基于L-CNG加氣站冷能利用的蓄冰槽性能模擬與分析

趙思越，克紅娟，林文勝*，徐世龍

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-中國石化銷售有限公司河南分公司，河南鄭州 450016）

基于L-CNG加氣站冷能利用的蓄冰槽性能模擬與分析

趙思越1，克紅娟2，林文勝*1，徐世龍1

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-中國石化銷售有限公司河南分公司，河南鄭州 450016）

本文根據L-CNG加氣站的特點提出了基于L-CNG加氣站冷能利用的蓄冷系統，并根據蓄冰槽管外結冰的特點提出了蓄冰槽管外結冰模型并對模型進行簡化。本文結合影響蓄冰槽管外結冰的因素對管外結冰特性進行了分析計算，并研究了不同的載冷劑進口溫度、流速、濃度以及蓄冰槽內水的初溫等因素對蓄冰槽蓄冷特性的影響。根據計算分析結果，本文提出了適合 L-CNG冷能利用系統的蓄冰槽最佳運行工況，為L-CNG冷能利用提供理論基礎。

L-CNG；冷能利用；蓄冰槽；結冰；載冷劑

0 引言

L-CNG加氣站結合了液化天然氣成本低、燃燒熱值高、環保安全、運輸方便、靈活建站[1]和壓縮天然氣可車載氣瓶裝載的優點[2]，并具有加壓效率高、占地面積小、運行費用低等特點[3]。LNG在LCNG加氣站氣化器氣化放出830kJ/kg的冷量[4]，在常規加氣站中這部分冷量通常被舍棄，造成了很大的能源浪費。隨著 L-CNG加氣站數量逐漸的增加，以及人們對于提高能源利用效率的追求，L-CNG加氣站冷能利用問題逐漸得到了人們的重視。與傳統的LNG冷能利用不同，L-CNG的冷能利用具有冷量較小且冷能不連續的特點，可以通過蓄冷裝置將 L-CNG氣化放出的冷能收集起來，供給 L-CNG加氣站周邊辦公、住宅等使用，這樣可以提高 L-CNG加氣站的能源利用效率，也可緩解夏季高峰期用電壓力，起到節約能源的作用[5]。

蓄冷系統可以分為水蓄冷系統、冰蓄冷系統和相變蓄冷3種[6]，其中冰蓄冷系統由于其蓄冷密度大、設備體積小以及成本較低的特點使其得到最為廣泛的應用。在冰蓄冷系統中目前使用較多的形式為盤管式蓄冰槽[7]。相對于內融冰蓄冰槽，外融冰式蓄冰槽可以提高蓄冷的經濟性[8]，因此本文對采用載冷劑間接蓄冰的盤管式外融冰蓄冰槽的蓄冰過程進行蓄冰的數值模擬和分析，了解蓄冰槽傳熱的動態過程。

1 L-CNG冷能利用系統

將 L-CNG冷能利用應用于冰蓄冷空調系統主要流程主要分為3個部分：

1）將儲罐的 LNG經低溫高壓泵加壓達到25 MPa，使其滿足CNG對于壓力的要求，然后LNG經過氣化器氣化為 CNG同時與載冷劑換熱，將來自LNG的冷量傳遞給氣化器另一端的載冷劑；

2）選用適當的載冷劑，通過載冷劑循環將從氣化器得到的冷量傳遞給蓄冰槽內的水；

3）蓄冰槽內水接收來自載冷劑的冷量后結冰，完成蓄冷過程的同時也要保證隨時將冷量供給下游空調系統。

基于 L-CNG冷能利用的蓄冷系統在冷源的提供上與傳統的冰蓄冷空調系統有很大的不同，前者依靠液化天然氣氣化提供冷量，后者利用制冷機組在用電低谷時期蓄冷，起到“移峰填谷”的作用[9]，因此兩者最佳結冰工況存在較大差異。

2 蓄冷模型的建立及求解

2.1 蓄冷模型建立

蓄冰槽管外結冰的過程是一個三維非穩態的過程，結冰過程中冰層的厚度不斷發生變化，蓄冰槽內水的溫度不斷變化，是一個非常復雜的過程。載冷劑在管內流動，與管外的水或者冰換熱主要經歷以下3個過程：

