车载LNG气瓶稳定供气及自增压气化量分析.pdf

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1、低温与超导第4 l 卷第1 2 期制冷技术R e f r i g e r a t i o nC r y o S u p e r c o n dV 0 1 4 1N o 1 2车载L N G 气瓶稳定供气及自增压气化量分析金树峰，陈叔平，姚淑婷，于春柳，罗天龙(兰州理工大学石油化工学院，兰州7 3 0 0 5 0)摘要：L N G 汽车供液系统主要采用自增压方式输送液体。考虑到车载L N G 气瓶内液位下降而引起供液动力不足，致发动机燃料无法稳定供给，提出了气瓶稳定供气的条件。并建立了稳定供气过程中，空温式气化器气化量与发动机燃料流量的关系式，为L N G 汽车自增压系统设计提供了参考。关键词：

2、L N G 汽车；自增压；稳定供气；气化量A n a l y s i so ft h es t a b l eg a ss u p p l ya n dg a s i f i c a t i o nq u a n t i t yo fs e l f p r e s s u r i z a t i o nf o rL N Gv e h i c l ec y l i n d e rJ i nS h u f e n g，C h e nS h u p i n g，Y a oS h u t i n g，Y uC h u n l i u，L u oT i a n l o n g(S c h o o lo

3、fP e t r o c h e m i c a lE n g i n e e r i n g，I J a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y，L a r l z h o u7 3 0 0 5 0，C h i n a)A b s t r a c t：T h es e l f p r e s s u r i z a t i o ni sm a i n l yu s e df o rt h ef l u i ds u p p l ys y s t e mo fL N Gv e h i c l e s C o n s i d e r

4、i n gt h a tt h ed e c l i n eo fh q u i dl e v e li nL N Gc y l i n d e rw i l lc a u s et h el a c ko fh q u i df e e dp o w e ra n dl e a dt ou n s t a b l es u p p l yo fe n g i n ef u e l，t h ec o n d i t i o n sa b o u ts t a b l ef u e ls u p p l yo fv e h i c l e sw e r ep r e s e n t e d，a

5、n dt h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h eg a s i f i c a t i o nq u a n t i t yo fa i r h e a t e dv a p o r i z e ra n dt h ef u e lf l o wo fe n g i n ew a se s t a b l i s h e d I tw i l lp r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h ed e s i g no fs e l f p r e s s u r i z a t i o ns y s t e mo

6、fL N Gv e h i c l e s K e y w o r d s：L N Gv e h i c l e s，S e l f p r e s s u r i z a t i o n，S t a b l eg a ss u p p l y，G a s i f i c a t i o nq u a n t i t y1前言随着世界天然气技术发展步伐的加快，液化天然气(I N G)作为当今世界公认的绿色能源，在很多领域得到了广泛应用。其中，在汽车工业中的发展尤为突出，1 2 q G 汽车的研制开发对节约能源、改善城市大气质量具有重要意义J。气瓶是L N G 汽车的燃料储存设备，在气瓶为发动机

7、提供稳定燃料供给的前提下，汽车才能够稳定行驶。随着气瓶连续给发动机输送L N G，气瓶内液位下降，气相空间增大，使气瓶内压力逐渐下降，以致不能满足发动机的供气压力。这就需要外部给气瓶增压来保证燃料的稳定输送，即气瓶的自增压系统。目前常见的自增压系统包括经典型、电加热型、回气型和真空型四类口J：经典自增压系统将气瓶内部分L N G 排出，经过气化器气化后，再返回到气瓶的气相空间，以达到增压的目的；电加热型自增压系统是在气瓶内部设置电加热器，由车上配置的电池提供电源；回气增压系统是对经典自增压系统的改进，气化后的热气不直接返回气瓶的气相空间，而是返回气瓶内的换热盘管，与气瓶内的液体进行热交换后，再

