利用機(jī)車電氣柜加熱液化天然氣的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于在將低溫液化天然氣引入內(nèi)燃機(jī)之前對其進(jìn)行加熱的熱交換系統(tǒng)和方法。更具體地，本發(fā)明涉及用于將由機(jī)車的電氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量高效地傳遞至低溫液化天然氣流中的熱交換系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的鐵路機(jī)車由內(nèi)燃機(jī)來提供動力，所述內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動一個或多個發(fā)電機(jī)，而所述發(fā)電機(jī)又為一系列用于向驅(qū)動輪施加牽引力的牽引馬達(dá)提供動力。通常情況下，傳統(tǒng)機(jī)車中的內(nèi)燃機(jī)為柴油機(jī)，其依賴于大量柴油燃料運(yùn)行。隨著人們愈加關(guān)注環(huán)境問題以及柴油燃料總成本的快速上漲，機(jī)車發(fā)動機(jī)的替代燃料方面也隨之取得了顯著的發(fā)展。諸如壓縮天然氣(CNG)、液化天然氣(LNG)、液化石油氣(LPG)、液化丙烷(LP)或冷凍液態(tài)甲烷(RLM)等燃料都可以作為環(huán)保上更清潔的替代性燃料，并且，由于當(dāng)今更清潔燃燒的發(fā)動機(jī)所需的柴油重制成本不斷上升，超過了這些充裕的替代燃料的成本，因此這些燃料的經(jīng)濟(jì)性也日益凸顯。
[0003]為了適應(yīng)替代燃料的推行，機(jī)車工業(yè)一直以來都在研發(fā)天然氣發(fā)動機(jī)技術(shù)。人們已經(jīng)開發(fā)出了完全依賴天然氣運(yùn)行的發(fā)動機(jī)，同時也開發(fā)了其它具有雙燃料性能的混合發(fā)動機(jī)，其中，可以向所述發(fā)動機(jī)供應(yīng)天然氣和/或柴油燃料來實(shí)現(xiàn)運(yùn)行。天然氣燃料中，CNG已被用作燃料供應(yīng)到機(jī)車發(fā)動機(jī)。然而，CNG的能量密度較低，這使其成為一種比較難使用的燃料，尤其是在需要大量燃料儲備來完成長距離行程的鐵路行業(yè)里。CNG的低能量密度以及高壓儲存要求(通常為200至250bar以上)需要大而重的加強(qiáng)型儲存容器，而這類容器價格昂貴、效率低下。另一方面，LNG的能量密度比CNG的能量密度大2.4倍或?yàn)椴裼腿剂系?0%，并且能夠在比CNG低得多的壓力下儲存(通常小于lObar)。因此，機(jī)車工業(yè)日益期待將LNG用作一種可行的替代燃料選項(xiàng)。人們已經(jīng)研發(fā)出了專用的補(bǔ)給車，所述運(yùn)載工具專門設(shè)計有低溫容器，用來在低壓以及約-320° F(-160°C )至-265° F(130°C )之間的溫度下儲存LNG。這些容器絕熱并且可包括多個殼體用以減少從周圍環(huán)境到LNG的熱傳遞。諸如汽化器和低溫泵等專用設(shè)備用來對LNG進(jìn)行加熱以將LNG轉(zhuǎn)化為氣態(tài)和/或在適當(dāng)?shù)膲毫ο聦怏w輸送至發(fā)動機(jī)。
