宁静红 王润霞 刘华阳 贾永勤

(天津商业大学天津市制冷技术重点实验室，天津 300134)

目前，国内外冷库制冷系统所用制冷剂主要分为人工合成工质和自然工质[1]。对于人工合成工质的研究方向主要集中在混合工质上，Mostafa等[2]比较了R404a和R-454C在不同冷库热负荷和冷却水温度下的冷却能力和能耗；赵海波等[3]对用于冷库的R1270、R134a制冷剂的热物性参数、热力循环性能、最小惰化体积浓度进行计算分析，并与现有冷库制冷剂进行对比；对于自然工质的研究有：Choudhari等[4]对以R290和R22为制冷剂，蒸发温度范围为10～25 ℃，冷凝温度为45 ℃的标准蒸气压缩循环进行分析计算，比较两种不同制冷剂下系统的热力学性能；张建一等[5]通过调查发现，在制冷剂发展动向中，国内外大中型冷库采用氨、CO2作为制冷剂仍是主流；然而，人工合成工质扩散到大气中的氯氟烃类会加剧臭氧的损耗及全球变暖，进而对生态环境造成不良影响。因此，将自然工质应用于制冷系统是一项长期可行的选择。其中，氨作为自然工质因绿色环保、价格低廉、单位容积制冷量大等优点而被广泛应用[6]。但传统氨蒸气压缩制冷系统耗电量较大，间接对环境产生较大影响。

液化天然气(LNG)作为自然工质，能量品质极高，且高效、清洁、易储[7]，而其在汽化过程中释放的大量冷能被浪费。研究拟提出一种利用LNG余冷的低温制冷系统，并建立LNG低温制冷系统模型，通过改变乙二醇质量分数、冷间温度和系统制冷量等参数，并与氨低温制冷系统进行热力性和经济性对比，以期获得性能更优的低温制冷系统。

1 模型建立

1.1 系统概述

LNG低温制冷系统分别以LNG和载冷剂为工作流体，图1和图2分别为该系统的工作原理图和相应的P—h图。

如图1所示：从LNG储蓄罐A输出的LNG，由泵B升压经流量控制阀C流入蓄冷池D与载冷剂换热，完成汽化。升温汽化后的LNG可供用户使用。载冷剂在蓄冷池D放热温度降低，随后进入冷库E中的冷却空气换热器F完成制冷，并通过泵G、流量控制阀H返回蓄冷池完成循环。

A. LNG储蓄罐 B. 泵 C. 流量控制阀 D. 蓄冷池 E. 冷库 F. 冷却空气换热器 G. 泵 H. 流量控制阀

利用LNG余冷的低温制冷系统压焓图如图2所示，其中，1→2为LNG在泵内的升压过程，2→3为LNG在流量控制阀的等焓降压过程，3→4为LNG在蓄冷器内等压吸热过程，5→6为载冷剂在冷却空气换热器中的等压吸热过程，6→7为载冷剂在泵内的升压过程，7→8为载冷剂通过流量控制阀的等焓降压过程，8→5为载冷剂在蓄冷器内的等压放热过程。

图2 利用LNG冷能的低温制冷系统压焓图

using LNG wasted cold

为获取较低的冷间温度，氨低温制冷系统采用一级节流中间完全冷却系统。以氨为制冷剂的一级节流中间完全冷却系统模型与压焓图参考文献[8]77。

1.2 LNG制冷系统载冷剂选择

乙二醇凝固点低，性质稳定且热容量大[9]，因此，选择乙二醇作为LNG制冷系统的载冷剂。目前，质量分数为52%，60%，80%的乙二醇水溶液是最为常用的载冷剂，其物理性质如表1所示[10]。

表1 不同质量分数乙二醇水溶液的物理性质

1.3 系统假设

(1) LNG由纯甲烷组成。

(2) 忽略时间、地点对系统的影响，系统循环为稳态过程。

(3) 忽略换热管与环境之间的热交换以及乙二醇的黏度影响。

(4) 以氨为制冷剂的一级节流中间完全冷却循环系统为理论循环。

2 数学模型

在上述系统模型和假设的基础上，从热力学和经济学角度分析，建立LNG低温制冷系统数学模型。

2.1 能量分析

2.1.1 工质泵1 工质泵1的功耗为：

Wp1=mLNG×(h2-h1)，

(1)

式中：

Wp1——工质泵1的功耗，kW；

mLNG——LNG的质量流量，kg/s；

h1、h2——LNG在状态点1和2的焓值，kJ/kg。

2.1.2 工质泵2 工质泵2的功耗为[11]：

(2)

式中：

Wp2——工质泵2的功耗，kW；

mEG——乙二醇的质量流量，kg/s；

g——重力加速度，m/s2；

ρ——乙二醇密度，kg/m3；

ηp——泵的等熵效率，%；

H——泵2的扬程，m。

2.1.3 流量控制阀 假定LNG和乙二醇流经控制阀的压降过程均为等焓过程，即：

h2=h3，

(3)

h7=h8，

(4)