8、返回气化器，经气化器再热后进入发动机。真空型是利用捕获器吸附或脱附气瓶内外胆间的气体，改变内外胆间的真空度，控制气瓶的漏热，使气瓶内的液体受热气化，从而达到增压的目的。此外，空温式气化器的气化量大小决定了自增压系统的工作能力，而气瓶内液位差，即自增压循环的动力，以及管路中的流阻都会影响自增压气化器气化量的大小。因此，本文通过分析目前常用的经典型自增压系统，拟提出车载L N G 气瓶稳定供气条件，并对稳压供气过程中，空温式气化器气化量与发动机燃料流量之间的关系进行探讨，为汽车自增压系统设计提供参考。2 稳定供气条件2 1自增压原理图1 所示为目前常用的车载L N G 气瓶经典收稿日期：2 0 1

9、 3 0 9 0 9通讯作者：陈叔平。第一作者简介：金树峰(1 9 9 0 一)，男，在读硕士，研究方向：低温储运与传热。万方数据6 0 制冷技术R e f r i g e r a t i o n第1 2 期型自增压系统，车载L N G 气瓶采用自压的方式送出液体，气瓶自压力源于液相静压和气相压力。气瓶在向发动机供气时，气瓶内液位下降，气相空间增大，导致瓶内液相静压和气相压力下降，即气瓶供气压力下降。为此在供气过程中，还必须依靠自身配备的增压气化器对气瓶进行稳压，以确保供气压力在规定的工作压力范围内。图1 车载L N G 气瓶自增压系统图F i g 1S e l f p r e s s u r

10、 i z a t i o ns y s t e mo fL N Gv e h i c l ec y l i n d e r如图l 所示，空温式气化器P r 取用气瓶内贮存的L N G，吸收空气中的热量使之气化，输送至气瓶后使气相空间压力上升以满足气瓶排液所需压力。调节阀V 2 用于控制空温式气化器P r 的工作，当瓶内压力小于调节阀V 2 设定压力时，调节阀v 2 自动打开，经过空温式气化器P r 气化，产生的气体流经气相管补充到气瓶内；气体的不断补充使得气瓶内压力回升，当压力回升到调节阀V 2 设定值以上时，调节阀V 2 关闭。出现意外工况时，手动关闭截止阀V 1，整个系统停止工作。在气瓶内

11、压力过高时，打开放空阀V 3 直至压力降低到安全压力。2 2 稳定供气条件气瓶自增压系统包括了增压气体与气瓶内气体的混合过程、气瓶内气液界面上的传热传质过程、气瓶内气体与内胆内壁面之间的热交换以及在壁面上的凝结过程、气瓶内液体与内胆内壁面之间的热交换以及液体的排出过程HJ。此外，除了气瓶内部发生的一系列传热传质过程，气化器、增压管路中也将经历加热气化和过热过程。特别是增压管路的长度及流阻将决定气瓶自增压速度的快慢以及增压流量的大小。L N G 在气瓶内气相压力的作用下向空温式气化器自流供液，忽略液体管路和气体管路上吸收的环境漏热，L N G 在增压系统内的流动压降可分为液相段、气化器和气相段三

12、部分，具体分别如F：(1)液相段流动压降p。假设液体在管内的流动速度不变，则有：a p。：(A。争+彘)学(1)”-式中，A。为液相段沿程损失系数；为液相段局部损失系数；屯为液相管长度，m；d。为液相管直径，m；p。为液化天然气密度，k g m 3；M。为液相段液体流速，m s。(2)空温式气化器内流动压降p hL N G 在光滑管内流动，忽略摩擦压降，则有：p h g 备(一上)+孝，。譬(2)p cp L式中，g h 为空温式气化器的质量流量，k g s；P。为天然气的气体密度，k g m 3；靠为气化器换热管局部损失系数；p 为均匀流动时气液两相流平均密度，k g m 3；配为均匀流动时

