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液化天然气(LNG)冷能回收及其利用D王强厉彦忠张朝昌(西安交通大学制冷低温研究所西安710049)摘要LNG存储在110K的低温下蕴藏着大量的冷能O将LNG冷能回收可用于空分~发电~制造干冰~低温冷库以及汽车冷藏~汽车空调等领域O这不仅有效回收~利用了能源而且减少了机械制冷造成的大量电能消耗具有可观的经济效益和社会效益O主题词LNG冷能回收及利用全球性石油资源的紧缺以及不断加剧的环境污染使得污染小~燃烧性能好~储量丰富的天然气的应用越来越广泛O为了便于天然气的储藏运输通常在低温下(110K以下)将天然气液化成液态(LNG)因而在LNG汽化成常温气体供给用户的过程中将释放出大量的冷能O如果能将该冷能进行有效地回收利用如用于空分~发电~制造干冰~低温冷库~汽车冷藏~汽车空调等领域则可以节省大量的电能O LNG工业近几年的迅速发展(世界LNG的生产应用以年均20%的速度增长年运输与贸易额达6000多万吨占到了总贸易额的24%预计2010年LNG年产量将达到2400亿立方米)为LNG冷能的回收利用奠定了良好的基础O1LNG冷能分析LNG冷能主要是利用LNG与周围环境(如空气~海水)的温差以及压力差在趋于平衡态过程中进行回收的O详细地分析LNG蕴藏的冷能对提高LNG冷能回收率以及合理利用LNG冷能具有非常重要的意义O火用分析法不但能从能量的数量上反映能量种类的转换更重要的是能从质上清楚地揭示内部不可逆性造成的能量品质的贬值情况以及造成热力学损失的原因和部位O由卡诺循环可知,在热源T1冷源T2之间进行的一切热力循环冷源从热源吸收热量g后其可能得到的最大循环净功即最大可用能为W max=g(1T2T1)=g T2As其整个变温过程中的能量分析如图1所示O工质在吸热的过程中温度升高由状态1变化到状态2 对每个微小的吸热过程来D教育部高等学校骨干教师基金资助;西安交通大学博士基金资助O王强(1971 )男博士研究生O 本文于2002年5月25日收到O图1变温过程中的可用能说 吸收6g 的热量中的最大可用能为6W max =6g -6gT 0T对整个过程1-2积分 则最大可用能W max 为 W max = 6W max = 21(1-T 0TD 6g 若LNG 从初态(T D 经一系列的可逆过程 最终达到与环境的平衡态(T 0 0D由系统稳定流动能量方程6g =dh 6W max 可得,6W max =6g -dh =T 0d -dh 此时LNG 完成的最大有用功 即系统工质的火用ex 为=(h -h 0D T 0( 0- D =6 (T -T 0D T 0T 0T g T -T 0R 0可以看出 LNG 的冷量火用包括温度火用和压力火用两部分 其中温度火用为ex T =6 (T -T 0D 6 T 0T 0T 6g T =6 (T -T 0D 6 T 0In T 0T 压力火用为ex =-T 0R 0 =T 0RIn 0天然气在液化前要进行纯化处理 分离凝析油~重烃 并去除 2 2 2S 以及有机碳化物等杂质 因而LNG 的主要成分是甲烷 LNG 从110K 的低温汽化成常温气体时 吸收(860~883D kJ /kg 的热量 如果再进行一定的加压处理 依据以上LNG 冷量火用的分析 对于大型的LNG 接受站来说 其蕴含的冷能是相当大的图2LNG 冷能回收联合法发电流程图2LNG 冷能的回收利用2.1LNG 冷能回收在发电中的应用回收LNG 冷能 依靠动力循环进行发电是目前LNG 冷能回收利用的重要内容 且技术相对较为成熟 通常以电能的形式回收LNG 冷量火用的方式有三种,一是利用温度火用的中间介质朗肯循环方式(每吨LNG 的发电量在20kwh 左右D ;二是利用压力火用的直接膨胀法;三是综合了二者的联合法(每吨LNG 的发电量在45kwh 左右D 日本是利用LNG 冷能发电最多的国家之一 其装机容量一般在(400~9400D kw 之间 目前较为常见的联合法LNG 冷能回收发电流程图如图2所示图中左半部分是靠LNG 与海水或空气的温差驱动的二次冷媒动力循环;右半部分是利用LNG 压力火用直接膨胀的动力系统 系统中二次冷媒的选取较为重要 其物性要达到一定的要求,必须在LNG 范围内不凝固 且具有良好的流动和换热性能 临界温度要高于环境温度9比热大9使用安全0通常选丙烷乙烯等烃类化合物或者02等氟里昂类工质以及轻烃与氟里昂的混合物0为了提高LNG冷能的回收效率9二次冷媒动力循环系统中通常采用回热或再热循环9这种回收方式的冷能回收率通常保持在0%左右02.2LNG冷能回收在空分中的应用通常的低温环境都是由电力驱动的机械制冷产生的9由制冷原理可知9随着温度的降低其消耗的电能将急剧增加0在一定的低温蒸发范围内9蒸发温度降低1K9能耗要增加10%0利用回收的LNG冷能和两级压缩式制冷机冷却空气制取液氮液氧9制冷机很容易实现小型化9电能消耗也可减少0%原来生产1m3的液氧电耗为1.2kwh9采用LNG冷量回收的方法可使电耗减小0.kwh9水耗减少30%9这样就会大大降低液氮液氧的生产成本9具有可观的经济效益0低成本制造的液氮可以使LNG应用的温度领域扩展到更低的温度带 19 9如用于真空冷阱生产半导体器件食品速冻低温破碎回收物料以及金属热处理等0利用制取的液氧还可以得到高纯度的臭氧9在污水处理方面用途很大0此外9LNG作为空气分离装置的预冷剂9在生产液氩的空分装置中9利用其冷能冷却和液化由下塔抽出经过复热的循环氮9可以省去氟里昂制冷机以及氮透平膨胀机组9使产品能耗平均降低0.wh/Nm39装置的投资费用也可减少10%左右9生产成本降低20%~30%02.3LNG冷能回收在冷冻冷藏中的应用LNG基地一般都设在港口附近9一则方便船运9二则通常的汽化都是靠与海水的热交换实现的0而大型的冷库基本设在港口附近9这样方便远洋捕获的的鱼类的冷冻加工0回收LNG的冷能供给冷库是一种非常好的冷能利用方式0将LNG与冷媒如 12 在低温换热器中进行热交换9冷却后的冷媒经管道进入冷冻冷藏库9通过冷却盘管释放冷量实现对物品的冷冻冷藏0这种冷库不仅不用制冷机9节约了大量的初投资和运行费用9还可以节约1/3以上的电力0日本神奈川县根岸基地的金枪鱼超低温冷库9自197 年开始营业至今效果良好0为有效地利用天然气冷能9可将食品冻结及加工装置冷冻库冷藏库及预冷装置等按不同的温度带连成一串9使冷媒管路系统化0通常9管路行程用串联的方式0这种方式是按液化天然气的不同温度带9用不同的冷媒进行热交换后分别送入低温冻结库或低温冻结装置0冷冻库 3 冷藏库0以下以及果蔬预冷库0 ~109其流程图如图3所示0这样可以使LNG的冷量几乎无浪费的得以利用9其冷能的利用效率将大大提高9整个成本较之机械制冷会下降37.