寧靜紅 王潤(rùn)霞 劉華陽 賈永勤

(天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300134)

目前，國(guó)內(nèi)外冷庫制冷系統(tǒng)所用制冷劑主要分為人工合成工質(zhì)和自然工質(zhì)[1]。對(duì)于人工合成工質(zhì)的研究方向主要集中在混合工質(zhì)上，Mostafa等[2]比較了R404a和R-454C在不同冷庫熱負(fù)荷和冷卻水溫度下的冷卻能力和能耗；趙海波等[3]對(duì)用于冷庫的R1270、R134a制冷劑的熱物性參數(shù)、熱力循環(huán)性能、最小惰化體積濃度進(jìn)行計(jì)算分析，并與現(xiàn)有冷庫制冷劑進(jìn)行對(duì)比；對(duì)于自然工質(zhì)的研究有：Choudhari等[4]對(duì)以R290和R22為制冷劑，蒸發(fā)溫度范圍為10～25 ℃，冷凝溫度為45 ℃的標(biāo)準(zhǔn)蒸氣壓縮循環(huán)進(jìn)行分析計(jì)算，比較兩種不同制冷劑下系統(tǒng)的熱力學(xué)性能；張建一等[5]通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在制冷劑發(fā)展動(dòng)向中，國(guó)內(nèi)外大中型冷庫采用氨、CO2作為制冷劑仍是主流；然而，人工合成工質(zhì)擴(kuò)散到大氣中的氯氟烴類會(huì)加劇臭氧的損耗及全球變暖，進(jìn)而對(duì)生態(tài)環(huán)境造成不良影響。因此，將自然工質(zhì)應(yīng)用于制冷系統(tǒng)是一項(xiàng)長(zhǎng)期可行的選擇。其中，氨作為自然工質(zhì)因綠色環(huán)保、價(jià)格低廉、單位容積制冷量大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[6]。但傳統(tǒng)氨蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)耗電量較大，間接對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大影響。

液化天然氣(LNG)作為自然工質(zhì)，能量品質(zhì)極高，且高效、清潔、易儲(chǔ)[7]，而其在汽化過程中釋放的大量冷能被浪費(fèi)。研究擬提出一種利用LNG余冷的低溫制冷系統(tǒng)，并建立LNG低溫制冷系統(tǒng)模型，通過改變乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)、冷間溫度和系統(tǒng)制冷量等參數(shù)，并與氨低溫制冷系統(tǒng)進(jìn)行熱力性和經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，以期獲得性能更優(yōu)的低溫制冷系統(tǒng)。

1 模型建立

1.1 系統(tǒng)概述

LNG低溫制冷系統(tǒng)分別以LNG和載冷劑為工作流體，圖1和圖2分別為該系統(tǒng)的工作原理圖和相應(yīng)的P—h圖。

如圖1所示：從LNG儲(chǔ)蓄罐A輸出的LNG，由泵B升壓經(jīng)流量控制閥C流入蓄冷池D與載冷劑換熱，完成汽化。升溫汽化后的LNG可供用戶使用。載冷劑在蓄冷池D放熱溫度降低，隨后進(jìn)入冷庫E中的冷卻空氣換熱器F完成制冷，并通過泵G、流量控制閥H返回蓄冷池完成循環(huán)。

A. LNG儲(chǔ)蓄罐 B. 泵 C. 流量控制閥 D. 蓄冷池 E. 冷庫 F. 冷卻空氣換熱器 G. 泵 H. 流量控制閥

利用LNG余冷的低溫制冷系統(tǒng)壓焓圖如圖2所示，其中，1→2為L(zhǎng)NG在泵內(nèi)的升壓過程，2→3為L(zhǎng)NG在流量控制閥的等焓降壓過程，3→4為L(zhǎng)NG在蓄冷器內(nèi)等壓吸熱過程，5→6為載冷劑在冷卻空氣換熱器中的等壓吸熱過程，6→7為載冷劑在泵內(nèi)的升壓過程，7→8為載冷劑通過流量控制閥的等焓降壓過程，8→5為載冷劑在蓄冷器內(nèi)的等壓放熱過程。

