实现斯特林低温制冷产业的“中国制造”

前面提到过的,我们以大冷量斯特林制冷机为冷源,结合低温强化传热、高性能绝热、低温流体输送控制等技术,在国际上率先研发成功液化天然气的BOG再冷凝回收技术,成功应用于中国石化公司、胜利股份和新奥燃气的加气站中,天然气液化率和效率指标处于国际先进水平。

青年专家孙大明,1976年出生于山东诸城,2005年获得浙江大学取得动力工程及工程热物理专业的工学博士学位,现任浙江大学能源工程学系制冷与低温研究所博士生导师,浙江省制冷与低温技术重点实验室办公室主任,浙江大学常州工业技术研究院液化天然气中心主任。2007至2008年留学德国吉森大学应用物理系,从事超导电机冷却系统研究;2013至2015年留学美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)机械与航天工程系,从事多功能材料和先进制造研究。2017年11月15日荣获第八届中国制冷学会青年科技奖。日前,《中国产经新闻》记者前往美丽的常州拜会了孙教授,针对斯特林低温制冷技术产业发展与中国制造的话题进行了诚挚交流。

《中国产经新闻》记者:孙教授,您是一位留美留德的拔尖海归人才,长期从事先进能源系统研究和低温制冷技术攻关,有个问题讨教一下,为何有一类低温制冷机是采用“斯特林”来命名?

孙大明:这是一个很专业的名称。1816年苏格兰人斯特林(O.R.Stirling)提出一个由两个等温过程与两个等容过程组成的热力循环的专利,称为斯特林循环。该循环最初用于热力发动机,系统中的工质在不同温位下被不断压缩和膨胀,最后输出功。1834年至1860年,先后两位科学家从试用到利用逆斯特林循环制冷获得成功。这种采用逆斯特林循环制冷的机器通常称为斯特林制冷机,其中的回热过程变成蓄冷过程,回热器也被称为蓄冷器。大约100年后的1954年,荷兰菲利普实验室首次研制成功实用的斯特林循环低温制冷机。

《中国产经新闻》记者:斯特林低温制冷技术从诞生到应用的确经历了许多科学攻关,您可否具体谈谈“低温制冷”在科技领域的实用价值?

孙大明:好的。通过一代又一代科学工作者的辛勤努力,目前斯特林制冷机已经变得非常可靠,斯特林制冷机展示出的诱人潜力,被广泛应用于低温电子器件、红外探测器、
更多精彩尽在这里,详情点击:https://farmbrookvillage.com/,斯特林超导器件等,尤其在导弹制导、红外前视和夜视、热像仪等军事与民用装备上发挥重要作用。为了适应武器系统装备的需要,美国、法国、荷兰、日本和以色列等国都建成军用商品机生产线,尤其是美国已经具备年产千台微型军用制冷机的能力,Sunpower、Thales Ricor和TRW公司等多家企业能生产规格齐全的多种型号产品。

近些年来,随着科学技术的发展,加工工艺的完善,斯特林制冷机的结构得到重大改进,性能有了很大提高。航空航天、超导冷却、低温气体液化、生物组织保存、食品冷链等行业迫切需要大冷量回热式低温制冷机提供冷源,而斯特林制冷机具有效率高、冷却速率快、结构紧凑、制冷温度范围广等特点,且在77K温区的制冷量范围从数十瓦可覆盖至万瓦级,技术成熟、制造成本低,具有广阔的应用前景。以小型天然气液化技术为例,液化天然气(LNG)是清洁能源,但液化天然气在生产、储运和使用过程中产生的蒸发气(BOG)排放到大气中所造成的危害正逐渐积累和放大。液化天然气的BOG排放不仅造成巨大经济损失,而且带来严重的安全环保问题,排出的天然气主要成分是甲烷(CH4),甲烷的温室效应约是等质量二氧化碳的27倍,并且在周围大气中产生天然气聚集,易爆易燃。斯特林制冷技术可以直接将天然气挥发气液化回收,特别适合解决这一问题。

《中国产经新闻》记者:随着我国经济和社会的飞速发展,对于液化天然气的需求量越来越高,但是随之而来的还有一些液化天然气存在储存和运输上的安全问题,严重影响并威胁着人民的生命财产安全。据了解,您和您的技术团队通过技术攻关,化解了这一重大难题,是么?

