LNG汽车零能耗车载冰箱的理论与实验研究

Theoretical and Experimental Research on LNG Zero Energy Vehicle Refrigerator

摘要: 出于保护环境的目的，传统的燃油汽车将会被新能源汽车所代替，液化天然气(LNG)是目前应用广泛的新能源之一；另一方面，车载冰箱的使用日益普遍，传统车载冰箱需要汽车发动机提供额外电能来支持其正常工作，间接增加汽车燃料消耗。论文依据LNG汽车正常的行驶状况，研究将LNG气化释放的冷能回收利用于车载冰箱供冷系统的基础理论和实验，为研制零能耗LNG车载冰箱提供理论指导。

Abstract: In order to protect environment, traditional fuel car will be replaced by new energy car. LNG is one of the new energy that be used widely now. On the other hand, vehicle refrigerator is being used diffusely. Traditional vehicle refrigerator needs automobile engine to provide extra electric energy to support its work. Indirectly, it will consume more fuel. According to the circumstance that car works, we study basic theory and experiment about recover the cold energy that LNG release during the gasification process to cool the refrigerator and provide theoretical direction to invent LNG zero energy vehicle refrigerator.

1. 引言

数据统计，雾霾的形成及城市大气污染60%来自机动车辆尾气排放。全球热议采用新能源汽车逐步替代传统燃油汽车，新能源汽车起步阶段所采用的驱动能源主要是电力和天然气 [1] 。液化天然气(LNG)以液态、低温(−162℃)方式存储 [2] [3] ，作为汽车燃料具有排放污染小、燃烧热值高、能量存储密度大 [4] 、汽车负载轻、连续行驶里程长、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 [5] 。LNG需释放冷量升温到5℃左右的气态才能供发动机使用，在气化过程中会释放出大量的冷能(其供冷量约为840~883 kJ/kg) [6] ，目前该部分冷能大多被无序排放，若能将该冷能回收用于车载冰箱，实现零能耗供冷，既节约能源,又有利于环保,具有显著的经济效益和社会价值 [7] 。

本文通过研究LNG汽车燃料系统，提炼出回收利用LNG气化冷能的基本原理，将LNG气化释放的冷能回收用于车载冰箱的供冷系统，实现免费供冷。并通过实验手段对理论进行验证，为研制LNG零能耗车载冰箱提供理论指导。

2. 回收气化冷能用于车载冰箱的基本原理

2.1. 改造后LNG汽车燃料流程

LNG的使用流程如图1所示。

LNG储存于储罐中，使用时−162℃的LNG从打开的出液阀中流出，经止回阀流入到蓄冷箱中的换热器，在换热器中吸收热量后进入到汽车冷却水箱进行二次换热，气化成5℃~10℃的气态天然气，然后进入低压储气罐，通过稳压阀控制天然气压力使之符合发动机的需要后，向发动机供气 [8] 。

2.2. LNG车载冰箱换热器与蓄冷箱工作原理

在冷能回收系统中，蓄冷箱里充满蓄冷介质，将换热器完全浸没在蓄冷介质中，进入换热器的LNG从蓄冷介质中吸收热量，从液态气化成低温气态，同时将冷能释放到蓄冷介质，蓄冷箱与冰箱内胆紧密接触，通过冰箱内胆壁面持续向冰箱供冷。蓄冷箱中的蓄冷介质则需要将冷量储存起来以保障汽车停驶后一段时间内冰箱仍能正常工作。由于冰箱体积和所需温度的限制，蓄冷箱需要选择符合冰箱工作条件的蓄冷介质及其使用量。

Figure 1. Theory of recycling cold energy to cooling vehicle refrigerator

图1. 回收气化冷能用于车载冰箱原理图

3. 理论研究

配置车载冰箱的车辆多为家用或商用汽车，使用车载冰箱频率较高的是自驾游或长途旅行 [9] ，本文以家用汽车自驾游为例来进行车载冰箱的相关设计。

3.1. 冰箱的有效容积与结构形式

车载冰箱的调查资料 [10] 表明：大多数消费者不需要精度控温、不需要内部分隔，希望冰箱材质耐脏、操作模式简单、外形适合车内环境，容量范围为10~20 L。依据调查结果，本文取车载冰箱的有效容积为15 L，背面设置成斜面，倾斜角度为65˚，与汽车尾箱的内饰面倾斜度吻合；设定冰箱内胆尺寸(长 × 宽 × 高)为300 mm × 200 mm × 250 mm。

