柴油機(jī)尾氣余熱驅(qū)動(dòng)氨水吸收式冷凍機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究

杜帥，王如竹，夏再忠

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海　200240）

柴油機(jī)尾氣余熱驅(qū)動(dòng)氨水吸收式冷凍機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究

杜帥*，王如竹，夏再忠

（上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240）

本文構(gòu)建了應(yīng)用于漁船的柴油機(jī)尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的氨水吸收式冷凍機(jī)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)回?zé)醿?yōu)化循環(huán)采用了側(cè)線冷卻精餾和側(cè)線加熱發(fā)生的系統(tǒng)架構(gòu)，使用緊湊小尺度換熱器減小船舶搖擺和震動(dòng)對冷凍機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明冷凍機(jī)能夠平穩(wěn)運(yùn)行，不因發(fā)動(dòng)機(jī)功率的劇烈變化而受到影響。冷凍機(jī)在蒸發(fā)溫度（-22～-16）℃，冷凝溫度在（24～33）℃時(shí)，機(jī)組輸出冷量在（25～31）kW之間，熱力COP在0.49～0.56之間。

氨水吸收；發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣；余熱利用；實(shí)驗(yàn)研究；熱回收

0　引言

傳統(tǒng)中小型漁船作業(yè)都是帶冰出海，增加了船舶的耗油量，降低了艙容，遠(yuǎn)洋捕撈困難［1］。如果使用電壓縮式的制冰系統(tǒng)會(huì)大大增加了船舶的耗電量。漁船柴油機(jī)排放的尾氣溫度具有較高的熱量和品位。氨水吸收式制冷系統(tǒng)可以用柴油機(jī)尾氣余熱驅(qū)動(dòng)，可以在如-30 ℃的低蒸發(fā)溫度應(yīng)用，保證了漁品的品質(zhì)，也使得耗電量大大下降。天然制冷劑的使用也不會(huì)對臭氧層破壞和溫室效應(yīng)有負(fù)面作用。當(dāng)前對氨水吸收制冷系統(tǒng)的研究集中于新工質(zhì)對的開發(fā)［2］、強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)［3］和新循環(huán)［4-5］，然而系統(tǒng)應(yīng)用于船舶時(shí)要解決以下幾個(gè)關(guān)鍵問題。（1）COP不能過低。COP過低將會(huì)增加系統(tǒng)的散熱量，冷卻水泵和溶液泵的耗電量增加，系統(tǒng)節(jié)電、節(jié)能效果不再明顯。（2）吸收、發(fā)生和氣體提純過程需要抗船舶搖擺。船舶在海上顛簸搖擺對吸收過程和精餾過程影響很大［6］，液體會(huì)脫落管壁或填料，降低了傳熱傳質(zhì)面積，從而降低了系統(tǒng)的性能。（3）換熱器緊湊耐腐蝕。由于船上可利用空間小，系統(tǒng)需要緊湊；又由于海水作為冷卻劑，換熱器需要耐海水腐蝕。（4）熱源適應(yīng)能力強(qiáng)。柴油機(jī)的排煙量和排煙溫度隨著船舶航行、加速等情況會(huì)急劇變化，這會(huì)急劇改變氨水吸收系統(tǒng)的輸入熱量，引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此需要可靠穩(wěn)定的發(fā)生方式。

研究者們對氨水吸收冷凍機(jī)應(yīng)用于漁船的研究大多停留在理論可行性和特性研究上［7-10］，也有少量的實(shí)驗(yàn)研究［11］，但大多是陸上直接轉(zhuǎn)船上使用，專注于船舶余熱的利用效果，卻沒有關(guān)注冷凍機(jī)本身的高效性和穩(wěn)定性。

為了有效利用漁船柴油機(jī)尾氣的余熱，滿足低溫制冷的需要，實(shí)現(xiàn)漁船的節(jié)能減排，本文提出并設(shè)計(jì)了柴油機(jī)尾氣余熱驅(qū)動(dòng)的氨水吸收冷凍機(jī)，對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1　氨水吸收式冷凍機(jī)的循環(huán)架構(gòu)

