三介質換熱器設計與試驗研究

1 概述

LNG作為車用燃料，可有效緩解燃油汽車尾氣排放造成的環境污染。LNG在氣瓶內的儲存溫度一般為-140～-160 ℃，無法直接使用，進入內燃機前需經氣化過程轉變為常溫氣體，并伴隨釋放大量冷量，而這部分冷量通常被直接排到大氣中，造成浪費。若利用這部分冷量為汽車駕駛室制冷，可有效降低內燃機燃料消耗

。

此外，設備缺乏也會阻礙任務型教學法的順利進行。盡管我國增加了對教育經費的投資，中學的教學條件也有了很大的改善，但是還是有部分地區多媒體教學設備未能達到實際要求。

國外方面，德國Messer工業氣體公司于1997年成功研制了世界首臺LNG冷藏車

，并將其用于柏林REWE零售連鎖店中。通過1998年整個夏天的運輸檢驗，運行穩定，達到了預期效果，并降低冷藏車的運行費用。

國內方面，王強

針對汽車空調LNG冷能利用，進行了理論和試驗研究。付一珂

提出了采用低溫無相變載冷劑換熱的LNG冷能利用重卡空調系統，并通過增設蓄冷裝置回收富裕冷量。鄧冬等人

提出采用分離式熱管技術回收LNG冷能用于汽車駕駛室制冷，并對不同工況下制冷量隨LNG耗量的變化進行了研究。

也直覺回應：從這位教師身上，感到我們真的需要死亡教育，需要教育蕓蕓眾生如何舉重若輕面對生老病死。試著邀請她進入敘事探究活動，一種真誠安全無恐懼的分享氛圍可能會幫她自我突圍，尤其是當有人分享曾經經歷過的類似痛苦，曾經讀過什么書讓內心敞亮，重獲力量。

1）針對2月中下旬嫁接后，3月下旬或4月上旬萌芽展葉的苗木，要注意收聽天氣預報，如有倒春寒，要及時在倒春寒來臨前用遮陽網苫蓋苗木，以防受凍。

2 三介質換熱器設計

三介質換熱器傳熱原理見圖1。三介質換熱器包含冷源介質與中間換熱介質傳熱、中間換熱介質與載冷劑傳熱、中間換熱介質自身對流傳熱等傳熱過程。由圖1可知，溫度比較高的載冷劑在換熱管2內流動，加熱管外的中間換熱介質，溫度升高后的中間換熱介質加熱換熱管1內的冷源介質。

國內市場：據協會監測的24個省份數據顯示，中國磷酸二銨批發價格周環比總體穩定，局部漲跌互現。其中，山東、廣東、甘肅、新疆價格分別上漲4.2元/噸、50元/噸、25元/噸、25元/噸；北京、河南、湖北、云南4省價格分別下跌 30元/噸、47.5元/噸、22.6元/噸、16.5元/噸，其余省份價格持穩。中國磷酸二銨零售價格周環比持穩，局部價格上漲。其中，河北、廣東、寧夏、新疆價格分別上漲8.3元/噸、50元/噸、200元/噸、3.4元/噸；山東、河南、湖北、四川4省份價格分別下跌 15.8元/噸、10元/噸、17.9元/噸、33.3元/噸，其余省份價格保持穩定。

基于熱力學與傳熱學理論，對三介質換熱器進行優化設計，三介質換熱器結構見圖2。三介質換熱器主要包括殼體、外盤管換熱器、內盤管換熱器等，內盤管通載冷劑，外盤管通冷源介質，載冷劑與冷源介質逆向流動。在腔體內填充中間換熱介質。殼體外設置絕熱層。

3 試驗系統

3.1 模化分析

三介質換熱器內設8個溫度測點，位置分布見圖4。圖4中T3、T4位于三介質換熱器的背面。測點T1、T2測量三介質換熱器上部氣相空間溫度，測點T5、T6測量三介質換熱器底部液相丙烷溫度，測點T3、T4測量豎直中間位置靠近三介質換熱器壁面丙烷溫度，測點T7、T8測量三介質換熱器軸線位置丙烷溫度。在試驗研究過程中，定義測點T3、T4、T7、T8的平均溫度為丙烷溫度。

換熱器取冷效率：換熱器取冷量與液氮可取冷量之比。換熱器取冷量：載冷劑在三介質換熱器中得到的冷量，由載冷劑質量流量以及三介質換熱器載冷劑進出口溫差計算得到。液氮可取冷量：飽和液氮吸熱變為0 ℃過熱氮氣釋放的冷量，由液氮質量流量與釋冷前后比焓計算得到。

目前，LNG冷能回收空調均采用LNG與載冷劑雙介質換熱的方法進行取冷，由于LNG溫度比較低，換熱溫差比較大，空調工作時易出現載冷劑凍結、換熱效率低等問題。為解決上述問題，本文設計三介質換熱器，對三介質換熱器換熱性能進行試驗研究。實驗室大氣壓力為101.325 kPa。

保持液氮質量流量34 kg/h、丙烷溫度為0 ℃，換熱器取冷效率、系統取冷效率隨乙二醇溶液質量流量的變化見圖6。由圖6可知，保持液氮質量流量、丙烷溫度，換熱器取冷效率隨乙二醇溶液質量流量增大而增大，系統取冷效率隨乙二醇溶液質量流量增大而減小。系統取冷效率減小的主要原因為循環泵發熱量增大。試驗條件下，液氮質量流量為34 kg/h、丙烷溫度為0 ℃時，換熱器取冷量為3 218 W,換熱器取冷效率為94.8%。

