蓄冷式LNG冷藏車可行性分析

尹鑫林， 黃小美

(1.南昌市燃氣集團有限公司，江西南昌330000；2.重慶大學城市建設與環境工程學院，重慶400044)

1 概述

LNG冷藏車作為新型冷藏車形式之一，既順應市場發展，又滿足環境要求，存在很大的發展潛力。前人在對LNG冷藏車可行性研究方面，關于LNG氣化釋放的冷能能不能滿足冷鏈運輸需求的問題，忽視了一些細節，主要有以下幾方面：

① 忽視了LNG在LNG汽車車載鋼瓶中的狀態與普通常壓儲存狀態的差異。文獻[1]指出：正常情況下，車載鋼瓶的最小工作壓力不能低于發動機供氣系統要求的工作壓力，中、輕型載貨汽車發動機的工作壓力為0.65～1.35 MPa，重型載貨汽車的工作壓力為0.86～1.35 MPa。

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

③ 對市場上的冷藏車產品，都有打冷時間(冷藏車制冷設備將車廂內溫度由室溫降至冷箱運行溫度所需的時間)的要求。那么LNG冷藏車該如何滿足打冷需求，會消耗多少LNG，又如何進行優化?也是一個值得我們關注的問題。

2 LNG冷能用于汽車行業的主要方式

① 冷卻發動機

利用LNG在氣化器里釋放出的冷量來冷卻發動機，其原理見圖1。

圖1 LNG氣化冷量冷卻發動機

將LNG氣化冷量冷卻發動機，這一技術已經投入市場。由于LNG在鋼瓶中的溫度極低，氣化時釋放的冷量極大，這種利用方式沒有注意到對LNG冷能品位的利用，且其回收利用率也很低。此方式可作為逐級利用LNG冷能的最后一個環節，提高冷能的利用率。

② LNG冷能用于汽車空調

由于車內空調調控溫度為26 ℃左右，因此LNG與空氣之間的換熱溫差巨大，針對如何降低溫差、保證供冷的調節等技術難題，前人已經做了諸多研究，文獻[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區域制冷。

③ LNG冷能用于冷鏈運輸

張哲等人[3]提出將LNG冷量回收，用于低溫冷藏車的冷藏運輸，使得LNG冷藏車既能以LNG為動力燃料，又能利用LNG氣化升溫過程中釋放的冷量來制冷，實現了LNG冷量的最大化利用。這種方式與前兩種相比，能更有效地達到節能的目的。

3 LNG作為冷藏車能源的優勢

相對于傳統冷藏車，LNG冷藏車的優勢非常明顯，因為在LNG冷藏車中，LNG既用作燃料，又用作制冷劑[3]。

3.1 LNG動力優勢

① 環保性能更好

LNG在生產過程中，由于在低溫下液化，且經凈化處理，不含重烴、硫等雜質，其有害氣體排放量更低，很容易達到國Ⅴ標準，因此LNG汽車環保性能更好。

② 經濟性更明顯

LNG能量密度大，一次加注行駛里程可達600 km。目前LNG銷售價格按等熱量計算，約為柴油價格的60%～80%。

③ 運行更可靠

LNG是經凈化處理、深冷生產的高純凈燃料。可以給LNG發動機提供穩定可控制的空燃比，使發動機的工作性能得到優化，而且發動機燃燒平衡，避免了爆燃，動力性更好，從而提高了發動機的可靠性，大大延長了發動機的使用壽命[4]。

3.2 LNG制冷優勢

LNG作為制冷劑時，冷藏車與目前主流冷藏車(機械冷藏車)相比，省去了壓縮機、冷凝器、蒸發器、膨脹閥等裝置，不僅減小了制冷系統的質量，而且使結構得以簡化，降低了投資和維護成本，同時消除了機械制冷產生的噪聲污染[5-10]。