吸收式制冷系統(tǒng)為了提高熱力循環(huán)性能，會(huì)采用一些內(nèi)部熱回收過程，采用T-Q圖夾點(diǎn)分析方法可以優(yōu)化熱力流程設(shè)計(jì)。根據(jù)作者在文獻(xiàn)［12-13］中采用的工況與回?zé)釂栴}的討論，采用如圖1所示的回?zé)醿?yōu)化循環(huán)來構(gòu)架氨水吸收式冷凍機(jī)。

圖1　冷凍機(jī)的循環(huán)架構(gòu)

圖中，實(shí)線表示氣體發(fā)生（3）、精餾（4）和冷凝（5）過程；虛線表示稀溶液（1），點(diǎn)線表示濃溶液（2、2'、2''）。循環(huán)的特點(diǎn)是首先全部濃溶液回收部分精餾熱，而后分為兩股，一股繼續(xù)回收精餾熱，另一股進(jìn)入溶液熱交換器與稀溶液進(jìn)行換熱，兩股濃溶液最終被稀溶液加熱至泡點(diǎn)進(jìn)行加料，高溫稀溶液的熱量用于發(fā)生過程。該循環(huán)架構(gòu)沒有利用吸收熱，因此圖中吸收過程曲線省略。低于冷凝溫度的過程與傳統(tǒng)循環(huán)一樣，也在圖中省略。當(dāng)然，這樣的循環(huán)架構(gòu)不是最優(yōu)的，會(huì)以降低系統(tǒng)COP為代價(jià)，然而這樣的循環(huán)架構(gòu)相比于傳統(tǒng)循環(huán)仍然可以提高系統(tǒng)的內(nèi)部熱集成［13］，增大系統(tǒng)的回?zé)?，提高系統(tǒng)的性能。本文采用額定功率為100 kW的柴油發(fā)電機(jī)的尾氣作為熱源，冷凍機(jī)設(shè)計(jì)制冷量為30 kW。

2　冷凍機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)

冷凍機(jī)的循環(huán)確定以后，需要考慮到抗搖擺、抗腐蝕和小體積等進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)，氨水吸收冷凍樣機(jī)的系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

隔膜泵將吸收器中吸收終了的濃溶液泵送到側(cè)線溶液冷卻精餾器，用于冷卻精餾過程。而后分為兩股：一股進(jìn)入溶液熱交換器與稀溶液進(jìn)行換熱，在泡點(diǎn)時(shí)進(jìn)入側(cè)線加熱發(fā)生器加料；另一股繼續(xù)回收精餾熱，而后由稀溶液進(jìn)一步預(yù)熱，進(jìn)入到發(fā)生器完全發(fā)生為氣體作為系統(tǒng)的輸入熱量?；旌蠚怏w進(jìn)入到側(cè)線溶液加熱發(fā)生器中向上流動(dòng)在管內(nèi)冷凝，混合氣體中氨的濃度逐漸提高，釋放的熱量用于加熱降落的溶液，使之發(fā)生。經(jīng)過降溫的氣體成為氣液兩相混合狀態(tài)，在側(cè)線加熱發(fā)生器的管束出口直接加料。這與循環(huán)架構(gòu)不完全一致，然而在能量目標(biāo)上是一致的。而后發(fā)生的氣體向上通過側(cè)線冷卻精餾器被提純。提純后的氨氣進(jìn)入冷凝吸收單元的冷凝器冷凝，冷凝熱由循環(huán)的預(yù)冷濃溶液帶走，溶液由屏蔽泵循環(huán)噴淋。吸收過程在冷凝器外表面和填料中完成，吸收熱同樣由預(yù)冷的濃溶液帶走，系統(tǒng)的所有散熱量在預(yù)冷換熱器中釋放。冷凝的液氨經(jīng)過制冷劑熱交換器后，節(jié)流進(jìn)入蒸發(fā)器。蒸發(fā)的氨氣與冷凝的氨液換熱后進(jìn)入吸收單元吸收。至此，冷凍機(jī)的循環(huán)封閉。