1）載冷劑在管內流動與盤管內壁的強制對流換熱；

2）通過盤管壁的導熱；

3）盤管外壁與冰的導熱以及水的自然對流換熱。

為了簡化模型，對結冰過程做出如下假設[10]：

1）盤管的材料均一，各處的導熱系數相等；

2）冰的物理性質視為常數，即冰的密度、導熱系數、比熱容、結冰潛熱視為常數，不隨溫度變化；

3）盤管在管外結冰可視為與盤管同心的圓環，可以按照純導熱計算其熱阻；

4）忽略軸向導熱，將其化為徑向的一維流動問題；

5）認為固液界面的溫度保持不變，為0 ℃；

6）忽略結冰過程中水的顯熱，認為開始結冰后水的溫度保持0 ℃。

通過簡化，可以將復雜三維結冰過程模型簡化為一維傳熱模型。

如圖1所示，將蓄冰槽盤管沿載冷劑流動方向分為 N段等長的微元段，對每一小段進行能量分析。當分段足夠小時，可以認為該段載冷劑進口溫度Tin,i與該微元段載冷劑出口溫度Tout,i相差很小，此段載冷劑溫度Ts,i≈Tin,i。對于第i微元段來說，該段的入口溫度等于上一微元段的出口溫度，即

蓄冷過程以是否結冰為界限，分為水的顯熱蓄冷和冰的潛熱蓄冷兩部分。

圖1 蓄冰槽分段示意圖

2.2 水的顯熱蓄冷

顯熱蓄冷階段載冷劑和水的換熱量等于載冷劑的吸熱量也等于水的放熱量，即：

Tin,i、Tout,i——第i段內乙二醇溶液的入口溫度和出口溫度，℃；

qm——乙二醇溶液的質量流量 kg/s；

Cp,s——乙二醇溶液的定壓熱容J/(kg·℃)；

kAi——傳熱系數與傳熱面積的乘積，有：

式中：

Rs,i——乙二醇對流換熱熱阻，℃/W，其中乙二醇管內強制對流換熱系數由Dittus-Boelter公式[11]求得：

Rtube,i——管壁熱阻，℃/W；

Rwater,i——水對流換熱熱阻，℃/W，其中水自然對流換熱系數由Churchill and Chu[12]經驗式求得：

同樣，在水側有：

式中：

mwater.i——第i段水的質量，kg；

Cp,water——水的比熱容，J/(kg·℃)；——上一時刻第i段水槽內水的溫度和本時刻內水槽的溫度，K。

2.3 冰的潛熱蓄冷

在潛熱蓄冷階段水和載冷劑的換熱量等于載冷劑的吸熱量也等于結冰的放熱量，即：

式中：

hice——冰的熔解熱，取3.35×105J/kg；

ρice——冰的密度，取900 kg/m3。

式中，Rs,i，Rtube,i，Rwater,i與顯熱蓄冷中相同，Rice,i是冰層的導熱熱阻。

由于冰層厚度 dice未知，可以通過迭代的方法求得冰層厚度，再由冰層厚度求得載冷劑出口溫度。由于采用的是外融冰式蓄冰槽，在其蓄冰率（IPF）達到40%時停止蓄冰。

3 蓄冷模擬結果及分析

3.1 載冷劑的選擇

在常規的蓄冷裝置中，載冷劑一般選擇質量分數為 25%的乙二醇溶液，其凝固點為-10.7 ℃。在基于L-CNG冷能利用的蓄冰槽設計中，由于LNG的氣化溫度低，因此為了防止載冷劑被凍結，應該選擇凝固點更低的載冷劑，同時還應該滿足載冷劑無毒、不可燃、性質穩定、易于獲得、價格低廉以及對環境不會產生污染等特點[13]。

