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绿色汽车燃料—液化天然气冷量回收汽车空调系统研究

王强  
【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。


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