lng汽化潜热在冷库设计中应用

摘要:介绍了利用lng汽化潜热作为制冷工艺的一种小型冷库设计方案,制冷工艺流程简单,投资少,劳动强度小,维护成本低,罐车防波板梯级利用lng的汽化产生的冷量,对环境没有污染,发展前景广阔,能够带来较大的经济效益和社会效益。

1 前言

随着经济的发展和人们生活水平的不断提高,人们对于水产品、肉类、水果、蔬菜、禽蛋等食品的需求越来越旺盛,但它们的生产有较强的地区性和季节性,为了调节淡旺季节,保障供给,就需要对食品进行冷加工、冷藏及冷藏运输,这样对冷库、冷藏车船的需求也在不断地增长。冷库设计的核心是制冷系统的设计,目前的冷库制冷方式普遍采用液体汽化压缩制冷方式。但其工艺复杂,耗费电能较多,投资成本高[1-2]。

为响应国家节能降耗、回收可利用能源的要求,本文提出了回收lng汽化冷量来提供冷库冷源的设计思路。lng常压下的沸点温度为-162e,它在燃料燃烧前汽化时吸收的汽化潜热所产生的冷量,足以维持一个小型冷库需要的冷量,通过载冷剂将lng相变物质溶解释放的冷量传递给冷库。

2 制冷工艺及制冷负荷计算

2. 1 制冷工艺

利用外界能量使热量从温度较低的物质(或环境)转移到温度较高的物质(或环境)的系统叫制冷系统。制冷系统通常可分为蒸汽制冷系统、空气制冷系统和热电制冷系统。

〔1〕蒸汽压缩制冷系统主要由压缩系统、冷凝器、膨胀阀、蒸发器四部分组成,制冷剂在系统中经过压缩、冷凝、节流、蒸发吸收潜热冷却物体。其工艺成熟,广泛应用食品加工业,但其工艺复杂,耗费大量电能,投资成本高。

〔2〕空气制冷系统是通过压缩空气在膨胀机中绝热膨胀获得低温气流而实现制冷。空气是天然工质,无毒无害,对环境没有破坏作用,制冷温度范围宽,但其制冷效率低,噪声高,部件还需优化,运行参数还需优化匹配。

〔3〕热电制冷是利用热电效应(即帕尔帖效应)的一种制冷方法。其结构简单,启动快,操作灵活。主要缺点是效率低,耗电多,主要用于电子器件仪表的冷却器。

以上是现在国内普遍采用的制冷方法,本文中冷库制冷系统采用lng汽化产生冷量直接制冷的方案,在国内尚属首创,该工艺简单,冷量大,其制冷的工艺流程如图1(该流程采用乙二醇、丙二醇和丙三醇的水溶液做载冷剂)。

工艺流程描述:来自储罐的-162e的lng经过与20e的载冷剂换热以后气化为2@104nm318e的天然气,可供给大约6万城镇居民一天的用气;载冷剂经过lng换热器后温度降为-35e左右,然后经过一级超低温蒸发器,温度变为-20e,此过程提供的冷量可用于禽类、肉类或者鱼虾的速冻,经一级换热以后,进入二级换热器,载冷剂温度升为-2e,此过程提供的冷量可用做冷库低温冷藏间的冷量需要(主要用于肉类、水产品的冷藏),二级换热后,进入三级换热器,载冷剂的温度升为20e,然后循环回lng汽化换热器,三级换热产生的冷量可用于冷水养殖或者空调系统的冷水供给。

2. 2 制冷负荷计算

2. 2. 1 冷量利用方案确定

通过hysys软件模拟知:该流程可提供155kw的冷量,其中经过一级换热(温度-35e-20e)可提供42kw的冷量,二级换热(温度-20e-2e)产生50. 5kw的冷量,三级换热后(温度-2e20e)产生62. 5kw的冷量。

该制冷工艺得到的制冷温度较低,经过经济分析对比后,推荐利用一级二级换热产生的冷量建设以鱼虾、贝类冷冻加工、冷藏性质的冷库;经过两级换热后,载冷剂的冷量不再适合低温冷库冷量的供给,可与25e水换热产生冷水,用于空调系统的冷水供给或用于十分具有发展前景的冷水养殖业用水。经计算:三级换热的冷量一天可产生70t7e或者120t15e的冷水。

2. 2. 2 生产能力计算

〔1〕速冻间:

根据文献资料显示:在库房温度-25e时,水产品的单位冷负荷为: 7 kw /,t冷加工时间为16h,水产品由入库时的20e降到-15e;由模拟的流程知一级换热后产生的冷量负荷为42 kw.

