LNG重卡无相变换热冷能利用空调系统设计

王 方 付一珂 范晓伟 朱彩霞

(中原工学院能源与环境学院 郑州 450007)

LNG重卡无相变换热冷能利用空调系统设计

王 方 付一珂 范晓伟 朱彩霞

(中原工学院能源与环境学院 郑州 450007)

阐述了LNG重型卡车空调系统冷能利用的设计原理，以LNG为实验介质，通过计算机仿真和实验台模拟试验检验了该系统的可行性。开发了基于LNG无相变低温换热冷能利用空调系统替代蒸汽压缩制冷机组，通过理论计算和空调系统装置实验表明：在环境温度30—35 ℃，LNG由储存温度-160 ℃汽化至环境温度15 ℃，流量为25.194 kg/h时，理论计算冷量释放达6.13 kW，冷回收换热器空调冷媒的进出口温度达-9 ℃、-15 ℃；重卡空调进、出口空气温度达35 ℃、14 ℃，空调出风量为0.278 m3/s，静态运行时实际回收冷量1.69 kW，回收率达27.6%。设计冷回收空调系统运行良好，制冷迅速，满足重卡驾驶室空调冷负荷，这样既为LNG船舶和汽车等交通工具空调系统提供了一个有效的解决方案，又利于冷能回收，缓解传统电压缩空调对燃料的消耗。

LNG重卡 空调系统 冷能回收 无相变 系统研究

1 引 言

LNG(Liquefied Natural Gas)在汽化过程中释放大量的冷量，而正常情况下，这部分冷量通常在LNG汽化器中被舍弃了，不仅造成了大量能源的浪费，甚至还会造成环境污染。LNG冷能利用在汽车领域一般用于客车空调和冷藏车，这样可以取代原有的机械式制冷机组，不仅节省了投资，而且消除了机械制冷带来的能源消耗及噪声污染，具有节能和环保的双重意义。德国梅塞尔公司成功试制了世界上首台LNG冷藏车，并于1997年底在德国RFWF零售连锁店投入使用，其稳定的运行工况、良好的冷藏效果以及轻污染的环保优势得到了科隆地区政府的认可。随着LNG汽车的迅速增长，车用LNG消费量的激增[1]，冷能回收问题变得日益迫切。回收这部分冷量，不仅能有效利用能源[2]，而且减少了机械制冷的大量电能消耗，具有非常重要的技术经济及环保利用价值。针对LNG重型卡车一方面需要将低温液化天然气汽化成常温燃料进入发动机燃烧，另一方面驾驶空间又存在制冷需求问题，本文设计研发LNG冷能利用重卡空调系统，相对于常规电压缩空调系统，本系统设备简单，节能、高效、环保，不仅可为缓解传统电压缩空调对燃料的消耗，同时可有效回收LNG释放的冷量，为LNG安全气化及冷能回收提供了一个有效的解决方案，也是制冷空调产业应对能源安全、气候变化和结构升级的重要突破口。

2 LNG冷能利用重卡空调系统设计

2.1 系统实现方式

LNG冷能利用重卡空调系统设计，必须考虑到LNG安全汽化及冷能回收、设置蓄冷装置的问题[3]，参考一些技术总结，须采用能耐低温的载冷剂作为蓄冷介质，经过无相变蓄冷[4-5]后，将其与LNG进行冷能传递和冷能循环利用，解决冷能回收利用、蓄冷、维持重卡车内温度恒定等问题。

汽车空调负荷是变化的，保证空调制冷量的调节也是非常重要的。汽车运行的不稳定带来LNG汽化的不连续，为了保证汽车空调系统供冷的连续及冷量的自动调节，在LNG冷量回收的同时，还需要采用蓄冷技术，在不增加冷能损耗的前提下，将LNG汽化后产生的多余冷量暂时储存起来，以满足不同行车工况下的冷量需求。

