LNG冷能回收模拟试验台设计与开发

马宗正，闫修鹏，王 鹏，王新莉

（河南工程学院机械工程学院，河南 郑州 451191）

1 引言

汽车保有量的不断增加给环境带来了巨大的挑战，代用燃料发动机由于其清洁、高效的特点日益受到关注，特别是天然气发动机，由于其价格的优势，在出租车、公交车上有着广泛的应用，天然气作为汽车燃料的应用形式主要有以下几种：压缩天然气（CNG）发动机、液化天然气（LNG）发动机、吸附天然气（ANG）发动机和天然气合成油（GTL）发动机。其中LNG发动机被公认为未来天然气发动机发展的重要方向[3]，因此在教学过程中开展相关的实验工作对于学生应用能力的培养有着重要的作用。

对于液化天然气发动机来说，燃料采用液态存储，一般的存储温度为（-162～-140）℃，在进入发动机之前需要进行加热气化，在此过程中需要吸收大量的热量，因此其蕴藏着一种特殊的能量-冷能，也即低温[4]。这种特殊的能量有助于能量的回收利用，可以用来提供低温，比如为冷藏车、汽车驾驶室内的冰箱、小型汽车或者大型工程车驾驶室内空调提供低温[5-6]；还可以用于温差发电[7-8]。

温差发电技术是利用热电材料的塞贝克效应直接将热能转化为电能的技术，只要是温差发电器两端有温差就能够实现电能输出[9-10]，是一种非常好的能量回收技术。

但是如果进行实际台架实验，需要准备的设备较多，且参数也不易于控制，为此开发了一款用于演示发动机冷能回收利用的试验台，从而实现对LNG冷能回收技术的展示。

2 试验台的总体结构

在实际发动机上进行冷能回收的基本结构，如图1所示。能量回收装置（代替气化器）是串入进气系统中的，LNG燃料需要经过气化器气化后，和空气在混合器中混合才能进入发动机气缸，因此为了能够实现LNG发动机能量回收利用，需要将原来的气化器和温差发电技术结合，利用LNG气化过程中产生的低温区域形成温差发电器的冷端；来自发动机的冷却液（一般在（90～110）℃之间）由于温度较高，形成高温区域，作为温差发电器的热端。这种布局方式，（1）能够利用发动机冷却系统的废弃热量。（2）能够利用液化石油气发动机的冷能。

图1 LNG冷能回收系统在进气系统安装图Fig.1 Diagram of LNG Cold Energy Recovery Part in Intake System

因此，在实现温差发电的基础上，LNG冷能回收实验台主要涉及到发动机冷却系统模拟和LNG进气系统模拟；同时还需要能够实现外部参数的调整，模拟实验台的结构与实际工作的发动机上的布局不同。

LNG冷能回收试验台，如图2所示。模拟实验台可以分成四部分，分别为显示测量模块、温差发电器模块、冷却系统模拟部分和LNG气化过程模拟部分。其中，显示测量模块主要完成温差发电器两端温度、温差发电器输出电压和电流的测量，同时还需要对LNG的流量进行计量；温差发电器模块用于实现电能的回收，由LNG通道、冷却液通道、温差发电模块三部分组成，基本结构，如图3所示；发动机冷却系统模拟部分用来模拟实际发动机冷却液工作，水泵与实际发动机水泵的作用一致，用于实现冷却液循环，保温箱和温控仪控制冷却液的温度；LNG气化模拟过程采用压力罐输出LNG，经过一金属空腔的方式来实现，气化后的天然气采用燃烧的方式消耗掉。

图2 LNG冷能回收模拟试验台示意图Fig.2 Diagram of LNG Cold Energy Recovery Simulation System

图3 温差发电器示意图Fig.3 Diagram of Thermoelectric Generator

3 模拟试验台的设计

3.1 测量显示部分

根据前述内容，显示测量部分的主要功能是完成温差发电器两端温度、温差发电器输出电压和电流的测量，采用万用表即可测量电压和电流，因此设计主要针对温差发电器两端温度和LNG流量测量。

在实际安装过程中，由于LNG在气化过程中需要吸收热量，会导致低于零度的温度，为此温差发电器的冷端布置热电偶测量，本次采用Pt100热电阻，测量范围为（-200～500）℃，精度（0.15+0.002）℃，考虑到温差发电片与冷端和热端存在过大的缝隙会影响热量传递，因此为了节约安装空间，避免产生过大的空气热阻，对热电偶的头部进行了扁平化处理；热端采用K型热电偶，测量精度（±1.5）℃；同时为了减少其他因素对传热的影响，在缝隙处采用填涂硅胶的方法处理[11]。

燃气流量的测量采用转子流量计，型号为LZB-3，测量范围为（100～1000）mL/min，由于该传感器只能对气体流量进行测量，如果在LNG流动过程中存在液态或者结冰现象可导致测量结果不准确，为此从能量回收装置的冷端到燃气流量计之间增加了长度为2m的橡胶管，确保LNG能够完全气化，整个测量与显示部分，如图4所示。

