蓄冷式LNG冷藏車可行性分析

尹鑫林， 黃小美

(1.南昌市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，江西南昌330000；2.重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院，重慶400044)

1 概述

LNG冷藏車作為新型冷藏車形式之一，既順應(yīng)市場發(fā)展，又滿足環(huán)境要求，存在很大的發(fā)展?jié)摿?。前人在對LNG冷藏車可行性研究方面，關(guān)于LNG氣化釋放的冷能能不能滿足冷鏈運(yùn)輸需求的問題，忽視了一些細(xì)節(jié)，主要有以下幾方面：

① 忽視了LNG在LNG汽車車載鋼瓶中的狀態(tài)與普通常壓儲存狀態(tài)的差異。文獻(xiàn)[1]指出：正常情況下，車載鋼瓶的最小工作壓力不能低于發(fā)動機(jī)供氣系統(tǒng)要求的工作壓力，中、輕型載貨汽車發(fā)動機(jī)的工作壓力為0.65～1.35 MPa，重型載貨汽車的工作壓力為0.86～1.35 MPa。

② 不同容積的冷藏車，其耗氣量和制冷量也有差異。因此，LNG冷能是否能滿足不同類型冷藏車制冷量的要求，其利用又適合什么容積的冷藏車？

③ 對市場上的冷藏車產(chǎn)品，都有打冷時(shí)間(冷藏車制冷設(shè)備將車廂內(nèi)溫度由室溫降至冷箱運(yùn)行溫度所需的時(shí)間)的要求。那么LNG冷藏車該如何滿足打冷需求，會消耗多少LNG，又如何進(jìn)行優(yōu)化?也是一個(gè)值得我們關(guān)注的問題。

2 LNG冷能用于汽車行業(yè)的主要方式

① 冷卻發(fā)動機(jī)

利用LNG在氣化器里釋放出的冷量來冷卻發(fā)動機(jī)，其原理見圖1。

圖1 LNG氣化冷量冷卻發(fā)動機(jī)

將LNG氣化冷量冷卻發(fā)動機(jī)，這一技術(shù)已經(jīng)投入市場。由于LNG在鋼瓶中的溫度極低，氣化時(shí)釋放的冷量極大，這種利用方式?jīng)]有注意到對LNG冷能品位的利用，且其回收利用率也很低。此方式可作為逐級利用LNG冷能的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，提高冷能的利用率。

② LNG冷能用于汽車空調(diào)

由于車內(nèi)空調(diào)調(diào)控溫度為26 ℃左右，因此LNG與空氣之間的換熱溫差巨大，針對如何降低溫差、保證供冷的調(diào)節(jié)等技術(shù)難題，前人已經(jīng)做了諸多研究，文獻(xiàn)[2]指出可以利用中間冷媒與LNG換熱，使冷媒獲得冷量，溫度降低，再利用中間冷媒在空調(diào)區(qū)域制冷。

③ LNG冷能用于冷鏈運(yùn)輸

張哲等人[3]提出將LNG冷量回收，用于低溫冷藏車的冷藏運(yùn)輸，使得LNG冷藏車既能以LNG為動力燃料，又能利用LNG氣化升溫過程中釋放的冷量來制冷，實(shí)現(xiàn)了LNG冷量的最大化利用。這種方式與前兩種相比，能更有效地達(dá)到節(jié)能的目的。

3 LNG作為冷藏車能源的優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)冷藏車，LNG冷藏車的優(yōu)勢非常明顯，因?yàn)樵贚NG冷藏車中，LNG既用作燃料，又用作制冷劑[3]。

3.1 LNG動力優(yōu)勢

① 環(huán)保性能更好

LNG在生產(chǎn)過程中，由于在低溫下液化，且經(jīng)凈化處理，不含重?zé)N、硫等雜質(zhì)，其有害氣體排放量更低，很容易達(dá)到國Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，因此LNG汽車環(huán)保性能更好。