%0图3LNG冷能回收进行冷冻冷藏流程图2.4LNG冷能回收用于制造干冰以化工厂的副产品二氧化碳为原料9利用回收LNG的冷能制造液态二氧化碳或者干冰9可节约0%以上的电能0液态二氧化碳在焊接铸造以及饮料行业的应用非常广泛9干冰的应用领域更多0利用LNG冷能制造液态二氧化碳或干冰9不但电耗小0.2kwh/m39而且生产的产品的纯度高可达99.99%02-5I 冷能回收在汽车空调和汽车冷藏车中的应用随着液化天然气(I D 汽车的不断发展9I 用作汽车清洁燃料的同时9可以将其冷量回收用于汽车空调或汽车冷藏车O 这样就无需给汽车单独配备机械式制冷机组9既节省了投资9又消除了机械制冷带来的噪声污染9具有节能和环保的双重意义9是一种真正意义上的6绿色 汽车9尤其适用于设在城市中心地带的商业步行街或其他有噪声污染限制的地区O 图4为I 冷能回收在汽车冷藏车中的应用示意图O图4LNG 冷能回收用于汽车冷藏车示意图1-气体发动机;2-加热器;3-控制阀;4-I 储液罐;5-冷冻货物;6-热交换器O在炎热的夏季9货物在冷库经充分的预冷后装上冷藏车9开始不需要消耗过多的冷量9此时I 液化后产生的冷量储存在蓄冷板中O 随着运输时间的增加~开门次数的增多引起的负荷增大9I 汽化后产生的冷量就直接进入车厢9与蓄冷系统同时供冷9以维持车厢中的温度O 按冷藏车每小时消耗(12~15D kg I 9其制冷能力为2-8kW 9足以提供将预冷后的货物进行中短途的冷藏运输O 世界上首台I 冷藏车首先由德国的梅赛尔公司制造完成9并于1997年底在德国REWE 零售连锁店投入使用O 这种冷藏车经过98年一个夏天的运输检验9以其稳定的运行工况~良好的冷藏效果以及轻污染的环保优势9得到了科隆地区政府的认可O3结论对I 蕴藏的大量的冷能进行了系统地分析9并指出有效地将该冷能进行回收9合理地应用于空分~发电~制造干冰~低温冷库~汽车冷藏~汽车空调等生产~生活的各个领域9可以节约大量的电力资源O参考文献1Ihlenburg 9F .Kesten 9M .I rken 9F .Fl ssiges Erdgas -der zeitgem BeBe Kraftstoff . as aktuell 92000955:36~422Kleffmann .J .Cryogen -Trans :das leistungsfhige K hlsystem f r Iebensmitteltransporte 9 as aktuell 92000951:8~123Shiozawa ~9~iro -oka T 9et al .Power generation using cold potential of I in multicomponent fluid Rankine cycle .adv inCryog Eng 91981927:971~9784邱信立9廉乐明-工程热力学(第二版D -北京:中国建筑工业出版社919915游立新9陈玲华-液化天然气冷量利用发电方案探讨-能源研究与利用919959(3D :12~156游立新9顾安忠-液化天然气冷量火用特性及其应用9低温工程919969(3D :6~117程文龙9伊藤猛宏等-一种回收液化天然气冷能的低温动力循环系统-中国科学技术大学学报91999929(6D :671~270(下转第42页DA NEW AIR CONDITIONING SYSTEM OF A CARSINGLE-EFFECT LITHIUMBROMIDEABSORPTION HOT-COLD WATER UNITXiao Youming1)Sun~eng1)Zhu~ongmei1)Xu lie1)Liu Zhenguan2)(1)Institute of Refrigeration and Cryogenic Engineering Shanghai]iaotong Universtiy200030)(2)College of Petrochemical Technology Gansu Univ.of Techn Lanzhou730050)ABSTRACT In order to reduce the consumption of oil and improve the motivity of the car, the method of the thermodynamics and the heat transfer is used,and the analysis and the comfoarison of the present car air conditioning system With that of single-effect lithiumbromide absorption hot-cold unit Were made.It is shoWn that it is possible to use single-effect lithiumbromide absorption hot-cold Water unit driven by high temperature cooling fluid of the car engine to replace the present car air conditioning system.A Work principle of single-effect lithiumbromide absorption hot-cold Water unit applied in the car air conditioning system is introduced.KEYWORDS single-effect lithiumbromide absorption hot-cold Water unit,car air conditioning;exhausted heat utilization,car engine(上接第31页)RECO ERY AND UTILIZATION OF LNG(LIOUEFIED NATURAL GAS)COLD ENERGYWang Giang Li Yanzhong Zhang Chaochang(Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering,Xi/an]iaotong University,Xi/an710049)ABSTRACT LNG(Liguefied Natural Gas)has plenty of cold energy When stored at loW temperature(110K).The energy Will be used efficiently if the cold energy is recovered and utilized in such areas as air separating,poWer generating,making of solid CO2,loW temperature cold storage,auto air conditioning and cold storage auto.It has both great economy and social benefit to greatly decrease the electric poWer consuming.KEYWORDS LNG;cold energy recovery;utilization液化天然气(LNG)冷能回收及其利用作者：王强， 厉彦忠， 张朝昌作者单位：西安交通大学制冷低温研究所,西安,710049刊名：低温工程英文刊名：CRYOGENICS年，卷(期)：2002(4)被引用次数：22次1.Ihlenburg F;Kesten, M;Lürken,F Flüssiges Erdgas-der zeitgemβeβe Kraftstoff 20002.Kleffmann J Cryogen-Trans: das leistungsfhige Kühlsystem für Lebensmitteltransporte 20003.Shiozawa H;Hiro-oka T Power generation using cold potential of LNG in multicomponent fluid Rankine cycle 19814.邱信立;廉乐明工程热力学 19915.游立新;陈玲华液化天然气冷量利用发电方案探讨 1995(03)6.