圖2 利用LNG冷能的低溫制冷系統(tǒng)壓焓圖

using LNG wasted cold

為獲取較低的冷間溫度，氨低溫制冷系統(tǒng)采用一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻系統(tǒng)。以氨為制冷劑的一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻系統(tǒng)模型與壓焓圖參考文獻(xiàn)[8]77。

1.2 LNG制冷系統(tǒng)載冷劑選擇

乙二醇凝固點(diǎn)低，性質(zhì)穩(wěn)定且熱容量大[9]，因此，選擇乙二醇作為L(zhǎng)NG制冷系統(tǒng)的載冷劑。目前，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為52%，60%，80%的乙二醇水溶液是最為常用的載冷劑，其物理性質(zhì)如表1所示[10]。

表1 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙二醇水溶液的物理性質(zhì)

1.3 系統(tǒng)假設(shè)

(1) LNG由純甲烷組成。

(2) 忽略時(shí)間、地點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)循環(huán)為穩(wěn)態(tài)過程。

(3) 忽略換熱管與環(huán)境之間的熱交換以及乙二醇的黏度影響。

(4) 以氨為制冷劑的一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)系統(tǒng)為理論循環(huán)。

2 數(shù)學(xué)模型

在上述系統(tǒng)模型和假設(shè)的基礎(chǔ)上，從熱力學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)角度分析，建立LNG低溫制冷系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。

2.1 能量分析

2.1.1 工質(zhì)泵1 工質(zhì)泵1的功耗為：

Wp1=mLNG×(h2-h1)，

(1)

式中：

Wp1——工質(zhì)泵1的功耗，kW；

mLNG——LNG的質(zhì)量流量，kg/s；

h1、h2——LNG在狀態(tài)點(diǎn)1和2的焓值，kJ/kg。

2.1.2 工質(zhì)泵2 工質(zhì)泵2的功耗為[11]：

(2)

式中：

Wp2——工質(zhì)泵2的功耗，kW；

mEG——乙二醇的質(zhì)量流量，kg/s；

g——重力加速度，m/s2；

ρ——乙二醇密度，kg/m3；

ηp——泵的等熵效率，%；

H——泵2的揚(yáng)程，m。

2.1.3 流量控制閥 假定LNG和乙二醇流經(jīng)控制閥的壓降過程均為等焓過程，即：

h2=h3，

(3)

h7=h8，

(4)

式中：

h2、h3——LNG在狀態(tài)點(diǎn)2、3的焓值，kJ/kg；

h7、h8——乙二醇在狀態(tài)點(diǎn)7、8的焓值，kJ/kg。

2.1.4 冷卻空氣換熱器 冷卻空氣換熱器的換熱量為乙二醇在冷庫內(nèi)的制冷量：

Q=mEG(h6-h5)，

(5)

式中：

Q——冷卻空氣換熱器的換熱量，kW；

h5、h6——乙二醇在狀態(tài)點(diǎn)5、6的焓值，kJ/kg。

2.1.5 蓄冷器 根據(jù)能量守恒原理，LNG在蓄冷器內(nèi)的吸熱量等于乙二醇在冷庫內(nèi)的制冷量和泵2的功耗[12]，如式(6)所示。

Qx=mLNG×(h4-h3)=Q+Wp2，

(6)

式中：

Qx——蓄冷器吸熱量，kW；

h4——LNG在狀態(tài)點(diǎn)4的焓值，kJ/kg。

2.1.6 系統(tǒng)性能系數(shù) 系統(tǒng)的性能系數(shù)按式(7)計(jì)算：

(7)

式中：

COP,LNG——系統(tǒng)性能系數(shù)。

氨一級(jí)節(jié)流中間完全冷卻循環(huán)相關(guān)計(jì)算詳見文獻(xiàn)[8]81-83。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

LNG低溫制冷系統(tǒng)的總投資費(fèi)用Ctotal1[13]包括設(shè)備投資費(fèi)用、工質(zhì)投資費(fèi)用、環(huán)境費(fèi)用以及運(yùn)行成本，如式(8) 所示。

Ctotal1=CLNG,inv+CLNG,f+CLNG,env+CLNG,0，

(8)

