發(fā)動機(jī)冷卻水提高車用天然氣罐脫附性能分析

譚羽非，卜憲標(biāo)，2，牛傳凱

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，150090 哈爾濱，Tanyufei2002@163.com;2中國科學(xué)院廣州能源研究所，510640 廣州)

發(fā)動機(jī)冷卻水提高車用天然氣罐脫附性能分析

譚羽非1，卜憲標(biāo)1，2，牛傳凱1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，150090 哈爾濱，Tanyufei2002@163.com;2中國科學(xué)院廣州能源研究所，510640 廣州)

車用吸附存儲天然氣脫附過程產(chǎn)生的吸熱效應(yīng)，嚴(yán)重影響天然氣脫附效率及汽車行駛速度.采用發(fā)動機(jī)冷卻水來加熱儲氣罐，并通過建立該脫附過程的數(shù)值模型，模擬計(jì)算了脫附過程中溫度、壓力、脫附量等參數(shù)的變化，論證了發(fā)動機(jī)冷卻水用于補(bǔ)充脫附過程所需熱量的可行性.結(jié)果表明:在脫附放氣過程中，用發(fā)動機(jī)冷卻水加熱儲罐壁面，可以提高儲罐的平均溫度，改善儲罐的溫度場，增加脫附量.適當(dāng)增加內(nèi)部換熱管的管徑，增加吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)，均能增加儲罐的脫附量.

車用天然氣儲罐;脫附過程;脫附熱效應(yīng);數(shù)值模擬

近年來天然氣汽車以清潔天然氣能源為燃料，得到許多國家的重視和推廣.車用天然氣可采用液化天然氣、壓縮天然氣和吸附天然氣的方式儲存.與傳統(tǒng)的液化天然氣和壓縮天然氣相比，吸附天然氣加氣站采用單級壓縮，能降低充氣站建設(shè)費(fèi)用，且儲氣罐由于儲存壓力低(3～5 MPa)，可采用較薄材質(zhì)，置于汽車之上安全性較高.但目前車用吸附存儲天然氣技術(shù)還不成熟，存在著一定的技術(shù)問題.目前主要難點(diǎn)是脫附熱效應(yīng)問題.天然氣儲罐的脫附過程是吸熱過程，嚴(yán)重影響天然氣脫附量，進(jìn)而影響汽車的行駛速度.國外已有學(xué)者研究表明［1-2］:儲罐在室溫下脫附時(shí)，壓力從3.5 MPa降至0.25 MPa時(shí)，儲罐的中心溫度下降了22.6℃，脫附量較等溫脫附量大大減少.因此補(bǔ)充脫附過程所需熱量，就成為提高脫附效率的技術(shù)關(guān)鍵.但一方面由于脫附過程是在有限空間汽車內(nèi)發(fā)生，車內(nèi)不可能裝備加熱設(shè)備，另一方面車內(nèi)發(fā)動機(jī)冷卻水溫度能達(dá)到93℃左右，若用發(fā)動機(jī)冷卻水加熱儲氣罐，以補(bǔ)充脫附過程所需熱量，能夠很好地提高儲氣罐的脫附能力.

本文建立發(fā)動機(jī)冷卻水車加熱儲罐，用于脫附過程的數(shù)值模型，模擬計(jì)算了脫附過程中壓力、溫度、脫附量等參數(shù)的變化，論證發(fā)動機(jī)冷卻水用于補(bǔ)充脫附過程所需熱量的可行性，為吸附天然氣汽車的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持.

1 數(shù)學(xué)模型

ANG儲氣罐幾何形狀見圖1，發(fā)動機(jī)冷卻水有2種布置方式，一種是在儲罐外部布置一個(gè)環(huán)形套管，另一種是在儲罐的外部和中心處分別布置冷卻水管.發(fā)動機(jī)冷卻水從水管內(nèi)流過，儲罐內(nèi)裝有活性炭吸附劑，通過對流換熱加熱內(nèi)部的吸附劑.儲罐內(nèi)存有一定吸附壓力下的天然氣，通過脫附向發(fā)動機(jī)供應(yīng)燃料.

圖1 儲罐示意

為了抽象數(shù)學(xué)模型，簡化計(jì)算，做如下假設(shè):

1)忽略活性炭和儲罐壁面的接觸熱阻;

2)罐內(nèi)吸附劑為各向同性的均勻介質(zhì);

3)儲罐內(nèi)壓力均勻分布，溫度沿徑向分布;

4)外壁環(huán)境絕熱.

