利用LNG汽化冷能替代独立车辆空调探讨

付江维等

摘要：通过回收LNG冷能用于驾驶室空调，达到节约能源提高经济性的目的。针对LNG冷量回收过程中的大温差换热关键技术， 提出了带有蓄冷功能的多级冷能回收系统。针对空调使用温度与发动机天然气进气温度的矛盾，提出了采用二级汽化器的发动机燃料供给系统。

关键词：液化天然气（LNG）；冷能；蓄冷装置；

1.概述

LNG需要气化为气态天然气之后才能够提供给发动机燃烧， LNG的气化过程需要吸收很大能量，目前的气化方式为采用发动机冷却水循环加热，通过冷卻系统散失，造成了能量的巨大浪费。若将LNG气化的冷能回收用于汽车空调制冷，既节约了能源， 又有利于环保， 具有显著的经济效益和社会价值。

2. LNG冷能分析

LNG气化时会放出很大的冷能，其值约为830KJ/kg[2]。若LNG拥有的冷能能以100%的效率转化为电力，那么1t LNG的冷能相当于240kW·h[4]。德国梅赛尔公司制造完成的LNG冷藏车，经过98年一个夏天的运输检验，以稳定的运行工况、良好的冷藏效果、低污染的环保优势，得到了科隆地方政府认可。冷藏车每小时消耗（12～15）kg LNG，其制冷能力为218kW[8]。

以某2款车型消耗LNG冷能与空调系统需求冷能对比计算如表1：

3.LNG 冷量回收空调系统的建立

3.1一级汽化器

一级汽化器的作用是完成LNG冷能的释放与收集，将LNG冷能传递给中间冷媒。由于LNG温度为-162℃，如将天然气与空气直接进行潜热、显热的交换， 换热温差将会达到170℃～ 200℃。如此大的传热温差对空气换热器来讲是难以实现的。将会出现空气中水蒸汽凝结等现象，导致换热效率下降甚至出现管路阻塞。影响整车空调系统使用和整车天然气系统的正常供气，导致车辆不能整车行驶等故障。

为最大限度地回收LNG冷量， 并满足汽车空调的使用要求，考虑使用中间冷媒进行多级换热， 尽量减小一次传热温差。根据车辆使用情况，乙二醇水溶液作为中间媒介是合适的，其具有比热容大、无毒、不可燃、性能稳定、容易获取等优点。为减少冷能损耗，在一级汽化器外层包裹隔热材料，提高冷能利用率。

采用高温LNG加热低温LNG，介质加热高温LNG的方式，将一次热交换变换为二次热交换，降低每次热交换温差，确保介质不会出现低温冻结，提高热交换效率。考虑到介质不能在一级汽化器的出口被冻结，必须要保持一定的流速；同时为尽量避免空气冷却器表面结霜，介质的供冷量也不能太大。因此对于该冷量回收汽车空调系统，在介质温度满足换热要求的前提下，流量保持在100L/h[1]左右较为合适。见图2。

3.2蓄冷系统

蓄冷装置的作用是完成与低温天然气的热交换和冷能的储存与传递。发动机工况不停地变化，所消耗的天然气产生的冷能差别很大，根据表1计算可达3倍左右，系统中需要增加缓冲装置，平衡发动机工况的变化导致的冷能的变化，因此在系统中增加蓄冷装置。一些商用的低温相变储热材料的物性数据如表2所示：

以STL-6为例，其相变温度为-6℃，相变潜热为284 kJ/kg，体积储热密度为304KJ/L。

3.3空调系统

空调系统的作用是将低温介质所携带的从低温天然气中回收的冷能通过和空气热交换释放到驾驶室内，最终实现制冷的功能。介质通过水泵泵入空调系统蒸发器与通过轴流式风扇强制循环空气进行热交换，将冷能释放到空气中对驾驶室内进行制冷。经过热交换的介质再回到蓄冷系统中进行下一次循环。

3.4二级汽化器

二级汽化器的作用是对经过一级汽化器的天然气进一步加热，使其满足发动机的使用要求。

由于一级汽化器需要满足空调系统温度需要，使得气化后的天然气温度不能满足发动机的使用要求（玉柴发动机要求天然气进气温度30℃～50℃[7]），需要进行二次加热。二级汽化器可以采用普通水浴蛇管式汽化器结构。由于发动机使用工况与空调使用情况的不确定性，使得一级汽化器出口天然气温度不能保持稳定。根据发动机对天然气进气温度要求，节温器开始关闭的温度设计为30℃左右，完全关闭温度50℃左右。

4.结束语

LNG车辆相比于柴油车具有明显的经济性、环保性，其利用开发前景十分广阔。上述对LNG冷能回收利用于整车空调系统主要流程及各主要零部件进行了阐述，在此基础上可以进一步确定各换热器结构参数、空调控制参数，为系统开发提供基础支持。

参考文献：

[1]王强等.LNG汽车冷能回收空调系统[J].天然气工业，2005，25（10）：124～126.

[2]李静等.LNG冷能利用现状及发展前景[J].天然气工业，2005，25（5）：103～105.

[3]华贲等.中国LNG冷能利用的进展和展望[J].天然气工业，2009，29（5）：107～111.

作者简介：

付江维（1984.11-），男，江西樟树人，集瑞联合重工有限公司，工程师，主要研究方向为汽车燃料供给系统和排气系统。

邢玉刚（1980.2-），男，河南新乡人，集瑞联合重工有限公司，工程师，主要研究方向为汽车排气系统、进气系统和燃料供给系统。

聂永生（1985.10-），男，安徽寿县人，集瑞联合重工有限公司，工程师，主要研究方向为汽车燃料供给系统和进气系统。