游立新;顾安忠液化天然气冷量火用特性及其应用 1996(03)7.程文龙;伊藤猛宏一种回收液化天然气冷能的低温动力循环系统 1999(06)1.王坤.顾安忠.鲁雪生.石玉美LNG冷能利用技术及经济分析[期刊论文]-天然气工业2004,24(7)2.高文学.王启.项友谦.GAO Wen-xue.WANG Qi.XIANG You-qian LNG冷能利用技术的研究现状与展望[期刊论文]-煤气与热力2007,27(9)3.王强.历彦忠.陈曦.吕希钢液化天然气冷能分析及其回收利用[期刊论文]-流体机械2003,31(1)4.邵铁民.SHAO Tiemin LNG冷能及其利用[期刊论文]-油气储运2007,26(11)5.李静.李志红.华贲.Li Jing.Li Zhihong.Hua Ben LNG冷能利用现状及发展前景[期刊论文]-天然气工业2005,25(5)6.焦巍.夏力.李忠杰.项曙光.Jiao Wei.Xia Li.Li Zhongjie.Xiang Shuguang LNG冷能利用方案的本质安全性评价[期刊论文]-计算机与应用化学2010,27(1)7.王强.厉彦忠.陈曦液化天然气冷量(火用)的特性及在汽车制冷中的回收利用[期刊论文]-西安交通大学学报2003,37(3)8.谭宏博.厉彦忠.TAN Hong-bo.LI Yan-zhong液化天然气冷能构成及其利用方式探讨[期刊论文]-化学工程2006,34(12)9.华贲.熊永强.HUA Ben.XIONG Yong-qiang中国LNG冷能利用的进展和展望[期刊论文]-天然气工业2009(5)10.江楚标.JIANG Chu-biao对LNG冷能利用中几个问题的讨论[期刊论文]-天然气工业2008,28(9)1.夏永强.高为.张磊基于液化天然气接收站的冷能发电简析[期刊论文]-化学工业 2013(11)2.吴集迎.马益民利用LNG梯级冷能的冷库系统构建与载冷剂选择[期刊论文]-集美大学学报：自然科学版 2012(2)3.陶建生冷库利用LNG冷能的工艺设计[期刊论文]-广东化工 2011(6)4.李杰.任建国LNG冷能发电技术的初步研究[期刊论文]-科技信息 2010(9)5.王晓芸LNG应用概况[期刊论文]-科技信息 2009(11)6.任先正.顾安忠.袁峻峰积极发展LNG冷能回收产业[期刊论文]-上海节能 2007(5)7.杜琳琳.罗东晓.徐文东南方地区冷库利用液化天然气冷能的技术研究[期刊论文]-天然气工业2007(6)8.王坤.鲁雪生.顾安忠液化天然气冷能利用发电技术浅析[期刊论文]-低温工程 2005(1)9.王坤.顾安忠.鲁雪生.石玉美LNG冷能利用技术及经济分析[期刊论文]-天然气工业 2004(7)10.臧志刚液化天然气冷量在空气分离装置的应用[期刊论文]-中国新技术新产品 2009(8)11.燕娜.厉彦忠采用液化天然气冷量的空分系统新流程[期刊论文]-化学工程 2007(9)12.王强.韩建玲.刘晓东LNG冷能回收利用在我国的发展前景[期刊论文]-山东建筑大学学报 2008(4)13.黄美斌.林文胜.顾安忠利用LNG冷能的低温冷库流程比较[期刊论文]-制冷学报 2009(4)14.葛轶群.章学来.赵兰.刘剑宁LNG冷能的梯级利用[期刊论文]-制冷技术 2006(3)15.刘刚.张国忠液化天然气(LNG)发电及其冷能利用[期刊论文]-热力发电 2006(2)16.乔国发.李玉星.张孔明.李多金我国液化天然气工业的现状及发展前景[期刊论文]-油气储运2005(3)17.周丽君.丁聚庆利用液化天然气(LNG)冷源进行发电的理论分析[期刊论文]-节能技术 2013(2)18.张哲.孙冰冰.毛力.田津津.陈阳LNG冷藏车冷量回收的各种方法比较分析[期刊论文]-低温与超导2011(11)19.杜琳琳LNG冷能集成用于橡胶深冷粉碎和冷库技术研究[学位论文]硕士 200620.王晓东.王承阳.杨东红.王泽鑫.高佳兵.赵悦空分设备在天然气输送工艺中余压和冷量的回收利用[期刊论文]-节能 2011(9)21.曾宪平.林璟液化天然气冷能利用[期刊论文]-广东化工 2008(4)22.杜琳琳.李志红.郭慧LNG的利用技术及发展前景[期刊论文]-广东化工 2005(7)引用本文格式：王强.厉彦忠.张朝昌液化天然气(LNG)冷能回收及其利用[期刊论文]-低温工程2002(4)。
第29卷第6期中 国 科 学 技 术 大 学 学 报V ol.29,N o.6 1999年12月JOURNAL OF CHINA UNIVERSIT Y OF SCIENCE AN D TECHN OLOG Y Dec.1999一种回收液化天然气冷能的低温动力循环系统Ξ程文龙 伊藤猛宏+ 陈则韶(中国科学技术大学热科学和能源工程系 +日本九州大学工学部机械科学与工程系)摘要 提出一种高效回收液化天然气冷能的低温动力循环系统.用热力学第二定律对这种循环进行了详细分析,给出了其参数的优化设计方案.计算结果显示这种方法可以回收液化天然气50%左右的冷能.关键词 热力学,液化天然气,低温动力循环中图法分类号 TK1231 前言人类对能源的需求越来越大,由此而带来的环境污染及温室效应也越来越严重地困扰着我们赖以生存的地球.因此,寻找清洁及高效率的替代能源并加以高效率的应用成为当务之急.天然气由于其清洁及良好的燃烧性能,正在世界范围内,尤其是发达国家,得到越来越广泛的应用.为了便于大量储存和输运,天然气通常被液化,变成低温的液化天然气.在供给用户时,又转化为常温高压的气态天然气.这个过程中,大量的冷能释放出来.为了回收这部分冷能,近年来,人们提出利用液化天然气与环境之间的温差,构造低温动力循环系统,对外提供电力的方法,这种方法要解决的核心问题是:如何使用最少的设备最大限度地回收液化天然气的冷能.目前回收液化天然气冷能的低温动力循环系统大致可分为四种基本类型:直接膨胀法、二次媒体法、联合法和混合媒体法.直接膨胀法是首先将液化天然气压缩为高压液体,然后通过换热器被海水加热到常温状态,再通过透平膨胀对外做功.这种循环的优点是循环过程简单,所需设备少.但是,由于液化天然气的低温冷量没有加以利用,故其对外做功亦较少.二次媒体法是将低温的液化天然气作为冷凝液,通过冷凝器,把冷量转化到某一冷媒上,利用液化天然气与环境之间的温差,推动冷媒进行蒸气动力循环,从而对外做功.这种方 收稿日期:1998210229 程文龙:男,1969年9月生,在职博士研究生.邮编:230026,合肥法对液化天然气冷能的利用效率要优于直接膨胀法.但是,由于高于冷凝温度的这部分天然气冷能没有加以利用,冷能回收效率也必然受到限制.联合法综合了直接膨胀法与二次媒体法.低温的液化天然气首先被压缩提高压力,然后通过冷凝器带动二次媒体的蒸气动力循环对外作功,最后天然气再通过气体透平膨胀做功.联合法可以较好地利用液体天然气的冷能.因为液化天然气的温度在整个过程中是变化的,和单一媒体比较,使用混和媒体可以覆盖低温天然气更大温度范围的冷量.但是,由于混合媒体本身的不稳定性,这种方法在实际应用中会出现很多困难.2 改进的联合法比较上述四种方法,联合法具有较高的效率和较好的稳定性.在联合法的基础上,本文提出一种改进的联合法(M odified Union Cycle Method ,缩写为MUC D ),可以更为有效地利用液化天然气的冷能.其系统简图如图1所示.