液化天然气汽车双动力循环系统

２００７年第４期总第１５８期低温工程

ＣＲＹＯＧＥＮＩＣＳＮｏ．４２００７ＳｕｍＮｏ．１５８

液化天然气汽车双动力循环系统梁骞厉彦忠谭宏博（西安交通大学制冷低温研究所西安７１００４９）摘要：在分析液化天然气（ＬＮＧ）冷能构成的基础上，提出一种由ＬＮＧ开式朗肯循环和天然气内燃机循环组成的ＬＮＧ汽车双动力循环系统，并对系统相关参数进行了计算分析。结果表明，该系统不仅可以回收ＬＮＧ冷量，而且可以利用ＬＮＧ冷量’桶的做功能力输出动力，系统可用能较普通ＬＮＧ汽车增加９．８２％，充分利用了ＬＮＧ宝贵的冷能资源，具有较好的节能环保效果。关键词：ＬＮＧ汽车双动力冷量冷量炯开式朗肯循环中图分类号：ＴＢ６１２文献标识码：Ａ文章编号：１０００－６５１６（２００７）０４旬０４７ｍ４

ＲｅｓｅｒｃｈｏｎｄｕａｌｐｏｗｅｒｃｙｃｌｅｓｙｓｔｅｍｏｆＬＮＧＶｅｈｉｃｌｅｓＬｉａｎｇＱｉａｎＬｉＹａｎｚｈｏｎｇＴａｎＨｏｎｇｂｏ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＲｅ衔ｇｅｒａｔｉｏｎａｎｄｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｘｉ’ａｎＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉ’ａｎ７１００４９，ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎ

ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｌｉｑｕｅｆｉｅｄｎａｔｕｒａｌｇａｓ（ＬＮＧ）ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｅｎｅｒｇｙｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ａｄｕａｌ

ｐｏｗｅｒｃｙｃｌｅｓｙｓｔｅｍｏｆＬＮＧｖｅｈｉｃｌｅｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆａｎＬＮＧｏｐｅｎｉｎｇＲａｎｋｉｎｅｃｙｃｌｅａｎｄａｎａｔｕｒａｌｇａｓｃｏｍｂｕｓ。ｔｉｏｎｅｎｇｉｎｅｃｙｃｌｅｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．ＴｈｅｃｏｒｒｅｌａｔｉＶｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃｏｕｌｄｒｅｃｏｖｅｒＬＮＧｃＩｙｏｇｅｎｉｃｅｎｅｒｇｙａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｐｏｗｅｒｂｙｕｔｉｌｉｚｉｎｇＬＮＧｃ０１ｄｅｘｅｒｇｙ．ＣｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｃｏｍｍｏｎＬＮＧｖｅｈｉｃｌｅｓ，ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｕｔｉｌｉｚｅｄｉｎｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｉｎｃｒｅａｓｅｄｂｙ９．８２％．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｒｅｃｏＶｅｒｅｄａｎｄｕｔｉｌｉｚｅｄＬＮＧｃｒｙｏｇｅｎｉｃｅｎｅｒｇｙｅｆｂｃｔｉＶｅｌｙ，ｔｈｅｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｎｖｉｒｏｎ—ｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｐｅｒｆｂｍＩａｎｃｅｅｆｆ色ｃｔｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｏｂｖｉｏｕｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＬＮＧｖｅｈｉｃｌｅｓ；ｄｕａｌｐｏｗｅｒ；ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｅｎｅｒｇｙ；ｃｏｌｄｅｘｅｒｇｙ；ｏｐｅｎｉｎｇＲａｎｋｉｎｅｃｙｃｌｅ

ｌ引言

近年来，世界ＬＮＧ的生产应用发展迅速，年平均增长率高达２０％，年运输贸易额达６０００多万吨。为限制汽车尾气的排放，世界许多国家和地方当局都为推行ＬＮＧ汽车采取政府扶持政策，这为ＬＮＧ汽车的发展创造了良好的条件…。在中国，ＬＮＧ的应用也在逐渐受到重视。随着ＬＮＧ需求量的不断加大，深圳、厦门、宁波等地较大收稿日期：２００７加３－０３；修订日期：２００７—０５—１０作者简介：梁骞，男，２３岁，硕士研究生。规模的ＬＮＧ接收站陆续建成；亚太和中东地区丰富的天然气资源也可以作为中国引进天然气的重要基地¨１。ＬＮＧ汽车具有效率高、污染小、噪音少、运行成本低、能量储存密度大、冷量可回收利用，相对于ＣＮＧ汽车充灌时间短、安全性好、连续行驶里程长、建站投资少等诸多优势心Ｊ，相信随着ＬＮＧ生产以及充灌、计量等配套设施的逐步完善，ＬＮＧ汽车也会取得长足发展。但ＬＮＧ汽车也有一些不足之处。由于气缸进气