按15%的冷量损失考虑,计算得:可生产冷冻鱼虾3. 4t/d。

〔2〕冷藏间、制冰间:

查5冷库设计6一书知:盐水制冰的单位负荷约为7kw /;t 250t以下冷库冻结物冷藏间单位冷负荷为0. 082 kw /,t冷藏间按3天产量的贮藏能力考虑;二级换热产生的冷量用于冻结物冷藏和制冰。按15%的冷量损失考虑,计算得:冷藏间需要冷负荷为: 0. 28 kw,可制冰6. 0 t/d。

2. 3 载冷剂

2. 3. 1 载冷剂的性质

本文中制冷系统产生-35e~20e的循环液体,因此用作载冷剂的物质应在所需要的载冷温度下保持液态,在载冷系统中循环时,不结冰、不挥发;对设备无腐蚀,对人体无害;载冷能力强;输送功率少。因此载冷剂应具备如下的性质:

〔1〕无毒、无可燃性、无刺激性气味。化学稳定性好,在大气压力下不分解,不氧化,不改变其物理化学性质。

〔2〕在使用温度范围内呈液态。

〔3〕相对密度小,黏度小、传热性好、比热容大。

这样可以使载冷系统中流动阻力损失小,循环量少、可以减少换热器尺寸。

2. 3. 2 载冷剂的选择

〔1〕水水是最适宜的载冷剂,它主要用于集中式空气调节系统,还可以直接喷入空气中,实现温度和湿度调节,但水的冰点是0e,所以只适用于载冷温度在0e以上的场合使用。

〔2〕甲醇甲醇的冰点为-97e,它可以达到较低的载冷温度,流动性较好,甲醇和乙醇都有挥发性和可燃性,使用过程中应注意防火,甲醇挥发气有弱毒性,不宜做冷冻食品用载冷剂。

〔3〕纯有机体纯有机液体如二氯甲烷、三氯乙烯和其他氟里昂液体。它的凝固点很低。特点是相对密度大、黏度小、比热容小。可以用来得到更低的载冷温度,但是其对环境有污染。

〔4〕乙二醇、丙二醇和丙三醇的水溶液丙三醇是极稳定的化合物,其水溶液对金属无腐蚀。无毒,可以和食品直接接触,是良好的载冷剂。乙二醇和丙二醇水溶液的特性相似,它们结晶温度可达-60e左右。

通过以上几种常用载冷剂的对比筛选和大量的资料调研:推荐采用乙二醇、丙二醇和丙三醇的水溶液作为载冷剂。

3 冷库组成及工艺流程

3. 1 冷库组成

该冷库属于鱼、虾、贝类冷冻加工的生产性冷库,推荐建在靠近渔港、码头、海湾等水运和公路运输较方便的地域。该冷库主要由库房、生产工艺用房、动力用房及行政用房组成。

〔1〕库房是冷库的核心部分,库房是冷库建筑群中的主要建筑,包括冷加工间、冷藏间和直接为它服务的建筑。

〔2〕生产工艺用房主要包括水产品清洗、分类、装盘、过磅的房间、整理间和水塔、仓库、污水处理等。

〔3〕动力用房包括用于安装制冷设备的房间,是冷库的动力车间,它还包括设备间和变、配电间。

〔4〕行政用房主要包括办公室、宿舍、厕所等。

〔5〕其他建筑包括围墙、出入口、绿化设施和危险品仓库,其中危险品仓库指贮载冷剂等易燃易爆物品的库房。

3. 2 冷库加工工艺流程

该冷库的功能就是在低温环境中贮藏水产品,为了能够在低温环境下贮藏物品,必须在贮藏前进行冷却、冻结加工,还要在出库前进行检验、过磅,出库前过磅等一系列流程,该冷库生产的工艺流程见图2。

该流程比较简单,水产品在理鱼间清洗、分级、装盘、过磅后直接入冻结间冻结,再经脱盘、包装(也有不包装的)即运入冻结物冷藏间贮藏,最后过磅、出库。脱盘后有一回盘工序返回理鱼间。

4 经济评价

城镇居民一天用气消耗34m3lng来核算,如果采用加热炉加热汽化至18e,经计算每天大概燃烧400nm3天然气,按1nm3天然气的价格为2元计算,每年加热lng的所需燃气费用在29万元左右,并且lng本身的冷量白白浪费;如果利用lng汽化产生的冷量建成小型冷库,经计算知:每天可冷冻鱼虾3. 4,t按每加工1kg鱼虾的利润为3元(一年生产周期按300天算)计算,每年的税前利润为306万元,预计在1. 5年内即可收回投资。可见:该方案有效利用lng汽化冷量,耗电少,经济效益十分明显。

5 结论

〔1〕冷库是具有保留食品的原始成分,维持良好的食品质量的优点,尤其许多深海鱼类需深度冷冻保鲜。利用lng本身的低温性及时为它们的加工提供条件,开发水产品的冷冻加工、冷水养殖是很有发展前途的工作。

〔2〕该冷库制冷工艺流程简单,投资少,劳动强度小,维护成本低,梯级利用lng的气化产生的冷量,对环境没有污染,发展前景广阔,能够带来较大的经济效益和社会效益。