] 張平.汽車空調(diào)系統(tǒng)工作原理以及具體結(jié)構(gòu)解析[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2015,34（14）:19-21.

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

[4] 劉雁俊,孫恒五.LNG重卡特性及其應(yīng)用環(huán)境研究[J].科技博覽，2014（32）:244.

[5] 劉雁俊,孫恒五.LNG重卡特性及其應(yīng)用環(huán)境研究[J].科技博覽,2014（32）：244.

[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.

[7] 鄧冬,陳江平,張勝昌,肖國平.LNG重卡冷能被汽車空調(diào)系統(tǒng)使用試驗研究[J].制冷與空調(diào),2016,16(05):87-91.

[8] 王武,孫文濤.重型卡車空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計[J].汽車實用技術(shù),2012(8)：25-31.

Analysis on the viability of LNG-aiding air-conditioning

Yang Yuan, Shi Chenghui, Yu Qian, Guo Dupeng
( Xi’an DESEN New Energy Equipment Co., Ltd, Shaanxi Xi'an 710021 )

A general introduction on the practicality of using LNG in the traditional air conditioning systems within heavy trucks, as a more efficient substitute given its low temperature(-163 degree Celsius). In this paper, we proved that taking the cold energy of LNG from heavy trucks for automobile air-conditioner and increase the refrigeration efficiency.

Transportation; New Energy; LNG; Vehicle Air Conditioning

U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-67-02

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.023

楊源，工程師，就職于西安德森新能源裝備制造有限公司，主要從事新能源汽車、LNG氣瓶設(shè)計與制造。