CN112432050B - 一种利用lng冷能的高效节能换热系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用LNG冷能的高效节能换热系统，包括冷藏箱、LNG气瓶、换热器组件、发动机应用组件、控制器和测量传感器组件；控制器用于接收从电子控制单元ECU传输过来的发动机转速信号、第一温度传感器传输过来的冷藏箱内的空气温度信号、第二温度传感器传输过来的热交换器出口位置的LNG温度信号，并转换成变频风机的转速信号对变频风机进行转速控制；当热交换器的LNG出口温度高于设定值A或冷藏箱内空气温度低于设定值B时，控制器控制变频风机停止运转；当控制器控制变频风机运转后，变频风机转速随天然气发动机转速的升高而升高。该系统能减少变频风机的能量消耗，高效安全利用LNG冷能。

Description

一种利用LNG冷能的高效节能换热系统
技术领域
本发明属于冷藏车技术领域，具体涉及一种利用LNG冷能的高效节能换热系统。
背景技术
随着社会经济的发展，人民生活水平的不断提高，食品运输量日益增加，食品冷藏链在提高人们生活质量方面发挥的作用越来越显著。用冷藏车可运输肉、禽、水产、水果、蔬菜、乳制品、冷饮、保健食品等，可以保证食品的新鲜和不易腐烂，保证人民的身体健康，减少食品的浪费。要将汽车冷藏箱降低到标准所规定的温度（大约－18℃～＋5℃，根据冷藏车的等级不同而不同），通常需要使用空调机来实现。空调机使用电能制冷，强制将冷藏箱内的热量传递到大气环境中，使冷藏箱内的温度降低，达到所需要的温度。冷藏车使用空调机制冷都需要消耗能量，增加汽车的燃料/能量消耗，增加二氧化碳排放及有害污染物的排放。
节能减排是汽车领域面临的共同问题。天然气汽车属于清洁能源汽车，二氧化碳排放及有害污染物的排放相对较少，是国家提倡发展的汽车种类。LNG是液态燃料，存储在绝热瓶中，最低温度为－162℃。冷藏车上使用LNG为燃料时，需要把液态的LNG加热到气态（例如0～20℃），供天然气发动机使用。在冷藏车上，将液态的LNG接入蒸发器中，用发动机的冷却水来对LNG进行加热。LNG的吸热过程可以分为两个阶段：第1阶段，LNG从液态变为低温气态，吸收汽化潜热；第2阶段，从低温气态吸热变成常温气态。在整个汽化、加热过程中，单位质量的LNG释放的冷能大约为750kJ/kg。发动机的功率越大，消耗的LNG质量越多，LNG释放的冷能越多。LNG释放的冷能没有被利用，被白白浪费掉了。
将冷藏车上LNG释放的冷能用来降低冷藏箱内空气的温度，可以减少发动机的燃料消耗，相对使用空调机来制冷，具有显著的节能减排效果。要将LNG的冷能利用起来，需要使用一个换热器来进行LNG与空气之间的热量交换。为取得较好的换热效果，需要使用变频风机进行强制换热。变频风机的转速越高，风量就越大，空气流速就越高，换热效果就越好。但是变频风机的转速越高，消耗的功率就越大，不利于节能减排。假设变频风机的功率为150～200W，则变频风机在1小时消耗的能量为540～720kJ。因为变频风机是安装在冷藏箱内，其消耗的能量会转换成热量留在冷藏箱内，成为一个热源，抵消一部分利用的冷能，使冷藏箱的降温速度变慢，能达到的最低温度极限值变高。例如1个容积为17立方米的冷藏箱，其中的空气下降30℃（例如从35℃下降到5℃）需要的冷量约为856 kJ。由此可以计算出变频风机消耗的能量与冷藏箱空气降温所需要的冷量之间的比值较大，为63%～84%。由此可知，如何减少变频风机消耗的能量是一个值得研究的重要问题。
