制冰与空调原理分析

1.技术原理

制冰与空调的基本的原理，是利用中间冷媒和LNG换热，使得冷媒获得冷量，温度降低，再利用这个中间冷媒在空调房制冷或制冰室制冰。

2.空调

在文献[89]的液化天然气汽化时冷能利用方法中，提出了一种利用LNG冷能的中央空调系统，采用的是水作为中间冷媒。其具体的过程是：-162℃的液态天然气经泵输入到蒸发器中，与来自中央空调约12℃的循环水进行热交换后变成气态，然后进入天然气管路输送至用户；而循环水在蒸发器中获得LNG冷能后，温度下降到7℃，然后被泵打入到空调换热器中，与室内空气进行热交换，降低室内空气温度，从而达到制冷的目的，其流程如图7-50所示。

在文献[90，92]的利用液化天然气冷量的汽车空调器中，提出了利用LNG冷能来实现汽车空调的系统。该系统采用了乙二醇溶液为中间冷媒，针对LNG冷量回收的过程中的大温差换热和乙二醇容易被凝固的特点，提出了带有蓄冷功能的多级冷能回收的汽车空调系统，并进行了模块化数值分析，其原理性示意图如图7-51所示，实验系统图如图7-52所示，试验台实物见图7-53。交换，温度进一步升至0℃以上；从板翅式换热器中出来的温度较高的天然气。返回LNG板翅，在低温盘管换热器中，与管外的LNG进行换热，使LNG汽化，同时自身温度降低；接着再次进入到板翅式换热器中换热，如此进行两三次，使得从LNG储液罐中出来的低温饱和天然气实现多次的降温和升温，最后进入低压储气罐，经发动机冷却水加热后，送入发动机的燃烧室内燃烧。乙二醇溶液在板翅式换热器中获得冷量后，进入蓄冷槽（蓄冷槽的作用是用来缓冲汽车空调负荷的变化），经泵加压后进入到空气换热器中，冷却来自车厢的回风，温度升高后的乙二醇溶液，再次进入板翅式换热器来完成整个循环。

图7-50 利用LNG冷能的中央空调工艺流程

1—低温储液罐 2—天然气泵 3、14—截止阀 4—止回阀 5—液面控制器 6—液化天然气汽化器 7、13—温度计 8、12—截止阀 9—中央空调热交换器 10—循环水池 11—循环水泵

图7-51 LNG用于汽车空调的原理性示意图

1—液化天然气杜瓦 2—套管换热器 3—乙二醇蓄冷箱 4—风冷换热器 5—液体泵 6—过滤器 7—板翅换热器 8—低压储气罐 9—冷凝器 10—冷却水箱 11—汽车发动机

具体的过程是：汽车启动时，LNG板翅阀门打开，储液罐上部的饱和气态天然气在系统压力的作用下，进入低温套管换热器中，与温度较高的逆流天然气进行热交换，释放部分冷量，温度升高；然后进入到板翅式换热器中，与逆流的乙二醇溶液再次进行热

3.制冰

制冰有很大的市场，主要用途有：①制造大块的冰用于渔船中；②食用冰，例如冰冰啤酒之类的，这中冰利用干净的纯水制作而成，出口价格达到600元/t；③中央空调利用冰，这种需求是巨大的，而且制造安全可靠，技术要求最低，市场很大；④其他用途，例如：在医药方面；在某些特殊的加工厂中；在电子产品中；还有是建筑用的水泥要急速冷冻，这种需求有是也是很大的。

制冰基本的过程是：LNG的冷能在换热器中蒸发，把冷量传给中间的二次冷媒，有二次冷媒进入制冰机中进行制冰。图7-54为制冰原理性图。

图7-52 LNG用于汽车空调的实验系统图(www.xing528.com)

1—LNG充注罐 2—液化天然气杜瓦 3—套管换热器 4—板翅换热器 5—乙二醇蓄冷箱 6—液体泵 7—风冷换热器 8—过滤器 9—低压储气罐 10—冷凝器 11—冷却水箱 12—汽车发动机

图7-53 LNG用于汽车空调的试验台实物图

图7-54 制冰原理性图

对利用冰作为冷源的中央空调系统，可以考虑把冰分散运到需要冷却的各中央空调地点，用冰融化时的潜热和部分显热，来直接冷却中央空调的冷冻水到7℃，然后利用这部分冷冻水来进行室内空气的冷却。这样就避免了电制冷来冷却冷冻水，由此节省了电能。

为充分利用LNG冷能，选择的二次冷媒凝固点要尽量低于-162℃，蒸发温度在-15℃左右。从目前的烷烃类来看，丙烷是比较符合的，其常压沸点是-42.17℃，凝固点是-187.1℃，则在稍微加压下则能满足要求，并且其市场上量大，价格便宜。

4.冷能利用方案举例

国内某LNG进口接收站提出了LNG冷能利用于制冰的方案，并考虑把制出来的冰作为中央空调的冷源，用其直接冷却空调回路中的冷冻水，并讨论该模式下中央空调的运行经济价值。

该LNG进口接收站一期管网计算的最大输气量为820000m³/h（标准状态，折合LNG695t/h）；二期管网计算的最大输气量为1640000m³/h（标准状态，折合LNG1390t/h）。管道供LNG最小小时输气量：2015年为77290m³/h（标准状态，折合LNG65.5t/h）；2020年为240000m³/h（标准状态，折合LNG203.4t/h）。

综合考虑输气管线本身有一定储气调峰能力，以及LNG输送、汽化设施的运行效率后，确定接收站一期工程输气量设计为LNG720t/h，输出压力6.19MPa；二期工程输气量为LNG1440t/h，输出压力7.55MPa。

这里就按该接收站一期LNG平均流量的一半所具有的冷能来估算能制多少冰，并假设只用于中央空调时，能管多大的制冷面积。取当地夏天自来水的温度和极端气温相同，即为35.1℃。为简化计算，LNG从-150℃升温到-15℃，经计算能提供的冷量为2.27×10⁸kJ/h。水在35.1℃冷却到0℃的冰，设水的流量为q_m，假设经中间冷媒丙烷的传热效率是100%，即LNG的冷量全部传给了水来制冰，可得q_m=470.84t/h。

当冰运至各地中央空调的储冰池中，先熔化再升温，即在0℃时熔化，再升温到10℃，而中央空调的冷冻水是由12℃冷却到7℃，采用逆流换热方式。此时冰能提供的冷量是1.77×10⁸kJ/h，即4.93×10⁴kW。按照一般的空调的功耗是150W/m²作为标准来换算，得出中央空调的制冷面积为3.28×10⁵m²，制冰能力为470.84t/h，计算的相关参数列于表7-9中。

表7-9 制冰的相关参数

用冰作为空调的冷源，则该系统不需要制冷设备，这样不但能避免了制冷设备的投资，也能充分利用冷能，只要卖给空调公司的冰价格合理，空调的运行费用是能接受的，因此考虑LNG冷能制冰用于中央空调的想法也是可行的。