林 东 王祥保 马芝玉 邓 伟

〔1 中国石化广西石油分公司 广西南宁 530021 2 广西大学 机械工程学院 广西南宁 530004〕

根据经济建设的需要，节能环保、开发新能源等可持续发展的技术越来越受重视。天然气作为一种清洁能源，被广泛应用。

由于液态天然气的体积是气态时的1/600，往往将开采出来的天然气加压冷却成液化天然气(LNG)后运输，再将LNG汽化后应用于生产环节。

工业生产中使用空温式汽化器将LNG升温汽化到略低于环境温度，这一过程放出的冷能约为830～860kJ/kg[1]，而这部分冷量完全耗散到空气中，造成了很大的浪费。

针对这种情况，人们研究出了LNG冷能回收的两种方式：直接利用与间接利用。直接利用包括冷能发电、深冷空气分离、冷冻仓库、海水淡化、空调制冷等；间接利用包括低温粉碎、水和污染物处理等。

本文基于中国石化广西石油分公司所属的新阳LNG加气站的日常数据及场地要求，设计了一套吸收LNG汽化过程释放冷能的回收系统，让LNG在进入空温式汽化器之前进入冷能回收系统，LNG与冷媒在换热器内换热制冷，冷媒吸收LNG的冷量并将其储存在冷冻水箱中，用于空调系统水冷式风机盘管制冷。

常压下温度低于-195℃的氮气会变成液态，由氮气T-h图可查液氮从-196℃汽化为25℃的氮气时能释放429.046 kJ/h的冷量[2]。本文设计的冷能回收系统通过冷媒的吸收转化将低温液体汽化过程释放的冷量用于风机盘管制冷，相比于LNG的易燃易爆，液氮成本低、安全性高，广泛用于冷藏食品[3-4]、材料处理[5-6]等多个方面，所以本文使用液氮替代LNG进行冷能回收实验，而LNG与液氮都是通过传热温差在换热器内与冷媒换热，两者原理相同。

1 实验系统设计

本文设计的液氮汽化冷能回收系统示意如图1，液氮从进口法兰1进入后，关闭阀门21，使汽化后的氮气进入到换热器3中换热，在换热器3中换热升温后的氮气再进入到汽化器2中进一步升温后进入氮气收集装置。一级回路中的冷媒在换热器3内与氮气换热被冷却，被冷却的一级冷媒流回到低温耐压罐6中储存，经计量泵5输送到换热器4内与二级回路冷媒水换热升温，升温后的一级冷媒再进入到换热器3中被冷却，完成一级回路循环。二级回路冷媒水在换热器4内换热吸收1级冷媒的冷量后，流回到冷冻水箱9中，当有制冷需要时，水经过水泵8加压流入到风机盘管7内冷却空气达到制冷效果，从风机盘管出来后升温的水再进入到换热器4中换热被冷却，完成二级回路循环。液氮汽化冷能回收系统示意详见图1。

图1 回收系统示意图

1.液氮进口法兰；2.空温式汽化器；3.液氮换热器；4.管壳式换热器；5.低温隔膜计量泵；6.低温耐压罐；7.风机盘管；8.水泵；9.冷冻水箱；10-15.温度传感器；16-17.质量流量传感器；18-20.压力传感器；21-24.低温截止阀

1.1 冷媒选型

一级回路中通过调整计量泵的功率来改变冷媒的流量，为了避免冷媒循环过程中产生气体对泵叶轮造成损害，要求冷媒在管道内运行全程为液态，系统开始运行时处于常温常压状态，液氮汽化放出很大的冷量，换热器3内与其换热的一级冷媒温度下降很快，为了避免一级回路中冷媒温度过低导致冷媒凝结，实验过程选取常压下为液态且凝点低的质量分数25 %的氯化钙水溶液为一级冷媒，二级回路冷媒为水。

1.2 数据测量系统

实验使用WBZP-241M3dSC温度传感器、WP401B压力传感器和HQ98流量计实时测量温度、压力和流量信号，采集卡将各传感器的电信号转化成数字信号，通过软件编程每隔1 000 ms对系统的数据进行一次扫描读取，同时进行相应的转换计算，显示并保存测量结果。实验系统稳定运行时，图1中10-15分别测量氮气进入换热器3的温度、氮气从换热器3换热后出来的温度、一级冷媒进入换热器3的温度、一级冷媒从换热器3换热后出来的温度、水从换热器4换热后出来的温度、水进入换热器4的温度。实验系统的管道外有保温层绝热，忽略管道内的温度损耗，此时一级冷媒进入换热器3的温度等于一级冷媒从换热器4换热后出来的温度，一级冷媒从换热器3出来的温度等于一级冷媒进入换热器4的温度，水从换热器4换热后出来的温度等于水在风机盘管进口的温度，水从风机盘管7换热后的出口温度等于水在换热器4的进口温度。16、17分别测量一级冷媒、二级冷媒的流量，18-20分别测量氮气进入换热器3的压力、一级回路压力、二级回路压力。