由圖2可以看出，在一定濃度范圍內，乙二醇水溶液凝固點隨著溶液濃度增加而降低，因此可以通過增加乙二醇溶液濃度的方法降低其凝固點，使載冷劑滿足要求。

圖2 乙二醇溶液濃度-冰點曲線圖

圖3給出了不同質量濃度的乙二醇溶液粘度的變化[14]。乙二醇溶液的濃度越高，在同一溫度下粘度越高，越不利于輸送，而且濃度越高會對管道產生一定腐蝕。雖然乙二醇溶液的凝固點可以達到-50 ℃，但由于低溫下其粘度上升迅速，其工業應用價值在-20 ℃以上，因此在選擇乙二醇溶液濃度是應該綜合其凝固點、粘度和腐蝕性進行考慮[15]。在下面章節的分析中，除了第3.6節的分析計算外，其余小節的分析計算中選擇的乙二醇溶液質量分數均為 60%，其凝固點為-48.3 ℃；選擇此濃度是因為載冷劑的最低溫度為-25 ℃，60%濃度乙二醇溶液在此溫度下不會結冰，且粘度較低，滿足對載冷劑的要求。

3.2 蓄冷結果分析

將8 m長的蓄冰管段等分為80份，對每一微元段進行能量分析。取壁面溫度為 4 ℃，時間間隔為30 s，在這一時間間隔里，認為其蓄冰槽內每一微元段的溫度保持恒定且每一微元段結冰厚度相同。

利用Matlab編程進行計算，在計算中由于載冷劑的溫度和水的溫度不斷變化，其物性也不斷變化，由表查得不同濃度不同溫度下乙二醇物性后進行擬合并載入分析，可以得到比較精確的解。

1）載冷劑出口溫度的變化

從圖 4中可以看出，當盤管進口為-20 ℃的60%乙二醇溶液時，出口溫度的最高值發生在初始時刻，因為此時載冷劑與水的換熱溫差最大，且此時沒有結冰換熱熱阻最小，換熱量最大，此后隨著水和載冷劑的換熱溫差的減小，載冷劑進出口溫度逐漸降低。在11 min時，出口溫度達到最低值，這是因為隨著管外水溫度的下降，在11 min時，水的溫度為4 ℃左右，水與壁面溫度的溫差最小，水的自然換熱非常弱，因此導致熱阻增加。之后水的溫度逐漸降低，自然對流換熱溫差又有所增大，因此載冷劑出口溫度略有回升。在18 min左右，盤管外開始結冰；結冰初期，由于盤管為光管，換熱熱阻較小，導致載冷劑出口溫度會有短暫的升高；隨著冰層厚度的逐漸增加，冰層的導熱熱阻成為主要熱阻，導致載冷劑進出口溫差逐漸減小，但變化逐漸趨向平緩。

圖3 不同濃度乙二醇溶液粘度

圖4 載冷劑出口溫度隨時間變化

2）蓄冰槽內水的溫度的變化

蓄冰槽內水的初溫為 15 ℃時，且進口載冷劑為-20 ℃的60%乙二醇溶液時蓄冰槽內水的平均溫度的變化見圖5。從圖中可以看到在18 min時蓄冰槽溫度達到0 ℃；隨著時間的增加，蓄冰槽內水溫逐漸降低，但開始階段降低比較快，主要是因為顯熱蓄冷的初始階段水和載冷劑的溫差較大，換熱比較強；11 min左右時水溫降低的速度有所減慢，隨后降溫速度又有所提升。主要是因為11 min時槽內水的溫度為4 ℃左右，水和壁面的換熱溫差較小導致自然對流的換熱量減小，水的溫度下降比較慢。

圖5 蓄冰槽內平均水溫隨時間變化

3）冰層厚度隨時間的變化

當載冷劑進口溫度為-20 ℃，蓄冰槽內水的溫度為15 ℃時，在18 min時開始結冰，由圖6可以看到，結冰速度先逐漸增加后趨于平緩，這是由于剛開始結冰時，盤管為光管，熱阻較小，載冷劑與水換熱強烈，冰層增長率較快，結冰過程中冰層厚度逐漸增加，冰層的導熱熱阻逐漸增加，并且成為主要的換熱熱阻，換熱逐漸減小，冰層厚度的增加逐漸減緩。當結冰厚度為 20 mm（即 IPF≈40%左右時）結冰停止。

