LNG動(dòng)力船冷藏集裝箱冷能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 概述

目前，LNG冷能利用系統(tǒng)在分離過程、冷藏食品儲(chǔ)存、低溫二氧化碳捕獲、發(fā)電等方面都有應(yīng)用

。Ouyang等提出了有機(jī)朗肯循環(huán)、海水淡化、低溫儲(chǔ)存和空調(diào)一體化的冷能回收利用方案，并確定了各板塊的最佳工質(zhì),為船用天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)冷能回收提供了一種新的思路

； Atienza-Márquez等提出了一個(gè)用于電力和冷能生產(chǎn)的LNG冷回收多聯(lián)產(chǎn)裝置

。此外，He等提出LNG的冷能利用在食品運(yùn)輸和冷能儲(chǔ)存等方面有發(fā)展?jié)摿?/p>

，秦鋒等設(shè)計(jì)了一種用于LNG動(dòng)力漁船的冷能回收系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的工藝特點(diǎn)并開展了蓄冷與放冷的實(shí)驗(yàn)研究

。本文則提出了利用冷能的LNG動(dòng)力船冷藏冷能系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱冷能系統(tǒng))。

2 冷能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 冷藏集裝箱設(shè)計(jì)冷負(fù)荷

在國(guó)際海上集裝箱運(yùn)輸中采用最多的是IAA型集裝箱和IC型集裝箱。本文設(shè)計(jì)的蓄冷式冷藏集裝箱為IAA型集裝箱，外形尺寸長(zhǎng)×寬×高為12 192 mm×2 430 mm×2 896 mm，不使用傳統(tǒng)的制冷機(jī)組供冷。參照文獻(xiàn)[6]給出的負(fù)荷計(jì)算方法，考慮長(zhǎng)江枯水期與豐水期氣溫因素，不考慮照明、電氣設(shè)備散熱量以及工作人員散熱量。且由于集裝箱在海上運(yùn)輸時(shí)，箱內(nèi)溫度已達(dá)到設(shè)計(jì)溫度，所以不考慮入庫(kù)貨物冷卻冷負(fù)荷。則冷藏集裝箱設(shè)計(jì)冷負(fù)荷包括圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差傳熱冷負(fù)荷

、換氣冷負(fù)荷

、入冷藏集裝箱食品的呼吸熱冷負(fù)荷

、冷負(fù)荷安全裕量

。

然而，如何根據(jù)線路、車輛、運(yùn)營(yíng)單位狀況乃至資金的融資形式等實(shí)際情況，對(duì)城市軌道交通車輛維修集約范式主體進(jìn)行選擇、設(shè)計(jì)和評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)城市軌道交通車輛全生命周期維修成本的集約化，達(dá)到成本控制、風(fēng)險(xiǎn)管理的目標(biāo),成為驅(qū)動(dòng)維修集約范式轉(zhuǎn)移的根本動(dòng)力，也是開展維修集約范式主體相關(guān)研究的未來(lái)方向。

冷藏集裝箱分為低溫冷藏集裝箱、高溫冷藏集裝箱。計(jì)算

時(shí)，由于低溫冷藏集裝箱中貯存的是肉類，不需要進(jìn)行換氣，因此低溫冷藏集裝箱的換氣冷負(fù)荷

為0；計(jì)算

時(shí)，肉類貨物不需要考慮呼吸熱，則

為0。設(shè)計(jì)冷負(fù)荷計(jì)算式

如下：

2003年，《國(guó)務(wù)院機(jī)構(gòu)改革方案》指出，要在原國(guó)家藥品監(jiān)督管理局的基礎(chǔ)上組建國(guó)家食品藥品監(jiān)督管理局，負(fù)責(zé)食品的安全綜合監(jiān)督、組織協(xié)調(diào)查處重大事故等工作，同時(shí)還承擔(dān)保健食品審批許可職能。該方案同時(shí)確立了“地方政府負(fù)總責(zé)、監(jiān)督部門各負(fù)其責(zé)、企業(yè)是第一責(zé)任人”的食品藥品安全責(zé)任總體原則。

=

(

-

)

在開放存取理念推動(dòng)下，有條件的高校開始建立自己的機(jī)構(gòu)知識(shí)庫(kù)，主要就是收入師生在教學(xué)科研實(shí)踐活動(dòng)過程中產(chǎn)生的各類記錄型知識(shí)成果。

(1)

(2)