通常使用的换热器竖直安装，以便换热器上的结霜融化后形成的水向下流动排走，不影响传热效果。为增强换热效果及减少结霜层的厚度，需要采用变频风机和风道进行强制通风，增加空气的流速来增加换热器的传热系数。空气的流速与变频风机的风量相关，变频风机的风量越大，空气的流速就越大，但变频风机消耗的功率就越大。冷藏车在道路运行的过程中，发动机的转速、功率是不断变化的，消耗的LNG量也是不断变化的。当发动机在低速运转时，消耗的LNG量较少，可利用的冷能较少，变频风机的转速也应该较低；发动机在高速运转时，消耗的LNG量较多，可利用的冷能较多，变频风机的转速也应该较高。
另外，由于星型换热器由多段U型换热管组成，在换热器的进口与出口之间的管路上，温度分布极不均匀。靠近LNG进口部分管路表面的温度低（管内LNG的温度约为－130℃～－120℃），与空气之间进行的热量交换多；靠近LNG出口部分管路表面的温度高（例如管内LNG的温度约为0℃左右），与空气之间进行的热量交换少。当用相同的风量对换热器不同管路部分进行冲刷时，对温度较低的管路来说，风量就会不够，也不利于换热器表面的除霜和排水；对温度较高的管路来说，风量就会过多，增加变频风机的能量消耗。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明旨在提供一种减少变频风机能量消耗、高效安全利用LNG冷能的高效节能换热系统。
为此，本发明所采用的技术方案为：一种利用LNG冷能的高效节能换热系统，包括冷藏箱、LNG气瓶、换热器组件、发动机应用组件，所述LNG气瓶、发动机应用组件设置在冷藏箱外，换热器组件设置在冷藏箱内，所述发动机应用组件包括泄压阀、压力调节器、共轨喷射体、天然气发动机和电子控制单元ECU，还包括控制器和测量传感器组件；所述换热器组件包括热交换器、风道和变频风机，热交换器竖直安装在风道内，变频风机安装在风道上部外，在风道的下部开有进风口；
所述LNG气瓶、手动截止阀、热交换器、泄压阀、压力调节器、共轨喷射体、天然气发动机依次通过LNG管路相连；所述测量传感器组件包括用于测量冷藏箱内空气温度的第一温度传感器、用于测量热交换器出口位置LNG温度的第二温度传感器；
所述电子控制单元ECU通过电缆分别与天然气发动机、共轨喷射体和控制器相连，控制器通过电缆分别与变频风机、第一温度传感器、第二温度传感器相连，控制器用于接收从电子控制单元ECU传输过来的发动机转速信号、第一温度传感器传输过来的冷藏箱内的空气温度信号、第二温度传感器传输过来的热交换器出口位置的LNG温度信号，并转换成变频风机的转速信号对变频风机进行转速控制；当热交换器的LNG出口温度高于设定值A或冷藏箱内空气温度低于设定值B时，控制器控制变频风机停止运转；当控制器控制变频风机运转后，变频风机转速随天然气发动机转速的升高而升高；
在所述风道的下部开有变截面进风口，由热交换器LNG进口侧向出口侧的开口面积逐渐减小；
所述测量传感器组件还包括用于测量冷藏箱内天然气泄漏的天然气泄漏传感器，控制器通过电缆与天然气泄漏传感器相连，当冷藏箱内的天然气出现泄漏时，控制器联动报警器进行报警。
本系统的工作过程如下：当系统正常工作时，液态的LNG流入到冷藏箱内的换热器。低温的LNG通过换热器吸收冷藏箱内空气的热量，完成汽化和升温，然后从换热器流出。变频风机在控制器的控制下运转，空气从风道的进口流入风道，向上流动与LNG进行强制换热，将热量传递给LNG，温度下降后的空气从风道上部的变频风机出口流出与冷藏箱内的空气混合。在变频风机的作用下，空气循环流动，不断将热量传递给LNG，温度得到降低。从换热器流出的LNG（气体）流入到压力调节器进行压力调节，调节到共轨喷射体需要的工作压力，然后流入共轨喷射体。在电子控制单元ECU的控制下，共轨喷射体中的多个喷嘴按顺序依次工作，喷射出适量的天然气，满足天然气发动机对功率和空燃比的要求。控制器接收从电子控制单元ECU传来的发动机转速信号，将其转换成变频风机的控制信号。当天然气发动机高速运转时，变频风机高速运转；当天然气发动机低速运转时，变频风机低速运转。在保证充分换热的条件下，减小变频风机的功率消耗和留在冷藏箱内的发热量，提高LNG冷能利用的效果和冷藏箱的降温速度。