3.2. 自驾游汽车日消耗LNG量

LNG必须经气化后才能被汽车发动机使用，资料表明，1 m³ LNG气化后的气态天然气体积约为650 m³ [11] ，则自驾游汽车日消耗LNG量可按下式计算：

$V_{LNG}=l÷l^{\prime }÷650$ (1)

式中：

V_LNG——自驾游汽车每天消耗的LNG量(m³)。

l——自驾游汽车每天行驶的里程数(km)；据统计，每天行驶的距离平均为300 km。

l'——单位气态天然气能支持汽车行驶的距离(km)；一般为11~14 km (取平均值12.5 km)。

则： $V_{LNG}=300÷12.5÷650=0.037(m3)$

3.3. 日消耗LNG释放气化冷能计算

汽车每天消耗LNG所释放的气化冷能可按下式计算：

$Q=V_{LNG}\cdot \rho \cdot r$ (2)

式中：

Q——汽车每天消耗LNG所释放的气化冷能(kJ)。

ρ——LNG的密度(kg/m³)，正常状态下，取ρ = 426

r——单位重量LNG气化所释放的冷能(kJ)，包括汽化潜热和温差吸热两部分，r = 840 kJ [12] [13] 。

则： $Q=0.037\times 426\times 840=1.324\times {10}^4(kJ)$

3.4. 冰箱单位时间耗冷量计算

依据冰箱能效比的定义，冰箱单位时间耗冷量为：

$Q_X=i\cdot cop$ (3)

式中：

$Q_X$ ——每小时冰箱所消耗的冷量(kJ)。

i——冰箱一天平均耗电量(kW∙h)；目前普通15 L车载冰箱24小时平均耗电量约为1.0 KW∙h。

cop——车载冰箱的能效比，cop = 2.6 [14] 。

则冰箱正常工作1小时需冷量：

$Q_X=\left(1.0\times 2.6÷24\right)\times 3.6\times {10}^3=390(kJ)$

3.5. 蓄冷箱蓄冷量计算

根据车载冰箱的使用用途和民意调查结果，设定汽车停止行驶后4小时内冰箱能正常供冷。则4小时冰箱所需冷量为4 × 390 = 1560 kJ。

蓄冷箱需要储蓄的冷量为：

$Q_C=Q_X÷{\eta }_1÷{\eta }_2÷{\eta }_3$ (3)

式中：

Q_C——保证汽车停驶后车载冰箱正常工作所需的需冷量(kJ)。

${\eta }_1$ ——蓄冷效率， ${\eta }_1=80\%$ 。

${\eta }_2$ ——释冷效率， ${\eta }_2=80\%$ 。

${\eta }_3$ ——保冷效率， ${\eta }_3=60\%$

则： $Q_C=1560÷80\%÷60\%÷80\%=4062.5(kJ)$

3.6. 蓄冷材料选择与使用量计算

车载冰箱要求的冷藏温度相对较低(0℃~5℃)，考虑其体积较小，宜选用蓄冷系数大的相变材料。根据该要求，本文选用纯水作为蓄冷材料。纯水的相变温度为0℃，相变潜热为335 kJ/kg [15] ，则蓄冷箱中需要的水量为：

$4062.5÷335=12.13(kg)$

3.7. 换热器的选择与换热面积设计

3.7.1. 换热器选型

换热器的种类较多、形式各异。考虑到LNG车载冰箱换热器的用途，宜选用板翅管式换热器，其原理图如图2所示。换热器采用内径为8 mm的ACR单排铜管外套铝串片翅片通过固定板连接,换热管内是LNG，水在管外翅片间流动被冷却而凝固成冰。

3.7.2. 换热器设计

板翅管式换热器属于间壁式换热器，其吸收的热量一般采用对数平均温差法计算 [16] [17] ，计算公式如下：

$Q={\displaystyle {\int }_0^{F}K\Delta t\text{d}F}+W_{LNG}\cdot c_p\cdot \gamma$ (4)

总的传热系数可由下式计算：

Figure 2. Theory of heat exchanger

图2. 换热器原理图

$K=\frac{1}{\left(\frac{d_0}{d_i}\right)\frac{1}{h_i}+\left(\frac{d_0}{d_i}\right)R_{f,i}+\frac{d_0}{2\lambda }\ln \left(\frac{d_0}{d_i}\right)+R_{f,0}+\frac{1}{h_0}}$ (5)