[0004]人們已經(jīng)提出了各種用于將液態(tài)氣體轉(zhuǎn)化為氣態(tài)以在內(nèi)燃機(jī)中使用的傳熱系統(tǒng)，例如，在美國專利第N0.7，841，322號中，所涉及的是一種用于柴油機(jī)的冷卻器組件。通過將液體丙烷引入到冷卻器組件中并使填充空氣通過冷卻器來冷卻或過冷卻進(jìn)入發(fā)動機(jī)的填充空氣。進(jìn)入的填充空氣由液體丙烷冷卻，同時，液體丙烷也被進(jìn)入的填充空氣加熱，進(jìn)而將液體丙烷轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，以便注入至發(fā)動機(jī)中。在其它常規(guī)系統(tǒng)中，從發(fā)動機(jī)冷卻劑中獲取熱量，以在將液化天然氣引入內(nèi)燃機(jī)中之前對其進(jìn)行加熱。
[0005]由于機(jī)車上會產(chǎn)生大量熱負(fù)荷(尤其是在某些情況下)，因此需要一種專門設(shè)計的熱交換系統(tǒng)，其在起汽化器的作用將低溫輸送液體轉(zhuǎn)化為氣態(tài)以便在柴油機(jī)中使用的同時可以獲得低溫輸送液體的冷卻效果。例如，由柴油機(jī)驅(qū)動的發(fā)電機(jī)也為電池充電、空氣調(diào)節(jié)/加熱、鼓風(fēng)機(jī)、冷卻風(fēng)扇、各種泵和控制電路提供電力。機(jī)車的電氣部件通常是布置在起保護(hù)和易于接入作用的電氣柜中。有必要對電氣柜的環(huán)境參數(shù)加以控制以保證電氣設(shè)備正常運(yùn)行并防止電氣設(shè)備暴露于過熱的環(huán)境中。一般來說，將設(shè)置風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)以及專用過濾器來控制電氣柜中的環(huán)境并防止布置于其中的電氣設(shè)備出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。
[0006]然而，這些傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)通常依靠從環(huán)境源汲取的空氣來提供熱交換介質(zhì)。例如，當(dāng)機(jī)車正將重型負(fù)載運(yùn)送通過長隧道時，環(huán)境空氣的溫度可能顯著而急劇地上升到能使用于電氣柜的傳統(tǒng)冷卻裝置迅速失效的點(diǎn)，進(jìn)而對電氣部件造成損壞。因此，需要一種熱交換系統(tǒng)，其在起汽化器的作用將低溫輸送液體轉(zhuǎn)化為氣態(tài)以便在機(jī)車的天然氣發(fā)動機(jī)中使用的同時可以獲得用于冷卻機(jī)車的電氣部件的低溫輸送液體的冷卻效果。所述熱交換系統(tǒng)可以是用于存放在天然氣機(jī)車上的電氣柜中的電氣部件的初級和/或次級冷卻源。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明在較大程度上滿足了上述需求，其中，根據(jù)一個實(shí)施例，一種用于將電氣柜中的電氣部件所產(chǎn)生的熱能交換至液化氣流的系統(tǒng)包括用于在低壓下低溫儲存液化氣的儲存容器、配置于電氣柜中的熱交換器以及低溫泵，所述低溫泵與儲存容器流體連通，用于將自儲存容器接收的液化氣加壓至高壓并將加壓后的液化氣泵送至一位置，在該位置處，利用由熱交換器從電氣柜吸收的熱能將液化氣汽化為氣態(tài)形式。
[0008]根據(jù)一個實(shí)施例，運(yùn)載工具包括用于將電氣柜中的電氣部件所產(chǎn)生的熱能交換至液化氣流的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括用于在低壓下低溫儲存液化氣的儲存容器、配置于電氣柜中的熱交換器、以及與儲存容器和熱交換器流體連通的低溫泵，所述低溫泵用于將自儲存容器接收的液化氣加壓至高壓并將加壓后的液化氣泵送熱交換器，以便利用從電氣柜吸收的熱能將液化氣汽化為氣態(tài)。
