绿色汽车燃料—液化天然气冷量回收汽车空调系统研究

【摘要】： 全球性石油资源的紧缺以及不断加剧的环境污染,使得污染小、燃烧性能好、储量丰富的天然气的应用越来越广泛。以天然气作为汽车燃料将大大降低汽车尾气污染。CNG(压缩天然气)作为汽车燃料,目前在国内外得到了很快的发展。LNG(液化天然气)同CNG相比,具有能量存储密度大,占汽车负载轻、连续行驶里程长、安全性能高等优势。LNG用做优质“绿色”汽车燃料的同时,还具有大量的冷能,该冷能可回收用于汽车制冷。本文首次提出将LNG冷能回收用于汽车空调的思想,以达到节约能源及消除由于氟利昂制冷剂泄漏造成的臭氧层破坏及温室效应。 本文从热力学的角度对液化天然气的冷量火用、压力火用及其特性进行了分析。指出,LNG冷量火用包括显热火用和潜热火用两部分。对于一定组分的LNG,环境温度T0及系统压力P对冷量火用的影响较大。随着环境温度T0的升高,LNG冷量火用随之增大;随着系统压力P的增大,LNG冷量火用迅速降低,当系统压力P2MPa时,LNG冷量火用已经很小了。LNG汽车压力较低,因而有利于LNG冷量火用的回收利用。在实例中以LNG冷量回收系统代替机械制冷系统进行了系统火用分析,论证了以LNG冷量火用代替工质冷量火用的实际节能效果。 在对LNG冷能回收用于汽车空调可行性分析的基础上,通过对比提出了合理的LNG冷量回收汽车空调系统流程,并对系统流程中各换热设备的类型及特点进行了对比分析,设计了基于板翅式换热器、套管换热器﹑盘管换热器的低温多级热交换系统及以环保冷媒乙二醇为载体的蓄冷系统。选定了冷量回收系统的流程参数,并对系统中各换热设备进行了设计计算。在此基础上进行了系统的模块化数值研究,分析了系统压力、天然气流量及蓄冷剂流量等相关参数变化对流程及系统送风温度的影响。 搭建了以板翅式换热器为主换热器,套管换热器﹑盘管换热器为辅助换热器的自身加热汽化低温换热系统及以环保冷媒乙二醇溶液为载体的空调蓄冷系统实验台。通过实验论证了设计的冷量回收实验系统的可行性与可靠性。开发了一套基于可编程二次仪表的智能型﹑高精度计算机数据采集系统,对系统各设备中天然气的压力﹑流量﹑温度进行实时监测。 天然气属于易燃、易爆物品,用LNG进行冷量回收试验对实验条件及实验环境都提出了较高的要求。本文在近似相似模化理论的指导下,通过对比分析氮气和天然气的物性,对液氮模拟液化天然气冷量回收系统进行了相似模化分析,以指导液氮模拟液化天然气冷量回收系统的实验研究。 使用液氮模拟LNG进行了冷量回收系统的模拟实验研究。通过模拟汽车运行的工作条件和汽车空调的使用条件,研究系统换热设备工作状况,分析整个系统的运行情况以及影响冷量回收的因素。结果表明,本文提出的冷量回收汽车空调系统很好地实现了LNG冷能的分级回收,通过天然气的多次循环实现了LNG自身汽化。通过乙二醇溶液的蓄冷很好地实现了低温工况下的大温差换热,并实现了空调系统的冷量随汽车冷负荷的自动调节。系统具有较好的瞬态启动性能及稳态运行性能,基本实现了系统启动、稳态运行及停车等工况下的空调冷量需求。实验结果与系统数值分析结果对比表明,二者吻合较好,说明了数学模型及算法建立的可靠性。 【关键词】：液化天然气 冷量回收 汽车空调 数值分析 模化研究
【学位授予单位】：西安交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：U463.851
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-12
• 1 绪论12-22
• 1.1 概述12-15
• 1.1.1 液化天然气（LNG）的特性12
• 1.1.2 液化天然气（LNG）冷能的回收利用12-15
• 1.2 液化天然气汽车（LNGV）的发展优势15-18
• 1.2.1 CNG 汽车发展的局限性15-16
• 1.2.2 LNG 汽车的发展优势16-17
• 1.2.3 LNG 汽车的发展计划17-18
• 1.3 LNG 冷能回收用于移动制冷系统18-20
• 1.3.1 LNG 冷能回收在汽车冷藏车中的应用18-19
• 1.3.2 LNG 冷能回收用于其它移动装置的设想19
• 1.3.3 传统汽车空调系统当前存在的问题分析19-20
• 1.4 本文的工作20-22
• 2 LNG 有效能的热力学分析22-35
• 2.1 LNG 冷量火用特性及分析22-28