② 經(jīng)濟(jì)性更明顯

LNG能量密度大，一次加注行駛里程可達(dá)600 km。目前LNG銷售價(jià)格按等熱量計(jì)算，約為柴油價(jià)格的60%～80%。

③ 運(yùn)行更可靠

LNG是經(jīng)凈化處理、深冷生產(chǎn)的高純凈燃料。可以給LNG發(fā)動機(jī)提供穩(wěn)定可控制的空燃比，使發(fā)動機(jī)的工作性能得到優(yōu)化，而且發(fā)動機(jī)燃燒平衡，避免了爆燃，動力性更好，從而提高了發(fā)動機(jī)的可靠性，大大延長了發(fā)動機(jī)的使用壽命[4]。

3.2 LNG制冷優(yōu)勢

LNG作為制冷劑時(shí)，冷藏車與目前主流冷藏車(機(jī)械冷藏車)相比，省去了壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、膨脹閥等裝置，不僅減小了制冷系統(tǒng)的質(zhì)量，而且使結(jié)構(gòu)得以簡化，降低了投資和維護(hù)成本，同時(shí)消除了機(jī)械制冷產(chǎn)生的噪聲污染[5-10]。

4 蓄冷式LNG冷藏車的可行性分析和優(yōu)化

前人針對LNG冷藏車提出了多種LNG冷量回收方法。文獻(xiàn)[3]針對傳統(tǒng)LNG冷藏車制冷方式的缺點(diǎn)，提出了3種改進(jìn)方案，分別是直冷式、冷板式和蓄冷式LNG冷藏車。直冷式LNG冷藏車氣化器采用星型空溫式翅片管換熱器，并在其周圍用薄鋼板做一個(gè)風(fēng)道，頂部裝一個(gè)風(fēng)機(jī)，通過向上抽風(fēng)，使氣化器表面以強(qiáng)制對流方式換熱，不僅實(shí)現(xiàn)了冷量回收，而且空氣循環(huán)使廂體內(nèi)溫度分布更均勻，但是由于氣化器傳熱溫差過大而引起冷量利用率低的問題仍然沒得到徹底解決。冷板式LNG冷藏車在直冷式LNG冷藏車基礎(chǔ)上加裝冷板，通過LNG與低溫天然氣換熱、低溫天然氣與載冷劑換熱，從而實(shí)現(xiàn)了二級換熱，最大限度地實(shí)現(xiàn)了LNG冷能回收。與直冷式LNG冷藏車相比， 冷板式LNG冷藏車由于要添加冷板,增加天然氣管道長度，因此增加了成本，給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也帶來一定難度。蓄冷式LNG冷藏車在冷量回收系統(tǒng)中充注載冷劑，通過載冷劑與LNG的冷量交換，完成冷量的傳遞與儲存，同時(shí)對系統(tǒng)的冷量供應(yīng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，不僅降低了LNG的換熱溫差，同時(shí)設(shè)備也相對簡單，通過冷量回收系統(tǒng)可以穩(wěn)定地對廂體供應(yīng)冷量。通過對這3種方案的特點(diǎn)進(jìn)行分析，肯定了蓄冷式LNG冷藏車的發(fā)展前景，并指出在LNG冷藏車中，冷量回收系統(tǒng)及蓄冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵，它的合理設(shè)計(jì)可以提高冷量的回收效率，方便進(jìn)行冷量調(diào)節(jié)。

4.1 蓄冷式LNG冷藏車?yán)淠芾梅绞?/h3>

蓄冷式LNG冷藏車采用蓄冷裝置收集LNG冷能，工藝過程見圖2。

圖2 蓄冷式LNG冷藏車工藝過程1.汽車發(fā)動機(jī) 2.加熱器 3.控制閥 4.LNG鋼瓶 5.冷凍貨物 6.換熱器 7.蓄冷裝置和氣化器

在蓄冷裝置中充注載冷劑，LNG在壓力作用下從鋼瓶中流出，經(jīng)控制閥進(jìn)入氣化器，在氣化器中被載冷劑加熱，變?yōu)樘烊粴獠⑸郎刂?40 ℃后進(jìn)入加熱器，加熱至送氣溫度后，送入天然氣發(fā)動機(jī)進(jìn)行燃燒。在氣化器中，載冷劑被冷卻降溫，然后進(jìn)入蓄冷裝置和換熱器，對車廂內(nèi)空氣進(jìn)行冷卻，升溫后返回蓄冷裝置，如此循環(huán)。

