CN114450515A - 用于回收用作车辆燃料的lng的制冷单元的装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于回收用作车辆燃料的LNG(液化天然气)的制冷单元的装置，包括：‑第一热交换器(1)，其设置在车辆的牵引车(10)上，位于LNG罐(14)与LNG气化和加热回路(12，18)之间，所述LNG被输送到车辆的马达(13)；‑第二热交换器(2)，其设置在车辆的拖车或半拖车(20)的制冷车厢(11)内；‑热传递流体在其中流动的封闭的中间回路(15)，该中间回路包括用于使热传递流体移动的设备(3)、用于将中间回路(15)的安装在牵引车(10)上的管线与相同中间回路(15)的安装在拖车或半拖车(20)上的管线连接和断开的系统(4，5)、以及用于储存热传递流体并将其重新整合到中间回路(15)中并且用于将所述中间回路(15)中的热传递流体维持在一定压力值的设备。
Description
技术领域
本发明总体上涉及一种用于回收用作车辆燃料的液化天然气(LNG)的制冷单元(refrigeration units)的装置。
更具体地说，本发明涉及一种新技术，当天然气可用并且作为低温液体(LNG)储存在车辆上时，该新技术用于高效且安全地使用和回收在使用天然气作为燃料的所述车辆上可用的制冷单元。
本发明主要涉及制冷车辆的领域，在LNG动力牵引车用于牵引制冷拖车的情况下，即使用途不限于公路运输，当制冷和/或空气调节需要冷冻产品气时，也可以扩展到LNG供应的空运、海运和铁路车辆。
背景技术
在以下的描述中，术语“热传递流体”是指具有适于在低温(即LNG的典型温度)下传输热能的化学-物理特性(特别是高热容量和热导率)的流体(液体或气体)。适合于本发明目的的气态热传递流体的示例是氦气，而合适的液体热传递流体的示例是乙二醇，其可能与水或其他合适浓度的液体混合。
此外，术语“制冷单元”是指LNG或热传递流体能够通过蒸发(潜在制冷单元)和/或通过加热(灵敏制冷单元)减去(subtract)的热能的量，术语“天然气”是指无色、无腐蚀性和无毒的气态混合物，主要由甲烷组成，并且可能含有少量的乙烷、丙烷、氮气和其它成分，而术语“液化天然气或LNG”是指处于低温液体状态的天然气，其在饱和和大气压下，对应于约-160℃的温度。
此外，术语“液态二氧化碳或LCO2”是指处于低温液体状态的二氧化碳，其在饱和且压力约为5atm时，对应于约-57℃的温度，并且术语“液氮或LIN”是指处于低温液体状态的氮，其在饱和和大气压下对应于约-196℃的温度。
最后，术语“标准制冷系统”是指当前用于生产制冷单元的任何系统，比如压缩式或吸收式制冷机和热交换器，压缩式或吸收式制冷机在用于进行冷却的能量类型方面(如果使用压缩循环，则为机械能，如果使用吸收循环，则为热能)彼此不同，在热交换器中，低温流体(例如LIN或LCO2)向待冷却的环境或辅助热传递流体提供制冷单元。特别地，压缩式制冷系统(所述制冷系统由牵引车马达或者由柴油机或自主电动马达直接驱动)或者LIN或LCO2热交换器通常用于车辆。
关于由天然气提供动力的车辆，相对于以气体形式进行的储存而言，所述天然气以其低温液体形式(LNG)的储存允许显著提高自主性，并且LNG的使用越来越广泛，特别是对于重型车辆。
然而，为了在内燃电机中使用，LNG必须气化和加热，并且该过程现在通过空气或中间流体汽化器来进行，该汽化器从空气和/或从车辆的马达中吸收汽化和加热所述LNG所必需的热量。
因此，如果以其低温液体形式(LNG)储存的天然气作为燃料的牵引车被用于制冷车辆，那么不消耗由LNG提供的制冷单元，而使用制冷单元从制冷拖车中移除部分热能，这将是节能的，否则这些热能将从已知的制冷系统中减去。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于回收用作车辆燃料的LNG的制冷单元的装置，该装置允许使用由LNG提供的制冷单元来维持制冷拖车中所需的热条件。