式中：

Ctotal1——LNG低溫制冷系統(tǒng)的總投資費(fèi)用，元；

CLNG，inv——LNG低溫制冷系統(tǒng)的設(shè)備投資費(fèi)用，元；

CLNG，f——LNG低溫制冷系統(tǒng)的工質(zhì)投資費(fèi)用，元；

CLNG，env——LNG低溫制冷系統(tǒng)的環(huán)境費(fèi)用，元；

CLNG，0——LNG低溫制冷系統(tǒng)的運(yùn)行成本，元。

氨低溫制冷系統(tǒng)總投資費(fèi)用Ctotal2包括設(shè)備投資費(fèi)用、工質(zhì)投資費(fèi)用、運(yùn)行成本，如式(9)所示。

Ctotal2=Cammion,inv+Cammion,f+Cammion,0，

(9)

式中：

Ctotal2——氨低溫制冷系統(tǒng)總投資費(fèi)，元；

Cammion，inv——氨低溫制冷系統(tǒng)的設(shè)備投資費(fèi)用，元；

Cammion，f——氨低溫制冷系統(tǒng)的工質(zhì)投資費(fèi)用，元；

Cammion，0——氨低溫制冷系統(tǒng)的運(yùn)行成本，元。

其中設(shè)備投資費(fèi)用為：

Cinv=ΣnCn，

(10)

式中：

Cinv——設(shè)備投資費(fèi)用，元；

Cn——LNG低溫制冷系統(tǒng)和氨低溫制冷系統(tǒng)各設(shè)備的投資費(fèi)用，元。

兩低溫制冷系統(tǒng)的設(shè)備投資費(fèi)用分別列于表2和表3。

表2 LNG低溫制冷系統(tǒng)設(shè)備投資費(fèi)用方程?[14-16]

表3 氨低溫制冷系統(tǒng)設(shè)備投資費(fèi)用方程?[17-18]

環(huán)境投資費(fèi)用的具體計(jì)算[18-19]：

CCO2=mCO2×CCO2penalty/1 000，

(11)

mCO2=t×Wp×Fac，CO2/1 000，

(12)

式中：

CCO2——環(huán)境投資費(fèi)用，元；

CCO2penalty——CO2生產(chǎn)的懲罰成本，假設(shè)為580元/t；

mCO2——一年內(nèi)系統(tǒng)產(chǎn)生的CO2，kg；

t——一年內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間，h；

Fac,CO2——污染物因素，設(shè)置為46.62 g/(kW·h)；

Wp——系統(tǒng)的耗功，kW。

工質(zhì)投資費(fèi)用[14]：

Cf=3 600×mf×cf，

(13)

式中：

Cf——工質(zhì)投資費(fèi)用，元；

mf——工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；

cf——工質(zhì)成本，元。

根據(jù)目前中國(guó)LNG、乙二醇以及氨的交易價(jià)格，設(shè)置工質(zhì)成本分別為3.29，7.86，3.16元/kg。

年度運(yùn)行和維護(hù)成本費(fèi)用：

C0=aCinv，

(14)

式中：

C0——年度運(yùn)行和維護(hù)成本費(fèi)用，元；

Cinv——系統(tǒng)設(shè)備投資費(fèi)用，元；

a——系統(tǒng)部件運(yùn)行和維護(hù)成本比，取0.06。

3 運(yùn)行結(jié)果分析與討論

LNG低溫制冷系統(tǒng)熱力參數(shù)如表4所示。

表4 LNG低溫制冷系統(tǒng)熱力參數(shù)[20-23]

3.1 乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)LNG低溫制冷系統(tǒng)性能的影響

通過計(jì)算，不同乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)下LNG低溫制冷系統(tǒng)的熱力學(xué)性能參數(shù)對(duì)比如表5所示。可以看出，乙二醇質(zhì)量流量不變，隨著乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，LNG質(zhì)量流量、蓄冷量和功耗均增加，而制冷系統(tǒng)性能系數(shù)(COP)減小。這是由于在相同的基本參數(shù)下，冷卻空氣換熱器的乙二醇進(jìn)出口溫度及壓力不隨乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)而改變，因此5點(diǎn)和6點(diǎn)乙二醇的焓差一定，乙二醇質(zhì)量流量一定。乙二醇的密度隨其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增加，則泵2功耗及蓄冷量均增加。在3和4兩點(diǎn)溫度和壓力一定的情況下，當(dāng)蓄冷量增加時(shí)，LNG質(zhì)量流量隨之增加，進(jìn)而使得泵1功耗更大。在功耗及蓄冷量的綜合影響下，系統(tǒng)COP隨乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高而降低。明顯的，乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)越大需要的工質(zhì)投資越大，進(jìn)而增加了經(jīng)濟(jì)費(fèi)用。因此，系統(tǒng)以52%乙二醇水溶液作為載冷劑。

