基于LNG燃料卡车的自冷空调系统实验研究外文翻译资料

基于LNG燃料卡车的自冷空调系统实验研究

谭洪波，孙楠楠，林晨，历彦忠

制冷与低温工程系，

西安交通大学

西安，中国

yzli-epe@xjtu.edu.cn（历彦忠），thbxjtu@gmail.com（谭洪波）

摘要—作者提出并研究了一种新型的液化天然气自冷空调系统，这个系统应用于卡车。低温燃料液化天然气中的冷能会被回收并重新用于冷却驾驶室。在理论分析了新系统的冷却能力和热性能可用后，在不同的运行条件下，对实际的冷热负荷，热交换器的温度特性进行了研究。结果表明：（1）当LNG消耗率大于20 kg / h时，冷能回收能力可以承担驾驶室的热负荷（4.1 kW）;最大冷却能力高达8.746千瓦，约为冷却需求的两倍; （2）为了给驾驶舱提供足够的冷却能力，卡车配备的发动机的轴功率应不小于105 kW，占最大功率容量的37.5％; （3）被提出的系统的热交换器运行正常，欲达到的冷能回收变现成功实现。然而，LNG蒸发器应该设计得更仔细和准确。研究表明，液化天然气燃料卡车的自冷空调系统是可行的，必须采用冷却能力储存方式来调整由LNG消耗率波动引起的冷供需失配。

关键词：LNG燃料卡车; 冷却能力回收; 自冷空调;

1. 绪论

液化天然气（LNG）是一种清洁的化石燃料，因为在预处理原料气中消除了重质烃，酸，二氧化碳和水。LNG的燃烧可以将颗粒物质减少到近99％，硫氧化物（SOx）排放到接近100％，氮氧化物（NOx）至80％，温室气体排放减少40％^[1,2]。因此，使用LNG作为发动机燃料是很有吸引力的选择，特别是重型卡车。 此外，LNG在极低温度下储存，149K，1MPa。他在发动机里燃烧之前，LNG需要被气化并被加热到环境温度，同时将大量的冷能释放到环境中。人们提出了各种技术方案来利用LNG的宝贵的冷能。使用液化天然气的空气液化和分离被认为是最有效的冷能回收方案^[3,4]。此外,LNG冷却还可用于低温粉碎，轻质烃回收和液体CO2生产[5,6]，其中低温制冷提供足够的冷却能力以冷却常规设备中的原料。 然而，由于采用严格的现场选择原则，冷气利用厂房几乎不在液化天然气再分配终端附近，更不用说液化天然气发布的冷却能力可以满足需求，保证这些工厂的稳定运行。 从实际的角度来看，燃气发电厂是采用液化天然气冷能的最可行和较高效的方法，因为大量的液化天然气将作为燃料消耗。 提出了基于朗肯循环的低温发电厂，在环境温度和LNG汽化温度之间运行，将LNG冷能转化为功率[7,8]。此外，加压LNG可以首先蒸发和过热，然后通过高效涡轮膨胀机进行膨胀，在以布雷顿循环为基础的工厂中发电。 由于低温温度发生器和压力释放的综合恢复，有时兰金和布雷顿联合循环将实现更高的效率[9]。 然而，由于增加了LNG冷能回收设备，发电厂将更加复杂。 对于本研究，作者提出了一种用于LNG燃料卡车的自冷式汽车空调系统，具有以下优点：（1）通过简单的热交换系统从燃料，液化天然气回收冷空气冷却驾驶室; （2）提供足够的冷却能力，因为强大的发动机有大量的LNG消耗; （3）以有限的初始投资节省轴功率; （4）使用无氟化物冷却液保护环境。

本文的目的是验证拟议系统的可行性。 实验研究了冷负荷，热交换系统的温度特性等制冷系统的性能。 根据这项研究的结果，本文提出了一些有益的建议来促进新技术的商业化。

2. 拟议系统的理论分析

A. 自冷式汽车空调系统

所提出的自冷藏汽车空调系统示于图。 LNG在热交换器2（HX2）中蒸发成低温气体，在换热器3（HX3）中过热。 温度不低于二次冷却剂凝固点的过热低温天然气进入HX3，被二次冷却剂加热，采用乙二醇溶液（50vol％EG）。在接近EG的进料被加热后，将天然气循环至蒸发器，以加热和蒸发低温LNG。 然后，冷却的天然气再次进入HX3以被EG加热。 以这种方式，作为传热介质的气化天然气在HX2和HX3之间循环多次，以将热量从EG转移到低温LNG。 在本系统中，可以有效地避免在EG和LNG之间直接传热的情况下经常发生的EG的可能的冰块。 最后，被加热的天然气进入卡车发动机4燃烧和发电。 回收的冷却能力被释放到空气冷却器6中的驾驶室。此外，旁路蒸发器11被布置成在冷却能力过剩或不需要时蒸发LNG。