4 蓄冷式LNG冷藏車的可行性分析和優化

前人針對LNG冷藏車提出了多種LNG冷量回收方法。文獻[3]針對傳統LNG冷藏車制冷方式的缺點，提出了3種改進方案，分別是直冷式、冷板式和蓄冷式LNG冷藏車。直冷式LNG冷藏車氣化器采用星型空溫式翅片管換熱器，并在其周圍用薄鋼板做一個風道，頂部裝一個風機，通過向上抽風，使氣化器表面以強制對流方式換熱，不僅實現了冷量回收，而且空氣循環使廂體內溫度分布更均勻，但是由于氣化器傳熱溫差過大而引起冷量利用率低的問題仍然沒得到徹底解決。冷板式LNG冷藏車在直冷式LNG冷藏車基礎上加裝冷板，通過LNG與低溫天然氣換熱、低溫天然氣與載冷劑換熱，從而實現了二級換熱，最大限度地實現了LNG冷能回收。與直冷式LNG冷藏車相比， 冷板式LNG冷藏車由于要添加冷板,增加天然氣管道長度，因此增加了成本，給系統的設計也帶來一定難度。蓄冷式LNG冷藏車在冷量回收系統中充注載冷劑，通過載冷劑與LNG的冷量交換，完成冷量的傳遞與儲存，同時對系統的冷量供應進行調節，不僅降低了LNG的換熱溫差，同時設備也相對簡單，通過冷量回收系統可以穩定地對廂體供應冷量。通過對這3種方案的特點進行分析，肯定了蓄冷式LNG冷藏車的發展前景，并指出在LNG冷藏車中，冷量回收系統及蓄冷系統的設計尤為關鍵，它的合理設計可以提高冷量的回收效率，方便進行冷量調節。

4.1 蓄冷式LNG冷藏車冷能利用方式

蓄冷式LNG冷藏車采用蓄冷裝置收集LNG冷能，工藝過程見圖2。

圖2 蓄冷式LNG冷藏車工藝過程1.汽車發動機 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，經控制閥進入氣化器，在氣化器中被載冷劑加熱，變為天然氣并升溫至-40 ℃后進入加熱器，加熱至送氣溫度后，送入天然氣發動機進行燃燒。在氣化器中，載冷劑被冷卻降溫，然后進入蓄冷裝置和換熱器，對車廂內空氣進行冷卻，升溫后返回蓄冷裝置，如此循環。

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冷藏車由于傳熱溫差較大，空氣中的水容易凝結、結霜，使空氣側傳熱系數下降的問題，而且能保障LNG制冷系統和整個冷藏車的安全性能。但是，文獻[3]也指出，該方式對載冷劑的性質提出了一定要求，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密度。針對這個問題，譚宏博等人[11]以水為相變工質，對基于LNG冷藏車的相變蓄冷(固液相變-對流耦合傳熱)問題中水的凍結特性進行了實驗研究。李曼等人[6]則對比了純乙二醇和60%乙二醇水溶液后，以后者為載冷劑進行了LNG冷藏車的無相變蓄冷實驗，并論證得出，60%乙二醇水溶液適合作為LNG冷藏車的載冷劑。因此本文中計算以60%乙二醇水溶液為LNG冷藏車的載冷劑。

4.2 冷量匹配計算

4.2.1 各類冷藏車制冷量的確定

文獻[12]推薦的機械冷藏車制冷量范圍見表1。

表1 機械冷藏車制冷量范圍

4.2.2 各類LNG冷藏車耗氣量的確定

根據LNG汽車運行數據統計，1 L柴油進入發動機燃燒后產生的動力相當于1.3 m3天然氣燃燒產生的動力[5]。因此，LNG冷藏車耗氣量可通過同類別的柴油冷藏車類比得出，這3種LNG冷藏車的耗氣量見表2。

4.2.3 LNG氣化冷量及打冷量的確定

① LNG汽車正常行駛下氣化冷量的確定

LNG氣化冷量指LNG從鋼瓶內飽和液態氣化

表2 3種LNG冷藏車的耗氣量

和加熱到預定狀態時釋放的冷量，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定狀態時釋放的冷量。氣化冷量計算公式為：

Q=ρV[(h2-h1)+cp(T2-T1)]

(1)

