LNG動力船冷藏集裝箱冷能系統設計

1 概述

目前，LNG冷能利用系統在分離過程、冷藏食品儲存、低溫二氧化碳捕獲、發電等方面都有應用

。Ouyang等提出了有機朗肯循環、海水淡化、低溫儲存和空調一體化的冷能回收利用方案，并確定了各板塊的最佳工質,為船用天然氣發動機冷能回收提供了一種新的思路

； Atienza-Márquez等提出了一個用于電力和冷能生產的LNG冷回收多聯產裝置

。此外，He等提出LNG的冷能利用在食品運輸和冷能儲存等方面有發展潛力

，秦鋒等設計了一種用于LNG動力漁船的冷能回收系統，分析了系統的工藝特點并開展了蓄冷與放冷的實驗研究

。本文則提出了利用冷能的LNG動力船冷藏冷能系統(以下簡稱冷能系統)。

2 冷能系統設計

2.1 冷藏集裝箱設計冷負荷

在國際海上集裝箱運輸中采用最多的是IAA型集裝箱和IC型集裝箱。本文設計的蓄冷式冷藏集裝箱為IAA型集裝箱，外形尺寸長×寬×高為12 192 mm×2 430 mm×2 896 mm，不使用傳統的制冷機組供冷。參照文獻[6]給出的負荷計算方法，考慮長江枯水期與豐水期氣溫因素，不考慮照明、電氣設備散熱量以及工作人員散熱量。且由于集裝箱在海上運輸時，箱內溫度已達到設計溫度，所以不考慮入庫貨物冷卻冷負荷。則冷藏集裝箱設計冷負荷包括圍護結構的溫差傳熱冷負荷

、換氣冷負荷

、入冷藏集裝箱食品的呼吸熱冷負荷

、冷負荷安全裕量

。

然而，如何根據線路、車輛、運營單位狀況乃至資金的融資形式等實際情況，對城市軌道交通車輛維修集約范式主體進行選擇、設計和評估，從而實現城市軌道交通車輛全生命周期維修成本的集約化，達到成本控制、風險管理的目標,成為驅動維修集約范式轉移的根本動力，也是開展維修集約范式主體相關研究的未來方向。

冷藏集裝箱分為低溫冷藏集裝箱、高溫冷藏集裝箱。計算

時，由于低溫冷藏集裝箱中貯存的是肉類，不需要進行換氣，因此低溫冷藏集裝箱的換氣冷負荷

為0；計算

時，肉類貨物不需要考慮呼吸熱，則

為0。設計冷負荷計算式

如下：

2003年，《國務院機構改革方案》指出，要在原國家藥品監督管理局的基礎上組建國家食品藥品監督管理局，負責食品的安全綜合監督、組織協調查處重大事故等工作，同時還承擔保健食品審批許可職能。該方案同時確立了“地方政府負總責、監督部門各負其責、企業是第一責任人”的食品藥品安全責任總體原則。

=

(

-

)

在開放存取理念推動下，有條件的高校開始建立自己的機構知識庫，主要就是收入師生在教學科研實踐活動過程中產生的各類記錄型知識成果。

(1)

(2)

=

德軍1918年3月突破了英軍前線陣地，英軍又用戰術轟炸擋住了敵人進攻。德國率先實施戰略轟炸，先用飛艇，后改轟炸機，直接轟擊英格蘭，觸犯了英倫三島的尊嚴，史稱“首次不列顛之戰”。英國報之以在戰爭末期幾個月對德國境內狂轟濫炸。

(3)

=0.011 7

(4)

(5)

(6)

式中

——圍護結構的溫差傳熱冷負荷，W

——相變潛熱，kJ/kg

經過觀摩人員和新洋豐技術人員現場測產，示范田葡萄糖度為16.6，預估畝產量6000斤以上；對照田葡萄糖度為15.2，預估產量與去年是畝產量4360斤持平。對比如此明顯，不僅讓現場參觀的種植戶羨慕不已，也讓葡萄種植專業技術很強的青島市和平度市兩級土肥站領導贊不絕口。示范田主人王永光在活動現場非常激動。

