李 健，趙鐘波，張 恒，葛 鷹,陸 建

1 前言

國內對于LNG的研究起步于20世紀90年代，隨著冷能技術的不斷發(fā)展，LNG在軍事上的應用越來越廣泛，越來越多的燃氣輪機被應用于軍艦中。LNG作為一種高效潔凈的能源，在為軍艦提供動力的同時還可以降低對海洋環(huán)境的污染。但是，LNG在汽化過程中會釋放大量的冷能，如果這部分冷量不能夠被充分利用，將會造成極大的能源浪費。因此，深入研究LNG冷能利用技術具有重大的意義［1］；同時，在某些特殊情況下，軍艦上的電力系統(tǒng)可能會出現(xiàn)問題，此時若不能及時恢復供電則會導致空調等制冷設備無法正常工作，這將造成難以估計的損失，若能將LNG的冷能進行儲存作為備用能源，可以有效地解決上述問題［2］。本文從能源利用角度入手，利用ICEPAK熱仿真軟件研究一種新型LNG蓄能換熱器，通過試驗加以驗證，并將該換熱器應用于制冷設備中，使儲存的冷能可以供一臺3 kW的空調連續(xù)工作1.5 h。

2 LNG蓄能冷換熱原理與工藝計算

2.1 蓄能換熱原理

LNG常壓下溫度很低，如果直接和空氣進行熱交換會導致空氣中的二氧化碳和水蒸氣結冰，直接影響換熱效果。因此，為了提高LNG冷能的利用效率，需要對LNG換熱系統(tǒng)進行優(yōu)化設計。原理如圖1，該系統(tǒng)采用65號航空冷卻液（冰點為-55 ℃）作為儲冷液，將LNG釋放的冷量進行儲存。采用濃度為55%的乙二醇溶液（冰點為-41℃）作為取冷液［3］，將LNG的冷量通過儲冷液間接提取并輸送至用冷設備中，從而實現(xiàn)LNG冷能的回收利用［4］。

圖1 蓄能換熱裝器示意

2.2 工藝計算

LNG通常存儲在-141 ℃的儲罐中（壓力為0.2～0.4 MPa），當液化天然氣轉化為氣態(tài)天然氣時，必然會釋放大量的冷能。LNG汽化過程中潛熱與顯熱交換溫差為150～180 ℃，LNG潛熱為515 kJ/kg，比熱容為 2.14kJ/(kg·℃ )［5］。通過蓄冷劑（65號航空冷卻液）的熱負荷Q為：

式中 r ——熔解潛熱

cp——比熱容

t1-t2——溫度差

m ——LNG的質量，m=ρv

η——換熱效率

ρ ——密度

v ——體積

其中，65號航空冷卻液的物理性質和60%乙二醇水溶液相似，乙二醇作為重要的取冷劑，其物理性質如表1所示［6］。

表1 不同濃度下乙二醇的物理性質

根據式（1）計算可知：供一臺功率為3 kW的空調連續(xù)工作1.5 h所需65號航空冷卻液的體積約 25 L［7］。

3 LNG蓄能換熱器結構

LNG蓄能換熱器采用新型的板式結構，與傳統(tǒng)的換熱器相比具有明顯的特點。首先該結構可以實現(xiàn)LNG、乙二醇溶液和65號航空冷卻液這3種流體的換熱；其次蓄能換熱器采用模塊化設計，使蓄能換熱器的安裝及操作不需要借助其他的外部動力設備，大大降低了生產成本和操作難度，同時有效地減輕了設備的重量；最后焊接工藝采用較為先進的擴散焊，為提高擴散焊的焊接質量，在蓄能換熱器中設計有4個規(guī)格相同的銷孔用于安裝定位銷，目的是保證不同換熱板之間的準確定位。另外，在換熱器中增加了多個導氣槽，使焊接過程中產生的氣體能夠及時導出設備，由此保證了設備的安全性和密封性。

換熱片采用相互倒置的60°人字形波紋板，構成了橫截面多變、曲折的流道，使流體在流道內呈旋轉三維流動，從而在較低的雷諾數(shù)下發(fā)生紊流，提高了換熱系數(shù)，強化了換熱效率［8］。波紋板加工后的最小厚度為1 mm，降低了壁面的熱阻。因污垢很薄，故其熱阻較小，另外也不會出現(xiàn)像管殼式換熱器那樣的旁路流。與管殼式換熱器相比較，這種結構使設備的總傳熱系數(shù)提高了3倍左右［9］。

LNG蓄能換熱器的結構如圖2所示。

圖2 LNG蓄能換熱器結構

LNG蓄能換熱器由3個基本層組成，依次為取冷層，蓄冷層，LNG層，其中取冷層的取冷液采用濃度為55%的乙二醇溶液，蓄冷層的蓄冷液采用65號航空冷卻液。蓄能換熱器由10塊波紋板構成，形成9個腔體，其中LNG層占2個，取冷層占3個，蓄冷層占4個。蓄冷液的體積膨脹系數(shù)是0.00056 ℃，在溫差80 ℃的情況下，25 L的蓄冷液膨脹后的體積為26.12 L，因此蓄冷層的體積定為27 L。

波紋板的材料選用2519-T87鋁合金，該材料是一種耐低溫材料，其導熱性能僅次于銀、銅和金，且密度較小，低溫與常溫狀態(tài)下機械性能相比有較大的差別，其主要的物理性質（脆性和強度）隨著環(huán)境溫度的降低而升高，這是區(qū)別于其他金屬材料的重要性質。2519-T87鋁合金低溫下的拉伸性能如表 2 所示［10～14］。

