李 健，赵钟波，张 恒，葛 鹰,陆 建

1 前言

国内对于LNG的研究起步于20世纪90年代，随着冷能技术的不断发展，LNG在军事上的应用越来越广泛，越来越多的燃气轮机被应用于军舰中。LNG作为一种高效洁净的能源，在为军舰提供动力的同时还可以降低对海洋环境的污染。但是，LNG在汽化过程中会释放大量的冷能，如果这部分冷量不能够被充分利用，将会造成极大的能源浪费。因此，深入研究LNG冷能利用技术具有重大的意义［1］；同时，在某些特殊情况下，军舰上的电力系统可能会出现问题，此时若不能及时恢复供电则会导致空调等制冷设备无法正常工作，这将造成难以估计的损失，若能将LNG的冷能进行储存作为备用能源，可以有效地解决上述问题［2］。本文从能源利用角度入手，利用ICEPAK热仿真软件研究一种新型LNG蓄能换热器，通过试验加以验证，并将该换热器应用于制冷设备中，使储存的冷能可以供一台3 kW的空调连续工作1.5 h。

2 LNG蓄能冷换热原理与工艺计算

2.1 蓄能换热原理

LNG常压下温度很低，如果直接和空气进行热交换会导致空气中的二氧化碳和水蒸气结冰，直接影响换热效果。因此，为了提高LNG冷能的利用效率，需要对LNG换热系统进行优化设计。原理如图1，该系统采用65号航空冷却液（冰点为-55 ℃）作为储冷液，将LNG释放的冷量进行储存。采用浓度为55%的乙二醇溶液（冰点为-41℃）作为取冷液［3］，将LNG的冷量通过储冷液间接提取并输送至用冷设备中，从而实现LNG冷能的回收利用［4］。

图1 蓄能换热装器示意

2.2 工艺计算

LNG通常存储在-141 ℃的储罐中（压力为0.2～0.4 MPa），当液化天然气转化为气态天然气时，必然会释放大量的冷能。LNG汽化过程中潜热与显热交换温差为150～180 ℃，LNG潜热为515 kJ/kg，比热容为 2.14kJ/(kg·℃ )［5］。通过蓄冷剂（65号航空冷却液）的热负荷Q为：

式中 r ——熔解潜热

cp——比热容

t1-t2——温度差

m ——LNG的质量，m=ρv

η——换热效率

ρ ——密度

v ——体积

其中，65号航空冷却液的物理性质和60%乙二醇水溶液相似，乙二醇作为重要的取冷剂，其物理性质如表1所示［6］。

表1 不同浓度下乙二醇的物理性质

根据式（1）计算可知：供一台功率为3 kW的空调连续工作1.5 h所需65号航空冷却液的体积约 25 L［7］。

3 LNG蓄能换热器结构

LNG蓄能换热器采用新型的板式结构，与传统的换热器相比具有明显的特点。首先该结构可以实现LNG、乙二醇溶液和65号航空冷却液这3种流体的换热；其次蓄能换热器采用模块化设计，使蓄能换热器的安装及操作不需要借助其他的外部动力设备，大大降低了生产成本和操作难度，同时有效地减轻了设备的重量；最后焊接工艺采用较为先进的扩散焊，为提高扩散焊的焊接质量，在蓄能换热器中设计有4个规格相同的销孔用于安装定位销，目的是保证不同换热板之间的准确定位。另外，在换热器中增加了多个导气槽，使焊接过程中产生的气体能够及时导出设备，由此保证了设备的安全性和密封性。

换热片采用相互倒置的60°人字形波纹板，构成了横截面多变、曲折的流道，使流体在流道内呈旋转三维流动，从而在较低的雷诺数下发生紊流，提高了换热系数，强化了换热效率［8］。波纹板加工后的最小厚度为1 mm，降低了壁面的热阻。因污垢很薄，故其热阻较小，另外也不会出现像管壳式换热器那样的旁路流。与管壳式换热器相比较，这种结构使设备的总传热系数提高了3倍左右［9］。

LNG蓄能换热器的结构如图2所示。

图2 LNG蓄能换热器结构

LNG蓄能换热器由3个基本层组成，依次为取冷层，蓄冷层，LNG层，其中取冷层的取冷液采用浓度为55%的乙二醇溶液，蓄冷层的蓄冷液采用65号航空冷却液。蓄能换热器由10块波纹板构成，形成9个腔体，其中LNG层占2个，取冷层占3个，蓄冷层占4个。蓄冷液的体积膨胀系数是0.00056 ℃，在温差80 ℃的情况下，25 L的蓄冷液膨胀后的体积为26.12 L，因此蓄冷层的体积定为27 L。

波纹板的材料选用2519-T87铝合金，该材料是一种耐低温材料，其导热性能仅次于银、铜和金，且密度较小，低温与常温状态下机械性能相比有较大的差别，其主要的物理性质（脆性和强度）随着环境温度的降低而升高，这是区别于其他金属材料的重要性质。2519-T87铝合金低温下的拉伸性能如表 2 所示［10～14］。