建立控制方程組:

1)連續(xù)性方程

式中:εt為總孔隙率;ρg為氣相氣體濃度，kg/m3;ρb為活性炭比重，kg/m3;q*為活性炭即時(shí)吸附量，kg/kg;˙m為單位體積的放氣速率，g/(m3·s).

2)放氣速度方程

式中:M為車的用氣速率，g/s;L為儲罐長度，m;R0為儲罐內(nèi)半徑，m.

3)能量方程

式中:λe為床層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K);Cpg為氣體熱容，J/(kg·K);Cps為活性炭熱容，J/(kg·K);ΔH 為吸附熱，J/kg.

4)氣體狀態(tài)方程

式中Mg為甲烷摩爾質(zhì)量，g/mol.

5)吸附量方程［3-4］

式中:qeq為活性炭平衡吸附量，kg/kg;qm為活性炭飽和吸附量，kg/kg.

6)吸附速率的線性推動力方程

式中k為傳質(zhì)系數(shù)，1/s.

7)內(nèi)外壁間流體的能量方程

式中:mo，J為微圓體內(nèi)的流體質(zhì)量，kg;Cpy為水的比熱，J/(kg·K);To，J為J點(diǎn)水的溫度，K;˙mo為水的質(zhì)量流量，kg/s;Qo，J為液體與壁面的對流換熱功率，W.

8)內(nèi)管管壁的能量方程

式中:mw，J為微圓體內(nèi)的管壁質(zhì)量，kg;Tw，J為 J點(diǎn)壁面的溫度，K;Cpw為儲罐壁熱容，J/(kg·K).9)壁面處的換熱量

式中:Ao，J為 J 點(diǎn)內(nèi)管外側(cè)的換熱面積，m2;hy，J為J點(diǎn)的對流換熱系數(shù)，W/(m2·K);Tout為緊挨壁面的控制容積溫度，K.

10)儲罐壁面處按第3類邊界條件處理，儲罐中心處的溫度為軸對稱.

式中:PE為儲罐內(nèi)初始壓力，Pa;PT為脫附終了壓力，Pa;TI為儲罐內(nèi)初始溫度，K;Tw為儲罐壁面溫度，K;R2為套管半徑，m.

采用控制容積積分法對方程式(1)～(13)進(jìn)行離散，用Newton-Raphson 方法［5-7］，用MATLAB 編程進(jìn)行求解，時(shí)間步長取0.01 s，空間步長取0.01 m.

2 算例分析

車用天然氣儲罐內(nèi)吸附存有PE=3.5 MPa，溫度為TI=293.15 K的天然氣，脫附過程從PE=3.5 MPa開始到PT=0.16 MPa結(jié)束.以上海Passat轎車為計(jì)算實(shí)例，該車每百公里耗汽油量為8L，在時(shí)速為100 km/h時(shí)，按熱值相等計(jì)算，天然氣的耗量為M=1.315 g/s［3］.發(fā)動機(jī)出口水溫度為 93 ℃，流量為100 L/min.計(jì)算中用到的數(shù)據(jù)見表1.

表1 模擬中用到的參數(shù)值

表2為只加熱儲罐外壁面時(shí)的脫附性能和傳統(tǒng)脫附性能的對比.由表2分析可知，脫附過程中，發(fā)動機(jī)冷卻水用于加熱外壁面時(shí)，脫附量為3.182 kg，是傳統(tǒng)脫附量的1.163 5 倍.同時(shí)，脫附效率也從75.51%提高到87.85%，增加了儲罐的利用率.吸附劑平均溫度從250.46 K升高到277.34 K.可見，車用發(fā)動機(jī)冷卻水用于補(bǔ)充脫附過程的熱量是可行的，可以增加脫附量.

圖2為脫附終了時(shí)儲罐徑向溫度分布，由圖2可見，靠近儲罐壁面處溫度有很大改善，而內(nèi)部的溫降較大，吸附劑在徑向方向上存在較大溫度梯度.這是由于發(fā)動機(jī)冷卻水只加熱儲罐的外壁面，而在儲罐的中心處，熱量沒有得到及時(shí)補(bǔ)充，導(dǎo)致溫降很大.

表2 不同條件下的脫附性能

圖3是不同脫附時(shí)刻沿徑向的溫度分布，隨著脫附的進(jìn)行，由于吸熱使吸附劑中心處溫降較大，而由于壁面處發(fā)動機(jī)冷卻水的加熱，靠近壁面處的溫降較小.