=

德軍1918年3月突破了英軍前線陣地，英軍又用戰(zhàn)術(shù)轟炸擋住了敵人進(jìn)攻。德國(guó)率先實(shí)施戰(zhàn)略轟炸，先用飛艇，后改轟炸機(jī)，直接轟擊英格蘭，觸犯了英倫三島的尊嚴(yán)，史稱“首次不列顛之戰(zhàn)”。英國(guó)報(bào)之以在戰(zhàn)爭(zhēng)末期幾個(gè)月對(duì)德國(guó)境內(nèi)狂轟濫炸。

(3)

=0.011 7

(4)

(5)

(6)

式中

——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的溫差傳熱冷負(fù)荷，W

——相變潛熱，kJ/kg

經(jīng)過觀摩人員和新洋豐技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)測(cè)產(chǎn)，示范田葡萄糖度為16.6，預(yù)估畝產(chǎn)量6000斤以上；對(duì)照田葡萄糖度為15.2，預(yù)估產(chǎn)量與去年是畝產(chǎn)量4360斤持平。對(duì)比如此明顯，不僅讓現(xiàn)場(chǎng)參觀的種植戶羨慕不已，也讓葡萄種植專業(yè)技術(shù)很強(qiáng)的青島市和平度市兩級(jí)土肥站領(lǐng)導(dǎo)贊不絕口。示范田主人王永光在活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)非常激動(dòng)。

——圍護(hù)結(jié)構(gòu)面積，m

，取122.17 m

——冷藏集裝箱外空氣溫度，℃，豐水期取重慶7月日平均溫度36 ℃，枯水期取1月日平均溫度11 ℃

——冷藏集裝箱內(nèi)空氣溫度，℃，低溫冷藏集裝箱取-21.2 ℃，高溫冷藏集裝箱取-2.1 ℃

船上的各類物料庫(kù)，往往大都沒有鎖閉裝置，這不利于保安控制，物料庫(kù)是否遭受破壞，這直接影響船舶的安全和保安工作,因此要改裝添加鎖閉裝置，保安巡邏期間要重點(diǎn)關(guān)注物料間。特別是長(zhǎng)期?？看a頭，及錨泊船舶，出國(guó)作業(yè)船舶。上了鎖，既可以防止內(nèi)部失盜、丟失，也可以防止外部的偷盜，順手牽羊等現(xiàn)象的發(fā)生。

——換氣冷負(fù)荷，W

——單位體積冷藏集裝箱外空氣冷卻至冷藏集裝箱內(nèi)空氣溫度所需冷量，kJ/m

，高溫冷藏集裝箱豐水期取40.3 kJ/m

，枯水期取36.6 kJ/m

——冷藏集裝箱公稱容積，m

，取58.1 m

冷能系統(tǒng)涉及LNG動(dòng)力船舶冷能利用技術(shù)領(lǐng)域，根據(jù)高溫冷藏集裝箱和低溫冷藏集裝箱不同的溫度需求，采用了逐級(jí)回收利用冷能的設(shè)計(jì)，起到降低火用損失的效果，更低溫的制冷劑優(yōu)先為低溫冷藏集裝箱供冷。同時(shí)，分級(jí)換熱的設(shè)計(jì)比單級(jí)換熱可以節(jié)省耐低溫材料的用量。

就在我茫無(wú)頭緒的時(shí)候，白麗筠好像知道我在尋找她，為她的生死惴惴不安，忽然給我發(fā)來(lái)了一條短信：嚇著了吧，我走了，不要來(lái)找我。

——食品質(zhì)量，kg

——食品計(jì)算密度，kg/m

，低溫冷藏集裝箱取肉類(去頭蹄)400 kg/m

，高溫冷藏集裝箱取新鮮水果(箱裝)350 kg/m

養(yǎng)豬業(yè)的市場(chǎng)行情雖然存在著許多不可預(yù)測(cè)的因素，但也遵循著一定的規(guī)律，掌握市場(chǎng)行情的一般規(guī)律，對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)、投資決策、提高經(jīng)營(yíng)水平、抗風(fēng)險(xiǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益十分重要。30多年的經(jīng)驗(yàn)告訴我們，豬的市場(chǎng)價(jià)格一般在12～18個(gè)月波動(dòng)一次，有時(shí)也會(huì)達(dá)到24個(gè)月波動(dòng)一次。同時(shí)還要注意市場(chǎng)需求、總體存欄、氣候及季節(jié)變化。

——冷藏集裝箱容積利用系數(shù)，取0.30

——入冷藏集裝箱食品的呼吸熱冷負(fù)荷，W

——單位質(zhì)量食品每日呼吸熱，kJ/(kg·d)，取水果呼吸熱0.5 kJ/(kg·d)