保持三介質換熱器乙二醇溶液進、出口溫度分別為12、7 ℃，丙烷溫度為0 ℃。液氮質量流量分別為34、47 kg/h時液相丙烷的各測點溫度見表3。由表3可知，三介質換熱器底部液相丙烷過冷度過大，液氮質量流量越大，過冷度越大。

3.2 試驗系統

試驗系統流程見圖3。三介質換熱器設計參數見表2。飽和液氮壓力(表壓)為0.6 MPa。試驗系統主要包括供氣系統、調飽和系統、換熱系統、載冷劑系統、熱對抗系統、測控系統等。供氣系統、調飽和系統實現液氮流量調節和參數測量。換熱系統主要裝置為三介質換熱器。載冷劑系統用于調節乙二醇溶液質量流量，并對其溫度、質量流量進行測量計算。熱對抗系統通過電加熱器為乙二醇溶液提供穩定的加熱功率。測控系統用于采集、儲存試驗系統的測量數據，并控制調節閥開度、循環泵轉速、電加熱器加熱功率等。

考慮到LNG易燃易爆，因此使用無毒、無污染且價格低廉的液氮替代LNG進行試驗。工程上嚴格意義的模化試驗很難做到，因此大多數采用近似模化試驗，即僅要求對過程有決定性影響的條件參數滿足相似原理。對于液氮模擬LNG，在幾何條件相同和邊界條件相似條件下，僅需保證流體雷諾數、普朗特數相等或近似相等即可

。為簡化問題，僅對氣態條件進行模化分析，并將LNG視為純甲烷。LNG重卡正常運行時氣瓶內壓力(表壓)通常為0.6 MPa，對應甲烷飽和溫度為141.7 K。設定三介質換熱器出口甲烷溫度為233.1 K，則定性溫度為187.4 K。

3.3 術語與定義

查REFPROP物性軟件可得，定性溫度下氮氣、甲烷壓力(表壓)為0.6 MPa時的物性參數見表1。

系統取冷效率：系統取冷量與液氮可取冷量之比。系統取冷量：電加熱器載冷劑進出口溫度穩定時的電加熱功率。

4 試驗結果與分析

4.1 取冷量、取冷效率

保持丙烷溫度為0 ℃，三介質換熱器乙二醇溶液進、出口溫度分別為12、7 ℃。換熱器取冷量、換熱器取冷效率隨液氮質量流量的變化見圖5。由圖5可知，保持丙烷溫度及三介質換熱器乙二醇溶液進出口溫度，換熱器取冷量、換熱器取冷效率隨液氮質量流量增大而增大。

地質模型不確定性因素主要來自于以模型實現為基礎的儲量計算[4-6]。J油田處于開發的前期研究階段，鉆井資料少，地質不確定性強，該文從構造特征、儲層特征、油藏特征入手，分析影響儲量的不確定性因素。

4.2 丙烷溫度分布

根據表1數據，由雷諾數、普朗特數定義式分別計算氮氣、甲烷的雷諾數、普朗特數，并計算得到氮氣與甲烷的雷諾數比、普朗特數比分別為0.996、0.994。這說明氮氣與甲烷的雷諾數、普朗特數非常接近，可以使用液氮替代LNG進行試驗研究。

為緩解三介質換熱器底部液相丙烷過冷度過大的問題，將液氮、乙二醇溶液的流程互換。仍保持三介質換熱器乙二醇溶液進、出口溫度分別為12、7 ℃，丙烷溫度近似為0 ℃。液氮、乙二醇溶液流程互換后液氮質量流量分別為34、47 kg/h時液相丙烷的各測點溫度見表4。由表4可知，液氮、乙二醇溶液流程互換解決了三介質換熱器底部液相丙烷過冷度過大的問題。

5 結論

① 保持丙烷溫度及三介質換熱器乙二醇溶液進出口溫度，換熱器取冷量、換熱器取冷效率隨液氮質量流量增大而增大。

② 試驗條件下，液氮質量流量為34 kg/h、丙烷溫度為0 ℃時，換熱器取冷量為3 218 W,換熱器取冷效率為94.8%。

由表2可知，分蘗數是處理6最高為9.13萬蘗/畝，依次是處理6>處理5>處理4>處理3>處理2>處理1；分蘗率和分蘗成穗率變化趨勢與分蘗數一致。

③ 保持液氮質量流量、丙烷溫度，換熱器取冷效率隨乙二醇溶液質量流量增大而增大，系統取冷效率隨乙二醇溶液質量流量增大而減小。

④ 內盤管通載冷劑，外盤管通冷源介質，三介質換熱器底部液相丙烷過冷度過大，液氮質量流量越大，過冷度越大。液氮、乙二醇溶液流程互換解決了三介質換熱器底部液相丙烷過冷度過大的問題。

[1] 王強. 綠色汽車燃料-液化天然氣冷量回收汽車空調系統研究(博士學位論文)[D]. 西安：西安交通大學，2003：1-91.

[2] 付一珂. 載冷劑無相變換熱LNG重卡冷能利用空調特性研究(碩士學位論文)[D]. 鄭州：中原工學院，2017：1-16.

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