图.1 汽车自冷空调系统工作流程图

B. 给定卡车的实际制冷能力

考虑到相对较高的燃油消耗率，拟定的汽车自冷空调系统冷却能力充足，可以在液化天然气燃料卡车上投入运行。在这个系统里，使用最大输出功率为380马力的典型LNG燃料卡车发动机的燃料消耗参数来推导潜在的冷却能力。发动机外部特性曲线如图1所示。 图2表示不同发动机转速与燃油节流阀最大开度的扭矩，功率和制动比燃料消耗率的关系。根据图中的参数，可以得到不同功率输出的LNG消耗率，如图1所示。图 3.根据重型卡车商用空调的性能，提出的系统应提供4.1 kW的最大冷却能力，以取代机械制冷系统。根据LNG单位质量流量可利用的冷却能力分析[10]，功率输出和LNG消耗率分别不小于103.5 kW和20.9 kg / h，如图3所示。

图.2 LNG燃油发动机的外部特性曲线

图. 3 LNG消耗率随功率输出的变化

C. 拟定的系统的温度特性

使用稳态过程建模软件Aspen HYSYS V7.2对拟议的系统进行模拟，以确定最大气化容量为60kg/h的LNG的热交换器的温度特性。为了简单起见，LNG被认为是纯甲烷液体。在模拟中忽略了热交换器的热泄漏和压力损失。 1 MPa的饱和液化天然气进入HX2，由再循环天然气蒸发。在HX3中，EG的出口温度为273K，以避免空气冷却器6中的水分冻结，EG的入口温度设定为283K。此外， HX3中的天然气将被基本上加热并且它们的温度接近EG的入口温度。因此，将天然气出口Tout，NG3的平均温度设定为280K是合理的。在1MPa和149K的饱和LNG在HX2中蒸发，过热天然气Tout，SNG2的出口温度，等于再循环天然气Tout，RNG2的出口温度。此后，在HX3中将过热天然气和再冷再生天然气蒸汽加热至280K。在此模拟中，采用Aspen HYSYS中的热力学性质数据库来确定LNG，EG和空气的性质。提出的系统的关键理论性能如表1所示。

3. 实验装置和程序

为了验证所提出的系统，图1所示的原型。 4基于使用LNG作为燃料的商用重型卡车建立。实验系统包括燃料（LNG）供应系统，LNG冷能回收系统，驾驶室中的空气冷却器，两个燃气轮机流量计，一组热电偶，四个压力指示器，数据采集系统，个人计算机，重型卡车发动机，最大输出功率为380 HP，流量控制阀和连接管。使用校准精度为plusmn;0.2K的T型热电偶来测量LNG，EG和循环空气的温度。天然气的流量通过燃气轮机流量计测量，精度为读数的plusmn;1％，测量范围为0-60 Nm3/h。采用全尺寸测量为800L/h的电磁流量计测量EG的流量。通过压力计测量HX3入口和出口处的LNG压力，精度为plusmn;0.04％，测量范围为0-1MPa。使用精度为plusmn;0.003％的吉时利2700型数据采集系统测量热电偶的DCV输出。

如图1所示，LNG的流量根据发动机的燃油消耗量进行调节。 通过相应的流量计8和9测量NG和EG的流量。控制EG的流量以将HX3中冷却的EG的温度保持在约273K。热和冷流的入口和出口温度 通过数据采集系统以120秒的间隔记录空气冷却器，HX2，HX3。 当进行实验时，环境温度在303K-308K的范围内。

所提出的系统的回收冷却能力Q0（kW）如下确定，

Q0 qvEGcp(Tin,EG minus;Tout,EG)/3600


其中q_vEG和c_p分别表示EG溶液的流速（L / h），密度（kg / L）和比热容（kJ /（kg·K））。 Tin，EG和Tout，EG分别是HX3入口和出口处的EG温度。

表.1 模拟条件和结果

图.4 拟定的制冷系统的实验平台

4. 结果与讨论

A. 拟议系统的冷恢复性能

在不同的LNG流量下进行了四组试验。 实验条件总结如表II所示。 在商业卡车上配备了表III所示的氟利昂制冷系统。 本研究旨在评估拟议系统完全替代制冷系统的可行性。 从理论的角度来看，只要LNG消耗率超过20 kg / h，就可以提供足够的冷却能力。 另外，通过调节EG的流量可以将EG的最低温度控制在273K。

不同LNG流量下回收的冷却能力如图1所示。 当LNG流量大于20.9 kg / h时，提供的冷却可能会覆盖驾驶室的冷负荷（4.1 kW）并不意外。 在上述理论分析的基础上，发动机应相应地输出超过100千瓦的功率。 在本研究中，最大冷却能力高达8.746千瓦，是预装机械制冷系统冷负荷的两倍。 值得注意的是，LNG的消耗率也高达42.48千克/小时，足以使发动机输出225千瓦的通风量。

表.2 实验条件

表.3 常规制度的执行情况

图. 5 所提出系统的回收冷却能力

B. 空气冷却器的温度特性

图1所示的空气冷却器6是典型的翅片管热交换器，其

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