进一步优选为，所述热交换器由若干直管和U形接管组装而成，平行设置的相邻两根直管间采用U形接管相接，在每根直管的外壁上设置有若干呈发散状均匀分布的散热翅片组成星型散热直管。
进一步优选为，在所述手动截止阀出口至冷藏箱的LNG管路上，包裹有保温隔热材料层。
进一步优选为，所述第一温度传感器、天然气泄漏传感器安装在冷藏箱顶部的几何中心。
本发明的有益效果：
（一）不消耗能量制冷：利用LNG的冷能来降低冷藏车中冷藏箱内的空气温度，不消耗发动机的能量，汽化后的LNG用作天然气发动机的燃料，达到能量双重利用的目的。
（二）减少风机的能量消耗和发热量：采用变频风机结合控制器进行控制，变频风机的转速跟随发动机的转速，减少变频风机的运行时间和转速，减少变频风机的能量消耗和由此转换成的热量（留在冷藏箱内），提高LNG冷能利用的效果和冷藏箱的降温速度。
（三）换热器分区强制换热，减少风机的风量（功率），合理分配风量，对换热器的低温区提供较多的空气流量，对高温区提供较少的空气流量，在使用小风量变频风机的条件下，实现换热器良好的换热效果。
（四）冷藏箱内增设天然气泄漏传感器，当冷藏箱内的天然气出现泄漏时，控制器联动报警器进行报警；结合LNG管路上安装的泄压阀，当LNG压力过高时泄压阀会自动打开，将一小部分天然气释放到大气中，使压力回到安全的范围内，保证管路及各零部件不受损坏，使用更加安全。
附图说明
图1 为本发明的结构示意图。
图2 为换热器组件的正视图。
图3 为换热器组件的侧视图。
图4 为换热器的结构示意图。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：
结合图1—图3所示，一种利用LNG冷能的高效节能换热系统，主要由LNG气瓶1、手动截止阀2、保温隔热材料层3、冷藏箱4、热交换器5、风道6、变频风机7、第一温度传感器8、天然气泄漏传感器9、第二温度传感器10、泄压阀11、压力调节器12、共轨喷射体13、天然气发动机14、电子控制单元ECU 15、控制器16组成。
LNG气瓶1、发动机应用组件设置在冷藏箱4外，换热器组件设置在冷藏箱4内。发动机应用组件主要由泄压阀11、压力调节器12、共轨喷射体13、天然气发动机14和电子控制单元ECU 15组成。电子控制单元ECU 15用于对天然气发动机14的控制，并将天然气发动机14的转速信号传送给控制器。压力调节器12用于将天然气的压力调节到共轨喷射体13所需要的工作压力，共轨喷射体13用于控制天然气发动机14需要的天然气流量。泄压阀11安装在冷藏箱4外，用于控制管路中LNG的最高压力，当管路内LNG的压力超过设定的最高压力时，泄压阀11打开，放出一部分气体，使气体压力在正常的范围内，保护相关的零部件不受损坏。
换热器组件主要由热交换器5、风道6和变频风机7组成。
热交换器5竖直安装在风道6内，变频风机7安装在风道6上部外，在风道6的下部开有进风口。风道6为一箱体式薄壳结构体。最好是，在风道6的下部开有变截面进风口，由热交换器5的LNG进口侧向出口侧开口面积逐渐减小。进风口采用变截面结构，靠近热交换器低温区的部分，面积大，进风量多，空气在风道内的流速高，有利于空气与LNG之间的强制换热；靠近高温区的部分，面积小，进风量少，空气在风道内的流速低，对应较少的换热量。通过这种方式，可实现在风机风量较小的条件下换热器具有较好的换热效果。