這種方式，LNG不是與空氣直接換熱，而是與載冷劑換熱，因此降低了換熱溫差，不僅解決了直冷式LNG冷藏車由于傳熱溫差較大，空氣中的水容易凝結(jié)、結(jié)霜，使空氣側(cè)傳熱系數(shù)下降的問題，而且能保障LNG制冷系統(tǒng)和整個(gè)冷藏車的安全性能。但是，文獻(xiàn)[3]也指出，該方式對載冷劑的性質(zhì)提出了一定要求，既要有較低的凝固溫度、較大的比熱容，又要有較好的傳熱性能和較小的相對密度。針對這個(gè)問題，譚宏博等人[11]以水為相變工質(zhì)，對基于LNG冷藏車的相變蓄冷(固液相變-對流耦合傳熱)問題中水的凍結(jié)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。李曼等人[6]則對比了純乙二醇和60%乙二醇水溶液后，以后者為載冷劑進(jìn)行了LNG冷藏車的無相變蓄冷實(shí)驗(yàn)，并論證得出，60%乙二醇水溶液適合作為LNG冷藏車的載冷劑。因此本文中計(jì)算以60%乙二醇水溶液為LNG冷藏車的載冷劑。

4.2 冷量匹配計(jì)算

4.2.1 各類冷藏車制冷量的確定

文獻(xiàn)[12]推薦的機(jī)械冷藏車制冷量范圍見表1。

表1 機(jī)械冷藏車制冷量范圍

4.2.2 各類LNG冷藏車耗氣量的確定

根據(jù)LNG汽車運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，1 L柴油進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒后產(chǎn)生的動力相當(dāng)于1.3 m3天然氣燃燒產(chǎn)生的動力[5]。因此，LNG冷藏車耗氣量可通過同類別的柴油冷藏車類比得出，這3種LNG冷藏車的耗氣量見表2。

4.2.3 LNG氣化冷量及打冷量的確定

① LNG汽車正常行駛下氣化冷量的確定

LNG氣化冷量指LNG從鋼瓶內(nèi)飽和液態(tài)氣化

表2 3種LNG冷藏車的耗氣量

和加熱到預(yù)定狀態(tài)時(shí)釋放的冷量，包含兩部分：一部分是飽和液體氣化為飽和蒸氣釋放的冷量，另一部分是飽和蒸氣升溫到預(yù)定狀態(tài)時(shí)釋放的冷量。氣化冷量計(jì)算公式為：

Q=ρV[(h2-h1)+cp(T2-T1)]

(1)

式中Q——?dú)饣淞浚琸J

ρ——標(biāo)況下(溫度273.15 K，壓力101.325 kPa)天然氣的密度，kg/m3

V——天然氣消耗量，m3

h1,h2——飽和狀態(tài)LNG、飽和蒸氣的比焓，kJ/kg

cp——天然氣的比定壓熱容，kJ/(kg·K)

T1、T2——飽和蒸氣狀態(tài)、氣化終了狀態(tài)的溫度，K

直接用CH4進(jìn)行計(jì)算，CH4的各項(xiàng)熱物性參數(shù)見表3[13]。因?yàn)檐囕d鋼瓶的最小工作壓力不能低于發(fā)動機(jī)供氣系統(tǒng)要求的工作壓力，中、輕型載貨汽車發(fā)動機(jī)的工作壓力為0.65～1.35 MPa，重型載貨汽車的工作壓力為0.86～1.35 MPa，故取甲烷的飽和壓力為1.04 MPa，對應(yīng)的飽和溫度為150 K。以60%乙二醇水溶液為載冷劑的LNG冷藏車為例，根據(jù)冷藏車制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，車廂內(nèi)冷藏溫度為-20 ℃，載冷劑溫度在-30 ℃左右，天然氣氣化終了狀態(tài)的溫度T2取233 K。故根據(jù)公式(1)計(jì)算得到不同車廂容積的LNG冷藏車正常行駛情況下的氣化冷量，見表4，表4中所需制冷量是依據(jù)表1而得。

表3 甲烷飽和液體、飽和蒸氣的熱物性參數(shù)