图1 改进的联合法系统概图Fig.1 The Sketch of the M UC D在这种改进的联合循环中,液化天然气从储液罐抽出,经过液泵,压力提高;高压的液化天然气分别先后经过二次冷媒循环的冷凝器和回热器,液化天然气的部分冷能被二次冷媒所吸收,从而汽化变成气体天然气;天然气继续经过一个换热器被海水加热至常温,经透平膨胀对外作功,温度降低,这时压力虽然也被降低,但仍然高于供给用户时的压力;再用海水对其进行再热,提高其温度至常温,再次通过透平膨胀对外作功,压力降低到供给用户所需要的压力,这时天然气的温度较低,须再次被海水加热,最后供给用户.二次冷媒的蒸汽动力循环是依靠海水和液化天然气之间的温差来驱动的:海水是高温热源,液化天然气(包括低温天然气)作为低温热源.气体状态的二次冷媒经透平膨胀作功,温度和压力都降低;这种低温低压气态的二次冷媒通过吸收液化天然气的冷能来实现液化;然后压缩,通过换热器与海水进行热量交换,变成常温下的高压气体,进入透平.为了更好地吸收冷能,在二次冷媒循环中应用了抽气回热技术.由以上分析,可以看出这种改进的联合循环,在二次媒体的蒸气循环中加入了抽气回热,在天然气的膨胀过程中增加了再热.抽气回热不仅减少了冷媒循环的可用能损失,也增加了二次媒体与天然气之间换热的可逆性;再热也可以有效地提高气体膨胀做功的效率.因此改进的联合法可以更加有效地回收液化天然气的冷能.276 中国科学技术大学学报 第29卷3 二次冷媒的选取与各参数的优化好的冷媒,不仅要有良好的稳定性,而且需要具备良好的动力学性质.这里选用的冷媒必须具备:临界温度必须高于环境温度,而三相点温度必须低于冷凝器温度;冷媒在蒸发器的蒸发潜热与在冷凝器的液化潜热的差值要尽可能小,这就意味着冷媒只须在蒸发器的出口达到很小的的过热度,就能使冷媒在透平出口的干度达到工程标准.综上所述,在液化天然气初始温度(-140℃)与环境温度(25℃)之间,R502是一种合适的冷媒.液化天然气最大可回收的冷量如下,W max =(h -T 0s )tank -(h -T 0s )consumer(1)此处,T 0为环境温度,下标‘tank ’和‘consumer ’分别表示天然气的初始(储存罐)和最终(输送给用户)状态.本动力循环的效率定义为ε=W T otal W max(2)式中,W T otal 表示动力循环的总净输出功,包括二次冷媒蒸气动力循环的输出功和天然气直接膨胀的输出功.当然,各种泵耗费的功应从总功中扣除.在本动力循环中,液化天然气被压缩到某一压力后(这个压力下面将讨论),合理地选取二次冷媒蒸汽动力循环的冷凝温度是提高液化天然气冷能利用效率的关键.根据热力学第二定律,温差越小,热交换器的可逆性越好.但是,作为冷源的天然气从总体上看,是一个变温度过程,而冷媒在冷凝器中的凝结过程基本上是一个恒温过程.毫无疑问,如果冷源是恒温的,则冷源冷量可以最大的利用.经研究发现液化天然气储存的冷能在其气化(液气相变)过程中得到大量的释放,这个过程可以看作是一个恒温过程.由此,二次冷媒的凝结温度可以确定为液化天然气的气化温度和换热器最小换热温差之和.采用不同的冷源温度对系统的效率进行计算,计算结果也显示以上分析的正确性.液化天然气从储气罐中抽出时,要提高压力.当点P10的压力增加时,天然气直接膨胀图2 改进的联合法的温—熵图Fig.2 The Diagram of T em perature —Entropyof the M UC D输出功增大,压力提高必然导致液化天然气沸腾温度提高,从而使二次冷媒蒸汽动力循环的冷凝温度提高,造成由二次冷媒输出的功减少;反之,当点P10的压力减小时,天然气直接膨胀输出功减小,而二次冷媒输出的功增大.通过选取不同的P10点的压力进行计算,结果显示在一定的范围内P10点的压力对总输出功几乎没有影响.至于二次冷媒的抽气回热点P5和天然气的再热点P14状态参数,主要由计算来确定它们在循环中的最佳值.其温熵图如图2所示.376第6期 一种回收液化天然气冷能的低温动力循环系统 476 中国科学技术大学学报 第29卷4 计算结果为了方便计算,可作如下假定:1)天然气的主要成分为甲烷(CH4),体积比率为90.0～99.8%,因此可假设天然气由纯甲烷组成;2)液化天然气的初始状态:P9=0.4MPa,T9=-141.75℃,为饱和液体;最终状态: P17=1MPa,T17=20℃;3)管道中的阻力忽略不计;4)二次冷媒在冷凝器出口为饱和液体,在透平出口湿蒸气的最小干度为0.95;5)透平和压缩机(包括泵)的等熵效率为0.8;6)环境温度为20℃;7)热交换器中换热流体之间的最小温差为4℃;8)除液化天然气进入第一个热交换器前(图1的点P9和点P10之间),泵因提高其压力所做的功外,其他泵所消费的功很小,可以忽略不计.图2中各点的热物性参数如表1所列(以下热物性参数由日本九州大学提供的PROPATH9.1热物性数据库获得).表1 各点参数表T ab.1 The Thermal Dynamic Properties of Every P oint序号P/MPa T/℃h/k J・kg-1s/k J・kg-1・K-1V/m3・kg-1X10.90016.00354.00 1.533820.009-87.20297.65 1.60950.962730.009-87.20119.000.6488 6.20630.000040.110119.080.648950.110-43.50325.56 1.5712 1.000070.110-43.50155.640.8248 6.76750.000080.900156.300.825490.400-141.75-840.11-6.100410 3.500-140.00-830.26-6.085411 3.500-91.20-384.83-3.462812 3.500-47.50-218.62-2.630413 3.50016.00-56.60-1.996114 1.900-18.70-120.06-1.932915 1.90016.00-39.42-1.635916 1.000-18.75-108.14-1.567317 1.00020.00-20.97-1.2485计算结果如下:1)单位质量液化天然气的最大可用冷能W max=(h-T0s)9-(h-T0s)17=603.2kJ/kg 2)压缩单位质量液化天然气泵所消费的功W pump =h 10-h 9=9.85kJ/kg 3)单位质量天然气直接膨胀对外所作的功W CH 4=(h 13-h 14)+(h 15-h 16)=132.18kJ/kg 4)回收每单位质量天然气的冷量所需要的二次冷媒(R502)的质量对于单位质量液化天然气,本系统所需的二次冷媒的总量m 由两部分组成,一部分为完成全部膨胀做功的所需的冷媒质量m 1;另一部分为二次冷媒动力循环中,抽气回热部分的所需的冷媒质量m 2.它们可由下式计算得到:m 1=(h 11-h 10)(h 2-h 3)=2.49m 2=(h 12-h 11)+m 1(h 7-h 4)(h 5-h 7)=1.51m =m 1+m 2=4.00 5)对于单位质量液化天然气,二次冷媒对外所做的功对于单位质量液化天然气,二次冷媒所做的功W R 也同样由两部分组成,一部分为完成全部膨胀做功的冷媒对外做功W R 1;另一部分为对应于单位质量液化天然气,抽气回热部分的冷媒对外做功W R 2.W R 1=m 1[(h 1-h 2)-(h 4-h 3)-(h 8-h 7)]=135.99kJ/kg W R 2=m 2[(h 1-h 5)-(h 8-h 7)]=41.95kJ/kg W R =W R 1+W R 2=177.94kJ/kg 6)回收单位质量液化天然气的冷量,系统向外输出总功为W T otal =W CH 4+W R -W Pump =300.3kJ/kg 7)总效率为ε=W T otalW max=49.8% 现在把相同状态下液化天然气的冷能用不同方法加以回收的效率进行比较,并把比较结果列入表2.