LNG气瓶1、手动截止阀2、热交换器5、泄压阀11、压力调节器12、共轨喷射体13、天然气发动机14依次通过LNG管路相连。
测量传感器组件包括第一温度传感器8、第二温度传感器10、天然气泄漏传感器9组成。第一温度传感器8用于测量冷藏箱4内的空气温度，第二温度传感器10用于测量热交换器5出口位置的LNG温度。天然气泄漏传感器9 用于测量冷藏箱4内是否有天然气泄漏。
电子控制单元ECU 15通过电缆分别与天然气发动机14、共轨喷射体13和控制器16相连。控制器16通过电缆分别与变频风机7、第一温度传感器8、第二温度传感器10、天然气泄漏传感器9相连。
控制器16用于接收从电子控制单元ECU 15传输过来的发动机转速信号、第一温度传感器8传输过来的冷藏箱4内的空气温度信号、第二温度传感器10传输过来的热交换器5出口位置的LNG温度信号，并转换成变频风机7的转速信号对变频风机7进行转速控制；当热交换器5的LNG出口温度高于设定值A或冷藏箱4内空气温度低于设定值B时，控制器16控制变频风机7停止运转；当控制器16控制变频风机7运转后，变频风机7转速随天然气发动机14转速的升高而升高。
另外，控制器16还用于接收从天然气泄漏传感器9传输过来的天然气泄漏信号，当冷藏箱4内的天然气出现泄漏时，控制器16联动报警器进行报警。
在手动截止阀2出口至冷藏箱4的LNG管路上，最好是，包裹有保温隔热材料层3。
第一温度传感器8、天然气泄漏传感器9最好安装在冷藏箱4顶部的几何中心。天然气的密度比空气的密度小，泄漏的天然气容易聚集在较高的位置。当泄漏的天然气浓度达到设定值（低于可燃浓度的下限）时，控制器16可发出声、光报警。工作人员可通过关闭手动截止阀2切断气源、打开冷藏箱4门进行通风处理等措施，防止发生安全事故。
如图4所示，热交换器5由若干直管5a和U形接管5b组装而成。平行设置的相邻两根直管5a间采用U形接管5b相接，在每根直管5a的外壁上设置有若干呈发散状均匀分布的散热翅片5c组成星型散热直管，换热效果更好。
本系统中，LNG气瓶1：用于储存LNG燃料；
手动截止阀2：用于控制LNG的流动；
保温隔热材料层3：用于对LNG管路的保温隔热，防止外界的热量传递给LNG；
冷藏箱4：用于形成保温的密闭冷藏空间；
换热器组件：用于LNG与冷藏箱内空气之间的换热；
测量传感器组件：用于测量气体的温度和天然气的泄漏；
发动机应用组件：用于对天然气进行压力和流量调节，用发动机消耗LNG燃料；
控制器16：用于测量、显示气体的温度，测量天然气的泄漏并进行报警，对变频风机的转速进行控制。
液态的LNG（最低温度通常为－162℃）从LNG气瓶1流出后，由手动截止阀2控制其流动。在手动截止阀2之后的LNG管路上包裹保温隔热材料层3，防止外界的热量传递给LNG管路，避免可利用的LNG冷能减少。
当变频风机7运转时，冷藏箱4内的空气从进风口流入风道6内，然后沿星型散热直管向上流动，通过热交换器与LNG进行热交换，将热量传递给LNG。空气换热后温度下降，然后经变频风机7的出口流出，与冷藏箱4内的空气（温度较高）混合。通过这种反复循环，使冷藏箱4内的空气温度下降。
从热交换器5流出的LNG变成气体，流入到压力调节器12进行压力调节，然后流入到共轨喷射体13。在电子控制单元ECU 15的控制下，共轨喷射体13中的多个喷嘴按顺序依次工作，喷射出适量的天然气，满足天然气发动机14对功率和空燃比的要求。
