LNG冷能回收模擬試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)與開發(fā)

馬宗正，閆修鵬，王 鵬，王新莉

（河南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

1 引言

汽車保有量的不斷增加給環(huán)境帶來了巨大的挑戰(zhàn)，代用燃料發(fā)動(dòng)機(jī)由于其清潔、高效的特點(diǎn)日益受到關(guān)注，特別是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)，由于其價(jià)格的優(yōu)勢，在出租車、公交車上有著廣泛的應(yīng)用，天然氣作為汽車燃料的應(yīng)用形式主要有以下幾種：壓縮天然氣（CNG）發(fā)動(dòng)機(jī)、液化天然氣（LNG）發(fā)動(dòng)機(jī)、吸附天然氣（ANG）發(fā)動(dòng)機(jī)和天然氣合成油（GTL）發(fā)動(dòng)機(jī)。其中LNG發(fā)動(dòng)機(jī)被公認(rèn)為未來天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的重要方向[3]，因此在教學(xué)過程中開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)工作對于學(xué)生應(yīng)用能力的培養(yǎng)有著重要的作用。

對于液化天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)來說，燃料采用液態(tài)存儲，一般的存儲溫度為（-162～-140）℃，在進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)之前需要進(jìn)行加熱氣化，在此過程中需要吸收大量的熱量，因此其蘊(yùn)藏著一種特殊的能量-冷能，也即低溫[4]。這種特殊的能量有助于能量的回收利用，可以用來提供低溫，比如為冷藏車、汽車駕駛室內(nèi)的冰箱、小型汽車或者大型工程車駕駛室內(nèi)空調(diào)提供低溫[5-6]；還可以用于溫差發(fā)電[7-8]。

溫差發(fā)電技術(shù)是利用熱電材料的塞貝克效應(yīng)直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，只要是溫差發(fā)電器兩端有溫差就能夠?qū)崿F(xiàn)電能輸出[9-10]，是一種非常好的能量回收技術(shù)。

但是如果進(jìn)行實(shí)際臺架實(shí)驗(yàn)，需要準(zhǔn)備的設(shè)備較多，且參數(shù)也不易于控制，為此開發(fā)了一款用于演示發(fā)動(dòng)機(jī)冷能回收利用的試驗(yàn)臺，從而實(shí)現(xiàn)對LNG冷能回收技術(shù)的展示。

2 試驗(yàn)臺的總體結(jié)構(gòu)

在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行冷能回收的基本結(jié)構(gòu)，如圖1所示。能量回收裝置（代替氣化器）是串入進(jìn)氣系統(tǒng)中的，LNG燃料需要經(jīng)過氣化器氣化后，和空氣在混合器中混合才能進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，因此為了能夠?qū)崿F(xiàn)LNG發(fā)動(dòng)機(jī)能量回收利用，需要將原來的氣化器和溫差發(fā)電技術(shù)結(jié)合，利用LNG氣化過程中產(chǎn)生的低溫區(qū)域形成溫差發(fā)電器的冷端；來自發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻液（一般在（90～110）℃之間）由于溫度較高，形成高溫區(qū)域，作為溫差發(fā)電器的熱端。這種布局方式，（1）能夠利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的廢棄熱量。（2）能夠利用液化石油氣發(fā)動(dòng)機(jī)的冷能。

圖1 LNG冷能回收系統(tǒng)在進(jìn)氣系統(tǒng)安裝圖Fig.1 Diagram of LNG Cold Energy Recovery Part in Intake System

因此，在實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電的基礎(chǔ)上，LNG冷能回收實(shí)驗(yàn)臺主要涉及到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模擬和LNG進(jìn)氣系統(tǒng)模擬；同時(shí)還需要能夠?qū)崿F(xiàn)外部參數(shù)的調(diào)整，模擬實(shí)驗(yàn)臺的結(jié)構(gòu)與實(shí)際工作的發(fā)動(dòng)機(jī)上的布局不同。

LNG冷能回收試驗(yàn)臺，如圖2所示。模擬實(shí)驗(yàn)臺可以分成四部分，分別為顯示測量模塊、溫差發(fā)電器模塊、冷卻系統(tǒng)模擬部分和LNG氣化過程模擬部分。其中，顯示測量模塊主要完成溫差發(fā)電器兩端溫度、溫差發(fā)電器輸出電壓和電流的測量，同時(shí)還需要對LNG的流量進(jìn)行計(jì)量；溫差發(fā)電器模塊用于實(shí)現(xiàn)電能的回收，由LNG通道、冷卻液通道、溫差發(fā)電模塊三部分組成，基本結(jié)構(gòu)，如圖3所示；發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)模擬部分用來模擬實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液工作，水泵與實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)水泵的作用一致，用于實(shí)現(xiàn)冷卻液循環(huán)，保溫箱和溫控儀控制冷卻液的溫度；LNG氣化模擬過程采用壓力罐輸出LNG，經(jīng)過一金屬空腔的方式來實(shí)現(xiàn)，氣化后的天然氣采用燃燒的方式消耗掉。