——圍護結構面積，m

，取122.17 m

——冷藏集裝箱外空氣溫度，℃，豐水期取重慶7月日平均溫度36 ℃，枯水期取1月日平均溫度11 ℃

——冷藏集裝箱內空氣溫度，℃，低溫冷藏集裝箱取-21.2 ℃，高溫冷藏集裝箱取-2.1 ℃

船上的各類物料庫，往往大都沒有鎖閉裝置，這不利于保安控制，物料庫是否遭受破壞，這直接影響船舶的安全和保安工作,因此要改裝添加鎖閉裝置，保安巡邏期間要重點關注物料間。特別是長期停靠碼頭，及錨泊船舶，出國作業船舶。上了鎖，既可以防止內部失盜、丟失，也可以防止外部的偷盜，順手牽羊等現象的發生。

——換氣冷負荷，W

——單位體積冷藏集裝箱外空氣冷卻至冷藏集裝箱內空氣溫度所需冷量，kJ/m

，高溫冷藏集裝箱豐水期取40.3 kJ/m

，枯水期取36.6 kJ/m

——冷藏集裝箱公稱容積，m

，取58.1 m

冷能系統涉及LNG動力船舶冷能利用技術領域，根據高溫冷藏集裝箱和低溫冷藏集裝箱不同的溫度需求，采用了逐級回收利用冷能的設計，起到降低火用損失的效果，更低溫的制冷劑優先為低溫冷藏集裝箱供冷。同時，分級換熱的設計比單級換熱可以節省耐低溫材料的用量。

就在我茫無頭緒的時候，白麗筠好像知道我在尋找她，為她的生死惴惴不安，忽然給我發來了一條短信：嚇著了吧，我走了，不要來找我。

——食品質量，kg

——食品計算密度，kg/m

，低溫冷藏集裝箱取肉類(去頭蹄)400 kg/m

，高溫冷藏集裝箱取新鮮水果(箱裝)350 kg/m

養豬業的市場行情雖然存在著許多不可預測的因素，但也遵循著一定的規律，掌握市場行情的一般規律，對指導生產、投資決策、提高經營水平、抗風險能力和經濟效益十分重要。30多年的經驗告訴我們，豬的市場價格一般在12～18個月波動一次，有時也會達到24個月波動一次。同時還要注意市場需求、總體存欄、氣候及季節變化。

——冷藏集裝箱容積利用系數，取0.30

——入冷藏集裝箱食品的呼吸熱冷負荷，W

——單位質量食品每日呼吸熱，kJ/(kg·d)，取水果呼吸熱0.5 kJ/(kg·d)

——冷負荷安全裕量，W

——冷藏集裝箱設計冷負荷，W

根據以上公式，計算得出冷藏集裝箱設計冷負荷見表1。

2.2 冷能系統設計

冷能系統流程見圖1。使用第1氣化支路時，LNG從LNG儲罐中引取，經LNG加熱器直接加熱至燃燒所需的溫度(0 ℃)，然后進入發動機燃燒室燃燒。使用第2氣化支路時，引取的LNG先經過第1級換熱器，與載冷劑(R410A)換熱，載冷劑將吸收的冷量傳遞給低溫冷藏集裝箱(儲存肉類，溫度為-21.2 ℃)。從第1級換熱器出來的天然氣進入第2級換熱器，與載冷劑(50%乙二醇溶液，指溶液中乙二醇液相體積分數為50%)換熱，載冷劑將吸收的冷量傳遞給高溫冷藏集裝箱(儲存果蔬，溫度為-2.1 ℃)。從第2級換熱器出來的天然氣進入第3級換熱器，需要開啟船舶空調時，天然氣與空調冷水系統循環水換熱，加熱至燃燒所需的溫度。不需要開啟船舶空調時，天然氣與抽取的江水換熱，加熱至0 ℃，最后進入發動機燃燒室燃燒。

（1）自動焊具有較小的焊接熱輸入，焊接過程相對穩定，焊接變形控制易于手工焊，焊縫軸向收縮量小于手工焊，在50%焊縫厚度前，焊接熱循環對焊接變形影響較大，隨著焊縫厚度的增加，焊接熱循環對焊接變形的影響減弱。

——每日換氣次數，d

，取10 d

該系統擁有2條氣化線路，可以根據是否需要回收LNG冷能選擇支路。當需要回收LNG冷能時，使用第2氣化支路，LNG共經過3級換熱器與載冷劑進行換熱，最終0 ℃天然氣作為燃料進入發動機燃燒室。

假設LNG為純甲烷，儲罐飽和壓力為0.6 MPa，則其溫度約-140 ℃。罐內壓力不滿足設定條件時，可以通過回流管路將部分天然氣輸送回儲罐中，增大罐內壓力。兩條回流管路均裝有回流動力泵提供動力。