表4 LNG冷藏車空載時(shí)正常行駛情況下的氣化冷量和制冷能力

由于氣耗與載貨質(zhì)量、路況和個(gè)人習(xí)慣有關(guān)，因此在實(shí)際情況下還有提升，氣化冷量和制冷能力也會隨之提高；現(xiàn)在冷藏車廂體大多采用100 mm厚的聚氨酯作為隔熱層，所需制冷量可取下限。因此可以看出，對于不同的冷藏車，根據(jù)表4中的所需制冷量下限與制冷能力對比，發(fā)現(xiàn)LNG氣化和升溫的冷能，基本能滿足冷藏車的需求。

② LNG汽車打冷量和怠速情況下氣化冷量的確定

LNG汽車打冷量(即打冷所需制冷量)計(jì)算公式為：

Φd=Φ1+Φ2+Φ3

(2)

(3)

(4)

(5)

式中Φd——打冷量，W

Φ1——消除車廂內(nèi)空氣蓄熱量需要的打冷量，W

Φ2——消除車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱量需要的打冷量，W

Φ3——打冷過程中廂體內(nèi)外的平均傳熱量，W

cp——車廂內(nèi)空氣的比定壓熱容，J/(kg·K)

ρa(bǔ)——打冷初始時(shí)刻的空氣密度，kg/m3

V1——車廂容積，m3

ΔT——打冷初始時(shí)刻與終了時(shí)刻的空氣溫度差，K

t——打冷時(shí)間，s

cw——車廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)的平均比熱容，J/(kg·K)

ρw——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密度，kg/m3

Vw——圍護(hù)結(jié)構(gòu)的體積，m3

ΔT1——打冷初始時(shí)刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度與打冷終了時(shí)刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)平均溫度之差，K

T3——打冷初始時(shí)刻圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度，K，為303.15 K

T4——打冷終了時(shí)刻車廂內(nèi)的溫度，K，為253.15 K

假設(shè)打冷是將車廂溫度從30 ℃降至-20 ℃，空箱關(guān)門打冷。以冷藏車要求打冷時(shí)間為90 min為例，車廂內(nèi)空氣的比定壓熱容為1.4 kJ/(kg·K)，30 ℃時(shí)空氣密度為1.15 kg/m3，根據(jù)公式(3)求Φ1。根據(jù)文獻(xiàn)[13]可知，cw為2.2 kJ/(kg·K)，ρw為40 kg/m3，計(jì)算可得Φ2。打冷初始時(shí)刻車廂內(nèi)外溫差為0，打冷終了時(shí)刻車廂內(nèi)外溫差為50 ℃，則打冷過程中廂體內(nèi)外的平均傳熱量Φ3取表4中冷藏車在正常行駛過程中所需制冷量下限的50%。計(jì)算結(jié)果見表5。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在怠速情況下，柴油的耗油量一般是2～3 L/h，換算成天然氣是2.6～3.9 m3/h。根據(jù)公式(1)可以求得怠速情況下的氣化冷量和制冷能力，計(jì)算結(jié)果見表6。

表5 LNG冷藏車打冷量計(jì)算

表6 LNG冷藏車怠速情況下氣化冷量及制冷能力

對比表5和表6可知，LNG汽車在怠速情況下的制冷能力不能滿足冷藏車的打冷需求，在未來這是一個(gè)需要解決的問題。

5 結(jié)論

① 從LNG冷能在汽車行業(yè)中的應(yīng)用方式出發(fā)，分析LNG冷藏車的優(yōu)勢。在LNG冷藏車中，LNG既用作燃料，又用作制冷劑，同時(shí)省去了機(jī)械制冷的設(shè)備，消除了噪聲污染，而且運(yùn)行成本低，實(shí)現(xiàn)了LNG冷量的最大化利用。

② 針對不同車廂容積、空載情況下蓄冷式LNG冷藏車，對正常行駛時(shí)LNG冷藏車的制冷能力、怠速時(shí)制冷能力以及冷藏車的打冷量進(jìn)行計(jì)算。正常行駛時(shí)，制冷能力能滿足冷藏車所需制冷量。怠速時(shí)，制冷能力不能滿足所需打冷量，需要進(jìn)一步研究。