换热器的表面换热效率 ${\eta }_0$ 的计算公式如下：

${\eta }_0=1-\frac{F_f}{F}\left(1-{\eta }_f\right)$ (6)

式中：

Q——LNG在换热器中吸收的热量(W)；

K——换热器的总传热系数[W/(m²∙℃)]；

F——换热器的总换热面积(m²)； $F=F_f+F_t$

Δ_t——LNG气化成CNG后平均温差(℃)；

W_LNG——LNG的质量流量(kg/s)；

$c_p$ ——LNG的定压比热[kJ/(kg∙℃)]；

$\gamma$ ——LNG的汽化潜热(kJ/kg)；

${\eta }_f$ ——翅片的换热效率，

${\eta }_f=\frac{\text{tanh}\left(W_{LNG}r\phi \right)}{W_{LNG}r\phi }$ (7)

$F_f$ ——翅片换热面积(m²)；

$F_f=2n_f\left[H\times W-N_t{n}_t\text{π}{\left(\frac{d_0}{2}\right)}^2\right]$ (8)

$F_t$ ——换热管换热面积(m²)；

$F_t=N_t{n}_t\text{π}{d}_0\left(L-{\delta }_f{n}_f\right)$ (9)

n_f——翅片数；

n_t——每排的热管数；

N_t——换热管的排数，本文取值为1；

r——换热管的半径(m)；

$\phi$ ——粘度修正系数。

d₀、h₀、R_f,0、d_i、h_i、R_f,i分别是换热管内径、管内流体对流换热系数、管内污垢热阻、管外径、管外流体对流换热系数、管内污垢热阻；H、W、L分别表示换热器的长度、宽度和高度。

将3.1~3.6所得到的数据代入公式(1)~(6)后即可求得换热器的结构尺寸，详见图2。

3.8. 蓄冷箱体积计算

储存纯水需要的容积为7.27 L。因换热器完全浸没在蓄冷箱中，换热器采用内径为8 mm的ACR铜管外套铝串片翅片通过固定板连接，所占容积约为0.4 L，蓄冷箱所需容积为7.67 L。其形状为直角梯形，尺寸为(上底 × 下底 × 高) 44 mm × 160.6 mm × 250 mm，宽度与冰箱内胆同宽，为300 mm。

冰箱的基本结构尺寸如图3所示。

Figure 3. Structure size and shape of the refrigerator. (a) Front view of the refrigerator; (b) The strakes of the refrigerator

图3. 冰箱结构尺寸及外形图。(a) 冰箱正视图；(b) 冰箱侧视图

Table 1. The temperature of monitoring point/˚C

表1. 监测点温度/℃

4. 实验

依据图1的基本原理，考虑到安全问题，本实验设在一个LNG汽车改装站内，用一台改装小轿车来模拟运行状况。车内配置一个70 L的LNG储罐，车载冰箱内放置2瓶矿泉水、2瓶易拉罐饮料和2个苹果。将驱动车轮悬空，固定车速75 km/h。因LNG气化冷能大，气化速度快，所以实验时只让发动机连续运行2 h，分别测试冰箱内胆壁面温度、冰箱内空气温度、汽车冷却水箱温度及发动机进气口的温度(见表1)，同时观察LNG供气管路外表状况发现：LNG供气管路从换热器出来后不再保温，有较长一段管路上有结冰现象。

从表1中可以看出：通过换热器和蓄冷箱的冷能转换，冰箱内部空气温度为−0.7℃、内壁面温度为−4.2℃，较好地满足了冷藏物品的需要；此外，冷却水箱水温较低，这说明除了冰箱使用和储存了部分冷能外，尚有较多冷能释放到冷却水箱，冷却风扇没有启动，也可节约部分电能。

5. 结论

本文研究了将LNG气化释放的冷能回收利用于车载冰箱供冷系统的基础理论，并通过实验对其可行性进行复核，得出以下结论：

采用LNG车载冰箱能有效蓄冷，蓄冷箱存在较大的过冷度，节能效果明显。

LNG气化冷能除了用于冰箱外，尚有大部分冷能用于了冷却水箱。如果车尾箱空间允许，可以支持更大容量的冰箱工作。

冷却风扇不启动，无需供电，从而减少汽车耗燃料量。加大蓄冷箱的蓄冷能力，可使车载冰箱在汽车停驶后更长的时间内仍能正常供冷。

加大蓄冷箱的蓄冷能力，可使车载冰箱在汽车停驶后更长的时间内仍能正常供冷。