3.3 載冷劑進口溫度的影響

改變載冷劑進口溫度，取-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃、-10 ℃和-5 ℃，觀察載冷劑進口溫度對于結冰的影響，如圖7～圖9所示。

由圖7可以看出，載冷劑溫度變化時，蓄冰槽內水溫變化趨勢基本相同。載冷劑進口溫度越低，水溫下降得越快，水溫降到0 ℃所需的時間越短，載冷劑進口溫度為-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃、-10 ℃和-5 ℃時蓄冰槽內水下降到 0 ℃需要的時間分別為為16 min、19 min、24 min、31 min和48 min。

由圖8可以看出，載冷劑進口溫度對于結冰的影響。載冷劑進口溫度越低，結冰厚度達到20 mm所需要的時間越短，并且隨著載冷劑溫度的降低，結冰初期冰層厚度的增長率越快。

圖6 結冰厚度隨時間的變化

圖7 載冷劑溫度對蓄冰槽內水的平均溫度的影響

圖8 載冷劑溫度對于結冰的影響

由圖 9可以看到，載冷劑溫度由-5℃降低到-25 ℃時，結冰時間變為原來的20%，特別是載冷劑溫度低于-10 ℃時對于結冰時間有很大的減小。傳統的冰蓄冷空調需要制冷主機提供冷源，載冷劑進口溫度的降低可以減少結冰時間，但是過低的載冷劑溫度會降低制冷主機的效率，一般制冷主機的蒸發溫度每下降 1 ℃，主機的效率下降 3%[16]。因此設計時應該綜合考慮，不宜選取過低的載冷劑溫度，一般溫度選擇在-5 ℃左右，此時制冷機組COP下降比較少且結冰量比較多[17]?；?L-CNG冷能利用的蓄冷系統的冷源與傳統冰蓄冷空調有較大的不同。對于基于 L-CNG加氣站冷能利用的蓄冰槽的設計，LNG的最低溫度為-162 ℃，選取合適的載冷劑，合理設計 LNG氣化器，完全可以為蓄冰槽提供-20 ℃甚至更低溫度的冷量。但是如果蓄冷溫度過低，LNG冷能利用率將下降，對于氣化器盤管材料也會提出更高的要求，會導致制作成本的增加，因此綜合考慮，-15 ℃～-20 ℃是較為合適的載冷劑溫度區間。

圖9 不同載冷劑進口溫度蓄冷時間比較

3.4 蓄冰槽內水的初溫的影響

由圖10和圖11可以看到，不同的蓄冰槽水的初溫下，蓄冰槽內載冷劑的出口溫度以及水的溫度變化趨勢基本是相同的。由圖 10可以看到，在同樣的載冷劑進口溫度-20 ℃下，蓄冰槽內水的初溫越高，載冷劑與水的溫差越大，換熱量越大，載冷劑初始時刻出口溫度越高。

由圖11可以看到，蓄冰槽內水的溫度越高，蓄冰槽內水降到 0 ℃所需要的時間越長，而且蓄冰槽內水的初溫越高，水的溫度變化率越高，這也是因為初溫越高水和載冷劑的溫差越大，單位時間內水溫下降的越多。但是蓄冰槽的初始水溫的高低對于結冰并沒有影響，因為結冰時水已經全部降低到0 ℃，已經和水的初溫沒有關系。因此，在不同的蓄冰槽初始溫度下，蓄冰槽內水的結冰時間和結冰厚度以及結冰過程中載冷劑出口溫度變化是相同的。

由圖10和圖11還可以看到，當蓄冰槽內水的初溫低于4 ℃時，載冷劑出口溫度和水槽平均溫度與其他溫度有所不同，載冷劑出口溫度不會出現進出口溫差極小值，這是因為低于4 ℃時不會出現水和壁面自然對流換熱的極小值。