圖2　氨水吸收冷凍機(jī)示意圖

系統(tǒng)架構(gòu)的特點(diǎn)如下。

1）分離端和吸收端分別布置，消除了冷凍水管路的保溫需求。

2）發(fā)生過程平穩(wěn)可靠。濃溶液分流一部分全部發(fā)生為氣體進(jìn)入側(cè)線加熱發(fā)生器管內(nèi)冷凝，釋放的熱量作為系統(tǒng)的輸入熱量，因此在柴油機(jī)尾氣量和溫度上升的時(shí)候，只會(huì)提高已發(fā)生氣體的溫度，而這部分熱量是顯熱，不會(huì)劇烈影響系統(tǒng)的輸入熱量，從而保證系統(tǒng)在柴油機(jī)功率急劇變化時(shí)的穩(wěn)定性。

3）采用的側(cè)線冷卻精餾和側(cè)線加熱發(fā)生的方式，使得兩個(gè)過程的傳熱溫差降低，能量得到梯級(jí)有效利用。

4）預(yù)冷溶液循環(huán)噴淋冷卻冷凝器和吸收器。循環(huán)噴淋的結(jié)構(gòu)，使得溶液的噴淋密度增大，強(qiáng)化了冷凝器外表面的傳熱和吸收過程的傳熱傳質(zhì)。而且這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)的散熱量完全在溶液預(yù)冷器中釋放，從而可以只對此換熱器進(jìn)行抗海水腐蝕處理。

5）S型小尺度換熱管束的使用。S型小尺度換熱管束具有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：一方面，小尺度傳熱是強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)非常有效的方法，加之小尺度換熱管束的比表面積大，兩方面的原因可以大大減少系統(tǒng)的體積；另一方面，船舶上氨水吸收系統(tǒng)的使用需要抗搖擺和震動(dòng)，S型小尺度換熱管束緊密有序，叉流布置，使得吸收過程和氣體提純過程降落的溶液不能脫離換熱表面，保證了傳熱傳質(zhì)的面積。因此系統(tǒng)可以適應(yīng)船舶的搖擺和震動(dòng)工況。S型小尺度換熱管束如圖3所示。

氨水冷凍機(jī)的照片如圖4所示。

圖3　S型小尺度換熱管束

圖4　氨水吸收冷凍機(jī)主體照片

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

一個(gè)完整的冷凍機(jī)開機(jī)至關(guān)機(jī)的溫度曲線如圖5所示。

圖中曲線從上至下依次表示煙氣的入口溫度、煙氣的出口溫度、出精餾器的氨氣溫度、冷凝溫度和蒸發(fā)溫度。圖中顯示了從開機(jī)到關(guān)機(jī)的一個(gè)較長時(shí)間的運(yùn)行工況。在3個(gè)多小時(shí)的運(yùn)行過程中，冷凍機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)可靠。

柴油機(jī)尾氣的溫度變化比較大，然而這并沒有給冷凍機(jī)的運(yùn)行帶來劇烈的不穩(wěn)定，精餾器出口氨氣的濃度可以保證，說明分流完全發(fā)生的方式在熱源急劇變化時(shí)具有良好的穩(wěn)定性。圖6顯示了上述運(yùn)行工況下實(shí)時(shí)測得的制冷量和熱力COP。從圖中可以看出，系統(tǒng)在運(yùn)行后約3分鐘內(nèi)便克服系統(tǒng)熱惰性，迅速實(shí)現(xiàn)冷量輸出，這對于熱驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷系統(tǒng)而言是非常重要的。

圖5　系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)溫度曲線

圖6　制冰系統(tǒng)的實(shí)時(shí)制冷量和熱力COP

系統(tǒng)的制冷量隨時(shí)間具有波動(dòng)的變化趨勢，冷量輸出在25 kW和35 kW之間，并沒有隨柴油機(jī)尾氣溫度的劇烈變化而急劇變化，可以確保制冷量輸出的連續(xù)性和穩(wěn)定性。制冷量的曲線呈波動(dòng)狀，每一次峰值和谷值的波動(dòng)，是因?yàn)橹评鋭┕?jié)流閥根據(jù)冷凝器中液位高度進(jìn)行了調(diào)節(jié)。波峰與波谷之間的平均值能夠代表峰谷時(shí)間內(nèi)的平均輸出制冷量。從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)小制冷劑節(jié)流閥，制冷量下降時(shí)，蒸發(fā)溫度隨之微降。這是因?yàn)楣?jié)流閥調(diào)小后，吸收器負(fù)荷減小，壓力下降，從而蒸發(fā)壓力降低，蒸發(fā)溫度隨之降低。