本发明的另一目的是提供一种用于回收用作车辆燃料的LNG的制冷单元的装置，该装置允许极大地减少制冷所需的能量，并且因此减少环境中污染物和二氧化碳(这是造成温室效应的主要气体之一)的排放，以及制冷运输的总成本。
本发明的另一目的是提供一种用于回收用作车辆燃料的LNG的制冷单元的装置，该装置特别高效、实用且安全。
这些和其他目的通过根据所附权利要求1的用于回收用作车辆燃料的LNG的制冷单元的装置来实现；本发明的装置对象的其他详细技术特征包含在从属权利要求中。
有利地，由于天然气易燃，为了安全地回收由LNG提供的制冷单元，并且为了使用所述单元从制冷拖车中移除热能，根据本发明，使用具有热传递流体的中间回路，以便在管道和/或作为本发明目的的回收装置的装备出现故障的情况下(尽管可能性不大)，最小化天然气进入到拖车中的风险。热传递流体可以是气态的或液体物质。
如果使用气态热传递流体(比如例如氦气)，则根据本发明的装置包括以下元件：
-第一热交换器，其设置在牵引车上，位于LNG气化盘管(已经存在于牵引车上)的上游，用于将LNG的制冷单元传递到载热流体；
-第二热交换器，其设置在拖车或半拖车的制冷车厢内，用于将制冷单元从载热流体传递到车厢内的空气；
-热传递流体在其中流动的封闭的中间回路，其中所述中间回路包括用于使热传递流体移动的设备、用于快速且无损地将设置在牵引车中的中间回路分支与设置在制冷拖车或半拖车中的中间回路分支连接/断开的一系列系统、用于容纳能够重新整合并且将中间回路维持在工作压力下的热传递流体的储罐，以及连接中间回路的不同元件的隔离分支。
根据本发明的上述第一实施例的回收装置还包括压力计和温度计、自动和手动致动阀、中间回路中和/或车辆的拖车或半拖车的制冷车厢中的天然气传感器以及集中式控制和管理系统。
替代地，如果使用液态流体，则使用系统中的微小变化，这允许当液态载热流体在中间回路的最冷点处的温度接近流体的凝固温度时防止该液态载热流体冻结。
特别地，如果使用液态热传递流体(比如乙二醇或者其与水或其他液体的混合物)，则根据本发明的回收装置包括：
-第一热交换器，其设置在牵引车上，位于牵引车上已经存在的LNG气化盘管的上游，用于将LNG制冷单元传递到载热流体；
-管线，当不需要回收LNG的制冷单元时，或者当热传递流体在中间回路的最冷点处的温度接近流体的凝固温度时，该管线允许LNG绕过LNG与载热流体之间的热交换器；
-第二热交换器，其设置在制冷车厢内，用于将制冷单元从热传递流体传递到车厢内的空气；
-热传递流体在其中流动的封闭的中间回路，所述回路包括用于使热传递流体移动的设备、用于快速且无损地将设置在牵引车中的中间回路分支与设置在制冷拖车或半拖车中的分支连接/断开的系统、容纳热传递流体以便其重新整合的储罐、用于将储罐中容纳的热传递流体重新整合到中间回路中的泵，以及被配置为容纳热传递流体的热膨胀并且避免中间回路管道破裂的膨胀容器。
根据本发明的上述实施例的回收装置还包括连接中间回路的不同元件的隔离连接管线、压力计和温度计、自动和手动致动阀、设置在中间回路中和/或车辆的拖车或半拖车的制冷车厢中的天然气传感器，以及集中式控制和管理系统。
附图说明
本发明的其他目的和优点将从以下描述和附图中变得更加清楚，以下描述涉及根据本发明的用于回收用作车辆燃料的液化天然气(LNG)的制冷单元的装置的优选实施例，附图中：
图1示出了根据本发明第一实施例的用于回收LNG的制冷单元的装置的框图；
图2示出了根据相对于图1所示实施例的本发明另一实施例的用于回收LNG的制冷单元的装置的框图。
具体实施方式