圖10 蓄冰槽內水的初溫對載冷劑出口溫度影響

圖11 蓄冰槽內水的初溫對槽內水平均溫度的影響

3.5 載冷劑流速的影響

改變載冷劑的流速，取 0.3 m/s～2 m/s，圖 12顯示了流速對于結冰時間的影響；流速在1 m/s～2 m/s時，結冰時間幾乎沒有太大的變化，而當流速小于1m/s時結冰時間明顯增加。

圖 13為載冷劑流速對于載冷劑溫度的影響?？梢钥吹?，改變載冷劑的流速對于初始的載冷劑出口溫度的影響較大，主要是因為在換熱初期換熱不均勻，載冷劑流速對于換熱的影響較大；因此，流速降低時，載冷劑和水有充分的時間換熱，載冷劑出口溫差提高。隨著換熱的進行，特別是隨著結冰的進行，影響換熱的主要因素為冰的導熱熱阻；在結冰結束時載冷劑的流速對于載冷劑出口溫度影響不大。

圖12 不同載冷劑流速對結冰時間的影響

圖13 不同載冷劑流速對載冷劑出口溫度的影響

3.6 載冷劑濃度的影響

選取質量分數為30%、40%和60%的乙二醇溶液，分析在載冷劑進口溫度為-10 ℃時的結冰情況。圖14和圖15為不同乙二醇濃度載冷劑出口溫度和結冰厚度隨時間的變化圖。由圖中可以看到，對于不同濃度相同溫度的乙二醇溶液，濃度對于結冰的影響很小，因此只需要考慮濃度滿足其凝固溫度的影響即可，乙二醇濃度過高反而會腐蝕管道，對傳熱造成影響。

圖14 不同濃度乙二醇溶液下載冷劑出口溫度變化

圖15 不同濃度乙二醇溶液對結冰厚度的影響

4 總結與展望

本文對基于 L-CNG冷能利用的蓄冰槽管外結冰的過程進行了分析，通過數值分析可以觀察到載冷劑初溫、載冷劑流速以及槽內水的初溫以及載冷劑的種類對于結冰的影響，得出如下結論：

1）降低載冷劑的溫度可以提高蓄冷的效率，減少結冰時間，但載冷劑溫度不宜過低，因為溫度過低后對于結冰效率的提升并不明顯，反而會增加氣化器的材料成本，降低了其經濟性；

2）蓄冰槽內水的初溫對于顯熱蓄冷階段的影響較大，對于潛熱蓄冷階段沒有很大的影響；

3）載冷劑的流速小于0.5 m/s時，結冰時間明顯增加且載冷劑進出口溫差也有明顯升高，而載冷劑流速在1 m/s～2 m/s時對于結冰的影響不大；可以在此流速區間內選擇載冷劑的流速；

4）乙二醇溶液可以作為 L-CNG冷能利用系統的中間流體。不同濃度的乙二醇對結冰的影響不大，只需要根據其凝固點選擇合適濃度乙二醇即可。

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Simulation and Analysis of Performance of Ice Storage Tank Based on Cold Energy Utilization in L-CNG Fueling Station

ZHAO Siyue1, KE Hongjuan2, LIN Wensheng*1, XU Shilong1
(1- Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2-Henan Petroleum Branch, SinoPec Sales Co. Ltd., Zhengzhou, Henan 450016, China)

In this paper, the ice storage system based on the cold energy utilization in L-CNG fueling station has been proposed. On the basis of the characteristics of the ice-forming on the outside of the coils, the model is proposed and simplified, and the analysis and calculation to the icing process under the influence of different factors are performed. Meanwhile the influence factors, such as the temperature, the flow rate and the concentration of the secondary refrigerant and so on, are also studied. The optimal operational states of the ice storage tank are suggested, which can provide theoretical basis for the study of the cold energy utilization in L-CNG fueling station.

L-CNG; Cold energy utilization; Ice storage tank; Ice-forming; Secondary refrigerant

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.04.200

*林文勝（1967-），男，博士，副教授。研究方向：液化天然氣。聯系地址：上海市閔行區東川路800號上海交通大學，郵編：200240。聯系電話：021-34206533。E-mail：linwsh@sjtu.edu.cn。

本論文選自2016年第九屆全國制冷空調新技術研討會。