基于L-CNG加气站冷能利用的蓄冰槽性能模拟与分析

赵思越，克红娟，林文胜*，徐世龙

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-中国石化销售有限公司河南分公司，河南郑州 450016）

基于L-CNG加气站冷能利用的蓄冰槽性能模拟与分析

赵思越1，克红娟2，林文胜*1，徐世龙1

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-中国石化销售有限公司河南分公司，河南郑州 450016）

本文根据L-CNG加气站的特点提出了基于L-CNG加气站冷能利用的蓄冷系统，并根据蓄冰槽管外结冰的特点提出了蓄冰槽管外结冰模型并对模型进行简化。本文结合影响蓄冰槽管外结冰的因素对管外结冰特性进行了分析计算，并研究了不同的载冷剂进口温度、流速、浓度以及蓄冰槽内水的初温等因素对蓄冰槽蓄冷特性的影响。根据计算分析结果，本文提出了适合 L-CNG冷能利用系统的蓄冰槽最佳运行工况，为L-CNG冷能利用提供理论基础。

L-CNG；冷能利用；蓄冰槽；结冰；载冷剂

0 引言

L-CNG加气站结合了液化天然气成本低、燃烧热值高、环保安全、运输方便、灵活建站[1]和压缩天然气可车载气瓶装载的优点[2]，并具有加压效率高、占地面积小、运行费用低等特点[3]。LNG在LCNG加气站气化器气化放出830kJ/kg的冷量[4]，在常规加气站中这部分冷量通常被舍弃，造成了很大的能源浪费。随着 L-CNG加气站数量逐渐的增加，以及人们对于提高能源利用效率的追求，L-CNG加气站冷能利用问题逐渐得到了人们的重视。与传统的LNG冷能利用不同，L-CNG的冷能利用具有冷量较小且冷能不连续的特点，可以通过蓄冷装置将 L-CNG气化放出的冷能收集起来，供给 L-CNG加气站周边办公、住宅等使用，这样可以提高 L-CNG加气站的能源利用效率，也可缓解夏季高峰期用电压力，起到节约能源的作用[5]。

蓄冷系统可以分为水蓄冷系统、冰蓄冷系统和相变蓄冷3种[6]，其中冰蓄冷系统由于其蓄冷密度大、设备体积小以及成本较低的特点使其得到最为广泛的应用。在冰蓄冷系统中目前使用较多的形式为盘管式蓄冰槽[7]。相对于内融冰蓄冰槽，外融冰式蓄冰槽可以提高蓄冷的经济性[8]，因此本文对采用载冷剂间接蓄冰的盘管式外融冰蓄冰槽的蓄冰过程进行蓄冰的数值模拟和分析，了解蓄冰槽传热的动态过程。

1 L-CNG冷能利用系统

将 L-CNG冷能利用应用于冰蓄冷空调系统主要流程主要分为3个部分：

1）将储罐的 LNG经低温高压泵加压达到25 MPa，使其满足CNG对于压力的要求，然后LNG经过气化器气化为 CNG同时与载冷剂换热，将来自LNG的冷量传递给气化器另一端的载冷剂；

2）选用适当的载冷剂，通过载冷剂循环将从气化器得到的冷量传递给蓄冰槽内的水；

3）蓄冰槽内水接收来自载冷剂的冷量后结冰，完成蓄冷过程的同时也要保证随时将冷量供给下游空调系统。

基于 L-CNG冷能利用的蓄冷系统在冷源的提供上与传统的冰蓄冷空调系统有很大的不同，前者依靠液化天然气气化提供冷量，后者利用制冷机组在用电低谷时期蓄冷，起到“移峰填谷”的作用[9]，因此两者最佳结冰工况存在较大差异。

2 蓄冷模型的建立及求解

2.1 蓄冷模型建立

蓄冰槽管外结冰的过程是一个三维非稳态的过程，结冰过程中冰层的厚度不断发生变化，蓄冰槽内水的温度不断变化，是一个非常复杂的过程。载冷剂在管内流动，与管外的水或者冰换热主要经历以下3个过程：

