利用LNG汽化冷能替代獨立車輛空調探討

付江維等

摘要：通過回收LNG冷能用于駕駛室空調，達到節約能源提高經濟性的目的。針對LNG冷量回收過程中的大溫差換熱關鍵技術， 提出了帶有蓄冷功能的多級冷能回收系統。針對空調使用溫度與發動機天然氣進氣溫度的矛盾，提出了采用二級汽化器的發動機燃料供給系統。

關鍵詞：液化天然氣（LNG）；冷能；蓄冷裝置；

1.概述

LNG需要氣化為氣態天然氣之后才能夠提供給發動機燃燒， LNG的氣化過程需要吸收很大能量，目前的氣化方式為采用發動機冷卻水循環加熱，通過冷卻系統散失，造成了能量的巨大浪費。若將LNG氣化的冷能回收用于汽車空調制冷，既節約了能源， 又有利于環保， 具有顯著的經濟效益和社會價值。

2. LNG冷能分析

LNG氣化時會放出很大的冷能，其值約為830KJ/kg[2]。若LNG擁有的冷能能以100%的效率轉化為電力，那么1t LNG的冷能相當于240kW·h[4]。德國梅賽爾公司制造完成的LNG冷藏車，經過98年一個夏天的運輸檢驗，以穩定的運行工況、良好的冷藏效果、低污染的環保優勢，得到了科隆地方政府認可。冷藏車每小時消耗（12～15）kg LNG，其制冷能力為218kW[8]。

以某2款車型消耗LNG冷能與空調系統需求冷能對比計算如表1：

3.LNG 冷量回收空調系統的建立

3.1一級汽化器

一級汽化器的作用是完成LNG冷能的釋放與收集，將LNG冷能傳遞給中間冷媒。由于LNG溫度為-162℃，如將天然氣與空氣直接進行潛熱、顯熱的交換， 換熱溫差將會達到170℃～ 200℃。如此大的傳熱溫差對空氣換熱器來講是難以實現的。將會出現空氣中水蒸汽凝結等現象，導致換熱效率下降甚至出現管路阻塞。影響整車空調系統使用和整車天然氣系統的正常供氣，導致車輛不能整車行駛等故障。

為最大限度地回收LNG冷量， 并滿足汽車空調的使用要求，考慮使用中間冷媒進行多級換熱， 盡量減小一次傳熱溫差。根據車輛使用情況，乙二醇水溶液作為中間媒介是合適的，其具有比熱容大、無毒、不可燃、性能穩定、容易獲取等優點。為減少冷能損耗，在一級汽化器外層包裹隔熱材料，提高冷能利用率。

采用高溫LNG加熱低溫LNG，介質加熱高溫LNG的方式，將一次熱交換變換為二次熱交換，降低每次熱交換溫差，確保介質不會出現低溫凍結，提高熱交換效率。考慮到介質不能在一級汽化器的出口被凍結，必須要保持一定的流速；同時為盡量避免空氣冷卻器表面結霜，介質的供冷量也不能太大。因此對于該冷量回收汽車空調系統，在介質溫度滿足換熱要求的前提下，流量保持在100L/h[1]左右較為合適。見圖2。

3.2蓄冷系統

蓄冷裝置的作用是完成與低溫天然氣的熱交換和冷能的儲存與傳遞。發動機工況不停地變化，所消耗的天然氣產生的冷能差別很大，根據表1計算可達3倍左右，系統中需要增加緩沖裝置，平衡發動機工況的變化導致的冷能的變化，因此在系統中增加蓄冷裝置。一些商用的低溫相變儲熱材料的物性數據如表2所示：

以STL-6為例，其相變溫度為-6℃，相變潛熱為284 kJ/kg，體積儲熱密度為304KJ/L。

3.3空調系統

空調系統的作用是將低溫介質所攜帶的從低溫天然氣中回收的冷能通過和空氣熱交換釋放到駕駛室內，最終實現制冷的功能。介質通過水泵泵入空調系統蒸發器與通過軸流式風扇強制循環空氣進行熱交換，將冷能釋放到空氣中對駕駛室內進行制冷。經過熱交換的介質再回到蓄冷系統中進行下一次循環。

3.4二級汽化器

二級汽化器的作用是對經過一級汽化器的天然氣進一步加熱，使其滿足發動機的使用要求。

由于一級汽化器需要滿足空調系統溫度需要，使得氣化后的天然氣溫度不能滿足發動機的使用要求（玉柴發動機要求天然氣進氣溫度30℃～50℃[7]），需要進行二次加熱。二級汽化器可以采用普通水浴蛇管式汽化器結構。由于發動機使用工況與空調使用情況的不確定性，使得一級汽化器出口天然氣溫度不能保持穩定。根據發動機對天然氣進氣溫度要求，節溫器開始關閉的溫度設計為30℃左右，完全關閉溫度50℃左右。

4.結束語

LNG車輛相比于柴油車具有明顯的經濟性、環保性，其利用開發前景十分廣闊。上述對LNG冷能回收利用于整車空調系統主要流程及各主要零部件進行了闡述，在此基礎上可以進一步確定各換熱器結構參數、空調控制參數，為系統開發提供基礎支持。

參考文獻：

[1]王強等.LNG汽車冷能回收空調系統[J].天然氣工業，2005，25（10）：124～126.

[2]李靜等.LNG冷能利用現狀及發展前景[J].天然氣工業，2005，25（5）：103～105.

[3]華賁等.中國LNG冷能利用的進展和展望[J].天然氣工業，2009，29（5）：107～111.

作者簡介：

付江維（1984.11-），男，江西樟樹人，集瑞聯合重工有限公司，工程師，主要研究方向為汽車燃料供給系統和排氣系統。

邢玉剛（1980.2-），男，河南新鄉人，集瑞聯合重工有限公司，工程師，主要研究方向為汽車排氣系統、進氣系統和燃料供給系統。

聶永生（1985.10-），男，安徽壽縣人，集瑞聯合重工有限公司，工程師，主要研究方向為汽車燃料供給系統和進氣系統。