蓄冷式LNG冷藏车可行性分析

尹鑫林， 黄小美

(1.南昌市燃气集团有限公司，江西南昌330000；2.重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400044)

1 概述

LNG冷藏车作为新型冷藏车形式之一，既顺应市场发展，又满足环境要求，存在很大的发展潜力。前人在对LNG冷藏车可行性研究方面，关于LNG气化释放的冷能能不能满足冷链运输需求的问题，忽视了一些细节，主要有以下几方面：

① 忽视了LNG在LNG汽车车载钢瓶中的状态与普通常压储存状态的差异。文献[1]指出：正常情况下，车载钢瓶的最小工作压力不能低于发动机供气系统要求的工作压力，中、轻型载货汽车发动机的工作压力为0.65～1.35 MPa，重型载货汽车的工作压力为0.86～1.35 MPa。

② 不同容积的冷藏车，其耗气量和制冷量也有差异。因此，LNG冷能是否能满足不同类型冷藏车制冷量的要求，其利用又适合什么容积的冷藏车？

③ 对市场上的冷藏车产品，都有打冷时间(冷藏车制冷设备将车厢内温度由室温降至冷箱运行温度所需的时间)的要求。那么LNG冷藏车该如何满足打冷需求，会消耗多少LNG，又如何进行优化?也是一个值得我们关注的问题。

2 LNG冷能用于汽车行业的主要方式

① 冷却发动机

利用LNG在气化器里释放出的冷量来冷却发动机，其原理见图1。

图1 LNG气化冷量冷却发动机

将LNG气化冷量冷却发动机，这一技术已经投入市场。由于LNG在钢瓶中的温度极低，气化时释放的冷量极大，这种利用方式没有注意到对LNG冷能品位的利用，且其回收利用率也很低。此方式可作为逐级利用LNG冷能的最后一个环节，提高冷能的利用率。

② LNG冷能用于汽车空调

由于车内空调调控温度为26 ℃左右，因此LNG与空气之间的换热温差巨大，针对如何降低温差、保证供冷的调节等技术难题，前人已经做了诸多研究，文献[2]指出可以利用中间冷媒与LNG换热，使冷媒获得冷量，温度降低，再利用中间冷媒在空调区域制冷。

③ LNG冷能用于冷链运输

张哲等人[3]提出将LNG冷量回收，用于低温冷藏车的冷藏运输，使得LNG冷藏车既能以LNG为动力燃料，又能利用LNG气化升温过程中释放的冷量来制冷，实现了LNG冷量的最大化利用。这种方式与前两种相比，能更有效地达到节能的目的。

3 LNG作为冷藏车能源的优势

相对于传统冷藏车，LNG冷藏车的优势非常明显，因为在LNG冷藏车中，LNG既用作燃料，又用作制冷剂[3]。

3.1 LNG动力优势

① 环保性能更好

LNG在生产过程中，由于在低温下液化，且经净化处理，不含重烃、硫等杂质，其有害气体排放量更低，很容易达到国Ⅴ标准，因此LNG汽车环保性能更好。

② 经济性更明显

LNG能量密度大，一次加注行驶里程可达600 km。目前LNG销售价格按等热量计算，约为柴油价格的60%～80%。

③ 运行更可靠

LNG是经净化处理、深冷生产的高纯净燃料。可以给LNG发动机提供稳定可控制的空燃比，使发动机的工作性能得到优化，而且发动机燃烧平衡，避免了爆燃，动力性更好，从而提高了发动机的可靠性，大大延长了发动机的使用寿命[4]。

3.2 LNG制冷优势

LNG作为制冷剂时，冷藏车与目前主流冷藏车(机械冷藏车)相比，省去了压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀等装置，不仅减小了制冷系统的质量，而且使结构得以简化，降低了投资和维护成本，同时消除了机械制冷产生的噪声污染[5-10]。