系統(tǒng)的熱力COP的變化趨勢與制冷量相似。在初始時(shí)，制冷量的突然上升導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)測的熱力COP迅速升高，之后隨著制冷量的變化而變化，與制冷量曲線具有同時(shí)的波峰與波谷。

以上分析的機(jī)組實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)結(jié)果表明，冷凍機(jī)組系統(tǒng)架構(gòu)的側(cè)線冷卻精餾的方式有效、可靠，氨氣提純效果良好。一方面保證了氨氣精餾后的濃度，另一方面使得側(cè)線溶液冷卻精餾過程具有傳統(tǒng)意義上的最小回流比，可以實(shí)現(xiàn)氣體提純過程中的節(jié)能。

側(cè)線加熱發(fā)生方式使得冷凍機(jī)發(fā)生過程平穩(wěn)，可以適應(yīng)柴油機(jī)尾氣溫度的劇烈波動(dòng)。溶液預(yù)冷噴淋冷凝吸收方式可靠，縮小了冷凝器和吸收器體積。

冷凍機(jī)制冷量雖然波動(dòng)輸出，15 min穩(wěn)態(tài)工況下輸出的平均制冷量和平均熱力COP可以作為冷凍機(jī)的性能指標(biāo)。系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工況下的參數(shù)能夠表示機(jī)組的性能。不同穩(wěn)態(tài)工況下冷凍機(jī)的性能如表1所示。

表1　不同穩(wěn)態(tài)工況下冷凍機(jī)的性能參數(shù)

表中系統(tǒng)不同的穩(wěn)態(tài)工況和性能按照冷凝溫度由低到高排序，可以看出系統(tǒng)在不同的穩(wěn)態(tài)工況下輸出制冷量和熱力COP穩(wěn)定。隨著冷凝溫度的上升，系統(tǒng)的制冷量和熱力COP并沒有出現(xiàn)明顯的下降。這是因?yàn)橄到y(tǒng)稀溶液的儲(chǔ)液量少，濃溶液的濃度基本維持不變，從而系統(tǒng)的溫升基本不變，在冷凝溫度上升的時(shí)候，蒸發(fā)溫度同樣上升，加之冷凍機(jī)的發(fā)生方式使得溶液發(fā)生終了的溫度較為穩(wěn)定，因此系統(tǒng)的放氣范圍基本不變，使得輸出的制冷量和熱力COP穩(wěn)定。這種方式既有系統(tǒng)氨充注量少的優(yōu)點(diǎn)，也有蒸發(fā)溫度可調(diào)性差的缺點(diǎn)，兩者需要進(jìn)行平衡考慮。

冷凍機(jī)在蒸發(fā)溫度（-22～-16）℃，冷凝溫度在（24～33）℃時(shí)，機(jī)組輸出冷量在（25～31）kW之間，熱力COP在0.49～0.56之間。

冷凍機(jī)需要進(jìn)一步在搖擺工況下進(jìn)行測試。

4　結(jié)論

本文根據(jù)回?zé)醿?yōu)化循環(huán)提出了漁船柴油機(jī)尾氣驅(qū)動(dòng)的氨水吸收式冷凍機(jī)，對樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。冷凍機(jī)采用了側(cè)線冷卻精餾和側(cè)線加熱發(fā)生的系統(tǒng)架構(gòu)，使用緊湊小尺度換熱器減小船舶搖擺和震動(dòng)對冷凍機(jī)性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，冷凍樣機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，柴油機(jī)功率劇烈變化導(dǎo)致的尾氣溫度劇烈變化，并沒有影響樣機(jī)的正常運(yùn)行。系統(tǒng)架構(gòu)的精餾、發(fā)生和冷卻方式有效可靠。冷凍機(jī)在蒸發(fā)溫度（-22～-16）℃，冷凝溫度在（24～33）℃時(shí)，機(jī)組輸出冷量在（25～31）kW之間，熱力COP在0.49～0.56之間。

［1］王樹剛，王如竹.中小型漁船制冷技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.制冷與空調(diào)，2002，2（3）∶16-20.