[0009]根據(jù)一個實(shí)施例，一種用于將氣態(tài)燃料供應(yīng)至機(jī)車上的內(nèi)燃機(jī)的方法包括將補(bǔ)給車與機(jī)車相聯(lián)接、將液化氣從補(bǔ)給車上的儲存容器泵送至配置于機(jī)車上的電氣柜中的熱交換器、利用從電氣柜吸收的熱能將熱交換器中的液化氣汽化以及將汽化后的液化氣注入至內(nèi)燃機(jī)中。
【附圖說明】
[0010]圖1為根據(jù)本發(fā)明各方面的機(jī)車的俯視圖；
[0011]圖2為圖1所示的根據(jù)本發(fā)明各方面的機(jī)車的左視圖；
[0012]圖3為圖1所示的根據(jù)本發(fā)明各方面的機(jī)車的另一剖視俯視圖；
[0013]圖4為根據(jù)本發(fā)明各方面的機(jī)車和液化天然氣補(bǔ)給車的左視圖，其中，局部剖視圖示出了采用LNG的原動機(jī)動力源(例如高壓直噴(HPDI)發(fā)動機(jī))；
[0014]圖5為根據(jù)本發(fā)明各方面的帶有燃料管理系統(tǒng)模塊的液化天然氣補(bǔ)給車的構(gòu)型的透視圖；
[0015]圖6為根據(jù)本發(fā)明各方面的帶有燃料管理系統(tǒng)模塊的液化天然氣補(bǔ)給車的另一構(gòu)型的透視圖；
[0016]圖7為根據(jù)本發(fā)明各方面的與液化天然氣補(bǔ)給車相聯(lián)接的天然氣機(jī)車上的熱交換系統(tǒng)的側(cè)視剖視圖；
[0017]圖8為根據(jù)本發(fā)明各方面的與液化天然氣補(bǔ)給車相聯(lián)接的天然氣機(jī)車上的另一熱交換系統(tǒng)的側(cè)視剖視圖；以及
[0018]圖9為根據(jù)本發(fā)明各方面的與液化天然氣補(bǔ)給車相聯(lián)接的天然氣機(jī)車上的另一熱交換系統(tǒng)的側(cè)視剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行說明，其中在所有附圖中，相同的參考符號指代相同的部件。
[0020]可以通過對連接、附接和/或結(jié)合在一起的部件進(jìn)行描述來說明用于利用機(jī)車電氣柜來加熱液化天然氣的系統(tǒng)和方法的各個方面。如本文所用，術(shù)語“連接”、“附接”和/或“結(jié)合”用于表示兩個部件之間的直接連接，或者在適當(dāng)時，通過介入部件或中間部件彼此間接地連接。相反，如果將部件稱為“直接聯(lián)接”、“直接附接”和/或“直接結(jié)合”至另一部件時，則不存在有介入元件。
[0021]本發(fā)明的實(shí)施例有利地提供了用于利用機(jī)車電氣柜來加熱液化天然氣的系統(tǒng)和方法。本文所述的熱交換系統(tǒng)有助于減輕機(jī)車的電氣設(shè)備上的危險性熱負(fù)載，同時還提供了一種用于將加壓液化天然氣注入內(nèi)燃機(jī)之前對其進(jìn)行加熱的方法。本文所述的系統(tǒng)和方法適于與機(jī)車配套使用，尤其是與設(shè)計為或改造為依靠所注入的天然氣來運(yùn)行的機(jī)車配套使用。
[0022]圖1和2示出了根據(jù)本發(fā)明各方面的機(jī)車10的俯視圖和左視圖。機(jī)車10設(shè)計為依靠液化氣燃料(諸如LNG)運(yùn)行。例如，機(jī)車可具有原動機(jī)源，所述原動機(jī)源為雙燃料火花點(diǎn)火式或直噴式機(jī)車發(fā)動機(jī)，或者任何其它內(nèi)部或外部往復(fù)式發(fā)動機(jī)，如斯特林循環(huán)或渦輪發(fā)動機(jī)。根據(jù)本發(fā)明的某些方面，機(jī)車10可以具有高壓直噴(HPDI)發(fā)動機(jī)，所述發(fā)動機(jī)依賴于將高壓氣態(tài)燃料直接注入至壓縮沖程后期的活塞缸中進(jìn)而在效率上勝過柴油機(jī)。機(jī)車10可配置有駕駛室12、電氣柜14、發(fā)電機(jī)室16、發(fā)動機(jī)室18、發(fā)動機(jī)冷卻室20以及動態(tài)制動室22。