2.2 系统设计方案及工艺原理说明

(1)总体设计方案

图1是LNG冷能利用重卡空调系统的流程图，包括LNG储液罐，汽化器，缓冲罐，载冷剂储液罐和循环泵。LNG经LNG储液罐流出，在汽化器中与载冷剂进行逆流热交换，释放冷量后成为常温燃料进入缓冲罐，再经降压调压阀汽化进入发动机供重卡使用。载冷剂经储液罐流出，进入汽化器得到LNG释放的冷能后，温度降低，冷能蓄存在载冷剂储液罐中，从汽化器中出来的低温载冷剂经泵加压进入空调，之后通过风机将冷量传递到驾驶室，达到调节室温的目的。在这个过程中载冷剂始终只是温度变化而没有发生相变，从空调出来后进入到汽化器中与LNG进行热交换，温度降低后进入循环泵，从而完成整个循环[6]。

图1 LNG冷能利用重卡空调系统设计流程图1.LNG储液罐；2.低温换热器；3.载冷剂储液罐；4，5.循环泵；6.缓冲罐；7.重卡空调器；8.出液单向阀；9.截止阀；10.过流阀。Fig.1 LNG cold energy utilization heavy truck air conditioning system design flow chart

(2)系统工艺原理

LNG重卡冷能利用空调装置由汽化器、循环泵、空调、载冷剂储液罐、热力交换器等组成。本装置通过汽化器收集LNG的汽化潜热，通过循环泵来提供动力把冷量输运至空调为其提供冷量。空调末端的感温触点可感知温度(空调末端换热器的表面温度)的变化，通过反馈系统调节阀门的开度进而调节流入空调的载冷剂流量，使空调维持所设置的温度。当LNG的汽化潜热超过需求量时，反馈系统会打开流向热力交换器的阀门使载冷剂与热水换热从而使流向空调的载冷剂温度不致过低而影响空调的性能。载冷剂储液罐不仅能够储存一定量的载冷剂，而且具有蓄冷能力、保证系统的循环压力恒定。图2为LNG冷能利用空调实验装置示意图。

图2 LNG冷能利用空调系统样机Fig.2 LNG cold energy utilization air conditioning system prototype

3 冷能利用热力计算

3.1 LNG重卡可回收冷量分析

采用软件 EES( Version9.699)开发热力计算程序，其中混合工质的热力参数通过接口程序EES-REFPROP调用软件 REFPROP(Version 9.0)得到。

LNG由储存状态温度升温至饱和液态时释放冷量QW为：

(1)

式中：m为LNG 的消耗量，kg；cp为定压比热容，kJ /( kg·K)；TL为LNG 饱和液态温度，K；TS为储罐内LNG存储温度，K。

LNG从饱和液态温度升温至饱和蒸汽状态汽化潜热Qr为：

(2)

式中：hv为LNG饱和气态焓值，kJ/kg；hL为LNG饱和液态焓值，kJ/kg。

LNG由饱和蒸汽温度到环境温度时汽化显热Qx为：

(3)

式中：Tk为LNG汽化后的环境温度，K；TV为LNG饱和气态温度，K。

LNG由存储温度汽化至环境温度过程中释放冷量Q为：

(4)

重卡驾驶室空调制冷量Qc为：

(5)

式中：V为冷却装置风量，m3/h；r为测量风量V时的空气比容，m3/kg；i1为冷却装置进风口空气的焓，kJ/kg；i1为冷却装置出风口空气的焓，kJ/kg。

3.2 LNG重卡利用冷量的计算分析

典型的LNG由4个组分构成：97.5%甲烷、1.8%乙烷、0.2%丙烷、0.5%氮气，本计算采用某重型卡车，功率300马力，设定工况LNG进口状态：-160 ℃、1.0 MPa，出口状态：15 ℃、0.8 MPa，按照公式(1)—(4)计算结果如表1所示：

在一个标准大气压下，根据上式计算得LNG汽化至15 ℃释放的冷量为9.95 kW(汽化潜热值为876.51 kJ /kg)。目前这种回收方式的冷能回收率通常保持在30%左右[7]，可供回收的冷量约为2.99 kW。