式中：

h2、h3——LNG在状态点2、3的焓值，kJ/kg；

h7、h8——乙二醇在状态点7、8的焓值，kJ/kg。

2.1.4 冷却空气换热器 冷却空气换热器的换热量为乙二醇在冷库内的制冷量：

Q=mEG(h6-h5)，

(5)

式中：

Q——冷却空气换热器的换热量，kW；

h5、h6——乙二醇在状态点5、6的焓值，kJ/kg。

2.1.5 蓄冷器 根据能量守恒原理，LNG在蓄冷器内的吸热量等于乙二醇在冷库内的制冷量和泵2的功耗[12]，如式(6)所示。

Qx=mLNG×(h4-h3)=Q+Wp2，

(6)

式中：

Qx——蓄冷器吸热量，kW；

h4——LNG在状态点4的焓值，kJ/kg。

2.1.6 系统性能系数 系统的性能系数按式(7)计算：

(7)

式中：

COP,LNG——系统性能系数。

氨一级节流中间完全冷却循环相关计算详见文献[8]81-83。

2.2 经济性分析

LNG低温制冷系统的总投资费用Ctotal1[13]包括设备投资费用、工质投资费用、环境费用以及运行成本，如式(8) 所示。

Ctotal1=CLNG,inv+CLNG,f+CLNG,env+CLNG,0，

(8)

式中：

Ctotal1——LNG低温制冷系统的总投资费用，元；

CLNG，inv——LNG低温制冷系统的设备投资费用，元；

CLNG，f——LNG低温制冷系统的工质投资费用，元；

CLNG，env——LNG低温制冷系统的环境费用，元；

CLNG，0——LNG低温制冷系统的运行成本，元。

氨低温制冷系统总投资费用Ctotal2包括设备投资费用、工质投资费用、运行成本，如式(9)所示。

Ctotal2=Cammion,inv+Cammion,f+Cammion,0，

(9)

式中：

Ctotal2——氨低温制冷系统总投资费，元；

Cammion，inv——氨低温制冷系统的设备投资费用，元；

Cammion，f——氨低温制冷系统的工质投资费用，元；

Cammion，0——氨低温制冷系统的运行成本，元。

其中设备投资费用为：

Cinv=ΣnCn，

(10)

式中：

Cinv——设备投资费用，元；

Cn——LNG低温制冷系统和氨低温制冷系统各设备的投资费用，元。

两低温制冷系统的设备投资费用分别列于表2和表3。

表2 LNG低温制冷系统设备投资费用方程†[14-16]

表3 氨低温制冷系统设备投资费用方程†[17-18]

环境投资费用的具体计算[18-19]：

CCO2=mCO2×CCO2penalty/1 000，

(11)

mCO2=t×Wp×Fac，CO2/1 000，

(12)

式中：

CCO2——环境投资费用，元；

CCO2penalty——CO2生产的惩罚成本，假设为580元/t；

mCO2——一年内系统产生的CO2，kg；

t——一年内系统运行的时间，h；

Fac,CO2——污染物因素，设置为46.62 g/(kW·h)；

Wp——系统的耗功，kW。

工质投资费用[14]：

Cf=3 600×mf×cf，

(13)

式中：

Cf——工质投资费用，元；

mf——工质的质量流量，kg/s；

cf——工质成本，元。

根据目前中国LNG、乙二醇以及氨的交易价格，设置工质成本分别为3.29，7.86，3.16元/kg。

年度运行和维护成本费用：

C0=aCinv，

(14)

式中：

C0——年度运行和维护成本费用，元；

Cinv——系统设备投资费用，元；

a——系统部件运行和维护成本比，取0.06。

3 运行结果分析与讨论

LNG低温制冷系统热力参数如表4所示。

表4 LNG低温制冷系统热力参数[20-23]

3.1 乙二醇质量分数对LNG低温制冷系统性能的影响

通过计算，不同乙二醇质量分数下LNG低温制冷系统的热力学性能参数对比如表5所示。可以看出，乙二醇质量流量不变，随着乙二醇质量分数增加，LNG质量流量、蓄冷量和功耗均增加，而制冷系统性能系数(COP)减小。这是由于在相同的基本参数下，冷却空气换热器的乙二醇进出口温度及压力不随乙二醇质量分数而改变，因此5点和6点乙二醇的焓差一定，乙二醇质量流量一定。乙二醇的密度随其质量分数的增加而增加，则泵2功耗及蓄冷量均增加。在3和4两点温度和压力一定的情况下，当蓄冷量增加时，LNG质量流量随之增加，进而使得泵1功耗更大。在功耗及蓄冷量的综合影响下，系统COP随乙二醇质量分数的升高而降低。明显的，乙二醇质量分数越大需要的工质投资越大，进而增加了经济费用。因此，系统以52%乙二醇水溶液作为载冷剂。

表5 不同质量分数乙二醇下LNG低温制冷系统性能参数对比

3.2 冷间温度对两低温制冷系统性能的影响

冷间温度因存储货物种类的不同而改变，进而影响系统的热经济性能，如图3～图5所示。当冷间供冷温度升高时，两系统的工质质量流量、功耗和投资费用均降低，系统的COP升高。且就系统COP来说，LNG低温制冷系统大于氨低温制冷系统。