表2 改进的联合法和其它方法的比较T ab.2 The C om paris on Between the M UC D and Other Methods计算结果直接膨胀法二次冷媒法联合法改进的联合法W T otal /kJ.kg -1100.8162.0169.2300.3ε/%16.726.928.149.8 由上表可以看出,采用改进的联合法,液化天然气冷能的回收效率可以达到50%左右,大大高于直接膨胀法,二次冷媒法和联合法.576第6期 一种回收液化天然气冷能的低温动力循环系统 5 结论液化天然气冷能的回收对于天然气这种清洁、高效的能源更加经济的利用具有十分重要的意义.本文在对其它几种方法进行具体分析的基础上,提出了一种更有效的回收液化天然气冷能的低温动力循环系统(改进的联合法),并对其进行了详细的热力学分析,对其各参数的确定进行了优化处理.计算结果显示,这种方法对液化天然气冷能的回收效率可达到50%左右,大大高于其它方法.参 考 文 献[1] Nakaiwa M,Akoya T,Owa M,T anaka Y.Evalu2ation of An Energy Supply System with Air Separa2tion.Energy C onversion&Management.,1996,37(3):295—301[2] Myers G len E.Engineering Therm odynamics.NewJersey:Prentice2Hall,Inc.,A Division of S im on&Englew ood G liffs.,1989[3] 伊藤猛宏,山下宏幸.工业热力学(1).东京:社,1993[4] 曾丹苓,熬越,朱克雄等.工程热力学.北京:高等教育出版社,1988A Cryogenic Pow er G eneration Cyclefor R ecovering Cold E nergy of L NGCHE NG Wenlong IT O T akehiro+ CHE N Z eshao(Department o f Thermal Science and Energy Engineering,USTC)(+Department o f Mechanical Science and Engineering,K yushu Univer sity,Japan)Abstract A highly efficient cry ogenic power generation cycle for recovering Liquefied Natural G as (LNG)cold energy is proposed.Based on the second therm odynamics law,the cycle is analyzed,and the optimum design obtained.The calculation results show that this crogenic power generation cycle can recover about50%of the cold energy of LNG.K ey w ords thermal dynamics,LNG,cry ogenic power generation cycle676 中国科学技术大学学报 第29卷。
液化天然气（LNG）冷量利用的集成与优化研究的开题报告一、研究背景和意义随着全球化进程的加速和经济的快速发展，能源需求不断增长，而传统的化石能源已经越来越难以满足人们的需求。
天然气作为一种环保、高效的清洁能源，受到了越来越多的关注。
液化天然气（LNG）是天然气的一种形式，其具有高能量密度、易于存储、便于运输等优点，越来越多地用于发电、城市燃气、工业生产等领域。
LNG的冷量为LNG工业中的一个重要指标，决定了LNG工业的能效和环保性。
目前，LNG生产和使用中的冷量往往只有一部分得到利用，大量的冷量被浪费和排放。
因此，如何更好地利用LNG的冷量，是LNG工业发展中亟待解决的问题之一。
本研究旨在对LNG的冷量利用进行集成和优化研究，提高LNG工业的能效和环保性，为实现清洁能源转型和经济可持续发展作出贡献。
二、研究内容和研究方法1. 研究内容（1）LNG冷量利用现状分析通过对国内外LNG工业的冷量利用现状进行调研、分析和总结，了解LNG冷量利用存在的问题和挑战，为后续研究提供重要信息和数据支持。
（2）LNG冷量利用方案设计根据已有的经验和数据，设计可行的LNG冷量利用方案，包括冷量的回收、储存、输送和利用等环节，并对各环节进行模拟和优化。
（3）LNG冷量利用系统集成与优化对LNG冷量利用系统进行集成和优化，以提高系统的能效和经济效益。
其中，考虑的因素包括LNG冷量的分配、储存、输送方式、利用设备的选择和流程、能源的耗费等。
（4）LNG冷量利用方案的实验验证实验验证设计的LNG冷量利用方案的可行性和有效性，包括对系统的稳定性、可靠性、经济性和环保性等方面的评估。
2. 研究方法（1）文献调研和案例研究通过调研文献和案例，了解国内外LNG工业的冷量利用现状和存在的问题和挑战，为设计冷量利用方案提供参考。
（2）数学建模和系统仿真通过建立数学模型和系统仿真，对LNG冷量利用方案进行设计、优化和评估。
（3）实验验证通过实验室实验和小型试验，对LNG冷量利用方案进行验证，评估方案的可行性和有效性。
83液化天然气作为重要的清洁型能源，加强对其研究和应用有着非常重要的意义。
我国对液化天然气的研究还处于初期发展阶段，尤其是在冷能回收上，应用范围受到阻碍。
为此，应加大对冷能回收方式的研究力度，提高液化天然气应用效率，以缓解我国能源损耗，保护自然环境。
一、液化天然气冷能回收方式冷能指的是工质温度低于环境温度时，从外部吸收的部分热量。
液化天然气冷能回收是将吸收的热量转化应用到其他物体上，实现物体降温的有效方式。
不过仅限于温差变化较大的情况下，如果是接近室温的环境，液化天然气冷能回收会带来较大的能源损耗。
目前，液化天然气冷能多应用在冷冻、冷藏、干冰制造及汽车空调等系统中。
其中冷冻、冷藏中的液化天然气冷能可剔除系统中的专门制冷系统，在完善制冷效果的同时，降低系统运行成本，节约电能。
而利用液化天然气冷能制造的一氧化碳和干冰，则可大大降低冷能损耗，达到能源节约的目标。
二、液化天然气冷能回收利用方法1.发电。
液化天然气冷能回收在发电中的应用方式有三种：一是二次媒体法。
该方法的实施依靠朗肯循环原理实现的。
液化天然气冷能在回收中会经过膨胀、蒸发、冷凝等环节。
冷凝环节，受蒸汽低压作用影响，液化天然气冷能会直接转化成液体形态，转化成冷凝循环。
该方法产生的电能可达到每小时20千瓦左右。
不过实际应用中容易受到冷凝温度的影响，发电稳定性较差。
二是直接膨胀法。
利用高压作业促使液化天然气冷能膨胀，膨胀后的冷能直接应用在循环发电中。
优势为操作性强，设备简便，回收利用率高。
缺点为冷能利用率低、无法实现大量对外作业。
三是联合法。
联合法是上两种方式的融合体，综合两者优势，增加液化天然气压缩压力，改进对外做功效率，获得更多可供使用的液化天然气冷能。
2.空气分离。
液化天然气冷能在一定低温环境作用下，可直接分离出氮气。
以往的低温环境是由于电气驱动机械制冷形成的。
但温度越低、机械转速越快，产生的能耗也就越高，这不利于能源节约。
而利用两级压缩制冷，可从液化天然气冷能中分离出氮气，在优化制冷设备的同时，降低电能损耗。
