lng汽车冷能回收空调系统数值分析与仿真

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1、LNG汽车冷能回收空调系统数值分析与仿真王强，董德发（山东建筑大学热能工程学院制冷教研室，济南250014）摘要：绿色汽车燃料液化天然气（LNG）具有大量的冷能，将该冷能回收用于汽车空调具有节能和环保的双重意义。本文对带有蓄冷功能的多级冷能回收汽车空调系统进行了模块化数值分析。初步研究了空冷器中乙二醇溶液进口温度对换热量、冷风温度的影响；乙二醇溶液流量对进出口乙二醇溶液温度及冷风温度的影响。结果表明，板翅换热器出口乙二醇溶液温度在275K左右，乙二醇溶液流量保持在100L/h左右较为合适。主题词：液化天然气；冷能回收；空调系统；数值分析；仿真作者简

2、介：王强(1971-)，男，山东文登人，博士，副教授，主要从事低温食品冷链及LNG冷量回收方面的研究。Email：xjdwq@163.com，Tel：13964173540液化天然气（LNG）以液态存储方式代替压缩天然气（CNG）压缩存储方式，具有排放污染小、能量存储密度大、安全性能高等特点，已经成为一种极具发展潜力的“绿色”汽车替代燃料[1,2]。德国戴姆勒－奔驰公司推出的液化天然气技术系统（LNGT）一经面世就向世人展示了一种安全、经济、环保的汽车驱动新概念[3]。2001年全球已经有4000多辆液化天然气汽车（LNGV）在运行，近几年在美国等

3、西方发达国家年增长率约60%，表现出强劲的发展势头[4]。随着中原油田燃气汽车改装厂、上海交通大学等国内单位液化天然气汽车样车的研制成功，相信LNGV在我国也将得到快速的发展。液化天然气存储在111K左右的低温下，在汽化的过程中释放出大量的冷能，其制冷量在860～883kJ/kg之间，若将该冷能回收用于汽车空调，实现免费供冷，既节约了能源，又实现了环保，具有显著的经济效益和社会价值[5]。1冷量回收系统的组成LNG冷量回收汽车空调系统流程图如图1所示[6]。24汽车空调间1发动机保温系统3761110981205130③①②1液化天然气杜瓦2盘管换

4、热器3套管换热器4板翅换热器5乙二醇蓄冷箱6风冷换热器7液体泵8过滤器9冷凝器10汽车发动机11冷却水箱12低温阀门13低压储气罐图1LNG冷量回收汽车空调系统流程图5在图1中，为了实现液化天然气的低温温度到汽车空调的制冷温度过渡，并且尽量的减小冷量损失，采用了两个循环，一个是天然气多次自加热气化循环；另一个是乙二醇载冷蓄冷循环。这两个循环通过换热器4联系起来，主换热器4的作用就是使天然气冷量传给乙二醇，实现了由低温循环向制冷循环的转换，把低温下的LNG冷量用作汽车空调制冷。在乙二醇载冷蓄冷循环中，天然气的冷量通过主换热器4传递给了乙二醇溶液，乙二

5、醇蓄冷箱5具有蓄冷的作用，当汽车全速运行时，且汽车内热负荷不大时，可以启动蓄冷循环，把冷量储存在乙二醇蓄冷箱5内的乙二醇中，而在怠速或停车时需要冷量大时，利用蓄冷罐内储存的冷量制冷。这样解决了汽车空调需要的冷量与液化天然气消耗量不匹配的关系，能够使空调制冷达到需要的最佳工况。2、LNG冷量回收系统数值分析系统的模块化数值分析是将系统分成几个模块，用数学形式表达每个模块中各设备的运行状况。再通过模块的连接，对整个系统进行仿真研究[7]。在本文所研究的系统中，主要的部件是各种不同的换热器，建立换热器的多节点模型（全分布参数模型）。采用步进计算的方法，把

6、换热器流道分成若干微元段，以上一个微元段的出口参数作为下一个微元段的入口参数，经过迭代计算，得出相关的参数变化情况。在选取微元控制体时，x方向为换热器纵向，△x由换热器的管径或者排间距确定；y方向则为流道方向，△y由选取的微元个数决定。微元控制体示意图如图2所示。图2换热器计算微元控制体示意图控制方程为：（1）（2）（3）其中，d——换热器在此微元处管道直径或当量直径，m——微元段流体在定性温度下的密度，kg/m3v——流体的流速，m/scp——微元段流体在定性温度下的定压比热，kJ/(kg·K)——流体的质量流量，kg/sk——换热系数，W/(m

7、2·K)A——换热面积，m2△tm——平均温差，Kti，ti+1，tj，tj+1——分别为节点温度，K蓄冷循环乙二醇蓄冷器进出口及内部溶液流量、温度如图3所示。5图3蓄冷循环示意图其控制方程为，（4）（5）（6）（7）3系统仿真及结果分析基于单个部件模型，将各部件组合成一个整体，实现系统仿真。稳态系统仿真用于预测一定工况下装置稳定运行时所表现出来的性能，反映各部件之间的耦合特性。系统稳态运行数值模拟计算流程图如图4所示。图4系统稳态运行数值模拟计算流程图5空气冷却器空气出口温度随乙二醇溶液进口温度（即板翅换热器出口乙二醇溶液温度）变化的模拟结果如图

8、5所示。图5空气冷却器空气出口温度随乙二醇进口温度的变化由图5可以看出，随着乙二醇进口温度的升高，空气冷却器中空气的出口温