液化天然气（LNG）公交车冷量回收汽车空调系统的研究

【摘要】：近年来,液化天然气汽车(LNGV)在城市公交车行业迅猛发展,与之对应的LNG汽车冷能回收汽车空调被LNG汽车行业的用户普遍看好,对相关研究的期待可谓日益高涨。本文设计了一套针对城市公交车驾驶室的LNG冷能回收汽车空调系统。并首次以LNG为实验介质,通过计算机仿真和实验台模拟试验检验了该系统的可行性。最后进行了LNG汽车冷回收空调系统的汽车改装。 本文首先以济南公交8米在用城市公交车为对象,对汽车驾驶室进行了空调夏季热负荷计算。然后对改装后的LNG公交车,针对LNG公交车的使用特点,从热力学的角度对LNG汽车的冷量火用、总火用及其特性进行了论证分析。以火用分析为基础,对LNG公交车可回收冷量进行了计算。计算结果表明,如果按目前50%的LNG冷量回收率计算,实验用公交车可回收的冷量约2.3 kW,完全可以满足现有公交车驾驶室夏季的空调热负荷需要。然后,在前人的理论研究基础上设计了一套LNG公交车冷量回收局部供冷汽车空调系统。整个冷回收空调系统包括冷回收换热器、循环系统、空调末端系统及蓄冷系统四个部分,同时在蓄冷系统的实现方式上提出了创新方案。最后,对冷回收汽车空调的工作介质进行了选择,最终决定采用乙二醇水溶液为冷回收系统的冷媒。 本文还根据所设计的LNG冷回收汽车空调系统,对其中的关键设备—冷回收换热器进行了设计计算和模拟仿真。冷回收换热器设计为同轴套管式换热器,通过设计计算确定了换热器所需的换热面积。对于LNG与空调冷媒之间的大温差换热问题,通过将螺旋管式套管换热器简化为水平套管换热器,用CFD软件FIRE进行了3维建模和数值模拟,考察了在给定的设计条件下,不同时刻冷回收换热器内的乙二醇水溶液的温度分布。模拟结果显示,稳定工况时乙二醇水溶液在LNG管外的结冰厚度约1mm,冰填充率不到10%,所以理论上不会造成冷回收换热器内部的完全冻结。同时,对其他的设备如空调末端、水泵、空调管径、循环水箱和保温材料等进行了选型计算。 本研究还根据前面进行的设计和计算,进行了冷回收汽车空调模拟实验台的搭建。首次以LNG为介质,模拟了LNG汽车冷量回收汽车空调系统在稳态供气状态下的运行情况。模拟实验主要采集了换热器的进出口温度、空调冷媒的体积流量和气化后的天然气出口压力等参数。试验数据证明,在30℃的外部环境温度下,冷回收换热器空调冷媒的出口温度基本稳定在15℃,空调冷媒出口温度基本稳定在21℃；空气换热器的空调冷媒进口温度基本稳定在16℃,空调冷媒的出口温度基本稳定在21℃。设计的冷回收空调系统运行良好,制冷迅速。最后还在济南公交公司,对实验样车进行了LNG冷回收系统的汽车改装。可以认为本文设计的系统完全适用于液化天气汽车,可以回收LNG气化的冷能用于汽车空调制冷,实现LNG公交车能量的充分合理利用,且改装及使用成本较低,具有较好的社会推广价值。 【关键词】：液化天然气 冷量回收 汽车空调
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：U463.851
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 引言11
• 1.2 国内外LNG汽车的发展现状11-14
• 1.2.1 LNG作为汽车燃料的特性11-13
• 1.2.2 国内外LNG汽车的发展现状13-14
• 1.3 LNG冷能回收技术14-15
• 1.3.1 LNG冷能回收利用概述14
• 1.3.2 LNG冷能回收空调技术14-15
• 1.4 本文的研究内容15-17
• 1.4.1 课题的来源15
• 1.4.2 本论文的构成概要15-17
• 第2章 LNG公交车冷能回收汽车空调系统设计17-33
• 2.1 设计概况17-18
• 2.1.1 设计对象17
• 2.1.2 城市公交车空调负荷的特点17-18
• 2.2 城市公交车空调热负荷的设计计算18-20
• 2.3 LNG城市公交车可回收冷量的热力学分析20-24
• 2.3.1 LNG公交车冷量回收用于汽车空调的火用分析20-24
• 2.3.2 LNG公交车冷回收空调冷量火用的影响因素24
• 2.4 LNG城市公交车可回收冷量用于汽车空调的可行性分析24-25
• 2.4.1 LNG城市公交车可回收冷量24-25
• 2.4.2 LNG公交车冷回收汽车空调系统的可行性分析25
• 2.5 LNG冷量回收用于公交车空调的方案设计25-33
• 2.5.1 城市公交车对汽车空调的设计要求25-26
• 2.5.2 冷量回收系统的组成26-31
• 2.5.3 冷媒的选择31-33
• 2.5.3.1 冷媒的要求31
• 2.5.3.2 乙二醇水溶液的物理及工作性质31-32
• 2.5.3.3 冷媒的选择32-33
• 第3章 空调系统关键设备的理论计算33-53
• 3.1 实验装置中关键设备的选型和计算33-40
• 3.1.1 冷回收装置33-38
• 3.1.2 循环水泵、循环水箱和水管管径38-39
• 3.1.3 空调管径的设计计算39
• 3.1.4 空气换热器的选型39-40
• 3.1.5 保温材料40
• 3.2 冷回收装置的数值模拟40-51
• 3.2.1 CFD概述40-41
• 3.2.2 FIRE的流动控制基本方程和求解过程41-42
• 3.2.3 湍流模型42-43
• 3.2.4 换热器模型43-44
• 3.2.5 利用FIRE软件自动生成体网格44-47
• 3.2.6 编写ssf文件47-51
• 3.3 换热过程的模拟计算结果及分析51-53
• 第4章 LNG公交车冷回收汽车空调系统的实验台搭建与数据采集53-66
• 4.1 实验流程设计53-57
• 4.2 实验测试系统57-60
• 4.2.1 温度的测量和数据采集57-58
• 4.2.2 流量的测量58-59
• 4.2.3 玻璃转子流量计的修正59-60
• 4.2.4 压力的测量60
• 4.3 实验的过程60-61
• 4.4 实验结果分析61-64
• 4.5 装车试验的搭建与实验64-65
• 4.6 本章小结65-66
• 第5章 结论与展望66-68
• 5.1 结论66
• 5.2 展望66-68
• 参考文献68-71
• 后记71-72
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况72-73
• 附录73-75

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