13、的气液两相流平均速度，m s。(3)气相段流动压降p。假设气体在管内的流动速度不变，忽略动量压降，则有：卸。-(A。五l G+纠学(3)式中，A。为气相段沿程损失系数；f。为气相段局部损失系数；Z。为气相管长度，m；d。为气相管直径，m；u。为气相段气体流速，m s。根据气瓶自增压原理，若气瓶内液体在最低液位h 时，气瓶仍能够向空温式气化器自流供液，那么需满足在最低液位时的静压力大于各管段流阻损失压降之和，亦即：p L g h A P L+A p P r+p c(4)而要保证气瓶能够给发动机稳定输送液体，气瓶内压力P 还应满足气瓶内液位在最低高度h时，供液动力大于送液管路上的压降p，即：P+p

14、 g h 丹(5)式中，p，的计算方法同自增压系统压降计算方法一样，也可分为液相段、水浴式气化器和气相段。由上述计算推导可知，气瓶内气相压力P在满足式(5)时，自增压系统在工作和非工作状态下，都能满足发动机燃料的稳定供给。此外，由式(2)可知，影响空温式气化器内流动压降的主要因素为气化器的气化量q h，气化量的增大可使万方数据第1 2 期制冷技术R e f r i g e r a t i o n6 1 气化器内的流动压降成倍增大。因此，在气瓶能够稳定供气的基础上，气化量大小的合理取值也尤为重要。3 气化量与供气量关系3 1 供气量发动机的每小时油耗q，为J：=豪(嘉+CDAUa2qe7 6 1

15、 4 0(；0 0、)(6)2 示。撅+L o)式中，g P 为发动机每小时油耗，k g h；b 为汽车的燃油消耗率，s(k W h)；叼，为传动系效率；G为汽车总重力，N，为道路滚动阻力系数；c D 为空气阻力系数；A 为迎风面积，m 2；2,。为汽车车速，k m h。根据汽油与L N G 的热值，可以换算得到以L N G 为燃料时的发动机燃料流量q。为：q P J P，。q l23 6 0 0 J z 邶L7，式中，q。为L N G 汽车发动机燃料流量，k g s；厶为汽油的热值，为4 8 1 07 J k g；厶。为液化天然气的热值，为5 6 1 0 1 J k g。则发动机燃料流量q。

16、=2 3 8 1 0 一q，。由式(6)可知，在汽车最高行驶速度下，可计算得到发动机燃料流量的最大值。3。2 气化量与供气量关系取图1 所示气瓶内气相空间为热力系，则：一28 Q=d E c y+(h。+=!等竺+g z。眦)8 m。叫一(h h+纽2+g z h)S m i。+8 埘i(8)忽略气体的动能和位能，则：8 Q=d E c P+h o=8 m o=一h i 8 m 抽+8 埘i(9)稳定供气条件下，将其认为绝热过程，8 Q=0；系统只有进气，故8 m。=0，h 抽=h c；进入的气体量等于控制体积内气体质量增加，8 m h=d m；控制体积的动能差和位能差忽略不计，故有：d E

17、c P=d U c y=m d u+u d m则：0=m d u+u d m h c d m+p d V(1 0)对(1 0)式两边同除以出，得：m 警+“警也警+吖=0 P-g)m 面+“i 一凡Gi+2L1 1，系统为简单可压缩系统，则d“的普遍关系式为：d u=c，d T+(T 旦一P)d v(1 2)，(r式中，c，为比定容热容，J(k g K)；a 为体积膨胀系数，K；，c，为定温压缩系数，P a。把(1 2)式代人(1 1)式得：眦，d 面T+(T 芝-p)警+警一。警+p 警：0(1 3)气瓶内气体体积随时间的变化量等于液体体积的变化量，即：掣：堑堡(1 4)d fp 气体质量随

18、时间的变化量等于进入气化器内的液体质量流量，即d m d t=q n，气瓶内气体温度不变，即d T d t=0，把(1 4)式带入(1 3)式得：r 导氅堡+(“一h。)g h：0(1 5)K rp 工由(1 5)式简化可得气化器燃料流量与发动机燃料流量的关系式，其中：“一h c=一p p G则：q h2 瓦1g t(1 6)面i。1由此式可看出，稳定供气时，在发动机燃料流量q。一定的情况下，空温式气化器气化量g h 随着a、K r、p L、p G、T、P 的变化而变化，而口、K n P 小P G 均可由发动机燃料工质与T、P 确定。由此可见，发动机燃料工质确定时，影响气化器气化量变化的主要因