特别参考附图1，该图示出了根据本发明的回收装置，该回收装置使用气态热传递流体(比如例如氦气)，1表示天然气/热传递流体热交换器，其设置在车辆的牵引车10中，位于LNG罐14的下游和连接到牵引车10的马达13的气化盘管12的上游，2表示载热流体/空气热交换器，其设置在所述车辆的拖车或半拖车20的制冷车厢11内，3表示用于使载热流体沿着中间回路15移动(图1中的箭头19)的设备，4和5表示快速且无损的连接/断开系统，其用于将中间回路15的安装在牵引车10中的管线与中间回路15的设置在拖车或半拖车20中的连接管线连接/断开，而6表示容纳热传递流体的储罐，其用于重新整合所述热传递流体并且用于将中间回路15维持在工作压力。
当牵引车10的马达13运行时，供应所述马达13所需的LNG量取自低温储罐14(图1中的箭头17)并且被输送到热交换器1，在该热交换器中，LNG通过从热传递流体中减去所需热量而蒸发并且变热；然后，离开热交换器1的天然气(LNG)(图1中的箭头18)被输送到汽化器12和马达13，汽化器通常在由LNG提供动力的牵引车上使用。即使当牵引车10没有连接到拖车或半拖车20时，或者当不需要回收LNG制冷单元并且用于使热传递流体移动的设备3静止时，汽化器12也能确保车辆的正确运行。在穿过热交换器1时，热传递流体被冷却到比拖车或半拖车20的制冷车厢11内要保持的温度更低的温度，并且因此能够通过交换器2将制冷单元传递到所述车厢11。中间回路15配备有自动打开/关闭的快速连接/断开系统4、5，其允许回路15的两点断开(当需要将牵引车10与拖车或半拖车20断开时)以及随后的重新连接。
此外，当断开发生时，自动打开/关闭系统4、5允许避免中间回路15的排空，并且因此避免增压损失。
中间回路15中所需压力的维持以及载热流体在需要时的重新整合也由罐6来确保，其中载热流体的储存压力高于中间回路15中存在的压力。
设备3允许热传递流体在中间回路15内的移动和循环，从而保证适合使用由LNG提供的制冷的流量；当牵引车10没有连接到拖车或半拖车20时，或者当不需要回收LNG单元时，所述设备3停用。
最后，一集中式控制系统管理设备3的启用/停用以及整个装置在标准制冷系统的管理和控制逻辑中的集成，以便保证在拖车或半拖车20的制冷车厢11内维持所需的温度条件，并且仅当由本发明的装置对象提供的制冷单元不够时才使用标准制冷系统。
特别参考附图2，该图示出了根据本发明的回收装置，该回收装置使用液态热传递流体(比如例如乙二醇或者其与水或其他液体的混合物)，并且其中也存在于图1中的元件用相同的数字表示，1表示天然气/热传递流体交换器，其设置在牵引车10上，位于已经存在于所述牵引车10上的LNG的气化盘管12的上游，用于将LNG制冷单元传递到热传递流体，2表示热传递流体/空气交换器，其设置在车辆的拖车或半拖车20的制冷车厢11内，用于将制冷单元从载热流体传递到车厢11内的空气，21表示交换器1的旁通管道，当不需要回收LNG制冷单元时或者当热传递流体在中间回路15的最冷点处的温度接近凝固温度时，该旁通管道允许LNG绕过热交换器1，3表示用于使热传递流体移动的设备，4和5表示所述中间回路15的设置在车辆的牵引车10中的管线与设置在拖车或半拖车20中的管线的快速且无损的连接/断开系统，6表示用于热传递流体的储罐，8表示用于将储罐6中容纳的热传递流体重新整合到中间回路15中的泵，而9表示用于容纳热传递流体的热膨胀并且避免中间回路15管线破裂的膨胀容器。
当牵引车10的马达13运行并且旁通管道21关闭时，供应马达13所需的LNG量取自低温储罐14并且被输送到热交换器1，在该热交换器中，LNG通过从热传递流体中减去所需热量而蒸发并且变热。然后，离开交换器1的天然气被输送到汽化器12和马达13，汽化器通常在供应有LNG的牵引车10上使用。所述汽化器12确保，即使当旁通管道打开时，车辆也能正确运行。