表2 2519-T87鋁合金拉伸性能

4 仿真與優(yōu)化設計

4.1 建模與仿真參數(shù)設置

LNG蓄能換熱器上設置有取冷層、蓄冷層、LNG層，其中LNG層兩側是蓄冷層（內置蓄冷液），蓄冷層另一側是取冷層（內置取冷液）。LNG的質量流量為30 kg/h，冷能約4.5 kW，工作時LNG冷能由蓄冷液進行儲存，經取冷液提取后供艦載空調等設備使用。LNG蓄能換熱器的外形尺寸為 600 mm×450 mm×110 mm，材質為2519-T87鋁合金，仿真模型如圖3所示。

圖3 LNG蓄能換熱器三維模型

將模型導入ICEPAK中，并設置邊界條件。計算模型設置為Turbulent里的zero equation，環(huán)境溫度為40 ℃，輻射溫度為40 ℃。鋁板材料設置為Al-Extruded（與2519-T87鋁合金導熱系數(shù)較接近），表面材料設置為Al-Polished Platesurface，默認流體設置為Glycol-55和LNG，蓄冷液總體積為25 L(兩側各12.5 L)。在每層流道的進出水口設置2個Opening，LNG進口流量為3 L/min，取冷液進口流量為2 L/min。蓄冷液定義為熱源，將LNG定義為冷源，冷源功率為4.5 kW。

4.2 仿真結果分析

對LNG蓄能換熱器進行熱仿真，分別截取LNG、取冷液（QLY）進出口參數(shù)明細表。由表3、表4可知，換熱量約為2454 W。LNG進口溫度-145.7 ℃，出口溫度-134.3 ℃；取冷液進口溫度40.8 ℃，出液溫度為12.3 ℃。空調使用溫度一般在16～30 ℃，因此能夠滿足空調的使用工況。

表3 進、出口換熱量

表4 進、出口溫度明細

截取LNG蓄能換熱器蓄冷層溫度如圖4所示。由圖4可知，靠近LNG層蓄冷液溫度較低，可達-152.942 ℃，而遠離LNG蓄冷液溫度較高可達30.0616 ℃，針對這種情況，在溫度計算時采用對數(shù)平均溫度計算法。

圖4 溫度云圖

從圖4可以看出，LNG在蓄冷的初期溫度變化比較劇烈，故初期不宜對冷能進行提取。當蓄冷一段時間后，蓄冷液達到其熔點后發(fā)生相變并開始蓄冷，此時適宜開啟取冷液為空調提供冷量。

5 試驗分析

5.1 試驗設備及材料

為了驗證LNG蓄能換熱器的蓄冷效果和取冷效果，設計試驗對其進行熱測試。試驗裝置及材料包括恒溫恒濕試驗箱（溫度范圍-55 ℃～100℃），采集模塊，臺式電腦，一臺小型液體泵，小型LNG儲罐，溫度傳感器（精度0.15 ℃，4個），玻璃轉子流量計（1個），65號航空冷卻液（蓄冷液），55%乙二醇（取冷液），LNG蓄能換熱器一臺，空調一臺(3 kW)，閥門（若干），金屬軟管（若干）等，所有儀表都經過標準校合。

5.2 試驗過程

取50 L濃度為55%的乙二醇作取冷液（理論冰點為-37 ℃），取25L65號航空冷卻液作蓄冷液（理論冰點為-55 ℃），將蓄冷液填裝進入蓄能換熱器中。

液體泵不開啟，通入LNG觀察溫度傳感器（T1）的變化并記錄T1的示數(shù)。每間隔5 min記錄一次，當T1讀數(shù)穩(wěn)定后停止通入LNG同時停止數(shù)據記錄。

停止通入LNG后，將試驗設備中兩個截止閥打到全開狀態(tài)并開啟液體泵，調節(jié)流量調節(jié)閥使流量達到2 L/min。

觀察玻璃轉子流量計（L1），當流量穩(wěn)定后記錄T2、T3、T4的示數(shù)。每間隔5 min記錄一組數(shù)據，設定LNG的質量流量為30 kg/h。熱測試系統(tǒng)連接如圖5所示。

圖5 熱測試系統(tǒng)連接示意

5.3 試驗結果分析

LNG蓄能換熱器的試驗測試曲線如圖6所示，經翅片管換熱器后的溫度曲線在15.1 ℃左右趨于穩(wěn)定，能夠滿足空調系統(tǒng)的正常用冷；經LNG蓄能換熱器后取冷液的溫度曲線在14 ℃左右趨于穩(wěn)定；經LNG蓄能換熱器后天然氣的溫度曲線在-135 ℃趨于穩(wěn)定，比仿真結果高0.8 ℃。通過折線圖可以看出，LNG冷能儲存的時間為約20 min,取冷液出液溫度約14 ℃，比仿真結果高1.7 ℃。由于測試點與最低溫度點可能存在誤差，環(huán)境溫度有微小波動，還有熱阻等方面的影響，仿真結果與測試結果存在一定微小差異，但仿真結果與測試結果相差不大，由此可確定ICEPAK熱仿真的可靠性。

圖6 試驗測試結果曲線

6 結論

（1）通過仿真計算及試驗分析可知，采用60°人字形波紋板結構可以大大增加蓄能換熱器的換熱面積，同時能夠滿足空調的正常使用并將LNG的冷能進行儲存。

（2）本設備可供一臺3 kW的空調連續(xù)工作1.5 h，LNG儲存的冷能約為4.5 kW。

（3）本設備的最大特點在于蓄能換熱器中設計有一定體積的蓄冷腔體，腔體的大小可根據所需儲能的多少而改變，使冷能的儲存和轉換能夠在同一設備內進行，極大地提高了換熱效率。

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