　万方数据４８低温工程

充气系数较小，混合气热值低等原因，与同排量的汽油机相比，天然气发动机的功率有所降低＂。。在很多没有冷量回收装置的ＬＮＧ汽车上，作为汽车燃料的ＬＮＧ升温汽化后直接进入发动机燃烧，使得ＬＮＧ中蕴含的大量宝贵的冷能资源白白浪费。基于目前ＬＮＧ汽车发展的市场前景以及对上述存在问题的思考，本课题组开展了对ＬＮＧ汽车双动力循环系统的研究。２ＬＮＧ的冷量及冷量炯分析２．１ＬＮＧ的冷量分析冷量是系统在低于环境温度下通过边界做功所传递的热量¨ｏ。对于低温工质，冷量仅仅描述了它吸收热量的能力。当ＬＮＧ从饱和温度ｒ。（丁。＜％）复温至环境温度Ｌ时所释放出的冷量为：Ｑ。＝ｒ＋ｃ。（％一只），其中ｒ为ｔ所对应饱和温度的相变潜热，ｃ。为定压比热容。２．２ＬＮＧ的冷量堋分析当工质温度低于环境温度时，系统从环境吸热外界得到的最大有用功；或者工作在环境温度与低温之间的卡诺热机所做的有用功，叫做冷量炯Ｈ１。处于Ｚ（Ｚ＜兀）温度的ＬＮＧ的冷量炯值为；ｒ％只Ｅｐ＝Ｅ。＋Ｊ（；一１）・８Ｑ。＝ＪＴＳ』７１．ｒ％ｒ．（≠一１）ｒ＋ｆ（昔一１）ｃ，ｄｒ』ＳＪＴＳ』ＬＮＧ的冷量回收主要是利用其吸热的能力使其它物体降温，这仅仅是能量转移原理的应用。在环境温度相同的条件下，低温下的能质系数比高温下要高的多。因此，从节能的角度出发，利用低温下系统的做功能力比只用低温工质放出的冷量更有价值Ｈ。。由热力学知识可知，温差可以产生动力。如果在回收ＬＮＧ冷量的同时，利用其低于环境温度的冷量炯来产生动力，则可以较充分的利用ＬＮＧ低温下宝贵的冷能资源，不仅实现能量“量”的转移，而且实现能量“质”的利用。基于上述分析，作者及所在课题组在多年ＬＮＧ冷能回收利用研究的基础上，提出了在ＬＮＧ汽车上利用ＬＮＧ低温与发动机排气高温之间开式朗肯循环的ＬＮＧ汽车双动力循环系统。动的开式朗肯循环以及天然气活塞式内燃机循环两部分。在整个工作循环中，从储罐出来的ＬＮＧ经泵加压后通过车载食物冷藏箱Ａ回收其冷量，经过集气罐稳压后分别流经回热器Ｂ和换热器ｃ，被回流天

然气和内燃机排气加热，温度升高后进入膨胀机做功，其间采取抽气再热的方式利用内燃机排气在换热器ｃ内再热，做功后的天然气进入内燃机燃烧，排气经过换热器ｃ回收部分余热后排出。弘Ｊｓ图中循环的各点参数如表１所示。

图１ＬＮＧ汽车双动力系统循环原理Ａ．车载食物冷藏箱；Ｂ，ｃ．换热器。Ｆｉｇ．１ＦｌｏｗｃｈａｒｔｏｆＬＮＧｖｅｈｉｃｌｅｓ’ｄＯｕｂＩｅ－ｐｏｗｅｒｃｙｃｌｅｓｙｓｔｅｍ

图２ＬＮＧ汽车双动力系统循环ｎｓ图Ｆｉｇ．２Ｚ１－ＳｄｉａｇｒａｍＯｆＬＮＧＶｅｈｉｃｌｅｓ’ｄＯｕｂＩｅ－ｐＯｗｅｒｃｙｃｌｅｓｙｓｔｅｍ

４系统的热力学分析

３ＬＮＧ汽车双动力系统原理４・１冷量回收系统分析ＬＮＧ是低温组分液体混合物，可将其近似看作ＬＮＧ汽车双动力系统循环原理、弘Ｊｓ图分别如图纯甲烷。假设汽车时速为１００ｋｍ／ｈ，汽油密度为