——冷負(fù)荷安全裕量，W

——冷藏集裝箱設(shè)計(jì)冷負(fù)荷，W

根據(jù)以上公式，計(jì)算得出冷藏集裝箱設(shè)計(jì)冷負(fù)荷見表1。

2.2 冷能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷能系統(tǒng)流程見圖1。使用第1氣化支路時(shí)，LNG從LNG儲(chǔ)罐中引取，經(jīng)LNG加熱器直接加熱至燃燒所需的溫度(0 ℃)，然后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒。使用第2氣化支路時(shí)，引取的LNG先經(jīng)過第1級(jí)換熱器，與載冷劑(R410A)換熱，載冷劑將吸收的冷量傳遞給低溫冷藏集裝箱(儲(chǔ)存肉類，溫度為-21.2 ℃)。從第1級(jí)換熱器出來(lái)的天然氣進(jìn)入第2級(jí)換熱器，與載冷劑(50%乙二醇溶液，指溶液中乙二醇液相體積分?jǐn)?shù)為50%)換熱，載冷劑將吸收的冷量傳遞給高溫冷藏集裝箱(儲(chǔ)存果蔬，溫度為-2.1 ℃)。從第2級(jí)換熱器出來(lái)的天然氣進(jìn)入第3級(jí)換熱器，需要開啟船舶空調(diào)時(shí)，天然氣與空調(diào)冷水系統(tǒng)循環(huán)水換熱，加熱至燃燒所需的溫度。不需要開啟船舶空調(diào)時(shí)，天然氣與抽取的江水換熱，加熱至0 ℃，最后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃燒。

（1）自動(dòng)焊具有較小的焊接熱輸入，焊接過程相對(duì)穩(wěn)定，焊接變形控制易于手工焊，焊縫軸向收縮量小于手工焊，在50%焊縫厚度前，焊接熱循環(huán)對(duì)焊接變形影響較大，隨著焊縫厚度的增加，焊接熱循環(huán)對(duì)焊接變形的影響減弱。

——每日換氣次數(shù)，d

，取10 d

該系統(tǒng)擁有2條氣化線路，可以根據(jù)是否需要回收LNG冷能選擇支路。當(dāng)需要回收LNG冷能時(shí)，使用第2氣化支路，LNG共經(jīng)過3級(jí)換熱器與載冷劑進(jìn)行換熱，最終0 ℃天然氣作為燃料進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。

假設(shè)LNG為純甲烷，儲(chǔ)罐飽和壓力為0.6 MPa，則其溫度約-140 ℃。罐內(nèi)壓力不滿足設(shè)定條件時(shí)，可以通過回流管路將部分天然氣輸送回儲(chǔ)罐中，增大罐內(nèi)壓力。兩條回流管路均裝有回流動(dòng)力泵提供動(dòng)力。

2.3 管殼式換熱器的模擬

第1氣化支路中的LNG加熱器為水浴式氣化器，第2氣化支路中換熱器均采用管殼式換熱器。

使用Aspen Exchanger Design and Rating軟件對(duì)管殼式換熱器進(jìn)行模擬。在所有換熱器中，天然氣在殼側(cè)流動(dòng)而載冷劑在管側(cè)流動(dòng)。管束排列方式均選擇30°三角形排列。管束內(nèi)直徑與外直徑按照常見的標(biāo)準(zhǔn)管束分別設(shè)置為19 mm和25 mm。輸入初始參數(shù)：污垢熱阻、天然氣(或LNG)質(zhì)量流量、天然氣(或LNG)和載冷劑的出入口溫度以及出入口壓力。此時(shí)換熱表面的利用率接近1，面積富裕度較小。為防止在運(yùn)行過程中有超負(fù)荷情況，應(yīng)該使面積富裕度在15%以上。調(diào)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行管長(zhǎng)和殼程外直徑圓整，符合工程施工的要求和面積富裕度的要求。輸出換熱器制冷量和載冷劑的質(zhì)量流量。

3 蓄冷板設(shè)計(jì)