式中Q——氣化冷量，kJ

ρ——標況下(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、氣化終了狀態的溫度，K

直接用CH4進行計算，CH4的各項熱物性參數見表3[13]。因為車載鋼瓶的最小工作壓力不能低于發動機供氣系統要求的工作壓力，中、輕型載貨汽車發動機的工作壓力為0.65～1.35 MPa，重型載貨汽車的工作壓力為0.86～1.35 MPa，故取甲烷的飽和壓力為1.04 MPa，對應的飽和溫度為150 K。以60%乙二醇水溶液為載冷劑的LNG冷藏車為例，根據冷藏車制冷系統設計經驗，車廂內冷藏溫度為-20 ℃，載冷劑溫度在-30 ℃左右，天然氣氣化終了狀態的溫度T2取233 K。故根據公式(1)計算得到不同車廂容積的LNG冷藏車正常行駛情況下的氣化冷量，見表4，表4中所需制冷量是依據表1而得。

表3 甲烷飽和液體、飽和蒸氣的熱物性參數

表4 LNG冷藏車空載時正常行駛情況下的氣化冷量和制冷能力

由于氣耗與載貨質量、路況和個人習慣有關，因此在實際情況下還有提升，氣化冷量和制冷能力也會隨之提高；現在冷藏車廂體大多采用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，對于不同的冷藏車，根據表4中的所需制冷量下限與制冷能力對比，發現LNG氣化和升溫的冷能，基本能滿足冷藏車的需求。

② LNG汽車打冷量和怠速情況下氣化冷量的確定

LNG汽車打冷量(即打冷所需制冷量)計算公式為：

Φd=Φ1+Φ2+Φ3

(2)

(3)

(4)

(5)

式中Φd——打冷量，W

Φ1——消除車廂內空氣蓄熱量需要的打冷量，W

Φ2——消除車廂圍護結構蓄熱量需要的打冷量，W

Φ3——打冷過程中廂體內外的平均傳熱量，W

cp——車廂內空氣的比定壓熱容，J/(kg·K)

ρa——打冷初始時刻的空氣密度，kg/m3

V1——車廂容積，m3

ΔT——打冷初始時刻與終了時刻的空氣溫度差，K

t——打冷時間，s

cw——車廂圍護結構的平均比熱容，J/(kg·K)

ρw——圍護結構的密度，kg/m3

Vw——圍護結構的體積，m3

ΔT1——打冷初始時刻圍護結構溫度與打冷終了時刻圍護結構平均溫度之差，K

T3——打冷初始時刻圍護結構溫度，K，為303.15 K

T4——打冷終了時刻車廂內的溫度，K，為253.15 K

假設打冷是將車廂溫度從30 ℃降至-20 ℃，空箱關門打冷。以冷藏車要求打冷時間為90 min為例，車廂內空氣的比定壓熱容為1.4 kJ/(kg·K)，30 ℃時空氣密度為1.15 kg/m3，根據公式(3)求Φ1。根據文獻[13]可知，cw為2.2 kJ/(kg·K)，ρw為40 kg/m3，計算可得Φ2。打冷初始時刻車廂內外溫差為0，打冷終了時刻車廂內外溫差為50 ℃，則打冷過程中廂體內外的平均傳熱量Φ3取表4中冷藏車在正常行駛過程中所需制冷量下限的50%。計算結果見表5。

根據實際經驗，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。根據公式(1)可以求得怠速情況下的氣化冷量和制冷能力，計算結果見表6。

表5 LNG冷藏車打冷量計算

表6 LNG冷藏車怠速情況下氣化冷量及制冷能力

對比表5和表6可知，LNG汽車在怠速情況下的制冷能力不能滿足冷藏車的打冷需求，在未來這是一個需要解決的問題。

5 結論

① 從LNG冷能在汽車行業中的應用方式出發，分析LNG冷藏車的優勢。在LNG冷藏車中，LNG既用作燃料，又用作制冷劑，同時省去了機械制冷的設備，消除了噪聲污染，而且運行成本低，實現了LNG冷量的最大化利用。

② 針對不同車廂容積、空載情況下蓄冷式LNG冷藏車，對正常行駛時LNG冷藏車的制冷能力、怠速時制冷能力以及冷藏車的打冷量進行計算。正常行駛時，制冷能力能滿足冷藏車所需制冷量。怠速時，制冷能力不能滿足所需打冷量，需要進一步研究。