表5 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)乙二醇下LNG低溫制冷系統(tǒng)性能參數(shù)對(duì)比

3.2 冷間溫度對(duì)兩低溫制冷系統(tǒng)性能的影響

冷間溫度因存儲(chǔ)貨物種類的不同而改變，進(jìn)而影響系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性能，如圖3～圖5所示。當(dāng)冷間供冷溫度升高時(shí)，兩系統(tǒng)的工質(zhì)質(zhì)量流量、功耗和投資費(fèi)用均降低，系統(tǒng)的COP升高。且就系統(tǒng)COP來說，LNG低溫制冷系統(tǒng)大于氨低溫制冷系統(tǒng)。

圖3 冷間溫度對(duì)系統(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量的影響

圖4 冷間溫度對(duì)系統(tǒng)泵功耗的影響

圖5 冷間溫度對(duì)系統(tǒng)COP的影響

對(duì)于LNG低溫制冷系統(tǒng)，冷間溫度升高，乙二醇在空氣冷卻換熱器進(jìn)出口焓差增加，導(dǎo)致其質(zhì)量流量及泵2功耗降低使得蓄冷量降低，同時(shí)LNG在蓄冷器進(jìn)出口焓差不變的條件下，其質(zhì)量流量及泵1功耗降低，COP升高。對(duì)于氨低溫制冷系統(tǒng)，隨著冷間溫度升高，相應(yīng)的蒸發(fā)溫度升高，在制冷量不變的情況下，氨質(zhì)量流量隨之減小。另外，蒸發(fā)溫度提高導(dǎo)致蒸發(fā)壓力提高，壓縮機(jī)壓縮比降低，因此壓縮機(jī)功耗減小，COP增加。

同時(shí)根據(jù)計(jì)算，隨著冷間溫度的升高，LNG低溫制冷系統(tǒng)中除冷卻空氣換熱器投資費(fèi)用增加其他項(xiàng)投資費(fèi)用均減少，并且在氨低溫制冷系統(tǒng)中除壓縮機(jī)和膨脹閥費(fèi)用降低其他費(fèi)用均增加，由于壓縮機(jī)投資費(fèi)用約占總投資費(fèi)用的77.08%，所以整體費(fèi)用呈下降趨勢(shì)。如圖6所示，相比之下，LNG低溫制冷系統(tǒng)的總投資費(fèi)用遠(yuǎn)低于氨低溫制冷系統(tǒng)，充分表明LNG低溫制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了傳統(tǒng)電驅(qū)動(dòng)冷庫中的壓縮機(jī)、冷凝器等設(shè)備，極大地節(jié)省了投資費(fèi)用，充分利用LNG汽化過程的冷能，可以節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境。實(shí)際應(yīng)用中，在滿足貯存食品冷藏保鮮需求條件下，冷間溫度盡可能提高。

圖6 冷間溫度對(duì)系統(tǒng)投資費(fèi)用的影響

3.3 制冷量對(duì)兩低溫制冷系統(tǒng)性能的影響

當(dāng)制冷量變化范圍為5～30 kW，如圖7～圖9所示，隨著制冷量的增大，工質(zhì)質(zhì)量流量和功耗均升高，而氨低溫制冷系統(tǒng)COP不變，LNG低溫制冷系統(tǒng)COP增加，且制冷量在5～20 kW時(shí)氨低溫制冷系統(tǒng)COP高于LNG低溫制冷系統(tǒng)，而在20～30 kW時(shí)相反。這是因?yàn)楫?dāng)制冷量增加時(shí)，需要乙二醇向冷間內(nèi)提供的冷量增加，同時(shí)蓄冷器需要的冷量增加，則乙二醇和LNG質(zhì)量流量隨之增加。LNG低溫制冷系統(tǒng)功耗由5.81 kW增加至7.92 kW，提升幅度明顯低于制冷量，則COP呈升高趨勢(shì)。同樣，氨低溫制冷系統(tǒng)質(zhì)量流量和功耗變化原理如上。而氨系統(tǒng)制冷量的改變沒有引起各點(diǎn)焓值變化，因此COP不變。