圖2 LNG冷能回收模擬試驗(yàn)臺示意圖Fig.2 Diagram of LNG Cold Energy Recovery Simulation System

圖3 溫差發(fā)電器示意圖Fig.3 Diagram of Thermoelectric Generator

3 模擬試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)

3.1 測量顯示部分

根據(jù)前述內(nèi)容，顯示測量部分的主要功能是完成溫差發(fā)電器兩端溫度、溫差發(fā)電器輸出電壓和電流的測量，采用萬用表即可測量電壓和電流，因此設(shè)計(jì)主要針對溫差發(fā)電器兩端溫度和LNG流量測量。

在實(shí)際安裝過程中，由于LNG在氣化過程中需要吸收熱量，會導(dǎo)致低于零度的溫度，為此溫差發(fā)電器的冷端布置熱電偶測量，本次采用Pt100熱電阻，測量范圍為（-200～500）℃，精度（0.15+0.002）℃，考慮到溫差發(fā)電片與冷端和熱端存在過大的縫隙會影響熱量傳遞，因此為了節(jié)約安裝空間，避免產(chǎn)生過大的空氣熱阻，對熱電偶的頭部進(jìn)行了扁平化處理；熱端采用K型熱電偶，測量精度（±1.5）℃；同時(shí)為了減少其他因素對傳熱的影響，在縫隙處采用填涂硅膠的方法處理[11]。

燃?xì)饬髁康臏y量采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)，型號為LZB-3，測量范圍為（100～1000）mL/min，由于該傳感器只能對氣體流量進(jìn)行測量，如果在LNG流動(dòng)過程中存在液態(tài)或者結(jié)冰現(xiàn)象可導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確，為此從能量回收裝置的冷端到燃?xì)饬髁坑?jì)之間增加了長度為2m的橡膠管，確保LNG能夠完全氣化，整個(gè)測量與顯示部分，如圖4所示。

圖4 展示電能輸出的白熾燈Fig.4 The Light of Showing Power Output

3.2 溫差發(fā)電器部分

由液化天然氣通過溫差發(fā)電裝置后模擬發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)要達(dá)到的溫度，在本試驗(yàn)臺也就是要達(dá)到燃具燃燒要求的常溫狀態(tài)，因此溫差發(fā)電裝置的傳熱面積要達(dá)到一定的要求。

式中：Q—散熱量，kJ/h；C—比熱容，kJ（/kg·K），天然氣一般取值1.2；ΔT—溫差，℃；m—天然氣的質(zhì)量，kg。本實(shí)驗(yàn)只能模擬其發(fā)電性能，實(shí)驗(yàn)中從安全著想，本實(shí)驗(yàn)中的最大流量設(shè)定為0.2m3/h。經(jīng)前期準(zhǔn)備工作的溫差發(fā)電器兩端溫差約為20℃。同時(shí)查閱參考文獻(xiàn)可知常溫常壓下天然氣密度ρ=0.55kg/m3，可得散熱量為66kJ/h。

此部分換熱需要通過溫差發(fā)電片殼體和發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水的熱交換完成，公式為：

式中：hfc—換熱系數(shù)，W/m2·K，本次取501.15；S—換熱面積，m2。可得換熱面積0.00658m2。

由以上參數(shù)計(jì)算并設(shè)計(jì)冷端傳熱裝置的結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 冷端傳熱裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of Cold End

對于冷端傳熱裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來說，主要和表面溫度的均勻性有關(guān)，一般采用迷宮結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，由于冷端由LNG氣化行程低溫，設(shè)計(jì)的面積較小，因此其內(nèi)部采用空腔結(jié)構(gòu)。熱端的能量回收管同樣采用金屬殼體結(jié)構(gòu)，由于面積較大，內(nèi)部采用擋板進(jìn)行了分割，共設(shè)計(jì)了三種布置方式，分別為水平擋板模式、交錯(cuò)擋板模式、V字形擋板模式，如圖6所示。分析結(jié)果表明采用第二種結(jié)構(gòu)方式表面溫度更均勻一下，為此熱端內(nèi)部采用第二種結(jié)構(gòu)形式[12]。

