LNG汽車水浴式汽化器汽化量分析

吳潤漢，夏均忠，孟林昆，谷雪松，于明奇（.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 7000；.軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津 3006）

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LNG汽車水浴式汽化器汽化量分析

吳潤漢1，2，夏均忠2，孟林昆1，谷雪松1，于明奇2
（1.陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200；2.軍事交通學(xué)院軍用車輛系，天津 300161）

摘要：LNG汽車的核心部件是燃?xì)獍l(fā)動機(jī)和LNG供給系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機(jī)的燃?xì)庑枨螅杵ヅ湎鄳?yīng)供氣能力的LNG供給系統(tǒng)；LNG供給系統(tǒng)的供氣能力由LNG汽化器決定，故需分析其汽化能力是否滿足發(fā)動機(jī)的燃?xì)庑枨蟆ａ槍δ晨頛NG汽車，對其汽化器建立換熱模型并計算分析汽化量。通過對比分析LNG汽化器的汽化量與發(fā)動機(jī)的燃?xì)庑枨罅浚?yàn)證了該車的LNG汽化器匹配合適，能夠滿足發(fā)動機(jī)燃?xì)庑枨蟆?/p>

關(guān)鍵詞：LNG汽車；水浴式汽化器；汽化量；對流傳熱

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.004

CLC NO.: U462.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)05-75-03

前言

隨著石油的不斷消耗、環(huán)境的日益惡化，清潔能源得到快速發(fā)展。LNG（液化天然氣）是典型的清潔能源，燃燒后主要生成水和二氧化碳，僅排放微量的一氧化碳、碳?xì)浠衔铩⒌趸锏取Ｄ壳皣鴥?nèi)以LNG作為燃料的汽車（以下簡稱LNG汽車）發(fā)展迅速，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)和LNG供給系統(tǒng)是其關(guān)鍵部件。發(fā)動機(jī)燃?xì)庑枨罅颗cLNG供給系統(tǒng)供氣量的匹配是核心技術(shù)。LNG供給系統(tǒng)供氣量大于發(fā)動機(jī)燃?xì)庑枨罅繒r，會造成燃?xì)庀牧吭龃蟆⒗寐实停籐NG供給系統(tǒng)供氣量小于發(fā)動機(jī)燃?xì)庑枨罅繒r，會造成發(fā)動機(jī)動力性不足等問題。目前LNG汽車常用水浴式汽化器，將LNG轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)天然氣供給發(fā)動機(jī)使用。本文以某LNG汽車為研究對象，對其水浴式汽化器汽化量進(jìn)行計算和分析，驗(yàn)證其是否能夠滿足車輛使用需要。

1、水浴式汽化器

LNG是低溫液態(tài)物質(zhì)，需用汽化器使LNG汽化后，供用氣設(shè)備使用。陜西重型汽車有限公司的SX4258NT384TL 型LNG牽引車的燃?xì)夤┙o系統(tǒng)如圖1所示。其供氣原理是，儲罐中的LNG經(jīng)管路進(jìn)入水浴式汽化器，在水浴式汽化器中吸收發(fā)動機(jī)冷卻液熱量后變?yōu)闅鈶B(tài)，再經(jīng)管路輸送到發(fā)動機(jī)。

水浴式汽化器具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、熱效率高，受環(huán)境因素影響較小等特點(diǎn)，在車用LNG供給系統(tǒng)中被廣泛采用。自主設(shè)計的水浴式汽化器結(jié)構(gòu)如圖2所示，其設(shè)計參數(shù)見表1。水浴式汽化器的工作原理是，液態(tài)或氣液混合的LNG流入汽化器進(jìn)液口2，經(jīng)過螺旋管5，即汽化器的管程，吸熱后以氣態(tài)形式從汽化器出氣口7流出。來自發(fā)動機(jī)的高溫冷卻液流經(jīng)螺旋管與外殼之間的空間，即汽化器的殼程，與管程內(nèi)的LNG實(shí)現(xiàn)熱量交換使LNG汽化，然后回到冷卻循環(huán)中繼續(xù)參與發(fā)動機(jī)的冷卻。

圖1　車用LNG供給系統(tǒng)

圖2　水浴式汽化器

表1　汽化器設(shè)計參數(shù)

2、汽化器汽化量計算

水浴式汽化器工作時，LNG吸收發(fā)動機(jī)提供的循環(huán)水（冷卻液）熱量汽化并溫度升高。其熱量傳遞過程主要包括：①水與螺旋管對流換熱；②螺旋管導(dǎo)熱；③螺旋管內(nèi)LNG對流換熱。

2.1傳熱量計算

計算汽化器汽化量時，做以下假設(shè)：①由于螺旋管導(dǎo)熱熱阻相比于水與螺旋管對流換熱熱阻很小，忽略螺旋管導(dǎo)熱熱阻，熱交換簡化為水與LNG液/氣柱換熱；②忽略汽化器與環(huán)境的熱交換損失。