孙大明:我们公司的这一突破性的巨大成果,新华网和科技日报曾经宣传报道过。液化天然气是利用深冷技术于零下162℃将气态天然气转化为液体形态的一种新型能源。低温特性决定其储运过程,可是由于储罐的低温绝热特性,不可避免的会和外界进行热交换,导致储罐内部的液化天然气因为升温汽化而增加罐内的压力,长时间持续下去,罐内压力积累到一定量时就必须要把多余压力的天然气排放到大气中。

液化天然气的主要化学成分是甲烷,还有乙烷和丙烷,其基本的物理特性和化学特性是相同的。液化天然气BOG的对空排放不仅造成巨大经济损失,而且带来严重的安全问题,排出的天然气主要成分是甲烷(CH4),甲烷的温室效应约是等质量二氧化碳的27倍,并且在周围大气中产生天然气聚集,易爆易燃,严重危害人身财产安全。我们公司的技术团队攻破这个难题,研制的储罐型BOG回收系统有效解决了能源浪费和安全环保问题,实现了液化天然气储运过程中的“零排放”,中石化、中石油等央企正在逐步推广。

《中国产经新闻》记者:除了安全问题外,液化天然气的生产、储运和使用过程的损失与环境污染问题不可忽视,也不是小事。按照您的调查研究,天然气的BOG排放每年给国家和用户造成了巨大经济损失与严重的环境污染,您和您的技术团队是怎样科学解决“回收”问题的呢?这一创举于国于民都有裨益。

孙大明:液化天然气在储运过程中处于相对“静止”状态,会分为两个稳定的液相层,下层的密度要高于上层的密度。如果外界的能量传到灌内,两个液相层会在互相传质和传热的过程中互相混合,使液层表面开始蒸发,储罐内的气压不断上升。所以,我们研制的液化天然气BOG再液化回收系统,就是彻底解决天然气BOG的对空排放问题,既实现经济效益、消除环境污染,又要杜绝天然气对空排放带来的潜在安全问题。我们的这套系统是国内液化天气技术领域的重大突破,通过中石化组织的专家验收,在安全运行条件下,系统在3分钟内就可启动液化模式,快速将LNG储罐的BOG降至液化温度,回收利用。

我曾经给记者朋友算过一笔账,按照全国近5000座加气站来测算,约万辆槽车,上百个规模化液化工厂,数十座液化天然气接收站,每天都在排放巨量的天然气BOG。以液化天然气加气站为例,1/3以上的加气站日均BOG排放超过200kg(相当于300标方天然气),一部分加气站的损耗量超过5%,每天排放时间超过30分钟。测算一下,一个常规加气站每月蒸发气排放在5至20吨之间,以4000元一吨来算,每月流失2到8万元,这是一个非常庞大的数字。1吨天然气挥发造成的温室气体效应相当于27吨二氧化碳,对环境气候的危害巨大。

《中国产经新闻》记者:近年来,国家对重大科技成果的研发十分支持,出台多项举措鼓励“海归”青年科学家创业创新。您作为从美国和德国留学归来、在浙江大学从事低温技术研发的年轻教授,您和您的团队在斯特林低温制冷产业方面有哪些突破性的成果?

孙大明:我们的研发团队自2005年起致力于斯特林制冷机的研究,在大冷量斯特林制冷机方面取得了丰富的理论和实验研究成果。通过深入研究高频交变流动及传热条件下大尺度回热器的工作机理,揭示了回热器内部的损失机理,提出了新型的相变换热器结构,优化设计低温制冷机的整体结构和关键部件,突破传动机构、摩擦副、密封部件等的制造工艺关键技术,解决了可靠性问题,成功研发出液氮温区单缸单级斯特林制冷机,在液氮温度(77K)下的制冷量从最初的700W提高至1100W以上,COP为12%,相对卡诺效率高达34%。

前面提到过的,我们以大冷量斯特林制冷机为冷源,结合低温强化传热、高性能绝热、低温流体输送控制等技术,在国际上率先研发成功液化天然气的BOG再冷凝回收技术,成功应用于中国石化公司、胜利股份和新奥燃气的加气站中,天然气液化率和效率指标处于国际先进水平。这种技术的突破为企业节约大量成本的同时,彻底解决了LNG储运过程中的资源浪费和安全环保问题。

《中国产经新闻》记者:参观了您在常州高新区的研发实验工厂,的确令人惊讶和震撼。一个个专利技术很快转化为重大项目落地,在低温制冷装备的科研成果上,您的团队打破了国际垄断格局,其产品在国际低温产业领域赢得了一席之地。这是浙大的骄傲,也是中国的骄傲。如果可以透露,能否分享一下您的几项成绩单?

孙大明:我牵头的研发团队在斯特林制冷机及相关领域已发表论文100余篇,获授权中国发明专利30余项,其在回热式低温制冷机领域的研究成果已经被成功推广应用,定会为我国的节能环保、低温冷链行业做出贡献。去年11月15日,我荣幸地获得第八届中国制冷学会青年科技奖。

近年来,我们主要从事低温制冷机、超导冷却,天然气液化、热声斯特林热机等领域的理论和实验研究,先后主持国家重点基础研究发展计划(973计划)项目子课题2项,国家自然科学基金面上项目5项,省重大科技计划专项1项,参与了国家高技术研究发展计划(863计划)项目和国家自然科学基金重大项目各1项,主持浙江省自然科学基金、教育部博士点基金、浙江省和人事部留学归国人员资助项目各1项。

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