1）载冷剂在管内流动与盘管内壁的强制对流换热；

2）通过盘管壁的导热；

3）盘管外壁与冰的导热以及水的自然对流换热。

为了简化模型，对结冰过程做出如下假设[10]：

1）盘管的材料均一，各处的导热系数相等；

2）冰的物理性质视为常数，即冰的密度、导热系数、比热容、结冰潜热视为常数，不随温度变化；

3）盘管在管外结冰可视为与盘管同心的圆环，可以按照纯导热计算其热阻；

4）忽略轴向导热，将其化为径向的一维流动问题；

5）认为固液界面的温度保持不变，为0 ℃；

6）忽略结冰过程中水的显热，认为开始结冰后水的温度保持0 ℃。

通过简化，可以将复杂三维结冰过程模型简化为一维传热模型。

如图1所示，将蓄冰槽盘管沿载冷剂流动方向分为 N段等长的微元段，对每一小段进行能量分析。当分段足够小时，可以认为该段载冷剂进口温度Tin,i与该微元段载冷剂出口温度Tout,i相差很小，此段载冷剂温度Ts,i≈Tin,i。对于第i微元段来说，该段的入口温度等于上一微元段的出口温度，即

蓄冷过程以是否结冰为界限，分为水的显热蓄冷和冰的潜热蓄冷两部分。

图1 蓄冰槽分段示意图

2.2 水的显热蓄冷

显热蓄冷阶段载冷剂和水的换热量等于载冷剂的吸热量也等于水的放热量，即：

Tin,i、Tout,i——第i段内乙二醇溶液的入口温度和出口温度，℃；

qm——乙二醇溶液的质量流量 kg/s；

Cp,s——乙二醇溶液的定压热容J/(kg·℃)；

kAi——传热系数与传热面积的乘积，有：

式中：

Rs,i——乙二醇对流换热热阻，℃/W，其中乙二醇管内强制对流换热系数由Dittus-Boelter公式[11]求得：

Rtube,i——管壁热阻，℃/W；

Rwater,i——水对流换热热阻，℃/W，其中水自然对流换热系数由Churchill and Chu[12]经验式求得：

同样，在水侧有：

式中：

mwater.i——第i段水的质量，kg；

Cp,water——水的比热容，J/(kg·℃)；——上一时刻第i段水槽内水的温度和本时刻内水槽的温度，K。

2.3 冰的潜热蓄冷

在潜热蓄冷阶段水和载冷剂的换热量等于载冷剂的吸热量也等于结冰的放热量，即：

式中：

hice——冰的熔解热，取3.35×105J/kg；

ρice——冰的密度，取900 kg/m³。

式中，Rs,i，Rtube,i，Rwater,i与显热蓄冷中相同，Rice,i是冰层的导热热阻。

由于冰层厚度 dice未知，可以通过迭代的方法求得冰层厚度，再由冰层厚度求得载冷剂出口温度。由于采用的是外融冰式蓄冰槽，在其蓄冰率（IPF）达到40%时停止蓄冰。

3 蓄冷模拟结果及分析

3.1 载冷剂的选择

在常规的蓄冷装置中，载冷剂一般选择质量分数为 25%的乙二醇溶液，其凝固点为-10.7 ℃。在基于L-CNG冷能利用的蓄冰槽设计中，由于LNG的气化温度低，因此为了防止载冷剂被冻结，应该选择凝固点更低的载冷剂，同时还应该满足载冷剂无毒、不可燃、性质稳定、易于获得、价格低廉以及对环境不会产生污染等特点[13]。

由图2可以看出，在一定浓度范围内，乙二醇水溶液凝固点随着溶液浓度增加而降低，因此可以通过增加乙二醇溶液浓度的方法降低其凝固点，使载冷剂满足要求。

图2 乙二醇溶液浓度-冰点曲线图

图3给出了不同质量浓度的乙二醇溶液粘度的变化[14]。乙二醇溶液的浓度越高，在同一温度下粘度越高，越不利于输送，而且浓度越高会对管道产生一定腐蚀。虽然乙二醇溶液的凝固点可以达到-50 ℃，但由于低温下其粘度上升迅速，其工业应用价值在-20 ℃以上，因此在选择乙二醇溶液浓度是应该综合其凝固点、粘度和腐蚀性进行考虑[15]。在下面章节的分析中，除了第3.6节的分析计算外，其余小节的分析计算中选择的乙二醇溶液质量分数均为 60%，其凝固点为-48.3 ℃；选择此浓度是因为载冷剂的最低温度为-25 ℃，60%浓度乙二醇溶液在此温度下不会结冰，且粘度较低，满足对载冷剂的要求。