[0023]如圖3的剖視俯視圖所示，電氣柜14可以容納蓄電池24、功率逆變器26以及其它用于機(jī)車10的運(yùn)行和控制的電氣部件和系統(tǒng)。盡管通常用在傳統(tǒng)機(jī)車上的鉛酸蓄電池具有相當(dāng)高的溫度不敏感性并由此可能不會容納于電氣柜14中，但是，采用混合電動策略的最新水平的機(jī)車技術(shù)可要求蓄電池位于與其余敏感性電氣部件相同的干凈且低溫的位置?？稍O(shè)置有電氣柜空氣過濾器28，干凈的冷空氣可從冷卻空氣入口 30通過該電氣柜空氣過濾器28被接納到電氣柜14中。冷卻空氣入口 30可流體地連接至慣性過濾器空氣入口32(見圖1)，以將環(huán)境空氣吸入至機(jī)車10中用作電氣柜14的冷卻空氣和/或輸送至原動機(jī)源40。由于機(jī)車10依靠由慣性過濾器空氣入口 32輸送的環(huán)境空氣來冷卻電氣柜14內(nèi)的各部件，因而，在機(jī)車10的運(yùn)行期間，有時可能需要額外的熱交換系統(tǒng)來防止電氣設(shè)備出現(xiàn)過熱的現(xiàn)象和/或確保電氣設(shè)備高效運(yùn)轉(zhuǎn)。例如，當(dāng)機(jī)車10在有限的空間(如隧道)中運(yùn)行時，可能會出現(xiàn)這樣一種情況一通過慣性過濾器空氣入口 32引入的環(huán)境空氣的溫度不再足夠低，無法提供所需要的冷卻。
[0024]圖4示出了與LNG補(bǔ)給車100相聯(lián)接的機(jī)車10。在本發(fā)明的其它方面，機(jī)車10可改造或構(gòu)造成具有獨(dú)立的LNG儲存器。但是，專用的LNG補(bǔ)給車100具有完備的安全記錄，維持天然氣的液體狀態(tài)所需的許多獨(dú)特的低溫部件在各自的補(bǔ)給車上可輕松地維護(hù)并且輕易地接近，并且，LNG補(bǔ)給車100可與多個機(jī)車類型實(shí)現(xiàn)互換。例如，LNG補(bǔ)給車100可用來將燃料供應(yīng)至用于機(jī)車的原動機(jī)動力源。此外，現(xiàn)在的機(jī)車上LNG所需的額外儲存的空間是有限的。本LNG燃料添加設(shè)施是有限的，因此有利于擴(kuò)大LNG為動力的列車的范圍而不是縮小所述范圍，而這正是在機(jī)車自身有限的LNG儲存能力下所需要的。
[0025]如圖4所示，LNG補(bǔ)給車100可包括例如位于輪式運(yùn)貨車112上的低溫儲存容器IlOo根據(jù)本發(fā)明各方面，如圖5和圖6所示，LNG補(bǔ)給車100可包括一個或多個LNG儲存容器110，所述LNG儲存容器110滿足或超過國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的規(guī)定且配置為裝載到標(biāo)準(zhǔn)的平板車120上。容器110可以是專門設(shè)計的具有雙壁不銹鋼結(jié)構(gòu)的低溫容器，這種結(jié)構(gòu)可真空絕熱以在約-320° F(-160°C )與-265° F(_130°C )之間的溫度下儲存LNG長達(dá)九十(90)天。LNG補(bǔ)給車100在LNG燃料儲存能力和絕熱性方面進(jìn)行了優(yōu)化，同時還作為標(biāo)準(zhǔn)的軌道車實(shí)現(xiàn)了便利的燃料運(yùn)輸?？稍O(shè)置罐體保持架130用來對平板車120上的存儲容器110進(jìn)行支撐和保護(hù)。
[0026]必須嚴(yán)格控制和監(jiān)視天然氣燃料至原動機(jī)源40的輸送。儲存容器110中的LNG在低壓和低溫下儲存。為了向高壓直噴(HPDI)發(fā)動機(jī)供應(yīng)，例如必須將LNG汽化并在高壓(通常大于200bar)下