图3 冷间温度对系统工质质量流量的影响

图4 冷间温度对系统泵功耗的影响

图5 冷间温度对系统COP的影响

对于LNG低温制冷系统，冷间温度升高，乙二醇在空气冷却换热器进出口焓差增加，导致其质量流量及泵2功耗降低使得蓄冷量降低，同时LNG在蓄冷器进出口焓差不变的条件下，其质量流量及泵1功耗降低，COP升高。对于氨低温制冷系统，随着冷间温度升高，相应的蒸发温度升高，在制冷量不变的情况下，氨质量流量随之减小。另外，蒸发温度提高导致蒸发压力提高，压缩机压缩比降低，因此压缩机功耗减小，COP增加。

同时根据计算，随着冷间温度的升高，LNG低温制冷系统中除冷却空气换热器投资费用增加其他项投资费用均减少，并且在氨低温制冷系统中除压缩机和膨胀阀费用降低其他费用均增加，由于压缩机投资费用约占总投资费用的77.08%，所以整体费用呈下降趋势。如图6所示，相比之下，LNG低温制冷系统的总投资费用远低于氨低温制冷系统，充分表明LNG低温制冷系统结构简单，减少了传统电驱动冷库中的压缩机、冷凝器等设备，极大地节省了投资费用，充分利用LNG汽化过程的冷能，可以节约能源、保护环境。实际应用中，在满足贮存食品冷藏保鲜需求条件下，冷间温度尽可能提高。

图6 冷间温度对系统投资费用的影响

3.3 制冷量对两低温制冷系统性能的影响

当制冷量变化范围为5～30 kW，如图7～图9所示，随着制冷量的增大，工质质量流量和功耗均升高，而氨低温制冷系统COP不变，LNG低温制冷系统COP增加，且制冷量在5～20 kW时氨低温制冷系统COP高于LNG低温制冷系统，而在20～30 kW时相反。这是因为当制冷量增加时，需要乙二醇向冷间内提供的冷量增加，同时蓄冷器需要的冷量增加，则乙二醇和LNG质量流量随之增加。LNG低温制冷系统功耗由5.81 kW增加至7.92 kW，提升幅度明显低于制冷量，则COP呈升高趋势。同样，氨低温制冷系统质量流量和功耗变化原理如上。而氨系统制冷量的改变没有引起各点焓值变化，因此COP不变。

图7 冷库制冷量对系统工质质量流量的影响

图8 冷库制冷量对系统泵功耗的影响

图9 冷库制冷量对系统COP的影响

图10为两低温制冷系统总投资费用估算的对比。LNG低温制冷系统的总投资费用为90 814～143 393元，而氨低温制冷系统总投资费用则为181 075～659 369元。随着制冷量的升高，各工质质量流量增大，两个系统的设备投资费用以及运行维护费用均增加，使得两系统总投资费用增加，并且LNG低温制冷系统总投资费用仍远低于氨低温制冷系统。随着制冷量的提高，LNG低温制冷系统比氨低温制冷系统要节省1～3倍的投资费用，因此LNG低温制冷系统大大提高了制冷系统的经济性能，更具有实际意义。

图10 冷库制冷量对系统投资费用的影响

4 结论

(1) 当液化天然气低温制冷系统冷间温度为-25 ℃，制冷量为30 kW时，随着乙二醇质量分数增加，乙二醇质量流量不变，液化天然气质量流量由0.051 3 kg/s增加到0.052 2 kg/s，对应蓄冷量增加0.02，0.04 kW，功耗增大0.03，0.04 kW，制冷性能系数减少0.25%，0.51%。

(2) 当冷间温度为-25～-15 ℃时，随着冷间温度的升高，除制冷性能系数有所升高之外，两低温制冷系统的质量流量、功耗均出现降低的趋势；两系统的投资费用也随着冷间温度的升高而减少，同时液化天然气低温制冷系统的投资费用明显低于氨低温制冷系统。

(3) 当制冷量为5～30 kW时，随着制冷量升高，两系统质量流量、功耗均升高，液化天然气低温制冷系统制冷性能系数增大，而氨低温制冷系统制冷性能系数保持不变，在5～20 kW时，氨低温制冷系统制冷性能系数大于液化天然气低温制冷系统。随着制冷量增大，液化天然气低温制冷系统比氨低温制冷系统要节省1～3倍的投资费用，因此利用乙二醇作为载冷剂对液化天然气进行冷能回收对低温制冷系统有实际意义。

(4) 目前液化天然气接收站通常设置在港口附近，对于冷库的冷冻冷藏也存在一定的区域局限性，不能在全国范围内推广。利用液化天然气余冷系统上的难点在于液化天然气和乙二醇换热温差大，对换热器的要求较高，需综合考虑两种流体换热对换热器材料的影响，因此合适的载冷剂以及更有效的液化天然气运输是将液化天然气余冷应用于冷库冷冻冷藏系统上的关键。