圖2 脫附終了時(shí)儲罐的徑向溫度分布

圖3 不同脫附時(shí)刻儲罐徑向溫度

表3是運(yùn)用發(fā)動機(jī)冷卻水同時(shí)加熱外壁面和內(nèi)部布置不同管徑的換熱管的脫附性能分析.由表可知，內(nèi)部換熱管的管徑越大，脫附終了時(shí)，床層的均溫越大，管徑的大小對脫附質(zhì)量和脫附效率也有一定程度的改善.當(dāng)內(nèi)部換熱管的直徑分別為0.02，0.04，0.06 m 時(shí)，脫附量分別為3.202，3.216，3.201 kg，分別是傳統(tǒng)脫附量的 1.170 7，1.192 0，1.170 4 倍.但并不是隨管徑的增加而增加.因?yàn)閮?nèi)部換熱管的管徑越大，占據(jù)儲罐的有效容積也越大，一定程度地影響了罐內(nèi)裝填吸附劑的量.但是內(nèi)部換熱管的管徑大，對改善床上的溫度場有利.圖4所示為不同管徑下，脫附終了時(shí)的徑向溫度分布.在3種管徑中，管徑d=0.04 m所對應(yīng)的脫附質(zhì)量和脫附效率最高.

圖5為氣相和吸附相質(zhì)量隨時(shí)間的變化曲線，可見脫附前半段，氣相的氣體釋放較多，而在后半段，吸附相的氣體釋放的較多，這說明活性炭吸附劑在低壓時(shí)具有較好的脫附特性.

圖6是不同導(dǎo)熱系數(shù)下，脫附終了時(shí)徑向溫度變化.當(dāng)吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)為0.2 W/(m·K)時(shí)，吸附劑在徑向方向上存在較大溫度梯度，這是因?yàn)椋诿摳竭^程中，由于導(dǎo)熱系數(shù)太小，無法將外壁面處的熱量傳遞到內(nèi)部.當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)從0.2 W/(m·K)增加到 1.0 W/(m·K)，放氣量從3.18 kg增加到3.81 kg.可見增加吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)，可大大增加脫附量.同時(shí)，吸附劑內(nèi)部徑向的溫度梯度也有了明顯改善.

表3 不同管徑下的脫附質(zhì)量和床層均溫

圖4 不同管徑下脫附終了時(shí)的徑向溫度

圖5 氣相和吸附相質(zhì)量隨時(shí)間的變化

圖6 應(yīng)用冷卻水脫附終了時(shí)的徑向溫度

3 結(jié)語

脫附放氣過程中系統(tǒng)吸熱降溫，降低了系統(tǒng)的脫附性能，用發(fā)動機(jī)冷卻水加熱儲罐，以補(bǔ)充脫附需要的熱量，可以提高儲罐溫度，改善儲罐的溫度場，增加脫附量.文中算例僅加熱外壁面的脫附量比沒有加熱時(shí)傳統(tǒng)脫附量增大了1.163 5倍.當(dāng)內(nèi)壁面換熱管直徑為0.04 m時(shí)，脫附量為傳統(tǒng)脫附量的1.192 0倍.增大吸附劑的導(dǎo)熱系數(shù)也可增加脫附量，當(dāng)導(dǎo)熱系數(shù)從0.2 W/(m·K)增加到1.0 W/(m·K)，放氣量從 3.18 kg增加到3.81 kg.

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Analysis of improving the desorption performance of natural gas vehicle tank using engine cooling water

TAN Yu-fei1，BU Xian-biao1，2，NIU Chuan-kai1

(1.School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，Tanyufei 2002@163.com;2.Guangzhou Institute of Energy Conversion，Chinese Academy of Sciences，510640 Guangzhou，China)

Endothermic effects in desorption process of natural gas vehicle tank seriously affects the gas desorption efficiency and vehicle speed.In this paper，a numerical model in desorption process of heating natural gas vehicle tank by engine cooling water was established，and by which the desorption processes were calculated.It shows that when the tank is heated by the engine cooling water，the rising of temperature makes the desorption amount of natural gas increased obviously.Also，the increasing of diameter of internal cooling pipe and thermal conductivity of adsorbent can increase the desorption amount.

natural gas vehicle tank;desorption process;desorption thermal;numerical simulation

TE821

A

0367-6234(2011)10-0076-04

2010-04-26.

譚羽非(1962—)，女，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 趙麗瑩)