交换器1的旁通管道21可以在不同情况下打开，特别是当牵引车10没有连接到拖车或半拖车20时，当对拖车或半拖车20的制冷车厢11的制冷单元的需求减少导致车厢11内的温度下降到阈值以下时，以及当交换器1的出口处的热传递流体的温度降低到选定阈值(该选定阈值取决于所使用的热传递流体)以避免所述热传递流体冻结时。
当旁通管道21打开时，用于使热传递流体移动的设备3停用，同时LNG被输送到牵引车10的再气化和加热盘管12，然后通过同一旁通管道21被输送到马达13。
另一方面，当旁通管道21关闭时，LNG经过交换器1，用于将制冷单元传递到热传递流体，该热传递流体冷却到比拖车或半拖车20的制冷车厢11内要保持的温度更低的温度，并且因此能够通过交换器2将制冷单元传递到所述车厢11。中间回路15配备有自动打开/关闭的快速连接/断开系统，当需要将牵引车10与拖车或半拖车20分离时，该快速连接/断开系统允许回路15的两点断开，以及随后的重新连接。
当断开发生时，自动打开/关闭系统4、5还允许避免热传递流体的损失。中间回路15中所需压力的维持，以及热传递流体在需要时的重新整合，由泵8来确保，该泵从罐6中抽取待重新整合的液体。
设备3允许热传递流体在中间回路15内的移动和循环，从而保证适合使用由LNG提供的制冷单元的流量。
最后，一集中式控制系统管理各元件的启用/停用，特别是旁通管道21上的阀的打开/关闭和用于使热传递流体移动的设备3的启用/停用以及整个装置在车辆的标准制冷系统的管理和控制逻辑中的集成，以便保证在拖车或半拖车20的制冷车厢11内维持所需的温度条件，并且仅当根据本发明的装置提供的制冷单元不够时才限制标准制冷系统的使用。
简而言之，本发明允许使用LNG制冷单元，否则当LNG在具有制冷设备的车辆中用作燃料时，LNG制冷单元将耗散在环境中，从而允许相关的燃料节省以及污染物和二氧化碳的大气排放的相关减少。
在数字方面，以下实施例允许充分理解本发明的优点。
事实上，考虑到在-20℃用于制冷运输的半拖车，其制冷车厢的长度为12米，并且高度和宽度等于2.5米(相当于132.5m2的交换表面)，假设所述车厢的热传导系数等于0.4W/m2K(由用于加强等温车辆的ATP标准(Accord Transport Perissable)指示的最大值，适合于-20℃的运输)并且考虑到30℃的外部温度，在半拖车内维持-20℃温度所需的冷却容量等于2.65kW。
下表示出了在不同的车辆速度下用于牵引的LNG所提供的制冷单元(潜在的和灵敏的)。
表中考虑了以下数据：
-LNG潜在蒸发热量等于510kJ/Kg；
-LNG比热等于1.8kJ/KgK；
-LNG温差等于100℃；
-LNG的每Kg里程等于3Km/Kg。
此外，“需求覆盖率”是指在外部温度为30℃的情况下，在制冷车厢内维持-20℃的温度所需的冷却容量，假设如下：
-k壁＝0.4w/m2K；
-制冷车厢的尺寸：12m×2.5m×2.5m；
-不会由于装运的产品而导致热量增加。
因此，如上表所示，在没有由于装运的产品而导致热量增加的情况下，在大约40Km/h的车辆速度下，由LNG提供的制冷单元允许在制冷车厢内维持所需温度(-20℃)，而不需要标准制冷系统的帮助。
根据以上描述，作为本发明目的的用于回收用作车辆燃料的液化天然气(LNG)的制冷单元的装置的特征以及相关优点是清楚的。
最后，显然，在不脱离本发明思想中固有的新颖性原则的情况下，许多其他变型可以应用于本装置，因为显然，在本发明的实际实施方案中，细节的材料、形状和尺寸根据需要可以是任意的，并且可以用其他等同物替代。
Claims (10)
1.一种用于回收用作车辆燃料的LNG(液化天然气)的制冷单元的装置，每辆车辆包括牵引车(10)和带有制冷车厢(11)的拖车或半拖车(20)，其特征在于，所述装置包括：