控制器16通过电缆与电子控制单元ECU 15和各传感器相连。控制器16接收第一温度传感器8的信号，测量和显示冷藏箱4内空气的温度，当空气温度达到设定值B时，变频风机7停止运转（即使发动机运转）；控制器16接收第二温度传感器10的信号，测量和显示LNG的温度，当LNG的温度高于设定值A（如设定值A为0℃）时，变频风机7不运转（即使发动机运转）；控制器16接收天然气泄漏传感器9的信号，当泄漏量超过设定的限值C时，发出声、光报警；控制器16接收电子控制单元ECU 15传来的天然气发动机14转速信号，将其转换为控制变频风机7的转速信号。当控制器16控制变频风机7运转后，天然气发动机14高速运转时，变频风机7高速运转；当天然气发动机14低速运转时，变频风机7低速运转；当天然气发动机14不运转时，变频风机7也不运转，减少能量消耗。

Claims (4)

1.一种利用LNG冷能的高效节能换热系统，包括冷藏箱(4)、LNG气瓶(1)、换热器组件、发动机应用组件，所述LNG气瓶(1)、发动机应用组件设置在冷藏箱(4)外，换热器组件设置在冷藏箱(4)内，所述发动机应用组件包括泄压阀(11)、压力调节器(12)、共轨喷射体(13)、天然气发动机(14)和电子控制单元ECU(15)，其特征在于：还包括控制器(16)和测量传感器组件；所述换热器组件包括热交换器(5)、风道(6)和变频风机(7)，热交换器(5)竖直安装在风道(6)内，变频风机(7)安装在风道(6)上部外，在风道(6)的下部开有进风口；
所述LNG气瓶(1)、手动截止阀(2)、热交换器(5)、泄压阀(11)、压力调节器(12)、共轨喷射体(13)、天然气发动机(14)依次通过LNG管路相连；所述测量传感器组件包括用于测量冷藏箱(4)内空气温度的第一温度传感器(8)、用于测量热交换器(5)出口位置LNG温度的第二温度传感器(10)；
所述电子控制单元ECU(15)通过电缆分别与天然气发动机(14)、共轨喷射体(13)和控制器(16)相连，控制器(16)通过电缆分别与变频风机(7)、第一温度传感器(8)、第二温度传感器(10)相连，控制器(16)用于接收从电子控制单元ECU(15)传输过来的发动机转速信号、第一温度传感器(8)传输过来的冷藏箱(4)内的空气温度信号、第二温度传感器(10)传输过来的热交换器(5)出口位置的LNG温度信号，并转换成变频风机(7)的转速信号对变频风机(7)进行转速控制；当热交换器(5)的LNG出口温度高于设定值A或冷藏箱(4)内空气温度低于设定值B时，控制器(16)控制变频风机(7)停止运转；当控制器(16)控制变频风机(7)运转后，变频风机(7)转速随天然气发动机(14)转速的升高而升高；
在所述风道(6)的下部开有变截面进风口，由热交换器(5)LNG进口侧向出口侧的开口面积逐渐减小；
所述测量传感器组件还包括用于测量冷藏箱(4)内天然气泄漏的天然气泄漏传感器(9)，控制器(16)通过电缆与天然气泄漏传感器(9)相连，当冷藏箱(4)内的天然气出现泄漏时，控制器(16)联动报警器进行报警。
2.根据权利要求1所述的利用LNG冷能的高效节能换热系统，其特征在于：所述热交换器(5)由若干直管(5a)和U形接管(5b)组装而成，平行设置的相邻两根直管(5a)间采用U形接管(5b)相接，在每根直管(5a)的外壁上设置有若干呈发散状均匀分布的散热翅片(5c)组成星型散热直管。
3.根据权利要求1所述的利用LNG冷能的高效节能换热系统，其特征在于：在所述手动截止阀(2)出口至冷藏箱(4)的LNG管路上，包裹有保温隔热材料层(3)。
4.根据权利要求1所述的利用LNG冷能的高效节能换热系统，其特征在于：所述第一温度传感器(8)、天然气泄漏传感器(9)安装在冷藏箱(4)顶部的几何中心。
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