表2 2519-T87铝合金拉伸性能

4 仿真与优化设计

4.1 建模与仿真参数设置

LNG蓄能换热器上设置有取冷层、蓄冷层、LNG层，其中LNG层两侧是蓄冷层（内置蓄冷液），蓄冷层另一侧是取冷层（内置取冷液）。LNG的质量流量为30 kg/h，冷能约4.5 kW，工作时LNG冷能由蓄冷液进行储存，经取冷液提取后供舰载空调等设备使用。LNG蓄能换热器的外形尺寸为 600 mm×450 mm×110 mm，材质为2519-T87铝合金，仿真模型如图3所示。

图3 LNG蓄能换热器三维模型

将模型导入ICEPAK中，并设置边界条件。计算模型设置为Turbulent里的zero equation，环境温度为40 ℃，辐射温度为40 ℃。铝板材料设置为Al-Extruded（与2519-T87铝合金导热系数较接近），表面材料设置为Al-Polished Platesurface，默认流体设置为Glycol-55和LNG，蓄冷液总体积为25 L(两侧各12.5 L)。在每层流道的进出水口设置2个Opening，LNG进口流量为3 L/min，取冷液进口流量为2 L/min。蓄冷液定义为热源，将LNG定义为冷源，冷源功率为4.5 kW。

4.2 仿真结果分析

对LNG蓄能换热器进行热仿真，分别截取LNG、取冷液（QLY）进出口参数明细表。由表3、表4可知，换热量约为2454 W。LNG进口温度-145.7 ℃，出口温度-134.3 ℃；取冷液进口温度40.8 ℃，出液温度为12.3 ℃。空调使用温度一般在16～30 ℃，因此能够满足空调的使用工况。

表3 进、出口换热量

表4 进、出口温度明细

截取LNG蓄能换热器蓄冷层温度如图4所示。由图4可知，靠近LNG层蓄冷液温度较低，可达-152.942 ℃，而远离LNG蓄冷液温度较高可达30.0616 ℃，针对这种情况，在温度计算时采用对数平均温度计算法。

图4 温度云图

从图4可以看出，LNG在蓄冷的初期温度变化比较剧烈，故初期不宜对冷能进行提取。当蓄冷一段时间后，蓄冷液达到其熔点后发生相变并开始蓄冷，此时适宜开启取冷液为空调提供冷量。

5 试验分析

5.1 试验设备及材料

为了验证LNG蓄能换热器的蓄冷效果和取冷效果，设计试验对其进行热测试。试验装置及材料包括恒温恒湿试验箱（温度范围-55 ℃～100℃），采集模块，台式电脑，一台小型液体泵，小型LNG储罐，温度传感器（精度0.15 ℃，4个），玻璃转子流量计（1个），65号航空冷却液（蓄冷液），55%乙二醇（取冷液），LNG蓄能换热器一台，空调一台(3 kW)，阀门（若干），金属软管（若干）等，所有仪表都经过标准校合。

5.2 试验过程

取50 L浓度为55%的乙二醇作取冷液（理论冰点为-37 ℃），取25L65号航空冷却液作蓄冷液（理论冰点为-55 ℃），将蓄冷液填装进入蓄能换热器中。

液体泵不开启，通入LNG观察温度传感器（T1）的变化并记录T1的示数。每间隔5 min记录一次，当T1读数稳定后停止通入LNG同时停止数据记录。

停止通入LNG后，将试验设备中两个截止阀打到全开状态并开启液体泵，调节流量调节阀使流量达到2 L/min。

观察玻璃转子流量计（L1），当流量稳定后记录T2、T3、T4的示数。每间隔5 min记录一组数据，设定LNG的质量流量为30 kg/h。热测试系统连接如图5所示。

图5 热测试系统连接示意

5.3 试验结果分析

LNG蓄能换热器的试验测试曲线如图6所示，经翅片管换热器后的温度曲线在15.1 ℃左右趋于稳定，能够满足空调系统的正常用冷；经LNG蓄能换热器后取冷液的温度曲线在14 ℃左右趋于稳定；经LNG蓄能换热器后天然气的温度曲线在-135 ℃趋于稳定，比仿真结果高0.8 ℃。通过折线图可以看出，LNG冷能储存的时间为约20 min,取冷液出液温度约14 ℃，比仿真结果高1.7 ℃。由于测试点与最低温度点可能存在误差，环境温度有微小波动，还有热阻等方面的影响，仿真结果与测试结果存在一定微小差异，但仿真结果与测试结果相差不大，由此可确定ICEPAK热仿真的可靠性。

图6 试验测试结果曲线

6 结论

（1）通过仿真计算及试验分析可知，采用60°人字形波纹板结构可以大大增加蓄能换热器的换热面积，同时能够满足空调的正常使用并将LNG的冷能进行储存。

（2）本设备可供一台3 kW的空调连续工作1.5 h，LNG储存的冷能约为4.5 kW。

（3）本设备的最大特点在于蓄能换热器中设计有一定体积的蓄冷腔体，腔体的大小可根据所需储能的多少而改变，使冷能的储存和转换能够在同一设备内进行，极大地提高了换热效率。

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