3.2 蓄冷结果分析

将8 m长的蓄冰管段等分为80份，对每一微元段进行能量分析。取壁面温度为 4 ℃，时间间隔为30 s，在这一时间间隔里，认为其蓄冰槽内每一微元段的温度保持恒定且每一微元段结冰厚度相同。

利用Matlab编程进行计算，在计算中由于载冷剂的温度和水的温度不断变化，其物性也不断变化，由表查得不同浓度不同温度下乙二醇物性后进行拟合并载入分析，可以得到比较精确的解。

1）载冷剂出口温度的变化

从图 4中可以看出，当盘管进口为-20 ℃的60%乙二醇溶液时，出口温度的最高值发生在初始时刻，因为此时载冷剂与水的换热温差最大，且此时没有结冰换热热阻最小，换热量最大，此后随着水和载冷剂的换热温差的减小，载冷剂进出口温度逐渐降低。在11 min时，出口温度达到最低值，这是因为随着管外水温度的下降，在11 min时，水的温度为4 ℃左右，水与壁面温度的温差最小，水的自然换热非常弱，因此导致热阻增加。之后水的温度逐渐降低，自然对流换热温差又有所增大，因此载冷剂出口温度略有回升。在18 min左右，盘管外开始结冰；结冰初期，由于盘管为光管，换热热阻较小，导致载冷剂出口温度会有短暂的升高；随着冰层厚度的逐渐增加，冰层的导热热阻成为主要热阻，导致载冷剂进出口温差逐渐减小，但变化逐渐趋向平缓。

图3 不同浓度乙二醇溶液粘度

图4 载冷剂出口温度随时间变化

2）蓄冰槽内水的温度的变化

蓄冰槽内水的初温为 15 ℃时，且进口载冷剂为-20 ℃的60%乙二醇溶液时蓄冰槽内水的平均温度的变化见图5。从图中可以看到在18 min时蓄冰槽温度达到0 ℃；随着时间的增加，蓄冰槽内水温逐渐降低，但开始阶段降低比较快，主要是因为显热蓄冷的初始阶段水和载冷剂的温差较大，换热比较强；11 min左右时水温降低的速度有所减慢，随后降温速度又有所提升。主要是因为11 min时槽内水的温度为4 ℃左右，水和壁面的换热温差较小导致自然对流的换热量减小，水的温度下降比较慢。

图5 蓄冰槽内平均水温随时间变化

3）冰层厚度随时间的变化

当载冷剂进口温度为-20 ℃，蓄冰槽内水的温度为15 ℃时，在18 min时开始结冰，由图6可以看到，结冰速度先逐渐增加后趋于平缓，这是由于刚开始结冰时，盘管为光管，热阻较小，载冷剂与水换热强烈，冰层增长率较快，结冰过程中冰层厚度逐渐增加，冰层的导热热阻逐渐增加，并且成为主要的换热热阻，换热逐渐减小，冰层厚度的增加逐渐减缓。当结冰厚度为 20 mm（即 IPF≈40%左右时）结冰停止。

3.3 载冷剂进口温度的影响

改变载冷剂进口温度，取-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃、-10 ℃和-5 ℃，观察载冷剂进口温度对于结冰的影响，如图7～图9所示。

由图7可以看出，载冷剂温度变化时，蓄冰槽内水温变化趋势基本相同。载冷剂进口温度越低，水温下降得越快，水温降到0 ℃所需的时间越短，载冷剂进口温度为-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃、-10 ℃和-5 ℃时蓄冰槽内水下降到 0 ℃需要的时间分别为为16 min、19 min、24 min、31 min和48 min。

由图8可以看出，载冷剂进口温度对于结冰的影响。载冷剂进口温度越低，结冰厚度达到20 mm所需要的时间越短，并且随着载冷剂温度的降低，结冰初期冰层厚度的增长率越快。