2.3 管殼式換熱器的模擬

第1氣化支路中的LNG加熱器為水浴式氣化器，第2氣化支路中換熱器均采用管殼式換熱器。

使用Aspen Exchanger Design and Rating軟件對管殼式換熱器進行模擬。在所有換熱器中，天然氣在殼側流動而載冷劑在管側流動。管束排列方式均選擇30°三角形排列。管束內直徑與外直徑按照常見的標準管束分別設置為19 mm和25 mm。輸入初始參數：污垢熱阻、天然氣(或LNG)質量流量、天然氣(或LNG)和載冷劑的出入口溫度以及出入口壓力。此時換熱表面的利用率接近1，面積富裕度較小。為防止在運行過程中有超負荷情況，應該使面積富裕度在15%以上。調試數據，進行管長和殼程外直徑圓整，符合工程施工的要求和面積富裕度的要求。輸出換熱器制冷量和載冷劑的質量流量。

3 蓄冷板設計

計算得到低溫冷藏集裝箱中每塊蓄冷板提供冷量為2 887.7 kJ，高溫冷藏集裝箱中每塊蓄冷板提供冷量為3 630.8 kJ。

① 蓄冷板提供的冷量

=

在低溫冷藏集裝箱中，使用質量分數為23.1%的NaCl溶液作為相變材料

，相變溫度為-21.2 ℃，相變潛熱為236.1 kJ/kg，密度為1 124.1 kg/m

；在高溫冷藏集裝箱中，使用質量分數為5.8%的Na

CO

溶液作為相變材料，相變溫度為-2.1 ℃，相變潛熱為323.2 kJ/kg ，密度為1 032.5 kg/m

。每塊蓄冷板中實際裝入相變材料體積為0.010 88 m

。

——相變材料體積，m

每塊蓄冷板提供的冷量見式(7)：

標準物質曲線：將標準稀釋液10μL用甲醇定容至1mL，溶液濃度為100μg/L。取準確移取標準稀釋溶液(100μg/L)5.0,10.0,25.0,50.0,100.0,200.0μL用乙腈∶水(1∶9)定容至1.0mL，得到濃度分別為0.5、1、2.5、5、10、20μg/L的標準溶液。

(7)

式中

——蓄冷板提供的冷量，kJ

——相變材料密度，kg/m

在圖3（c）中，將重心d0（電勢待定為v0）作為代理點，用Wi表示子區域d0didi+1的能量（通過v0表示）。通過使得局部能量最小化，可求解下面的等式得到v0。

——圍護結構傳熱系數，W/(m

·K)，取0.294 W/(m

·K)

冷藏集裝箱頂部采用相變材料蓄冷板蓄冷，加裝尺寸長×寬×高為0.8 m×0.4 m×0.04 m的蓄冷板

。當發動機運行時，與LNG換熱后的載冷劑會與蓄冷板內的相變材料換熱，同時相變材料會釋放冷能冷卻集裝箱內空氣。當LNG供能停止時，仍能使用蓄冷板冷卻集裝箱內空氣，使冷藏集裝箱內部溫度維持在正常工作范圍。經計算可得，IAA型冷藏集裝箱最多可加裝70塊蓄冷板。加裝蓄冷板的冷藏集裝箱見圖2。相變材料改變物相時體積會變化，因此需要在蓄冷板中預留15%的體積膨脹空間，即每塊蓄冷板中實際裝入相變材料體積為0.010 88 m

。

② 蓄冷板工作時間

根據計算得出冷藏集裝箱設計冷負荷，可計算得到蓄冷板在冷藏集裝箱中的工作時間(最大保冷時間)：

(8)

式中

——蓄冷板工作時間，h

——IAA型集裝箱中蓄冷板數量，取70

計算得出，在低溫冷藏集裝箱和高溫冷藏集裝箱中，豐水期蓄冷板工作時間分別為24.8 h和38.3 h，枯水期蓄冷板工作時間分別為44.1 h和85.0 h。

4 案例分析

根據調研，柴油發動機的熱效率為48%～55%，且燃油的消耗率約為170 g/(kW·h)