圖7 冷庫制冷量對(duì)系統(tǒng)工質(zhì)質(zhì)量流量的影響

圖8 冷庫制冷量對(duì)系統(tǒng)泵功耗的影響

圖9 冷庫制冷量對(duì)系統(tǒng)COP的影響

圖10為兩低溫制冷系統(tǒng)總投資費(fèi)用估算的對(duì)比。LNG低溫制冷系統(tǒng)的總投資費(fèi)用為90 814～143 393元，而氨低溫制冷系統(tǒng)總投資費(fèi)用則為181 075～659 369元。隨著制冷量的升高，各工質(zhì)質(zhì)量流量增大，兩個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備投資費(fèi)用以及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用均增加，使得兩系統(tǒng)總投資費(fèi)用增加，并且LNG低溫制冷系統(tǒng)總投資費(fèi)用仍遠(yuǎn)低于氨低溫制冷系統(tǒng)。隨著制冷量的提高，LNG低溫制冷系統(tǒng)比氨低溫制冷系統(tǒng)要節(jié)省1～3倍的投資費(fèi)用，因此LNG低溫制冷系統(tǒng)大大提高了制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能，更具有實(shí)際意義。

圖10 冷庫制冷量對(duì)系統(tǒng)投資費(fèi)用的影響

4 結(jié)論

(1) 當(dāng)液化天然氣低溫制冷系統(tǒng)冷間溫度為-25 ℃，制冷量為30 kW時(shí)，隨著乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，乙二醇質(zhì)量流量不變，液化天然氣質(zhì)量流量由0.051 3 kg/s增加到0.052 2 kg/s，對(duì)應(yīng)蓄冷量增加0.02，0.04 kW，功耗增大0.03，0.04 kW，制冷性能系數(shù)減少0.25%，0.51%。

(2) 當(dāng)冷間溫度為-25～-15 ℃時(shí)，隨著冷間溫度的升高，除制冷性能系數(shù)有所升高之外，兩低溫制冷系統(tǒng)的質(zhì)量流量、功耗均出現(xiàn)降低的趨勢(shì)；兩系統(tǒng)的投資費(fèi)用也隨著冷間溫度的升高而減少，同時(shí)液化天然氣低溫制冷系統(tǒng)的投資費(fèi)用明顯低于氨低溫制冷系統(tǒng)。

(3) 當(dāng)制冷量為5～30 kW時(shí)，隨著制冷量升高，兩系統(tǒng)質(zhì)量流量、功耗均升高，液化天然氣低溫制冷系統(tǒng)制冷性能系數(shù)增大，而氨低溫制冷系統(tǒng)制冷性能系數(shù)保持不變，在5～20 kW時(shí)，氨低溫制冷系統(tǒng)制冷性能系數(shù)大于液化天然氣低溫制冷系統(tǒng)。隨著制冷量增大，液化天然氣低溫制冷系統(tǒng)比氨低溫制冷系統(tǒng)要節(jié)省1～3倍的投資費(fèi)用，因此利用乙二醇作為載冷劑對(duì)液化天然氣進(jìn)行冷能回收對(duì)低溫制冷系統(tǒng)有實(shí)際意義。

(4) 目前液化天然氣接收站通常設(shè)置在港口附近，對(duì)于冷庫的冷凍冷藏也存在一定的區(qū)域局限性，不能在全國(guó)范圍內(nèi)推廣。利用液化天然氣余冷系統(tǒng)上的難點(diǎn)在于液化天然氣和乙二醇換熱溫差大，對(duì)換熱器的要求較高，需綜合考慮兩種流體換熱對(duì)換熱器材料的影響，因此合適的載冷劑以及更有效的液化天然氣運(yùn)輸是將液化天然氣余冷應(yīng)用于冷庫冷凍冷藏系統(tǒng)上的關(guān)鍵。