图6 结冰厚度随时间的变化

图7 载冷剂温度对蓄冰槽内水的平均温度的影响

图8 载冷剂温度对于结冰的影响

由图 9可以看到，载冷剂温度由-5℃降低到-25 ℃时，结冰时间变为原来的20%，特别是载冷剂温度低于-10 ℃时对于结冰时间有很大的减小。传统的冰蓄冷空调需要制冷主机提供冷源，载冷剂进口温度的降低可以减少结冰时间，但是过低的载冷剂温度会降低制冷主机的效率，一般制冷主机的蒸发温度每下降 1 ℃，主机的效率下降 3%[16]。因此设计时应该综合考虑，不宜选取过低的载冷剂温度，一般温度选择在-5 ℃左右，此时制冷机组COP下降比较少且结冰量比较多[17]。基于 L-CNG冷能利用的蓄冷系统的冷源与传统冰蓄冷空调有较大的不同。对于基于 L-CNG加气站冷能利用的蓄冰槽的设计，LNG的最低温度为-162 ℃，选取合适的载冷剂，合理设计 LNG气化器，完全可以为蓄冰槽提供-20 ℃甚至更低温度的冷量。但是如果蓄冷温度过低，LNG冷能利用率将下降，对于气化器盘管材料也会提出更高的要求，会导致制作成本的增加，因此综合考虑，-15 ℃～-20 ℃是较为合适的载冷剂温度区间。

图9 不同载冷剂进口温度蓄冷时间比较

3.4 蓄冰槽内水的初温的影响

由图10和图11可以看到，不同的蓄冰槽水的初温下，蓄冰槽内载冷剂的出口温度以及水的温度变化趋势基本是相同的。由图 10可以看到，在同样的载冷剂进口温度-20 ℃下，蓄冰槽内水的初温越高，载冷剂与水的温差越大，换热量越大，载冷剂初始时刻出口温度越高。

由图11可以看到，蓄冰槽内水的温度越高，蓄冰槽内水降到 0 ℃所需要的时间越长，而且蓄冰槽内水的初温越高，水的温度变化率越高，这也是因为初温越高水和载冷剂的温差越大，单位时间内水温下降的越多。但是蓄冰槽的初始水温的高低对于结冰并没有影响，因为结冰时水已经全部降低到0 ℃，已经和水的初温没有关系。因此，在不同的蓄冰槽初始温度下，蓄冰槽内水的结冰时间和结冰厚度以及结冰过程中载冷剂出口温度变化是相同的。

由图10和图11还可以看到，当蓄冰槽内水的初温低于4 ℃时，载冷剂出口温度和水槽平均温度与其他温度有所不同，载冷剂出口温度不会出现进出口温差极小值，这是因为低于4 ℃时不会出现水和壁面自然对流换热的极小值。

图10 蓄冰槽内水的初温对载冷剂出口温度影响

图11 蓄冰槽内水的初温对槽内水平均温度的影响

3.5 载冷剂流速的影响

改变载冷剂的流速，取 0.3 m/s～2 m/s，图 12显示了流速对于结冰时间的影响；流速在1 m/s～2 m/s时，结冰时间几乎没有太大的变化，而当流速小于1m/s时结冰时间明显增加。

图 13为载冷剂流速对于载冷剂温度的影响。可以看到，改变载冷剂的流速对于初始的载冷剂出口温度的影响较大，主要是因为在换热初期换热不均匀，载冷剂流速对于换热的影响较大；因此，流速降低时，载冷剂和水有充分的时间换热，载冷剂出口温差提高。随着换热的进行，特别是随着结冰的进行，影响换热的主要因素为冰的导热热阻；在结冰结束时载冷剂的流速对于载冷剂出口温度影响不大。

图12 不同载冷剂流速对结冰时间的影响

图13 不同载冷剂流速对载冷剂出口温度的影响

3.6 载冷剂浓度的影响

选取质量分数为30%、40%和60%的乙二醇溶液，分析在载冷剂进口温度为-10 ℃时的结冰情况。图14和图15为不同乙二醇浓度载冷剂出口温度和结冰厚度随时间的变化图。由图中可以看到，对于不同浓度相同温度的乙二醇溶液，浓度对于结冰的影响很小，因此只需要考虑浓度满足其凝固温度的影响即可，乙二醇浓度过高反而会腐蚀管道，对传热造成影响。