表1 静态测试计算结果Table 1 Static test results

4 结果与分析

4.1 LNG制冷量的影响因素分析

发动机的进气温度一般为10—40 ℃，图3显示了耗气量为40.89 kg/h下的LNG重卡在LNG汽化至不同温度下提供冷量的变化趋势。结果表明：LNG由储存温度汽化到10 ℃时，释放冷量达9.83 kW，理论可供回收的冷量约为2.95 kW，在汽化温度即内燃机入口温度越高，LNG汽化释放冷量越多。

图3 LNG汽化至不同温度下提供的制冷量变化Fig.3 Diagram of cooling capacity changes with LNG gasification to different temperatures

图4 LNG换热量与流量的关系Fig.4 LNG heat transfer and flow

计算LNG汽化至10 ℃，制冷量随LNG流量的增加呈上升趋势，当m=35 kg/h时制冷量达8.41 kW，理论可供回收的冷量约为2.52 kW，对于LNG 重卡内燃机流量大(40.89 kg/h)，驾驶室空调冷负荷需求量小，并且供应以LNG为燃料的工程车辆及船舶等交通运输工具工作空间的冷量，同时可有效降低重卡、船舶等的运行费用，可将LNG冷能直接用于空调系统。

图5 驾驶室空调系统制冷量与出风口风量的关系Fig.5 Relationship between cab air conditioning system refrigerating capacity and outlet air volume

通过对LNG流量及驾驶室空调出风量的计算分析，驾驶室内空调出风口风量为0.278 m3/s时达到1.62 kW，其驾驶室空调出风量与LNG制冷量变化关系如图5所示，随着出风量的增加，LNG空调冷量增加，可以根据室外环境及人体需要适当调节，以达到最佳送风状态。也可调节空调系统的载冷剂流量调节阀，根据风机盘管的制冷效果和外界环境情况，进一步调节驾驶室温度。

4.2 LNG重卡实验计算结果分析

表2 LNG重卡空调实验结果分析Table 2 Air conditioning of LNG heavy truck experimental results analysis

结果表明本文开发基于LNG无相变低温换热冷能利用空调系统，其冷能回收率达27.6%，有效利用了能源，具有显著的节能环保意义。

5 结 论

LNG作为一种清洁、高效能源，其规模化利用对中国大气污染防治有重要意义。LNG在汽车工业中的发展优势非常明显，研究开发利用可再生能源驱动的汽车空调系统，是汽车空调技术发展与进步的必然要求。该新型LNG冷能利用空调系统可在保证LNG正常气化供应发动机正常运转的基础上，进行无相变冷量交换。通过理论计算和实验对比分析，研究结果表明：

(1)本系统供应以LNG为燃料的重卡等交通运输工具工作空间的冷量，能有效控制动态环境下LNG的冷能释放，且具有蓄能作用，提高LNG汽化和冷能利用之间在空间和时间上的同步性，即使汽车在停车过程中，依然能够保证供冷需求，达到降低重卡运行费用的目的。

(2)当驾驶室内空调出风口风量为0.278 m3/s时制冷量达到1.62 kW，其冷能回收率达27.6%。

(3)系统完全适用于LNG重卡等工程车辆，可以回收LNG汽化的冷能用于汽车空调制冷，且随着发动机LNG消耗量的增加，制冷量随之增加，实现LNG冷能充分合理利用，本系统改装及使用成本较低，具有较好的推广应用价值。

1 王 强, 厉彦忠, 张朝昌. 液化天然气(LNG)冷能回收及其利用[J]. 低温工程,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 顾安忠, 石玉美, 汪荣顺. 中国液化天然气的发展[J]. 石油化工技术经济,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. 某冰蓄冷空调系统的设计及其经济性分析[D].南京：南京师范大学,2014.

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

4 李兴仁. 低温相变蓄冷材料及其蓄冷特性的实验研究[D]. 重庆：重庆大学,2004.

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

5 曹兴中. 各种载冷剂的技术经济性比较[J]. 低温与特气,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. 一种利用LNG冷能的空调系统研究[D].武汉：华中科技大学,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冷能的途径探析[J]. 化学工业, 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接收站冷能用于轻烃回收工艺[J]. 石油与天然气化工, 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

河南省重点科技攻关项目资助(No.152102210363)。

王 方，男，40岁，博士，副教授。

TB61,TB657

A

1000-6516(2016)01-0064-05