液化天然气（LNG）冷量利用技术天然气作为三大能源之一，近年来越来越多地得到国内外的青睐。
而天然气液化之后，其体积骤缩约1/625，对储存和运输都有巨大的优势。
而用户在使用天然气时，LNG 又需要气化后使用。
液化天然气（LNG）的常压贮存温度为111K（-162℃），其气化并复温到常温300K（27℃左右）的过程将释放大量的冷能，约为883 kJ/kg。
这部分冷能的回收利用对提高LNG 使用效率、节省能源消耗具有重大意义。
项目介绍目前，液化天然气的冷能利用可应用于多种场合和领域，如在温差发电、空气分离、冷冻冷藏和制取干冰等领域。
除了低温利用之外，按照冷能梯级利用的原则，LNG 从气化点到常温，其冷量按照梯级回收利用分别可以应用于低温速冻库（-60℃）、低温冷冻库（-35℃）、高温冷冻库（-18℃）以及果蔬预冷库和中央空调系统（0℃～10℃）温区。
西安交通大学制冷低温研究所LNG 冷能利用研究团队在该领域的研究处于国内领先位置，具有良好的研究基础和成果。
目前，团队主要在以下方面拥有重要的理论支撑和关键的应用技术。
1）用于液化天然气汽车（LNGV）冷藏冷冻车（冷链）或车厢空调技术。
使用天然气作为燃料的汽车分为CNG（压缩天然气）汽车和LNG（液化天然气）汽车，后者因其单位体积容量大，能够为汽车提供更长距离的动力、安全可靠而逐渐被汽车市场所接受。
2）LNG 冷能用于空气分离装置流程。
可以为空气分离过程提供低温冷源，为系统输入大量高品质低温冷能，从而降低空分流程的能耗，达到节能增效的目的。
已取得的研究成果：本课题所研究的LNG 冷能回收利用技术，已申请发明专利多项，在冷冻冷藏车进行了模拟实验，冷量完全可以达到要求，同时对冷藏车蓄冷技术、箱内温度场等方面进行了一系列的研究，实现了LNG 冷能的高效回收利用。
项目进一步发展计划：本课题组将在LNG 冷能回收方面进一步开展试验研究、理论基础研究以及更为重要的应用研究。
LNG汽车零能耗车载冰箱的理论与实验研究陈姝伊;陈刚;葛鑫燃;崔巍【摘要】出于保护环境的目的,传统的燃油汽车将会被新能源汽车所代替,液化天然气(LNG)是目前应用广泛的新能源之一;另一方面,车载冰箱的使用日益普遍,传统车载冰箱需要汽车发动机提供额外电能来支持其正常工作,间接增加汽车燃料消耗。
论文依据LNG汽车正常的行驶状况,研究将LNG气化释放的冷能回收利用于车载冰箱供冷系统的基础理论和实验,为研制零能耗LNG车载冰箱提供理论指导。
【期刊名称】《低碳经济》【年(卷),期】2018(007)002【总页数】7页(P59-65)【关键词】LNG;汽车;冷能;车载冰箱【作者】陈姝伊;陈刚;葛鑫燃;崔巍【作者单位】[1]南华大学土木工程学院,湖南衡阳;[1]南华大学土木工程学院,湖南衡阳;[1]南华大学土木工程学院,湖南衡阳;[1]南华大学土木工程学院,湖南衡阳;【正文语种】中文【中图分类】F41. 引言数据统计，雾霾的形成及城市大气污染60%来自机动车辆尾气排放。
全球热议采用新能源汽车逐步替代传统燃油汽车，新能源汽车起步阶段所采用的驱动能源主要是电力和天然气[1]。
液化天然气(LNG)以液态、低温(−162℃)方式存储[2] [3]，作为汽车燃料具有排放污染小、燃烧热值高、能量存储密度大[4]、汽车负载轻、连续行驶里程长、安全性能高等特点，已经成为一种极具发展潜力的“绿色”汽车替代燃料[5]。
LNG需释放冷量升温到5℃左右的气态才能供发动机使用，在气化过程中会释放出大量的冷能(其供冷量约为840～883 kJ/kg) [6]，目前该部分冷能大多被无序排放，若能将该冷能回收用于车载冰箱，实现零能耗供冷，既节约能源,又有利于环保,具有显著的经济效益和社会价值[7]。
本文通过研究LNG汽车燃料系统，提炼出回收利用LNG气化冷能的基本原理，将LNG气化释放的冷能回收用于车载冰箱的供冷系统，实现免费供冷。
并通过实验手段对理论进行验证，为研制LNG零能耗车载冰箱提供理论指导。
液化天然气（LNG）冷能回收及应用研究作者：康亚娜来源：《中国化工贸易·下旬刊》2018年第04期摘要：液化天然气的冷能回收在实际的操作和使用当中有着重要的意义，深入的对其应用进行研究，可以大大提升工作的质量和效率。
文章将针对这一方面的内容展开论述，详细的分析了液化天然气的冷能回收以及具体的应用，针对其中的重点和要点进行了细致的探析，力求进一步的明确液化天然气的研究发展方向，并且为相关工作的进展做出积极的贡献。
关键词：液化天然气；冷能回收；研究应用；分析1 液化天然气及冷能概述深入的对液化天然气的主要状况以及冷能的实际情况进行分析和概述，有助于进一步的对其性质特点等进行了解和掌握，下文将进行详细的论述分析。
2 液化天然气工业链概述在液化天然气的工业链当中，包括了预处理、液化、运输、存储、接收站以及再汽化的装置等等，而液化装置的基本流程，包括有基本的负荷型、调峰类型等两种。
液化天然气的液化流程，也有许多不同的形式，主要是以制冷的方式来进行详细的划分，分为三种方式，即混合制冷剂的液化流程、级联式的液化流程以及带膨胀剂的液化流程等。
在天然气的液化装置当中，主要包括有天然气的预处理装置、存储系统装置、控制系统装置、液化流程装置以及消防系统等，在实际的操作和应用当中所有的装置系统都是一个统一式的整体，缺少了其中的一个实际的工作流程就难以展开。
3 液化天然气的冷能性质及相关的特点液化天然气是一种常温之下的经过脱水以及脱酸等处理天然气，通过相关的冷冻工艺液化而制成低温的液体，其实际的密度，增加了约600倍，这种形态将更加有利于进行长距离的运输。
进口的液化天然气运输到接收站之后还需要进行相应的加热才能够正常的使用，而在此过程之中，冷能可以得到回收及利用。
液化天然气的冷能回收，可以使用来进行相关的冷能发电、空气分离、干冰制造以及低温的粉碎等功能，这样不仅有效的解决和改进了回收以及能源利用等问题，还大大减小了机械设备的制造负担以及电能的损耗，具有较好的经济效益、社会效益以及环境效益。
第44卷 第3期2010年3月西 安 交 通 大 学 学 报JOU RNA L OF XI AN JIAOT ONG UN IVERSIT YVol.44 !3M ar.2010收稿日期:2009 09 10. 作者简介:周满(1984-),男,硕士生;厉彦忠(联系人),男,教授,博士生导师. 基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2007A A 05Z216).液化天然气冷藏车冷量回收理论与稳态实验研究周满,厉彦忠,谭宏博,田宝聪,应媛媛(西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安)摘要:根据我国冷藏运输行业发展现状和趋势以及液化天然气(LNG)汽车的普及与推广,分析了回收LNG 冷量用于冷藏车的优越性和可行性,并对其冷量进行了匹配计算,提出了清洁、环保、节能的直冷式LN G 低温冷藏车流程方案.由于LNG 的危险性,以液氮为替代工质,开展了直冷式低温冷藏车冷量回收稳态实验研究.结果表明:系统稳态运行效果理想,LN G 气化复温所提供的冷量充足;冷藏厢内温度能顺利降低到-20∀,厢内各测点温差在4∀以内,降温速度和温度场的均匀性都符合相关规范技术要求;系统方案切实可行,节能效果明显,具有显著的经济和社会效益.