图14 不同浓度乙二醇溶液下载冷剂出口温度变化

图15 不同浓度乙二醇溶液对结冰厚度的影响

4 总结与展望

本文对基于 L-CNG冷能利用的蓄冰槽管外结冰的过程进行了分析，通过数值分析可以观察到载冷剂初温、载冷剂流速以及槽内水的初温以及载冷剂的种类对于结冰的影响，得出如下结论：

1）降低载冷剂的温度可以提高蓄冷的效率，减少结冰时间，但载冷剂温度不宜过低，因为温度过低后对于结冰效率的提升并不明显，反而会增加气化器的材料成本，降低了其经济性；

2）蓄冰槽内水的初温对于显热蓄冷阶段的影响较大，对于潜热蓄冷阶段没有很大的影响；

3）载冷剂的流速小于0.5 m/s时，结冰时间明显增加且载冷剂进出口温差也有明显升高，而载冷剂流速在1 m/s～2 m/s时对于结冰的影响不大；可以在此流速区间内选择载冷剂的流速；

4）乙二醇溶液可以作为 L-CNG冷能利用系统的中间流体。不同浓度的乙二醇对结冰的影响不大，只需要根据其凝固点选择合适浓度乙二醇即可。

[1]杨文刚, 陈杰. 无动力 LNG汽车加注装置[J]. 制冷技术, 2013, 33(3): 27-29.

[2]钱文斌, 章阳, 李丹华, 等. L-CNG与 CNG加气站技术经济比较[J]. 煤气与热力, 2012, 32(4): B14-B16.

[3]祝家新, 林文胜. 天然气汽车加气站发展趋势及L-CNG加气站技术特点[J]. 能源技术, 2007, 28(1):32-35.

[4]顾安忠, 鲁雪生, 汪顺荣, 等. 液化天然气技术[M]. 2版. 北京: 机械工业出版社, 2015.

[5] 王玉伟, 后磊. L-CNG 加气站及其冷能回收用于冰蓄冷系统的设计[J]. 石油库与加油站, 2015, 24(12):14-17.

[6]李浙, 黄锐远. 冰蓄冷空调系统设计方法[J]. 制冷技术, 2001, 21(2): 11-15.

[7]方贵银. 蓄能空调技术[M]. 北京: 机械工业出版社,2006: 80-120.

[8]朱学锦. 某金融中心冰蓄冷系统的应用与经济性分析[J]. 制冷技术, 2016, 36(4): 72-78.

[9]卢建波. 论冰蓄冷空调系统的优劣[J]. 建筑安全,2013(5): 39-41.

[10]邹同华, 申江, 成天及. 水平管外结冰特性的理论与实践研究[J]. 制冷技术, 2001, 21(3): 32-35.

[11]杨世铭, 陶文铨. 传热学[M]. 北京: 高等教育出版社,2007: 243-255.

[12]吕晓艳. 管壳式外融冰槽热工性能及应用研究[D]. 北京: 清华大学, 2004.

[13]于航. 空调蓄冷技术与设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007: 50-123.

[14]ASHRAE. ASHRAE handbook 2009 Fundamentals[M].Atlanta: American of Society of Heating, Refrigerating and Air-conditioning Engineers, Inc., 2009.

[15]李曼, 张哲, 田津津. LNG冷能用于冷藏车的系统设计及分析[J]. 制冷技术, 2014, 34(4): 38-52.

[16]陈林. 不完全冻结方式的导热塑料蓄冰盘管传热性能研究[D]. 杭州: 浙江大学, 2002.

[17]张奕, 张小松. 冷媒进出口温度对管外结冰过程的影响[J]. 暖通空调, 2004, 34(10): 110-113.

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

*林文胜（1967-），男，博士，副教授。研究方向：液化天然气。联系地址：上海市闵行区东川路800号上海交通大学，邮编：200240。联系电话：021-34206533。E-mail：linwsh@sjtu.edu.cn。

本论文选自2016年第九届全国制冷空调新技术研讨会。