，天然氣發動機熱效率為45%～47%，天然氣低熱值取35.9 MJ/m

，柴油低熱值取39.0 MJ/L。在本文計算中認為1.2 m

天然氣在發動機燃燒后可得的動力與1 L柴油在發動機燃燒后可得的動力相等。柴油密度為0.86 kg/L，天然氣密度為0.7 kg/m

。

某貨船是一條4 000 t級集裝箱多用途船舶。該船舶的運行路線為重慶寸灘港—四川宜賓，總長768 km，往返一次所需時間約為6 d。該船配備2臺功率為735 kW的發動機，采用雙燃料模式運行。枯水期航行中每臺發動機平均柴油消耗量為80～83 kg/h，平均LNG消耗量為75～79 kg/h。計算時，取每臺發動機平均柴油消耗量為80 kg/h，平均LNG消耗量為75 kg/h。

根據前文介紹的方法換算可得，若只使用LNG作為燃料，則單燃料LNG消耗量為152.7 kg/h。豐水期時，因水位升高，船舶載重量增加，同時受江水流速和航行速度影響，LNG消耗量會增加15%～30%，本文考慮滿負載情況下，豐水期單燃料LNG消耗量取198.5 kg/h。

根據第2.3節介紹的方法，使用Aspen Exchanger Design and Rating進行模擬。各級換熱器進出口溫度設定見表2，換熱器冷量回收模擬結果見表3。

在我國社會經濟持續、快速發展的大背景之下，公路工程的施工規模越來越大，為了更加深入的提升公路大中修工程養護質量，加強養護力度特別重要。因為超載車輛的不斷增加，在道路行車荷載與外界自然環境因素的影響之下，公路表面很容易出現大范圍裂縫、坑槽與沉降等現象。通過不斷加強公路大中修養護力度，能夠真正實現公路安全、可靠運營的目標，減少上述現象的發生[1]。

由于重慶寸灘港—四川宜賓航線較短，假設停靠時間不超過蓄冷板工作時間，不考慮回收冷量需要給蓄冷系統充能的情況。

枯水期時，第1級換熱器制冷量為23 082 W，枯水期低溫冷藏集裝箱設計冷負荷為1 272.3 W，因此，第1級換熱器制冷量最多可供18個低溫冷藏集裝箱使用。第2級換熱器制冷量為6 604 W，枯水期高溫冷藏集裝箱設計冷負荷為830.1 W，因此，第2級換熱器制冷量最多可供7個高溫冷藏集裝箱使用。同理，可計算得出，豐水期時第1級換熱器制冷量可供13個低溫冷藏集裝箱使用，第2級換熱器制冷量可供4個高溫冷藏集裝箱使用。

使用傳統的冷藏集裝箱裝載貨物時，要使用制冷機組，需考慮電動機散熱量。設每個傳統集裝箱的冷負荷比冷藏集裝箱多1 500 W

，制冷機組制冷性能系數參照常見機組標準運行工況下的制冷性能系數，并按照實際運行工況的蒸發溫度與冷凝溫度進行修正

。同時，根據船舶運行數據報告可得，在該航線往返一次，發動機運行時間約為60 h。聯系前文計算得出的可供冷藏集裝箱的數量，可計算得出該航線往返一次冷能系統最大可節約能耗量，見表4。

三年級學生在校園里顯得更為活躍，他們有熱情，也顯得任性、容易沖動。有時他們會在桌面上、黑板上，寫幾句小詩、一行話語，好像以此表達對學習的愛好，我就鼓勵學生寫生活小詩歌，極大的激發他們的寫作欲望，引導他們以恰當的方式表達出來。實踐證明：積極疏導，把他們的心語得以外化，由此激發他們學語文、用語文的意識是有效的路徑。在練筆、討論、批注和推敲中學生樂而不疲，尊師愛校、友愛同學的美好情操得到提升。

5 結論

以某LNG動力船為研究對象，設計一種LNG動力船冷藏集裝箱冷能系統，該系統的終端為冷藏集裝箱，在其內部加裝相變蓄冷板,分別計算了豐水期與枯水期低溫冷藏集裝箱、高溫冷藏集裝箱的設計冷負荷及最大保冷時間。結合某4 000 t級集裝箱多用途船舶實際運行參數，使用Aspen Exchanger Design and Rating對換熱器進行模擬，得出換熱器制冷量，得出航線往返一次冷能系統最大可節約能耗量。計算結果表明：枯水期時，系統所回收的LNG冷能可最多為18個低溫冷藏集裝箱和7個高溫冷藏集裝箱供冷，相當于一次航行可節電2 628.3 kW·h。豐水期時，系統所回收的LNG冷能可最多為13個低溫冷藏集裝箱和4個高溫冷藏集裝箱供冷，相當于一次航行可節電3 378.8 kW·h。該冷能系統具備可行性。

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