19、素为气瓶气相空间的温度F 和压强P。在T,p 确定不变的情况下，气化器气化量与发动机燃料流量满足线性关系，即：g P r=a q。(1 7)其中，口=p G a(K r p L P-p G a T)，发动机燃料流量g。由式(7)计算得到。由(1 7)式可知，在发动机燃料流量为最大值，即汽车在最高行驶速度时，便可求得空温式气化器的最大气化量。此外，当流体为理想气体时，即，c，a T=1，式(1 6)与1 9 9 0 年符锡理以状态方程所推导的计算公式 6 1相同。因此，式(1 7)不仅适用于理想气体，还适用于实际气体，具有更广的适用范围。3 3 计算示例现以某L N G 汽车为例，利用以上公式计

20、算汽万方数据6 2 制冷技术R e f r i g e r a t i o n第1 2 期车发动机燃料流量以及空温式气化器的气化量。其中，天然气定温压缩系数，c，可由对比压缩系数K，确定，即，c，=K r 。天然气体积膨胀系数O l=0 1 Z T p T o，Z 为天然气压缩因子。计算结果如表1 和表2 所示。由表2 可知，计算得到的空温式气化器气化量g P r 为4 2 4 1 0 k g s。而该L N G 汽车配置的气化器最大气化量为5 0 8 1 0 k g s。可见，由公式(1 7)计算的气化器气化量与配置气化器的最大气化量比较接近。造成两者误差的原因是目前国内没有明确计算L N

21、G 汽车自增压气化器热负荷的方法，通常是由制造厂家根据经验得到气化器的热负荷。该公式由发动机燃料流量直接计算得出气化器气化量值，通过热量衡算得到气化器的热负荷，因而得到的气化量值较准确。表1发动机燃料流量计算参数及结果T a b 1T h ec a l c u l a t i o np a r a m e t e r sa n dr e s u l t so fe n g i n e sf u e lf l o w表2 气化器气化量计算参数及结果T a b 2T h ec a l c u l a t i o np a r a m e t e r sa n dr e s u l t so fv

22、a p o r i z e r Sg a s i f i c a t i o nq u a n t i t y4 结论通过分析车载L N G 气瓶自增压原理，提出了稳定供气条件，确定了气瓶气相空间必须达到的工作压力以及气瓶内L N G 应保持的最小液位。由稳定供气条件的推导可知，增压管路的长度、流阻与气瓶压力决定了气瓶自增压速度的快慢以及增压回气流量的大小。此外，建立了空温式气化器气化量与发动机燃料流量的关系式，确保了气化器给气瓶提供的气体流量既具备推动液面做功的能力，又不必造成额外的液体蒸发，且供气温度维持饱和温度，为气瓶自增压系统空温式气化器的设计提供了参数依据。参考文献 1 马小红，陈叔

23、平，等L N G 车载气瓶 J 煤气与热力，2 0 1 1，3 1(9)：B 1 4 一B 1 8 2 S a t i s hK u m 盯，H y o u k T a eK w o n，K w a n g H oC h o i，e ta 1 L N G：A ne c o f r i e n d l yc r y o g e n i cf u e lf o rs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n t J A p p l i e dE n e r g y，2 0 1 1，8 8(1 2)：4 2 6 44 2 7 3 3 顾安忠，等液化天然气技术 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 3 4 叶莹，汪顺华，杨晓东L N G 燃料汽车储罐自增压即供气特性 J 低温工程，2 0 0 9(4)：5 5 5 9 5 余志生汽车理论 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 1 6 符锡理液氢液氧挤压加注用汽化器的设计原理和计算 J 低温工程，1 9 9 0 万方数据