1.3 实验系统搭建

实验系统的各设备间使用碳钢304材质的DN 25 mm管道连接，根据设计方案搭建好实验系统后，为确保管道无泄漏，使用高压氩气充注整个系统检测是否有泄漏，检测通过后用铁皮外包整个管道并预留5 cm厚空间，使用EVA聚氨酯发泡胶填充这部分空间形成保温层，实验时液氮用50 L液氮罐储存，出口状态为流量100kg/h，压力为7 bar(1 bor=105Pa，下同)。实验系统如图2所示。

图2 实验系统图

2 实验系统评价指标

本文设计的实验系统，在氮气进入汽化器之前设置冷能回收系统，因此氮气在汽化器内的变化不算入系统，由于液氮汽化过程极其不稳定且难于吸收，实验系统只回收液氮汽化后进入系统时-60℃的氮气所携带的冷能。在不考虑换热器内压降、阻力损失及换热器与外界换热的条件下，此时换热器内两种流体换热过程无相态变化，换热器内的换热量计算如式(1)、(2)和(3)。

Q=Wccp,c(t2-t1)=Whcp,h(t1-t2)

(1)

换热器3内的换热量

Q3=Wccp,n(t11-t10)=Whcp，ca(t12-t13)

(2)

换热器4内的换热量

Q4=Whcp,ca(t12-t13)=Wwatercp,water(t15-t14)

(3)

Ei=m[hi-ho-To(Si-So)]

(4)

2.1 换热器评价指标

∑Ein+w=∑Eout+∑Elost+P

(5)

ηi=∑Eout/∑Ein

(6)

ηi,lost=1-ηi

(7)

η3=(E13-E12)/(E10-E11)

(8)

η4=(E14-E15)/(E13-E12)

(9)

2.2 系统评价指标

∑Ein=E10-E11+P1+P2+W

(10)

∑Eout=E14-E15

(11)

η=∑Eout/∑in=(E14-E15)/

(E10-E11+P1+P2+W)

(12)

系统的制冷量见式(13)：

C=mwater(h15-h14)

(13)

3 实验结果及分析

图3 冷媒流量对换热器3及系统的影响规律

图4 换热器3实验运行图

4 理论计算结果与分析

本文设计的冷能回收系统，实验条件未能达到改变氮气进口压力的要求，而氮气进口压力变化时会引起氮气进口状态对应的定压比热容改变。根据式(1)可知定压比热容发生变化会引起换热器3内的换热量发生变化，因此本文讨论了氮气进口压力对整个冷能回收系统效率的影响。分析氮气进口压力对系统的影响时假设：氮气进出换热器3的温度分别为-60℃、16℃，流量为100 kg/h；一级冷媒质量分数25%氯化钙水溶液在换热器3内的进口温度为18.5℃、流量为200 kg/h，一级回路压力为1.3bar；二级冷媒水的流量为500 kg/h、二级回路压力为1bar，换热器4内水的进口温度为25℃。

图5 氮气进口压力对换热器及系统的影响

表1 氮气进口压力对换热过程的影响

5 效益评估

6 结论

本文设计了一套液氮汽化冷能回收系统，利用了氮气汽化放出的冷能，整个实验系统达到了预期目的，并通过理论计算分析了实验和理论的差距，对影响系统效率的因素进行了讨论，得出以下结论：

[1] 李静，李志红，华贲.LNG冷能利用现状及发展前景[J]．天然气工业，2005，25(5)：103-105.

[2] K Shinmura，H Murakami，S Demura,et al.Implantation of Liquid Nitrogen Frozen Tumor Tissue after Posterior Decompression and Stabilization for Metastatic Spinal Tumors[J]. Asian Spine Journal,2015,9 (6):869-875.

[3] MR Vega.A model of freezing foods with liquid nitrogen using special functions.Spie Sensing Technology + Applications , 2014 , 9108 :91080L.

[4] F Mutoh.Quick Freezing of Food with Liquid Nitrogen[J].Journal of the Vacuum Society of Japan,2009,12(5) :173-179.

[5] 于凯，王维，潘艳秋，等.初始非饱和多孔物料对冷冻干燥过程的影响[J].化工学报，2013,64(9): 3110-3116.

[6] SK Josyula，SKR Narala，EG Charan，HA Kishawy.Sustainable Machining of Metal Matrix Composites Using Liquid Nitrogen[J].Procedia Cirp，2016 , 40 :568-573.

[7] S Lee. Multi-parameter optimization of cold energy recovery in cascade Rankine cycle for LNG regasification using genetic algorithm[J].Energy, 2017 , 118:776-782.

[8] A Vidal，R Best，R Rivero et al. Analysis of a combined power and refrigeration cycle by the exergy method[J].Energy,2006.31(15):3401-3414

[9] VL Rocca.Cold recovery during regasification of LNG part one: Cold utilization far from the regasification facility[J].Energy,2010 ,35(5) :2049-2058.

[10] PA Ferreira, I Catarino, D Vaz.Thermodynamic analysis for working fluids comparison in Rankine-type cycles exploiting the cryogenic exergy in Liquefied Natural Gas (LNG) regasification[J]. Applied Thermal Engineering,2017,121:887-896.

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