循環(huán)水與LNG之間的傳熱量：

其中：k為總傳熱系數(shù)；A為傳熱面積；?tm為平均溫差。

（1）傳熱面積

其中：d為螺旋管外徑，單位為m；

L為螺旋管管程長度，單位為m。

（2）平均溫差

該汽化器是順流型間壁式換熱器，根據(jù)傳熱學(xué)對數(shù)平均溫差計算方法，計算平均溫差。

其中：?tmax為兩側(cè)溫差中較大者，為兩側(cè)溫差中較小者，

（3）總傳熱系數(shù)

冷卻水在汽化器中斷面平均流動速度：

式中：V為循環(huán)水流量，單位L/min；

f為循環(huán)水流通面積（殼內(nèi)截面與螺旋管螺旋截面差），單位m2。

由對流傳熱經(jīng)驗(yàn)式計算得到：

總傳熱系數(shù)：

式中，0.8為簡化傳熱過程的傳熱系數(shù)修正系數(shù)。

2.2汽化量計算

汽化器中循環(huán)水傳導(dǎo)的熱量用于：①LNG溫度升高；②LNG汽化；③天然氣溫度升高。

該車輛使用的LNG的工作壓力為1.59Mpa，在該壓力、常溫下其物理特性參數(shù)見表2。

表2　LNG（1.59MPa）物理特性參數(shù)

通過焓差計算傳熱量的公式如下：

其中：

γ為工作壓力下飽和液體汽化潛熱，見表2。

由公式（1）、（5）可得LNG汽化量：

3、汽化器汽化能力校核

3.1發(fā)動機(jī)燃?xì)庑枨罅?/p>

SX4258NT384TL型LNG牽引車裝配濰柴WP12NG380E 40發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)的外特性及燃?xì)庀牧恳姳?。燃?xì)獾墓?yīng)量應(yīng)以發(fā)動機(jī)的最大燃?xì)庀穆蚀_定，由表3可知，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于最大功率點(diǎn)時，燃?xì)庀穆首罡邽?03.4 g/(kW·h)。

LNG供給系統(tǒng)汽化器的汽化量至少為發(fā)動機(jī)的最大燃?xì)庀牧浚矗?/p>

其中：B——燃?xì)庀牧浚琸g/s；

be——燃?xì)庀穆剩琯/（kW·h）；

Pe——發(fā)動機(jī)輸出功率，kW。

表3　WP12NG380發(fā)動機(jī)外特性及燃?xì)庀牧?/p>

3.2汽化器汽化能力校核

該車應(yīng)用的LNG供給系統(tǒng)水浴式汽化器的汽化量m為0.021 kg/s，車輛發(fā)動機(jī)燃?xì)庑枨罅緽為0.016 kg/s，汽化器供氣能力大于發(fā)動機(jī)燃?xì)庑枨罅浚野踩禂?shù)。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，汽化器汽化量安全系統(tǒng)取1.2～1.3，故該水浴式汽化器能夠滿足該車輛發(fā)動機(jī)的燃?xì)庑枨蟆?/p>

4、結(jié)論

本文針對某款LNG汽車，建立其水浴式汽化器換熱模型，應(yīng)用傳熱學(xué)理論及經(jīng)驗(yàn)公式分析計算出了LNG汽化器的汽化量，分析計算出該車發(fā)動機(jī)燃?xì)庑枨罅浚罱K驗(yàn)證了該車所匹配的LNG汽化器能夠滿足車輛需求。本文分析計算方法對LNG汽車燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的匹配設(shè)計提供了指導(dǎo)、參考。

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Analysis on Vaporization Volume of Water-Bath Type Vaporizer in LNG Vehicle

Wu Runhan1,2, Xia Junzhong2, Meng Linkun1, Gu Xuesong1, Yu Mingqi2
（1.Automotive Engineering Research Institute, Shanxi Heavy Duty Automobile Co. Ltd., Shaanxi Xi’an 710200; 2.Military Vehicle Department, Military Transportation University, Tianjin 300161）

Abstract:It is known that the gas engine and LNG supply system are the core components of LNG vehicle and that the corresponding gas supply capacity of LNG supply system has to meet the demand of gas engine. For the gas supply capacity of LNG supply system is determined by the vaporizer, we have to analyze whether the vaporization volume of vaporizer meet the requirement of gas engine. In this paper,a heat transfer model of water-bath type vaporizer in a LNG vehicle is built to calculate and analysis the vaporization volume. By the comparison research on the vaporization volume of LNG vaporizer and the gas demand of engine, a conclusion is drawn that the vaporizer in this LNG vehicle can meet the demand of gas engine.

Keywords:a LNG vehicle; water-bath type vaporizer; vaporization volume; convective heat transfer

中圖分類號：U462.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-75-03

作者簡介：吳潤漢，就職于陜西重型汽車有限公司。