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(chē)作為新型冷藏車(chē)形式之一，既順應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展，又滿(mǎn)足環(huán)境要求，存在很大的發(fā)展?jié)摿?。前人在?duì)LNG冷藏車(chē)可行性研究方面，關(guān)于LNG氣化釋放的冷能能不能滿(mǎn)足冷鏈運(yùn)輸需求的問(wèn)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(chē)車(chē)載鋼瓶中的狀態(tài)與普通常壓儲(chǔ)存狀態(tài)的差異。文獻(xiàn)[1]指出：正常情況下，車(chē)載鋼瓶的最小工作壓力不能低于發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)要求的工作壓力，中、輕型載貨汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓力為0.65～1.35 MPa，重型載貨汽車(chē)的工作壓力為0.86～1.35 MPa。

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

③ 對(duì)市場(chǎng)上的冷藏車(chē)產(chǎn)品，都有打冷時(shí)間(冷藏車(chē)制冷設(shè)備將車(chē)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(chē)該如何滿(mǎn)足打冷需求，會(huì)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(wèn)題。

2 LNG冷能用于汽車(chē)行業(yè)的主要方式

① 冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)

利用LNG在氣化器里釋放出的冷量來(lái)冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，其原理見(jiàn)圖1。

圖1 LNG氣化冷量冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)

將LNG氣化冷量冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)，這一技術(shù)已經(jīng)投入市場(chǎng)。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(duì)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(jí)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(chē)空調(diào)

由于車(chē)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(duì)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(chē)的冷藏運(yùn)輸，使得LNG冷藏車(chē)既能以LNG為動(dòng)力燃料，又能利用LNG氣化升溫過(guò)程中釋放的冷量來(lái)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(chē)能源的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)于傳統(tǒng)冷藏車(chē)，LNG冷藏車(chē)的優(yōu)勢(shì)非常明顯，因?yàn)樵贚NG冷藏車(chē)中，LNG既用作燃料，又用作制冷劑[3]。

3.1 LNG動(dòng)力優(yōu)勢(shì)

① 環(huán)保性能更好

LNG在生產(chǎn)過(guò)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(guó)Ⅴ標(biāo)準(zhǔn)，因此LNG汽車(chē)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(xiāo)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?？梢越oLNG發(fā)動(dòng)機(jī)提供穩(wěn)定可控制的空燃比，使發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能得到優(yōu)化，而且發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒平衡，避免了爆燃，動(dòng)力性更好，從而提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性，大大延長(zhǎng)了發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命[4]。

3.2 LNG制冷優(yōu)勢(shì)

LNG作為制冷劑時(shí)，冷藏車(chē)與目前主流冷藏車(chē)(機(jī)械冷藏車(chē))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(jiǎn)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(chē)的可行性分析和優(yōu)化

前人針對(duì)LNG冷藏車(chē)提出了多種LNG冷量回收方法。文獻(xiàn)[3]針對(duì)傳統(tǒng)LNG冷藏車(chē)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(chē)。直冷式LNG冷藏車(chē)氣化器采用星型空溫式翅片管換熱器，并在其周?chē)帽′摪遄鲆粋€(gè)風(fēng)道，頂部裝一個(gè)風(fēng)機(jī)，通過(guò)向上抽風(fēng)，使氣化器表面以強(qiáng)制對(duì)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(guò)大而引起冷量利用率低的問(wèn)題仍然沒(méi)得到徹底解決。冷板式LNG冷藏車(chē)在直冷式LNG冷藏車(chē)基礎(chǔ)上加裝冷板，通過(guò)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(jí)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(chē)相比， 冷板式LNG冷藏車(chē)由于要添加冷板,增加天然氣管道長(zhǎng)度，因此增加了成本，給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也帶來(lái)一定難度。蓄冷式LNG冷藏車(chē)在冷量回收系統(tǒng)中充注載冷劑，通過(guò)載冷劑與LNG的冷量交換，完成冷量的傳遞與儲(chǔ)存，同時(shí)對(duì)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(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)冷量回收系統(tǒng)可以穩(wěn)定地對(duì)廂體供應(yīng)冷量。通過(guò)對(duì)這3種方案的特點(diǎn)進(jìn)行分析，肯定了蓄冷式LNG冷藏車(chē)的發(fā)展前景，并指出在LNG冷藏車(chē)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(chē)?yán)淠芾梅绞?/h3>