計(jì)算得到低溫冷藏集裝箱中每塊蓄冷板提供冷量為2 887.7 kJ，高溫冷藏集裝箱中每塊蓄冷板提供冷量為3 630.8 kJ。

① 蓄冷板提供的冷量

=

在低溫冷藏集裝箱中，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.1%的NaCl溶液作為相變材料

，相變溫度為-21.2 ℃，相變潛熱為236.1 kJ/kg，密度為1 124.1 kg/m

；在高溫冷藏集裝箱中，使用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.8%的Na

CO

溶液作為相變材料，相變溫度為-2.1 ℃，相變潛熱為323.2 kJ/kg ，密度為1 032.5 kg/m

。每塊蓄冷板中實(shí)際裝入相變材料體積為0.010 88 m

。

——相變材料體積，m

每塊蓄冷板提供的冷量見式(7)：

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)曲線：將標(biāo)準(zhǔn)稀釋液10μL用甲醇定容至1mL，溶液濃度為100μg/L。取準(zhǔn)確移取標(biāo)準(zhǔn)稀釋溶液(100μg/L)5.0,10.0,25.0,50.0,100.0,200.0μL用乙腈∶水(1∶9)定容至1.0mL，得到濃度分別為0.5、1、2.5、5、10、20μg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

(7)

式中

——蓄冷板提供的冷量，kJ

——相變材料密度，kg/m

在圖3（c）中，將重心d0（電勢(shì)待定為v0）作為代理點(diǎn)，用Wi表示子區(qū)域d0didi+1的能量（通過v0表示）。通過使得局部能量最小化，可求解下面的等式得到v0。

——圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m

·K)，取0.294 W/(m

·K)

冷藏集裝箱頂部采用相變材料蓄冷板蓄冷，加裝尺寸長(zhǎng)×寬×高為0.8 m×0.4 m×0.04 m的蓄冷板

。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，與LNG換熱后的載冷劑會(huì)與蓄冷板內(nèi)的相變材料換熱，同時(shí)相變材料會(huì)釋放冷能冷卻集裝箱內(nèi)空氣。當(dāng)LNG供能停止時(shí)，仍能使用蓄冷板冷卻集裝箱內(nèi)空氣，使冷藏集裝箱內(nèi)部溫度維持在正常工作范圍。經(jīng)計(jì)算可得，IAA型冷藏集裝箱最多可加裝70塊蓄冷板。加裝蓄冷板的冷藏集裝箱見圖2。相變材料改變物相時(shí)體積會(huì)變化，因此需要在蓄冷板中預(yù)留15%的體積膨脹空間，即每塊蓄冷板中實(shí)際裝入相變材料體積為0.010 88 m

。

② 蓄冷板工作時(shí)間

根據(jù)計(jì)算得出冷藏集裝箱設(shè)計(jì)冷負(fù)荷，可計(jì)算得到蓄冷板在冷藏集裝箱中的工作時(shí)間(最大保冷時(shí)間)：

(8)

式中

——蓄冷板工作時(shí)間，h

——IAA型集裝箱中蓄冷板數(shù)量，取70

計(jì)算得出，在低溫冷藏集裝箱和高溫冷藏集裝箱中，豐水期蓄冷板工作時(shí)間分別為24.8 h和38.3 h，枯水期蓄冷板工作時(shí)間分別為44.1 h和85.0 h。

4 案例分析

根據(jù)調(diào)研，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率為48%～55%，且燃油的消耗率約為170 g/(kW·h)

，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率為45%～47%，天然氣低熱值取35.9 MJ/m

，柴油低熱值取39.0 MJ/L。在本文計(jì)算中認(rèn)為1.2 m

天然氣在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后可得的動(dòng)力與1 L柴油在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后可得的動(dòng)力相等。柴油密度為0.86 kg/L，天然氣密度為0.7 kg/m

。

某貨船是一條4 000 t級(jí)集裝箱多用途船舶。該船舶的運(yùn)行路線為重慶寸灘港—四川宜賓，總長(zhǎng)768 km，往返一次所需時(shí)間約為6 d。該船配備2臺(tái)功率為735 kW的發(fā)動(dòng)機(jī)，采用雙燃料模式運(yùn)行?？菟诤叫兄忻颗_(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)平均柴油消耗量為80～83 kg/h，平均LNG消耗量為75～79 kg/h。計(jì)算時(shí)，取每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)平均柴油消耗量為80 kg/h，平均LNG消耗量為75 kg/h。

根據(jù)前文介紹的方法換算可得，若只使用LNG作為燃料，則單燃料LNG消耗量為152.7 kg/h。豐水期時(shí)，因水位升高，船舶載重量增加，同時(shí)受江水流速和航行速度影響，LNG消耗量會(huì)增加15%～30%，本文考慮滿負(fù)載情況下，豐水期單燃料LNG消耗量取198.5 kg/h。

根據(jù)第2.3節(jié)介紹的方法，使用Aspen Exchanger Design and Rating進(jìn)行模擬。各級(jí)換熱器進(jìn)出口溫度設(shè)定見表2，換熱器冷量回收模擬結(jié)果見表3。