图4 展示电能输出的白炽灯Fig.4 The Light of Showing Power Output

3.2 温差发电器部分

由液化天然气通过温差发电装置后模拟发动机工作时要达到的温度，在本试验台也就是要达到燃具燃烧要求的常温状态，因此温差发电装置的传热面积要达到一定的要求。

式中：Q—散热量，kJ/h；C—比热容，kJ（/kg·K），天然气一般取值1.2；ΔT—温差，℃；m—天然气的质量，kg。本实验只能模拟其发电性能，实验中从安全着想，本实验中的最大流量设定为0.2m3/h。经前期准备工作的温差发电器两端温差约为20℃。同时查阅参考文献可知常温常压下天然气密度ρ=0.55kg/m3，可得散热量为66kJ/h。

此部分换热需要通过温差发电片壳体和发动机冷却水的热交换完成，公式为：

式中：hfc—换热系数，W/m2·K，本次取501.15；S—换热面积，m2。可得换热面积0.00658m²。

由以上参数计算并设计冷端传热装置的结构，如图5所示。

图5 冷端传热装置结构Fig.5 Structure of Cold End

对于冷端传热装置的内部结构来说，主要和表面温度的均匀性有关，一般采用迷宫结构来实现，由于冷端由LNG气化行程低温，设计的面积较小，因此其内部采用空腔结构。热端的能量回收管同样采用金属壳体结构，由于面积较大，内部采用挡板进行了分割，共设计了三种布置方式，分别为水平挡板模式、交错挡板模式、V字形挡板模式，如图6所示。分析结果表明采用第二种结构方式表面温度更均匀一下，为此热端内部采用第二种结构形式[12]。

冷端传热装置和热端能量回收管加工后即可安装组成温差发电器，温差发电器的实物连接，如图7所示。

图7 温差发电器实物图Fig.7 Real Picture of Thermoelectric Generator

3.3 冷却系统模拟部分

发动机在实际工作过程中冷却液温度一般在（95～105）℃，而此次采用的冷却液为自来水，自来水温度超过100℃会沸腾，为此通过保温箱和温控仪实现冷却系统温度控制在（85～100）℃，同时利用水泵实现水的循环，从而保证能量回收管内部的冷却水有足够的能量，水泵采用了电动定量泵，流量为200L/min，能够满足模拟的要求。

3.4 LNG气化过程模拟部分

LNG气化过程的模拟采用LNG气管输出后在温差发电器冷端气化的方式进行模拟，如前所述，为了能够实现气化，温差发电器的热端部分还需要提供一部分的热量来实现气化，否则吸热太多的话容易结冰，如图8所示。因此需要调节LNG的流量，在试验过程中是利用气罐上的阀门开度来控制流量大小。

图8 实验过程中冷端结冰照片Fig.8 Real Picture of Cold End Freezen

最终完成的实物图，如图9所示。显示测量模块、温差发电器模块、冷却系统模拟部分和LNG气化过程模拟部分分别在图中做出了标记。

图9 实物图Fig.9 Real Picture of Simulation Test Bed for LNG Cold Energy Recovery

4 实验应用

在完成实验台的组装后进行了相关的试验，主要考察了水温变化过程中温差发电器两端温度的变化情况。为了便于分析，仅对单片温差发电片进行了测量。

4.1 水升温过程中发电片两端温度与电压的变化

控制LNG流量保持不变，在水温由40℃逐步平稳加热90℃的过程中，考察发电片冷端温度和热端温度的变化情况，以及冷热端温度变化对温差发电片产生的电压的影响。其变化过程，如图10所示。

图10 水升过程与发电片两端温度和电压的关系Fig.10 Relationship between Output Voltage and Temperature Rise

由图可知，随着水温的不断升高，冷端和热端温度同时升高，热端温度从32℃升高到75℃，冷端温度从20℃升高到55℃，与此同时输出电压也逐步升高，电压从0.7V升高到1.1V左右后又有所降低，降低到1.0V。原因在于温差发电片自身有一定的导热性能，同时冷端和热端距离较短，也可以通过周围的空气相互传递热量，从而使得冷端和热端温度同时升高。

4.2 LNG流量对温差发电器的影响

固定热端水温在90℃不变，通过调节液化气罐阀门大小改变冷端流量，考察LNG流量大小的变化对半导体温差发电片两端温度以及发电片电压的变化。测量结果，如表1所示。由表可知，当改变LNG流量时，冷端温度和热端温度都有所降低，冷端温度由68.7℃降低到58.2℃，下降了大约10℃；热端温度从80.8℃降低到78.9℃，下降了仅仅2℃；可知温差由12℃上升到20℃。

表1 LNG流量对温差发电器的影响Tab.1 Effect of LNG Flow Rate to Power Output of TEG

温差的升高直接导致输出电压的升高，电压由0.5V上升到1V。可知输出电压的升高来自温差发电器两端温差的变大。

5 结论

介绍了LNG冷能回收模拟试验台设计与开发过程，该模拟实验台的设计过程主要包括测量部分、发动机冷却液模拟部分、LNG气化模拟部分，该系统能够进行LNG冷能回收过程的模拟，并且以此实验台进行了相关研究，研究结果表明虽然LNG气化过程中温度较低，但由于温差发电器尺寸较小使得冷端和热端温差较小；同时还发现可以通过提高液化天然气的流量提升温差发电器两端温差。