-第一热交换器(1)，其设置在所述牵引车(10)上，位于LNG罐(14)与LNG气化回路(12，18)之间，所述LNG被输送到驱动所述牵引车(10)的马达(13)，所述第一热交换器(1)被配置为将LNG的制冷单元传递到热传递流体，以便使用所述制冷单元以从拖车或半拖车(20)的所述制冷车厢(11)中移除热能，
-第二热交换器(2)，其设置在拖车或半拖车(20)的所述制冷车厢(11)内，所述第二热交换器被配置为将制冷单元从所述热传递流体传递到所述制冷车厢(11)内的空气；
-所述热传递流体在其中流动的封闭的中间回路(15)，所述中间回路包括用于使所述热传递流体移动的设备(3)、用于将所述中间回路(15)的安装在所述牵引车(10)上的管道与所述中间回路(15)的安装在所述拖车或半拖车(20)上的管道无泄漏地快速连接和断开的系统(4，5)、以及用于储存热传递流体以便回收所述热传递流体并且用于将中间回路(15)维持在一定压力值的罐(6)。
2.根据权利要求1所述的回收装置，其特征在于，在所述第一热交换器(1)的出口处的LNG流(18)被输送到汽化器(12)和驱动所述牵引车(10)的所述马达(13)。
3.根据前述权利要求中至少一项所述的回收装置，其特征在于，经过所述第一热交换器(1)的所述热传递流体在比拖车或半拖车(20)的制冷车厢(11)内存在的温度更低的温度下冷却，并且因此能够通过所述第二热交换器(2)向所述制冷车厢(11)提供制冷单元。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的回收装置，其特征在于，储存所述热传递流体的所述罐(6)设置于比所述中间回路(15)中存在的压力值更高的压力值下。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的回收装置，其特征在于，一集中式控制系统管理用于使所述热传递流体移动的所述设备(3)的启用或停用，并且管理用于回收所述LNG的制冷单元的装置的集成，以便控制车辆的标准制冷系统，从而确保在拖车或半拖车(20)的所述制冷车厢(11)内维持所需的温度条件。
6.根据权利要求1所述的回收装置，其特征在于，所述装置包括旁通管道(21)，当不需要回收所述LNG的制冷单元时，或者当所述热传递流体在所述中间回路(15)的某些点处的温度接近所述流体的凝固温度时，所述旁通管道允许LNG从所述LNG罐(14)直接流向所述气化回路(12，18)，而不经过所述第一热交换器(1)内部。
7.根据权利要求1和6中至少一项所述的回收装置，其特征在于，所述储罐(6)连接到泵(8)，所述泵能够将所述热传递流体回收到所述中间回路(15)中。
8.根据权利要求1、6和7中至少一项所述的回收装置，其特征在于，一膨胀容器(9)连接到所述中间回路(15)，所述容器(9)被配置为容纳热传递流体的热膨胀，并且避免所述中间回路(15)的管线破裂。
9.根据权利要求1、6、7和8中至少一项所述的回收装置，其特征在于，一集中式控制系统管理用于使所述热传递流体移动的所述设备(3)的启用或停用、所述旁通管道(21)的阀的打开和关闭、以及用于回收LNG的制冷单元的整个装置的集成，以便控制车辆的标准制冷系统，从而确保在拖车或半拖车(20)的制冷车厢(11)内维持所需的温度条件。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的回收装置，其特征在于，所述热传递流体为气态流体，比如氦气，或者为液态流体，比如乙二醇或者乙二醇与水或其他液体的混合物。
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