在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速發(fā)展的大背景之下，公路工程的施工規(guī)模越來(lái)越大，為了更加深入的提升公路大中修工程養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)力度特別重要。因?yàn)槌d車輛的不斷增加，在道路行車荷載與外界自然環(huán)境因素的影響之下，公路表面很容易出現(xiàn)大范圍裂縫、坑槽與沉降等現(xiàn)象。通過不斷加強(qiáng)公路大中修養(yǎng)護(hù)力度，能夠真正實(shí)現(xiàn)公路安全、可靠運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)，減少上述現(xiàn)象的發(fā)生[1]。

由于重慶寸灘港—四川宜賓航線較短，假設(shè)?？繒r(shí)間不超過蓄冷板工作時(shí)間，不考慮回收冷量需要給蓄冷系統(tǒng)充能的情況。

枯水期時(shí)，第1級(jí)換熱器制冷量為23 082 W，枯水期低溫冷藏集裝箱設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為1 272.3 W，因此，第1級(jí)換熱器制冷量最多可供18個(gè)低溫冷藏集裝箱使用。第2級(jí)換熱器制冷量為6 604 W，枯水期高溫冷藏集裝箱設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為830.1 W，因此，第2級(jí)換熱器制冷量最多可供7個(gè)高溫冷藏集裝箱使用。同理，可計(jì)算得出，豐水期時(shí)第1級(jí)換熱器制冷量可供13個(gè)低溫冷藏集裝箱使用，第2級(jí)換熱器制冷量可供4個(gè)高溫冷藏集裝箱使用。

使用傳統(tǒng)的冷藏集裝箱裝載貨物時(shí)，要使用制冷機(jī)組，需考慮電動(dòng)機(jī)散熱量。設(shè)每個(gè)傳統(tǒng)集裝箱的冷負(fù)荷比冷藏集裝箱多1 500 W

，制冷機(jī)組制冷性能系數(shù)參照常見機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況下的制冷性能系數(shù)，并按照實(shí)際運(yùn)行工況的蒸發(fā)溫度與冷凝溫度進(jìn)行修正

。同時(shí)，根據(jù)船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)告可得，在該航線往返一次，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)間約為60 h。聯(lián)系前文計(jì)算得出的可供冷藏集裝箱的數(shù)量，可計(jì)算得出該航線往返一次冷能系統(tǒng)最大可節(jié)約能耗量，見表4。

三年級(jí)學(xué)生在校園里顯得更為活躍，他們有熱情，也顯得任性、容易沖動(dòng)。有時(shí)他們會(huì)在桌面上、黑板上，寫幾句小詩(shī)、一行話語(yǔ)，好像以此表達(dá)對(duì)學(xué)習(xí)的愛好，我就鼓勵(lì)學(xué)生寫生活小詩(shī)歌，極大的激發(fā)他們的寫作欲望，引導(dǎo)他們以恰當(dāng)?shù)姆绞奖磉_(dá)出來(lái)。實(shí)踐證明：積極疏導(dǎo)，把他們的心語(yǔ)得以外化，由此激發(fā)他們學(xué)語(yǔ)文、用語(yǔ)文的意識(shí)是有效的路徑。在練筆、討論、批注和推敲中學(xué)生樂而不疲，尊師愛校、友愛同學(xué)的美好情操得到提升。

5 結(jié)論

以某LNG動(dòng)力船為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)一種LNG動(dòng)力船冷藏集裝箱冷能系統(tǒng)，該系統(tǒng)的終端為冷藏集裝箱，在其內(nèi)部加裝相變蓄冷板,分別計(jì)算了豐水期與枯水期低溫冷藏集裝箱、高溫冷藏集裝箱的設(shè)計(jì)冷負(fù)荷及最大保冷時(shí)間。結(jié)合某4 000 t級(jí)集裝箱多用途船舶實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，使用Aspen Exchanger Design and Rating對(duì)換熱器進(jìn)行模擬，得出換熱器制冷量，得出航線往返一次冷能系統(tǒng)最大可節(jié)約能耗量。計(jì)算結(jié)果表明：枯水期時(shí)，系統(tǒng)所回收的LNG冷能可最多為18個(gè)低溫冷藏集裝箱和7個(gè)高溫冷藏集裝箱供冷，相當(dāng)于一次航行可節(jié)電2 628.3 kW·h。豐水期時(shí)，系統(tǒng)所回收的LNG冷能可最多為13個(gè)低溫冷藏集裝箱和4個(gè)高溫冷藏集裝箱供冷，相當(dāng)于一次航行可節(jié)電3 378.8 kW·h。該冷能系統(tǒng)具備可行性。

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