１、图２所示。该系统包括ＬＮＧ与内燃机排气温差驱９００ｋｇ／Ｌ，燃烧值为４３１００ｋＪ／ｋｇ，同条件下ＬＮＧ燃

　万方数据第４期液化天然气汽车双动力循环系统４９烧值为４６１００ｋＪ／ｋｇ¨。。假设汽车耗油为０．２Ｌ／ｋｍ，

取天然气发动机的空燃比为１０，则每１００ｋｍ消耗ＬＮＧ为：Ｇ＝（４３１００×２０×０．９）／４６１００＝１６．８３ｋｇ，即ＬＮＧ质量流量为１６．８３ｋｇ／ｈ。假定系统冷能回收效率为９０％，４ＭＰａ时饱和温度为１８６Ｋ，潜热为１７６．２６２ｋＪ／ｋｇ，若忽略饱和温度时相变引起的定压比热容突变，过冷温度段和１８６Ｋ至２６８Ｋ温度段定压比热容变化不大，取过冷温度段定压比热容平均值为４．１１ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ），１８６Ｋ至２６８Ｋ时定压比热容平均值为３．２５ｋＪ／（ｋｇ・Ｋ）。则可以回收的最大冷台邑为：ｇ＝［１７６．２６２＋４．１１×（１８６一１１３．７８）＋３．２５×（２６８—１８６）］×０．９＝６６５．６３ｋＪ／ｋｇ，该冷量回收系统每小时的制冷量为：形＝６６５．６３×１６．８３／３６００＝３．１１ｋＷ。４．２ＬＮＧ开式朗肯循环分析假定循环中所有换热器为逆流，换热器Ａ，Ｂ冷端换热温差为１０Ｋ，发动机排气的温度为７２３Ｋ，压力Ｏ．１５ＭＰａ。已知天然气和空气的摩尔质量分别为１６ｇ／ｍ０１和２９ｇ／ｍｏｌ，根据空然比和燃烧化学方程式可知，发动机排气的质量流量为：（２９×１０／１６＋１）×１６．８３＝３２１．８７ｋｇ／ｈ。发动机排气定压比热容在４００Ｋ至７２３Ｋ温度范围内变化不大，取１．１８ｋＪ／（ｋ・Ｋ），换热器Ｃ热端温差取１０Ｋ，经过换热器ｃ后排气的出口温度分别为６７８．１Ｋ。由工程热力学知识，膨胀机等温膨胀过程可以获得较大的输出功。为了使过程尽可能接近等温膨胀，采用中间抽气再热的方法，抽气压力为０．６３２ＭＰａ。ＬＮＧ泵和膨胀机的效率分别取０．７和０．８，经计算，循环分析结果如表２所示。表２ＬＮＧ汽车双动力系统循环计算结果Ｔａｂｌｅ２ＲｅｓｕｌｔｓＯｆＬＮＧｖｅｈｉｃｌｅｓ’ｄＯｕｂｌｅ・ｐｏｗｅｒｃｙｃｌｅｓｙｓｔｅｍｃａｌｃｕｌａｔｉＯｎ参数计算结果ＬＮＧ泵耗功／（ｋＪ／ｋｇ）膨胀机做功／（ｋＪ／ｋｇ）循环输出有效功／（ｋＪ／ｋｇ）循环输出功率／ｋｗ１４９５４．１６９４０．１６４．４４．３ＬＮＧ双动力循环系统分析从上述计算分析结果可以看出，在原有ＬＮＧ汽车基础上通过增加ＬＮＧ开式朗肯循环，组成双动力输出系统，每千克天然气可以多获得有效输出功９４０．１６ｋＪ，ＬＮＧ开式朗肯循环输出功率为４．４ｋｗ。

假定本文中天然气内燃机的有效燃料消耗率为２２０ｇ／（ｋｗ・ｈ），由于有效燃料消耗率６与发动机有

效功率Ｐ之间存在如下关系：ａ＝堕半

其中Ｂ为发动机每小时的燃料消耗量，则可知其有效功率为７６．５ｋｗ。根据本文分析结果，对于采用双动力循环的ＬＮＧ汽车，有效功率相比于单一的ＬＮＧ内燃机循环可以提高４．４ｋｗ，且系统中的冷量回收装置可以回收冷量３．１１ｋｗ。因此，通过对ＬＮＧ冷量及冷量火用的回收利用，本系统可用能较普通ＬＮＧ汽车增加７．５１ｋｗ，占天然气内燃机有效输出功率的９．８２％。

５结果与讨论由热力学知道，在相同的初始膨胀压力下，等温膨胀可以获得更大的单位质量可用能＂１。如图３所示，过程１—２为绝热膨胀过程，过程１．３为等温膨胀过程。从图中可以定性的看出，对于一定质量的高压气体而言，等温膨胀过程比等熵膨胀过程的对外做功能力要强。因此，采取多级膨胀，中间再热，使膨胀过程尽可能接近等温膨胀过程可以获得更大的输出功。考虑到膨胀级数的增加会使系统复杂程度增大，本文采取一次抽气再热的方法。理想状态下，等温膨胀过程中每千克工质所做功为：形＝胁≥

当工质及膨胀后压力确定时，膨胀过程输出功与膨胀温度ｒ和膨胀初始压力Ｐ。有关。本系统中的膨胀温度受到发动机排气温度限制。随着膨胀初始压力的增加，膨胀机输出功也会随之增加，但是当压力

　万方数据