关键词:液化天然气;低温冷藏车;冷量回收;温度场;节能中图分类号:TU86 文献标志码:A 文章编号:0253 987X(2010)03 0105 05Theoretical and Steady Experimental Investigation of the Cold EnergyRecovering of a LNG Fueled Refrigerated TruckZH OU M an,LI Yanzhong,TAN H ongbo,T IAN Baoco ng ,YING Yuanyuan(School of E nergy and Pow er Engin eering,Xi an Jiaoton g U nivers ity,Xi an 710049,Chin a)Abstract :According to the current development o f r efrigerated transpo rt industr y of China and w ide pr omotion o f liquefied natural gas (LNG)vehicles,the advantag es and feasibility to reco ver LNG cold energ y for r efrigerated truck w er e analyzed,and co oling capacity demand w as theoretically calculated.A process of a direct cooled r efrigerated truck reco vering LNG co ld energ y w as pro posed.A steady state ex periment on a direct cooled cold energ y reco very of a r efrigerated tr uck w as conducted,in w hich liquid nitr ogen w as used instead o f LNG.The ex perim ental re sults show that the system could operate well and cold energy recov ered during the LNG gasifica tion process co uld m atch the dem and of cold storage.T he tem perature co uld drop to -20∀in the carriage,and the temper ature difference betw een the measuring points w as all below 4∀.In addition,the tem perature drop r ate and unifo rmity of the temper ature field in the carriage co uld meet the relevant technical standar d.Keywords :liquefied natur al gas;low tem perature cold sto rage vehicle;co ld energy reco vering;temperature field;energ y saving因冷链物流发展滞后,我国每年约有30%的蔬菜和20%~25%的果品在运输和存放过程中腐烂损坏,易腐食品的损耗每年达几百亿元.2006年,国际制冷学会在征集全世界专家学者意见后,将冷藏运输节能列为未来优先研究的问题[1].因此,大力发展冷藏运输业、提高公路冷藏货物运输比例势在必行,开展节能环保型冷藏车研究具有重大意义.随着人们环保意识的不断增强,国家对燃油汽车尾气排放的要求也越来越严格.由于天然气污染小,燃烧热值高,是一种清洁的汽车代用燃料,已经成为汽车燃料发展的主要趋势[2].随着近年我国几座大型液化天然气(LN G)接收项目的建成投产,LN G汽车得到了不断的发展,LNG相关产业链的技术研究受到越来越多的重视,LNG冷能回收利用技术作为高效节能的综合用能技术方案,成为该领域研究热点之一[2 4].作者所在课题组于国内率先开展起基于LNG汽车的冷能回收技术的研究工作. LN G用作汽车清洁燃料的同时,可以将处于111K 低温状态下的LNG在气化复温过程中所释放的冷量回收用于冷藏车.与传统的机械冷藏车和冷板冷藏车相比较,LNG冷藏车的冷量完全来自于LNGd 在气化复温过程,无需给汽车单独配备机械式制冷机组,既节省了投资,降低了运行费用,又消除了机械制冷带来的噪声污染,具有节能和环保的双重意义,是一种真正意义上的#绿色∃汽车.1 LNG低温冷藏车冷量匹配计算1 1 低温冷藏车所需冷量以国内某品牌专用汽车有限责任公司生产的XKC5045XLCA1型冷藏保温车为例,该冷藏车车厢为全封闭复合材料板块组合结构,厢板内、外蒙皮采用食品级的玻璃钢板,中间夹层为高密度聚氨酯发泡隔热材料,四侧用高强度胶将玻璃钢板与聚氨酯泡沫材料粘合在一起,并用内埋高强度螺钉进行固定.厢体外尺寸为3200mm%1900m m%1900 mm,壁厚75mm,厢体内部净容积V为9 34m3 文献[5]中已有对冷藏厢体的制冷机组制冷量Q c,r 的相关规定,如表1所示.表1 冷藏厢体的制冷机组制冷量要求V/m3 Q c,r/W&m-3D级E级F级∋9(110(125(1459~18(95(105(125>18(80(90(100D级:T i∋0∀;E级:T i∋-10∀;F级:T i∋-18∀(其中T i 为空车厢内部温度)1 2 LNG可提供的冷量LNG从储罐内饱和液态复温到预定状态时释放的冷量为Q c=m(r+c p,c(T0-T s))(1)式中:m为LNG的消耗量;r为汽化潜热;c p,c为比定压热容平均值;T0为LNG复温后的温度;T s为储罐内LN G的饱和温度.按照稳态运行(保持80km/h不变)计算知,上述型号冷藏车每小时消耗LNG13 5kg,可提供冷量约2 8kW,即304W/m3由以上分析可知,在正常行驶情况下,LNG供应的冷量大于冷藏车厢需要的冷量,可以满足将预冷后的货物进行中短途冷藏运输的要求.回收汽车LNG冷量用于低温冷藏车的方案完全可行.2 实验装置及方法2 1 直冷式LNG低温冷藏车工作原理在对LN G冷能性质及其综合利用的研究基础上,本文提出了一套直冷式LN G冷藏车流程方案,如图1所示.1:气体发动机;2:加热器;3:控制阀;4:LNG储液罐;5:冷冻货物;6:气化器;7:风道;8:风机图1 L N G冷能回收用于冷藏车示意图LNG在储罐压力作用下从储罐送出,经流量控制系统进入气化器.气化器顶部装有风机,四周用薄钢板封闭形成风道,通过向上抽风形成强制对流,在强化换热的同时可以起到除霜的作用.吸上的冷风经风机以一定的速度水平吹出,使整个箱体实现空气循环,从而达到良好的冷藏效果.作为系统中的核心部件,气化器在低温系统中的传热性能直接关系到冷量回收流程能否实现.在大量收集资料和理论研究的基础上,本文提出采用星型空温式翅片管换热器作为冷量回收流程中的气化器.翅片管换热器结构相对比较简单,体积较小、质量较轻、制造和使用方便,并且传热效率较高[6].翅片管结构如图2所示,气化器由8根翅片管串联成一排组合而成,如图3所示,具体参数见表2.由于传热温差较大,空气中的水分要凝结,连续运行时会产生结霜现象,导致空气侧传热系数下降.表2 气化器主要参数单根翅片管长度L/m0 8翅片管内径D/mm20翅片管壁厚 /mm2 5翅片高H/mm45翅片厚 /mm1 5106西 安 交 通 大 学 学 报 第44卷图2 翅片管截面图 图3 气化器示意图为及时排出凝结水,采用立式管束结构[7],同时由于气体纵向冲刷管束,可以在保证翅片管传热全面强化的基础上,及时排出凝结水和除霜.2 2 直冷式LNG 低温冷藏车制冷系统模拟实验装置本实验的目的是验证流程的实际可行性,以及测试系统在低温条件下的制冷性能.