汽车用LNG水浴式汽化器的研究

徐锋

（张家港富瑞深冷科技有限公司，江苏 张家港 215637）

天燃气汽车作为新型的清洁能源汽车，为缓解我国环保问题和能耗问题产生了巨大作用,也是受到我国政府重点扶持的一项行业。从当前发展趋势来看,大中城市的公共汽车将逐渐向天燃气和洁净燃油公交车转型,天燃气将是未来公共交通运输业具备竞争性的能源。在卡车领域,尽管近期由于各种原因而造成燃气卡车的市场销售减少,但从政策和环境压力的方面去考量, 国家一直支持新能源汽车和清洁能源汽车并重发展，天然气汽车也在其中。从全生命周期来看，天然气汽车经济性很好，也具有足够的市场竞争能力，发展空间还很大。我国政府应该会继续对燃气卡车的生产技术和补贴政策予以更大的扶持。天然气汽车的燃料系统是由LNG车用瓶、LNG水浴式汽化器、车用瓶阀门系统、发动机系统组成。其中LNG水浴式汽化器作为天然气汽车燃料系统的核心部件，气化量过大，会造成汽车燃气消耗量过大，车辆运行效率降低，运行经济成本增高；气化量过小，则会造成车辆动力不稳，严重则会造成供气不足，汽车不能正常行驶。因此，一个合适的LNG水浴式汽化器对天然气汽车至关重要。本文以LNG水浴式汽化器作为研究对象，提供一种计算方法，并通过试验数据来验证计算方法的可行性。

1 LNG水浴式汽化器的结构及其工作原理

LNG水浴式汽化器主要是利用天汽车发动机循环冷却水把液化天然气进行加热汽化，使天然气达到满足发动机使用温度、流量要求。其结构由不锈钢壳体、内部盛装发动机循环冷却水、螺旋盘管、进出水口、LNG进液口、NG出气口组成成。工作流程为：高温冷却水通过汽化器进水口N3、出水口N4循环流入、流出汽化器的壳体，LNG经过进液口N1进入螺旋盘管，经过高温冷却水吸热后气化，从出气口N2流出，供发动机燃烧。发动机循环冷却水的流向和LNG进液方向一致。

图1 LNG水浴式汽化器结构

表1 天然气物理特性参数（1.0MPa下）

2 LNG水浴式汽化器的计算

（1）计算条件及方法：国内主流天然气发动机的进气压力为1.0MPa（表压），需求的进气量为V=120Nm3/h；天然气发动机高温冷却水进口温度≥90°C，出口温度≤70°C，气化后NG温度10°C；汽化器内部螺旋管规格选用不锈钢管10×1mm，使用双螺旋管，水浴式汽化器的壳体规格选用159×3mm不锈钢焊管。

计算思路：LNG水浴式汽化器主要是通过内部螺旋管吸收发动机循环水的热量，加速LNG的气化。根据相关标准所以只需计算出螺旋管的长度，就能设计出水浴式汽化器。而天然气发动机的进出水的水温是稳定的，气化后的压力也是稳定的，先对LNG在在螺旋管内部的气化过程进行分析计算，最终可得到汽化器内部螺旋管的长度。

（2）螺旋管内天然气吸收热量的计算：当LNG饱和液体进入汽化器螺旋管内的加热段，LNG开始沸腾，刚开始的流动状态是泡状流。天然气气泡沿螺旋管流动时逐渐聚积，泡状流会慢慢演变为柱塞流。泡状流和柱塞流这两个区域称为饱和核态沸腾区，在该段螺旋管区域内，强制对流和核态沸腾效应将会影响传热率的大小。饱和核态沸腾区总的传热率等于对流传热率和仅出现核态沸腾时传热率的线性总和。随着两相流继续沿螺旋管内流动，更多的热量加入到液体中，螺旋管内的流动形式将变为环状流。这个区域称为强制对流蒸发区。传热机制包括对流和通过加热螺旋管道表面液体的热传导，并伴随着液—气表面的蒸发。当LNG进一步沿螺旋管内流动时，液膜体积减小，直到液膜完全分解成“干”点流动。这个区域称为强制对流膜态沸腾区（或缺液区）。气流夹带着LNG液滴，其余两相流形式与雾状流动对应。通常，膜态沸腾区的传热效率比较低，或者说，在热流密度一定的情况下，管道壁面和流体间的温差将较大。