冷端傳熱裝置和熱端能量回收管加工后即可安裝組成溫差發(fā)電器，溫差發(fā)電器的實(shí)物連接，如圖7所示。

圖7 溫差發(fā)電器實(shí)物圖Fig.7 Real Picture of Thermoelectric Generator

3.3 冷卻系統(tǒng)模擬部分

發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作過程中冷卻液溫度一般在（95～105）℃，而此次采用的冷卻液為自來水，自來水溫度超過100℃會沸騰，為此通過保溫箱和溫控儀實(shí)現(xiàn)冷卻系統(tǒng)溫度控制在（85～100）℃，同時(shí)利用水泵實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)，從而保證能量回收管內(nèi)部的冷卻水有足夠的能量，水泵采用了電動(dòng)定量泵，流量為200L/min，能夠滿足模擬的要求。

3.4 LNG氣化過程模擬部分

LNG氣化過程的模擬采用LNG氣管輸出后在溫差發(fā)電器冷端氣化的方式進(jìn)行模擬，如前所述，為了能夠?qū)崿F(xiàn)氣化，溫差發(fā)電器的熱端部分還需要提供一部分的熱量來實(shí)現(xiàn)氣化，否則吸熱太多的話容易結(jié)冰，如圖8所示。因此需要調(diào)節(jié)LNG的流量，在試驗(yàn)過程中是利用氣罐上的閥門開度來控制流量大小。

圖8 實(shí)驗(yàn)過程中冷端結(jié)冰照片F(xiàn)ig.8 Real Picture of Cold End Freezen

最終完成的實(shí)物圖，如圖9所示。顯示測量模塊、溫差發(fā)電器模塊、冷卻系統(tǒng)模擬部分和LNG氣化過程模擬部分分別在圖中做出了標(biāo)記。

圖9 實(shí)物圖Fig.9 Real Picture of Simulation Test Bed for LNG Cold Energy Recovery

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

在完成實(shí)驗(yàn)臺的組裝后進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，主要考察了水溫變化過程中溫差發(fā)電器兩端溫度的變化情況。為了便于分析，僅對單片溫差發(fā)電片進(jìn)行了測量。

4.1 水升溫過程中發(fā)電片兩端溫度與電壓的變化

控制LNG流量保持不變，在水溫由40℃逐步平穩(wěn)加熱90℃的過程中，考察發(fā)電片冷端溫度和熱端溫度的變化情況，以及冷熱端溫度變化對溫差發(fā)電片產(chǎn)生的電壓的影響。其變化過程，如圖10所示。

圖10 水升過程與發(fā)電片兩端溫度和電壓的關(guān)系Fig.10 Relationship between Output Voltage and Temperature Rise

由圖可知，隨著水溫的不斷升高，冷端和熱端溫度同時(shí)升高，熱端溫度從32℃升高到75℃，冷端溫度從20℃升高到55℃，與此同時(shí)輸出電壓也逐步升高，電壓從0.7V升高到1.1V左右后又有所降低，降低到1.0V。原因在于溫差發(fā)電片自身有一定的導(dǎo)熱性能，同時(shí)冷端和熱端距離較短，也可以通過周圍的空氣相互傳遞熱量，從而使得冷端和熱端溫度同時(shí)升高。

4.2 LNG流量對溫差發(fā)電器的影響

固定熱端水溫在90℃不變，通過調(diào)節(jié)液化氣罐閥門大小改變冷端流量，考察LNG流量大小的變化對半導(dǎo)體溫差發(fā)電片兩端溫度以及發(fā)電片電壓的變化。測量結(jié)果，如表1所示。由表可知，當(dāng)改變LNG流量時(shí)，冷端溫度和熱端溫度都有所降低，冷端溫度由68.7℃降低到58.2℃，下降了大約10℃；熱端溫度從80.8℃降低到78.9℃，下降了僅僅2℃；可知溫差由12℃上升到20℃。

表1 LNG流量對溫差發(fā)電器的影響Tab.1 Effect of LNG Flow Rate to Power Output of TEG

溫差的升高直接導(dǎo)致輸出電壓的升高，電壓由0.5V上升到1V。可知輸出電壓的升高來自溫差發(fā)電器兩端溫差的變大。

5 結(jié)論

介紹了LNG冷能回收模擬試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)與開發(fā)過程，該模擬實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)過程主要包括測量部分、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液模擬部分、LNG氣化模擬部分，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行LNG冷能回收過程的模擬，并且以此實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行了相關(guān)研究，研究結(jié)果表明雖然LNG氣化過程中溫度較低，但由于溫差發(fā)電器尺寸較小使得冷端和熱端溫差較小；同時(shí)還發(fā)現(xiàn)可以通過提高液化天然氣的流量提升溫差發(fā)電器兩端溫差。