• 2.2 环境参数对LNG 冷量火用价值的影响28-30
• 2.2.1 环境温度T_0对LNG冷量火用的影响28-29
• 2.2.2 系统压力P对LNG冷量火用的影响29-30
• 2.3 LNG 冷量火用在汽车空调制冷系统中的回收利用30-34
• 2.3.1 蒸气压缩制冷的火用能分析30-33
• 2.3.2 LNG 冷量火用的利用与比较33-34
• 2.4 本章小结34-35
• 3 LNG冷量回收系统可行性分析与方案选择35-54
• 3.1 LNGV 可回收冷能用做汽车空调的可行性分析35-37
• 3.1.1 汽车空调热负荷计算35-36
• 3.1.2 LNG 可回收冷量36-37
• 3.2 LNG 冷量回收系统方案的选择37-53
• 3.2.1 冷量回收系统的组成37-41
• 3.2.2 系统流程方案的确定41-44
• 3.2.3 系统中换热器的类型与特点44-49
• 3.2.4 系统流程参数的确定49-53
• 3.3 本章小结53-54
• 4 LNG 冷能回收系统设计与数值分析54-79
• 4.1 LNG 冷量回收系统单元设备的选型与设计54-68
• 4.1.1 天然气低温回热系统54-64
• 4.1.1.1 完成LNG 气化的盘管式换热器54-57
• 4.1.1.2 实现冷量多次传递的板翅式换热器57-61
• 4.1.1.3 用于高低温气体回热的套管式换热器61-64
• 4.1.2 乙二醇载冷与蓄冷系统64-68
• 4.1.2.1 乙二醇蓄冷器64
• 4.1.2.2 用于供冷的翅片管空气换热器64-68
• 4.2 LNG 冷量回收系统的模块化数值分析68-74
• 4.2.1 天然气低温回热系统模块69-72
• 4.2.1.1 盘管式换热器70
• 4.2.1.2 多股流板翅式换热器70-71
• 4.2.1.3 套管式换热器71-72
• 4.2.2 乙二醇载冷与蓄冷系统模块72-74
• 4.2.2.1 乙二醇蓄冷器73
• 4.2.2.2 翅片管空气换热器73-74
• 4.3 系统模拟及结果分析74-78
• 4.4 本章小结78-79
• 5 LNG 冷量回收实验及测试系统79-97
• 5.1 冷量回收实验系统79-82
• 5.1.1 LNG 供气系统79-80
• 5.1.2 低温冷量回收系统80
• 5.1.3 蓄冷空调系统80-81
• 5.1.4 供冷系统81-82
• 5.2 实验测试系统82-94
• 5.2.1 计算机动态数据采集及处理系统82-87
• 5.2.1.1 系统硬件的建立82-84
• 5.2.1.2 系统软件的开发84-87
• 5.2.2 压力、压差传感器的标定与测量87-89
• 5.2.3 热电偶的标定与测量89-92
• 5.2.4 玻璃转子流量计的修正与测量92-94
• 5.3 实验的不确定性分析94-96
• 5.3.1 计算机数据采集、处理系统的不确定性分析94
• 5.3.2 压力、压差测量的不确定性分析94-95
• 5.3.3 温度测量的不确定性分析95-96
• 5.3.4 流量测量的不确定性分析96
• 5.4 本章小结96-97
• 6 实验结果分析与讨论97-119
• 6.1 LN_2 的模化分析97-103
• 6.1.1 模化研究的意义97
• 6.1.2 完全相似模化与近似相似模化97-100
• 6.1.3 LN_2 模化实验的可行性分析100-103
• 6.2 实验方法及实验过程103
• 6.2.1 实验方法103
• 6.2.2 实验过程103
• 6.3 实验结果与分析103-115
• 6.3.1 冷量回收系统的启动过程及性能分析103-107
• 6.3.2 冷量回收系统的蓄冷过程及性能分析107-111
• 6.3.3 冷量回收系统的稳定运行过程及性能分析111-113
• 6.3.4 系统压损分析113-115
• 6.4 实验结果与仿真模拟的比较115-117
• 6.5 本章小结117-119
• 7 结论119-122
• 7.1 结论119-121
• 7.2 需要进一步开展的工作121-122
• 创新性说明122-123
• 致谢123-124
• 参考文献124-130
• 攻读博士学位期间的研究成果及获奖情况130-131

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