4 蓄冷式LNG冷藏车的可行性分析和优化

前人针对LNG冷藏车提出了多种LNG冷量回收方法。文献[3]针对传统LNG冷藏车制冷方式的缺点，提出了3种改进方案，分别是直冷式、冷板式和蓄冷式LNG冷藏车。直冷式LNG冷藏车气化器采用星型空温式翅片管换热器，并在其周围用薄钢板做一个风道，顶部装一个风机，通过向上抽风，使气化器表面以强制对流方式换热，不仅实现了冷量回收，而且空气循环使厢体内温度分布更均匀，但是由于气化器传热温差过大而引起冷量利用率低的问题仍然没得到彻底解决。冷板式LNG冷藏车在直冷式LNG冷藏车基础上加装冷板，通过LNG与低温天然气换热、低温天然气与载冷剂换热，从而实现了二级换热，最大限度地实现了LNG冷能回收。与直冷式LNG冷藏车相比， 冷板式LNG冷藏车由于要添加冷板,增加天然气管道长度，因此增加了成本，给系统的设计也带来一定难度。蓄冷式LNG冷藏车在冷量回收系统中充注载冷剂，通过载冷剂与LNG的冷量交换，完成冷量的传递与储存，同时对系统的冷量供应进行调节，不仅降低了LNG的换热温差，同时设备也相对简单，通过冷量回收系统可以稳定地对厢体供应冷量。通过对这3种方案的特点进行分析，肯定了蓄冷式LNG冷藏车的发展前景，并指出在LNG冷藏车中，冷量回收系统及蓄冷系统的设计尤为关键，它的合理设计可以提高冷量的回收效率，方便进行冷量调节。

4.1 蓄冷式LNG冷藏车冷能利用方式

蓄冷式LNG冷藏车采用蓄冷装置收集LNG冷能，工艺过程见图2。

图2 蓄冷式LNG冷藏车工艺过程1.汽车发动机 2.加热器 3.控制阀 4.LNG钢瓶 5.冷冻货物 6.换热器 7.蓄冷装置和气化器

在蓄冷装置中充注载冷剂，LNG在压力作用下从钢瓶中流出，经控制阀进入气化器，在气化器中被载冷剂加热，变为天然气并升温至-40 ℃后进入加热器，加热至送气温度后，送入天然气发动机进行燃烧。在气化器中，载冷剂被冷却降温，然后进入蓄冷装置和换热器，对车厢内空气进行冷却，升温后返回蓄冷装置，如此循环。

这种方式，LNG不是与空气直接换热，而是与载冷剂换热，因此降低了换热温差，不仅解决了直冷式LNG冷藏车由于传热温差较大，空气中的水容易凝结、结霜，使空气侧传热系数下降的问题，而且能保障LNG制冷系统和整个冷藏车的安全性能。但是，文献[3]也指出，该方式对载冷剂的性质提出了一定要求，既要有较低的凝固温度、较大的比热容，又要有较好的传热性能和较小的相对密度。针对这个问题，谭宏博等人[11]以水为相变工质，对基于LNG冷藏车的相变蓄冷(固液相变-对流耦合传热)问题中水的冻结特性进行了实验研究。李曼等人[6]则对比了纯乙二醇和60%乙二醇水溶液后，以后者为载冷剂进行了LNG冷藏车的无相变蓄冷实验，并论证得出，60%乙二醇水溶液适合作为LNG冷藏车的载冷剂。因此本文中计算以60%乙二醇水溶液为LNG冷藏车的载冷剂。

4.2 冷量匹配计算

4.2.1 各类冷藏车制冷量的确定

文献[12]推荐的机械冷藏车制冷量范围见表1。

表1 机械冷藏车制冷量范围

4.2.2 各类LNG冷藏车耗气量的确定

根据LNG汽车运行数据统计，1 L柴油进入发动机燃烧后产生的动力相当于1.3 m3天然气燃烧产生的动力[5]。因此，LNG冷藏车耗气量可通过同类别的柴油冷藏车类比得出，这3种LNG冷藏车的耗气量见表2。

4.2.3 LNG气化冷量及打冷量的确定

① LNG汽车正常行驶下气化冷量的确定

LNG气化冷量指LNG从钢瓶内饱和液态气化

表2 3种LNG冷藏车的耗气量

和加热到预定状态时释放的冷量，包含两部分：一部分是饱和液体气化为饱和蒸气释放的冷量，另一部分是饱和蒸气升温到预定状态时释放的冷量。气化冷量计算公式为：

Q=ρV[(h2-h1)+cp(T2-T1)]

(1)

式中Q——气化冷量，kJ

ρ——标况下(温度273.15 K，压力101.325 kPa)天然气的密度，kg/m3

V——天然气消耗量，m3

h1,h2——饱和状态LNG、饱和蒸气的比焓，kJ/kg

cp——天然气的比定压热容，kJ/(kg·K)