综上所述，LNG在螺旋管内强制对流分为以下几个阶段，即饱和核态沸腾区、强制对流蒸发区、强制对流膜态沸腾区。因此，LNG在螺旋管内的计算可以分成三段：

图2 LNG在螺旋管内部气化过程状态示意图

第一段：从1atm沸点下变为工作压力下的液体（对应饱和核态沸腾区）。

第二段：工作压力下的液体变成工作压力下的蒸汽变成50%（假定）蒸汽（对应强制对流蒸发区）。

第三段：从工作压力下的蒸汽变成10°C的气体（对应强制对流膜态沸腾区）。

式中，Q1为饱和核态沸腾区吸收的热量，Q2为强制对流蒸发区吸收的热量，Q3为膜态沸腾区吸收的热量

V为发动机需求的进气量，Nm3/h，ρ为标准状态下天然气的密度，kg/m3。

（3）螺旋管换热系数计算：

第一段：饱和核态沸腾区。

第二段：强制对流蒸发区。

第三段：强制对流膜态沸腾区。

（4）螺旋管长度计算：

因为汽化器内部采用的是双螺旋管，则单根螺旋管长度为4.25m。

3 LNG水浴式汽化器的试验验证

根据计算出的单根盘管长度4.25m，采用双螺旋管，汽化器的壳体规格选用159×3mm，利用这些条件就可以设计制作汽化器。制作出的汽化器可通过下面的试验来进行验证。验证思路：因为汽化器的气化量和高温冷却水的水温有关，水温的变化会导致气化量的变化，因此，需分下面几种情况进行综合验证。

（1）验证计算条件下循环水进口温度90℃时汽化器的气化量。（2）验证循环水进口温度80℃时汽化器的气化量。（3）验证循环水进口温度70℃时汽化器的气化量。

试验步骤：①将水箱内加满水。②将气瓶内充满LNG。③接通电控箱电源，按试验要求设置温控。④打开“加热1”“加热2”，等待水箱内温度达到要求。⑤打开“水泵开关”。⑥调节阀门，观察水表读数并计算水流量，调节流量符合试验要求的规定。⑦将气瓶内压力调整到1.0MPa，打开增压回路维持稳定。⑧缓慢打开气瓶出液阀。⑨调节流量计后阀门开度，使流量计处压力稳定在1MPa左右。

图3 水浴式汽化器试验流程图

试验结果：

第一，由图4可得知，随着发动机转速的变高、水流量的变大，气化器的气化量逐步增高。一般发动机上的水流量最大可在18L/Min左右，当水流量稳定在19L/Min后，循环水温度在70℃时，汽化器的气化量在110Nm3/h；循环水温度在80℃时，汽化器气化量在120Nm3/h；循环水温度在90℃时，汽化器气化量在130Nm3/h。第二，由曲线图可得知，在设计条件循环水温度在90℃时，与理论气化量120Nm3/h有10Nm3/h的偏差，考虑到理论计算是偏保守的，考虑到汽车满载和爬坡的情况下，发动机燃气需求量大，气化器的实际气化量是要大于理论气化量才合适。以潍柴WP13NG460发动机为例，在额定转速2200rpm下，燃气消耗量约为0.02389kg/s，折合气化量为120Nm3/h左右，所以，试验结果和计算结果都在合理范围内。第三，由曲线图可得知，发动机循环水流量的对汽化器的气化量有很大影响。水流量和发动机转速有关，发动机在刚启动的时候，转速较低，水流量还没上来，所以汽化器气化量未达到预期要求。因此，还需研究燃气发动机各个转速下的燃气消耗量，看设计的汽化器是否满足实际需求。当燃气发动机在不同转速下运转时，发动机所需要的天然气进气量的是不同的，因此，应时刻注意在汽车行驶过程中循环水流量变化，特别是在发动机最高转速时，此时，汽化器也达到最大工作负荷状态。其次，当汽车冷启动时，发动机刚刚开始运转，汽化器壳体内的发动机循环水温度与环境温度相同，循环水的温度需要一定的时间上升至正常温度值，因此，在LNG汽车在刚启动时，应适当保持发动机在怠速或低速状态下运转一段时间来提高汽化器内部循环水的温度，确保汽化器内螺旋盘管内部的LNG能够充分汽化。同时，来自前端LNG气瓶的压力需保持在1MPa稳定的压力范围内，才能保证汽化器气化后有稳定的压力输出。如果前端LNG气瓶内部压力过低，汽化器气化后压力也会过低，导致发动机无法正常工作。LNG气瓶的压力可通过气瓶阀门系统的阀门控制，需时刻关注好气瓶的压力在是否在正常范围内。现国内的LNG气瓶都配有自增压系统，压力不足时，可打开自增压使气瓶压力增至正常压力。

图4 循环水进口温度和气化量曲线图

4 结语

为实现对发动机稳定的供气，这就需要瓶内的充液压力、匹配的汽化器气化速度和汽化温度均要与发动机的工作要求相匹配，否则，将直接影响发动机的耗气量和工作的可靠性。本文针对LNG水浴式汽化器，利用高等传热学理论，对LNG在螺旋管内部气化状态的分析，计算出了水浴式汽化器内部螺旋管的长度，并设计制作出了汽化器。又通过水浴式汽化器的试验验证了汽化器的实际气化量，最终验证了该设计方法是可行的。本文分析计算的方法为汽车用LNG水浴式汽化器的设计提供了参考，也为燃气发动机匹配合适的汽化器提供了数据支持。