蓄冷式LNG冷藏車(chē)采用蓄冷裝置收集LNG冷能，工藝過(guò)程見(jiàn)圖2。

圖2 蓄冷式LNG冷藏車(chē)工藝過(guò)程1.汽車(chē)發(fā)動(dòng)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(dòng)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(duì)車(chē)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(chē)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(wèn)題，而且能保障LNG制冷系統(tǒng)和整個(gè)冷藏車(chē)的安全性能。但是，文獻(xiàn)[3]也指出，該方式對(duì)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(duì)密度。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，譚宏博等人[11]以水為相變工質(zhì)，對(duì)基于LNG冷藏車(chē)的相變蓄冷(固液相變-對(duì)流耦合傳熱)問(wèn)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(duì)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(chē)的無(wú)相變蓄冷實(shí)驗(yàn)，并論證得出，60%乙二醇水溶液適合作為L(zhǎng)NG冷藏車(chē)的載冷劑。因此本文中計(jì)算以60%乙二醇水溶液為L(zhǎng)NG冷藏車(chē)的載冷劑。

4.2 冷量匹配計(jì)算

4.2.1 各類(lèi)冷藏車(chē)制冷量的確定

文獻(xiàn)[12]推薦的機(jī)械冷藏車(chē)制冷量范圍見(jiàn)表1。

表1 機(jī)械冷藏車(chē)制冷量范圍

4.2.2 各類(lèi)LNG冷藏車(chē)耗氣量的確定

根據(jù)LNG汽車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，1 L柴油進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒后產(chǎn)生的動(dòng)力相當(dāng)于1.3 m3天然氣燃燒產(chǎn)生的動(dòng)力[5]。因此，LNG冷藏車(chē)耗氣量可通過(guò)同類(lèi)別的柴油冷藏車(chē)類(lèi)比得出，這3種LNG冷藏車(chē)的耗氣量見(jiàn)表2。

4.2.3 LNG氣化冷量及打冷量的確定

① LNG汽車(chē)正常行駛下氣化冷量的確定

LNG氣化冷量指LNG從鋼瓶?jī)?nèi)飽和液態(tài)氣化

表2 3種LNG冷藏車(chē)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?，kJ

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(jiàn)表3[13]。因?yàn)檐?chē)載鋼瓶的最小工作壓力不能低于發(fā)動(dòng)機(jī)供氣系統(tǒng)要求的工作壓力，中、輕型載貨汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作壓力為0.65～1.35 MPa，重型載貨汽車(chē)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(duì)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(chē)為例，根據(jù)冷藏車(chē)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，車(chē)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(chē)廂容積的LNG冷藏車(chē)正常行駛情況下的氣化冷量，見(jiàn)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(chē)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(huì)隨之提高；現(xiàn)在冷藏車(chē)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(duì)于不同的冷藏車(chē)，根據(jù)表4中的所需制冷量下限與制冷能力對(duì)比，發(fā)現(xiàn)LNG氣化和升溫的冷能，基本能滿(mǎn)足冷藏車(chē)的需求。

② LNG汽車(chē)打冷量和怠速情況下氣化冷量的確定

LNG汽車(chē)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(chē)廂內(nèi)空氣蓄熱量需要的打冷量，W

Φ2——消除車(chē)廂圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱量需要的打冷量，W

Φ3——打冷過(guò)程中廂體內(nèi)外的平均傳熱量，W

cp——車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)廂內(nèi)的溫度，K，為253.15 K

假設(shè)打冷是將車(chē)廂溫度從30 ℃降至-20 ℃，空箱關(guān)門(mén)打冷。以冷藏車(chē)要求打冷時(shí)間為90 min為例，車(chē)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(chē)廂內(nèi)外溫差為0，打冷終了時(shí)刻車(chē)廂內(nèi)外溫差為50 ℃，則打冷過(guò)程中廂體內(nèi)外的平均傳熱量Φ3取表4中冷藏車(chē)在正常行駛過(guò)程中所需制冷量下限的50%。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(jiàn)表6。

表5 LNG冷藏車(chē)打冷量計(jì)算

表6 LNG冷藏車(chē)怠速情況下氣化冷量及制冷能力

對(duì)比表5和表6可知，LNG汽車(chē)在怠速情況下的制冷能力不能滿(mǎn)足冷藏車(chē)的打冷需求，在未來(lái)這是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

5 結(jié)論

① 從LNG冷能在汽車(chē)行業(yè)中的應(yīng)用方式出發(fā)，分析LNG冷藏車(chē)的優(yōu)勢(shì)。在LNG冷藏車(chē)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(duì)不同車(chē)廂容積、空載情況下蓄冷式LNG冷藏車(chē)，對(duì)正常行駛時(shí)LNG冷藏車(chē)的制冷能力、怠速時(shí)制冷能力以及冷藏車(chē)的打冷量進(jìn)行計(jì)算。正常行駛時(shí)，制冷能力能滿(mǎn)足冷藏車(chē)所需制冷量。怠速時(shí)，制冷能力不能滿(mǎn)足所需打冷量，需要進(jìn)一步研究。