由于LNG 的危险性,因而可选用相对安全且物性相近的物质进行模拟实验.本实验用液氮替代LNG 作为冷源,由于二者不仅具有流动和换热的相似性[8],而且在质量流量相同的情况下,从饱和态复温到0∀时所释放的冷量之比为0 96)1,因此从冷量回收的角度可以起到很好的替代作用.实验装置如图4所示,主要由冷藏车厢、液氮储罐、低温调节阀、低温截止阀、水浴加热装置、气化器、风机、旁通管路、LZB 玻璃转子流量计(LZB 25,量程2 5~25m 3/h,精度∗1 5%)及Ag ilent 34970A 数据采集系统组成,其中风机功率为300W,风量为3500m 3/h,风速为13m/s.利用T 型铜 康铜热电偶(精度∗0 2∀)测量低温翅片管管内及车厢体内各点的温度.厢体内详细测点布置(共36个测点)如图5所示.在气化器进出口及中间等分的9个不同位置将经过校准的低温热电偶插入翅片管基管内,并用低温胶密封.实验过程如下:开启低温调节阀V1及低温截止阀V2,关闭低温截止阀V3及阀V 4,液氮进入盘管换热器中气化,系统调节过程中由于氮气温度、流量不稳定,故需打开阀V5,关闭阀V6、V7,氮气经旁通管路排出,待流量平稳后打开阀V6、V7,关闭阀V5,使氮气经流量计排出;当流体温度、流量稳定且达到预定值22m 3/h(按该型车稳态运行时消耗的LNG 等质量流量换算而来)后,关闭阀V2,打开阀V3、V4,液氮进入车厢开始冷量回收实验.每间隔2min 记录各测点的温度值.1:数据采集系统;2:车厢;3:风机;4:气化器;5:流量计;6:加热装置;V1~V8:阀门图4 实验装置示意图3 实验结果及分析本实验主要研究冷能回收用于低温冷藏车方案的可行性、系统流程能否顺利完成以及冷藏车厢体内温度场特性.3 1 车厢内降温特性图6为在设定液氮流量G 为22m 3/h 的条件下,车厢内温度由环境温度降到-20∀的过程中,各截面不同高度的3个测温点的平均温度随时间的变化曲线.由图可见,厢体内温度在140m in 内达到图5 厢体内测温点布置图107第3期 周满,等:液化天然气冷藏车冷量回收理论与稳态实验研究预定温度,在文献[5]规定的6h最长时限以内,满足F级冷藏车技术要求.降温速度由开始的0 6∀/m in逐渐降低到0 2∀/m in,这主要是由于随着厢体温度的降低,厢体内外温差逐渐增大,厢体向外传递热量和漏热量均相应增大,在液氮流量不变即冷量一定的情况下,厢体内能吸收的冷量减少,所以降温速度会逐渐降低.图6 厢体内各截面不同高度处平均温度变化3 2 车厢内保温特性由于冷藏车大部分工作时间是在维持厢体内温度,故当厢体内温度分别降到-20∀和-40∀后,即调小低温调节阀的开度,使厢体内温度逐渐趋于恒定.图7、8分别为厢体内平均温度达到-20∀和-40∀后,减小液氮流量时厢体内平均温度变化曲线,由此可得为维持厢体内温度为-20∀和-40∀所需的液氮流量分别为13 08m3/h和14 5m3/ h,分别占预定值的59 45%和65 91%,这进一步验证了通过系统回收的冷量足以满足低温冷藏车的使用需求,同时为本课题下一步对蓄冷冷藏车的研究指明了方向.图7 -20∀附近厢内平均温度及液氮流量变化图8 -40∀附近厢内平均温度及液氮流量变化3 3 车厢内温度场的均匀性按照1代表测点111,2代表测点112,3代表测点113,4代表测点121等依次向下的顺序将厢体内36个温度测点的温度值连成一条曲线,选择5个不同时间得到以上整个厢体温度场分布图(图9) 由图9可知,整个厢体内温度场的均匀性较好,从环境温度降到-20∀的过程中,同一时刻各点最大温差在4∀以内,能够满足应用需求.图9 厢体内不同时间的温度场分布第1个纵截面的测温点即为所有测点中编号尾数为1的点,即111、121、131等共12个点,第2个纵截面的测温点即为编号尾数为2的点,如112等,依次类推,选择某两个时刻各测点的温度可得上述不同纵截面上温度的分布如图10所示.由图10可知,在整体温差不大的情况下,第1纵截面温度下降最快,温度曲线位于下方,第2纵截面次之,温度曲线位于中间,第3纵截面温度下降最慢,温度曲线位于上方.这说明厢体内存在左冷右热的温度分层现象,分析可知这主要与气化器的位置有关,第1纵截面靠近气化器进口,依次随着气化器温度的升高为第2、第3纵截面,由于空气直接通过气化器与液氮换热,从而造成从左向右空气的温度分层现象.图10 不同纵截面上的温度分布同理,第1个水平面的测温点为所有测点中编号中间数为1的点,即111、112、113、211等共12个点,依次类推知第2、第3水平面的测温点,由此得到不同时刻不同水平面上的温度分布如图11所示.由图11可知,除了由于与气化器的位置关系导致的108西 安 交 通 大 学 学 报 第44卷同一直线上的左右测点有一定的温差外,不同水平面并无明显上下位置的温差.这说明在-20∀以上的范围内,风机的大风量吸风与高速送风形成的空间空气循环可以排除冷空气密度大对空间温度场的影响.图11 不同水平面上的温度分布4 结 论(1)回收LNG冷量用于低温冷藏车具有清洁环保和节约能源的双重优点,是一种真正意义上的#绿色∃汽车.本文在理论计算证明其可行性的基础上,提出了一套直冷式LNG低温冷藏车流程方案.(2)开展了直冷式LNG低温冷藏车冷量回收稳态实验研究.实验表明:在稳态运行条件下,该系统流程能够顺利完成,回收的冷量足以满足将预冷后的货物进行中短途冷藏运输的需求,厢内温度能顺利降低到-20∀,厢内各测点温差在4∀以内,降温速度和温度场的均匀性都符合相关规范技术要求;系统稳态运行方案切实可行,节能效果明显.(3)通过系统保温实验,测算出为维持厢体温度不变所需要的液氮流量,进一步证实了方案的可行性,同时为本课题的数值模拟研究,以及下一步动态研究指明了方向.参考文献:[1] 国际制冷学会.国际制冷学会关于制冷领域应优先研究问题的列表[J].制冷学报,2006,30(3):59 62.Internatio na l Institut e of Refrig erat ion.L ist of issuesshould be g iven prior ity in the field of refr ig eratio n ofIIR[J].Jo ur nal of Refr ig eration,2006,30(3):59 62.[2] 王强,厉彦忠,陈曦.液化天然气冷量火用的特性及在汽车制冷中的回收利用[J].西安交通大学学报,2003,37(3):294 297.WA N G Q iang,L I Yanzho ng,CH EN Xi.Co ld ex erychar acter istics of liquefied natural g as and its recov eryand application in automo bile refriger ation sy stem[J].Jo ur nal of X i an Jiaot ong U niversity,2003,37(3):294 297.[3] 燕娜,厉彦忠,脱瀚斐.基于液化天然气冷量的液体空分新流程[J].西安交通大学学报,2007,41(1):122 124.YA N N a,L I Y anzhong,T U O H anfei.No vel liquidpr oduct air separation 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