T1、T2——饱和蒸气状态、气化终了状态的温度，K

直接用CH4进行计算，CH4的各项热物性参数见表3[13]。因为车载钢瓶的最小工作压力不能低于发动机供气系统要求的工作压力，中、轻型载货汽车发动机的工作压力为0.65～1.35 MPa，重型载货汽车的工作压力为0.86～1.35 MPa，故取甲烷的饱和压力为1.04 MPa，对应的饱和温度为150 K。以60%乙二醇水溶液为载冷剂的LNG冷藏车为例，根据冷藏车制冷系统设计经验，车厢内冷藏温度为-20 ℃，载冷剂温度在-30 ℃左右，天然气气化终了状态的温度T2取233 K。故根据公式(1)计算得到不同车厢容积的LNG冷藏车正常行驶情况下的气化冷量，见表4，表4中所需制冷量是依据表1而得。

表3 甲烷饱和液体、饱和蒸气的热物性参数

表4 LNG冷藏车空载时正常行驶情况下的气化冷量和制冷能力

由于气耗与载货质量、路况和个人习惯有关，因此在实际情况下还有提升，气化冷量和制冷能力也会随之提高；现在冷藏车厢体大多采用100 mm厚的聚氨酯作为隔热层，所需制冷量可取下限。因此可以看出，对于不同的冷藏车，根据表4中的所需制冷量下限与制冷能力对比，发现LNG气化和升温的冷能，基本能满足冷藏车的需求。

② LNG汽车打冷量和怠速情况下气化冷量的确定

LNG汽车打冷量(即打冷所需制冷量)计算公式为：

Φd=Φ1+Φ2+Φ3

(2)

(3)

(4)

(5)

式中Φd——打冷量，W

Φ1——消除车厢内空气蓄热量需要的打冷量，W

Φ2——消除车厢围护结构蓄热量需要的打冷量，W

Φ3——打冷过程中厢体内外的平均传热量，W

cp——车厢内空气的比定压热容，J/(kg·K)

ρa——打冷初始时刻的空气密度，kg/m3

V1——车厢容积，m3

ΔT——打冷初始时刻与终了时刻的空气温度差，K

t——打冷时间，s

cw——车厢围护结构的平均比热容，J/(kg·K)

ρw——围护结构的密度，kg/m3

Vw——围护结构的体积，m3

ΔT1——打冷初始时刻围护结构温度与打冷终了时刻围护结构平均温度之差，K

T3——打冷初始时刻围护结构温度，K，为303.15 K

T4——打冷终了时刻车厢内的温度，K，为253.15 K

假设打冷是将车厢温度从30 ℃降至-20 ℃，空箱关门打冷。以冷藏车要求打冷时间为90 min为例，车厢内空气的比定压热容为1.4 kJ/(kg·K)，30 ℃时空气密度为1.15 kg/m3，根据公式(3)求Φ1。根据文献[13]可知，cw为2.2 kJ/(kg·K)，ρw为40 kg/m3，计算可得Φ2。打冷初始时刻车厢内外温差为0，打冷终了时刻车厢内外温差为50 ℃，则打冷过程中厢体内外的平均传热量Φ3取表4中冷藏车在正常行驶过程中所需制冷量下限的50%。计算结果见表5。

根据实际经验，在怠速情况下，柴油的耗油量一般是2～3 L/h，换算成天然气是2.6～3.9 m3/h。根据公式(1)可以求得怠速情况下的气化冷量和制冷能力，计算结果见表6。

表5 LNG冷藏车打冷量计算

表6 LNG冷藏车怠速情况下气化冷量及制冷能力

对比表5和表6可知，LNG汽车在怠速情况下的制冷能力不能满足冷藏车的打冷需求，在未来这是一个需要解决的问题。

5 结论

① 从LNG冷能在汽车行业中的应用方式出发，分析LNG冷藏车的优势。在LNG冷藏车中，LNG既用作燃料，又用作制冷剂，同时省去了机械制冷的设备，消除了噪声污染，而且运行成本低，实现了LNG冷量的最大化利用。

② 针对不同车厢容积、空载情况下蓄冷式LNG冷藏车，对正常行驶时LNG冷藏车的制冷能力、怠速时制冷能力以及冷藏车的打冷量进行计算。正常行驶时，制冷能力能满足冷藏车所需制冷量。怠速时，制冷能力不能满足所需打冷量，需要进一步研究。