［2］陸國強(qiáng)，胡連方.硫氰酸鈉-氨吸收式制冷系統(tǒng)的計(jì)算與分析［J］.制冷技術(shù)，1997，17（1）∶16-22.

［3］蘇風(fēng)民，馬鴻斌，鄧洋波.噴嘴孔徑對納米流體強(qiáng)化氨水泡狀吸收過程的影響［J］.制冷技術(shù)，2014，34（3）∶49-52.

［4］KANG Y，KUNUGI Y，KASHIWAGI T.Review of advanced absorption cycles∶performance improvement and temperature lift enhancement［J］.International Journal of Refrigeration，2000，23（5）∶388-401.［5］鮑帥陽，杜凱，儲(chǔ)云霄，等.高/低壓區(qū)氨水吸收/壓縮復(fù)合制冷循環(huán)性能分析［J］.制冷技術(shù)，2014，34（3）∶42-48.

［6］林瑋，楊申音，陳光明，等.船舶搖擺振動(dòng)對傳熱和制冷系統(tǒng)的影響研究述評［J］.制冷學(xué)報(bào)，2014，35（3）∶8-15.

［7］TáBOAS F，BOUROUIS M，VALLèS M.Analysis of ammonia water and ammonia/salt mixture absorption cycles for refrigeration purposes in fishing ships［J］.Applied Thermal Engineering，2014，66（1-2）∶603-611.

［8］FERNáNDEZ-SEARA J，VALES A，VáZQUEZ M.Heat recovery system to power an onboard NH3H2O absorption refrigeration plant in trawler chiller fishing vessels［J］.Applied Thermal Engineering 1998，18（12）∶1189-1205.

［9］CHEN Y，LIN C，TIAN Y.Aqueous ammonia solution cooling absorption refrigeration driven by fishing boat diesel exhaust heat［J］.Journal of Southeast University，2010，26（2）∶333-338.

［10］王維偉，潘新祥，沈波.遠(yuǎn)洋漁船吸收式制冷應(yīng)用可行性分析［J］.節(jié)能技術(shù)，2012，30（5）∶397-412.

［11］倪錦，顧錦鴻，沈建，等.船用氨水吸收式制冰系統(tǒng)的仿真及實(shí)驗(yàn)研究［J］.流體機(jī)械，2011，39（2）∶52-57.

［12］DU S，WANG R Z，XIA Z Z.Optimal ammonia water absorption refrigeration cycle with maximum internal heat recovery derived from pinch technology［J］.Energy，2014，68∶862-869.

［13］DU S，WANG R Z，XIA Z Z.Graphical analysis on internal heat recovery of a single stage ammonia-water absorption refrigeration system［J］.Energy，2015，80∶687-694.

Experimental Study of Ammonia-Water Absorption Refrigerator Driven by Waste Heat of Flue Gas of Diesel Engine

DU Shuai1，WANG Ru-zhu*2，XIA Zai-zhong
（Institute of Refrigeration and Cryogenic，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

The ammonia-water absorption refrigerator driven by waste heat of flue gas of a diesel engine was developed to apply on a fishing boat，and the experimental study on it was carried out.According to optimized heat recovery cycle，the system configuration of side cooling rectification and side heating generation was applied.And compact small scale heat exchanger was used to keep the stable operation of the refrigerator which could be influenced a lot by ship swaying and shaking.The results showed that the refrigerator was running smoothly and not influenced by the sharp variation of the diesel engine power.The refrigerator has cooling capacity of 25～31 kW and COP of 0.49～0.56 in the conditions of the evaporation temperature of-22～-16oC and the condensation temperature of 24～33oC.

Ammonia-Water absorption；Flue gas of engine；Waste heat utilization；Experiment study；Heat recovery

10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.101

*杜帥（1986-），男，博士研究生。研究方向：吸收式制冷。研究方向：吸收式制冷。聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)東川路800號(hào)，郵編：200240。聯(lián)系電話：+8615618290835。E-mail：ds0108@sjtu.edu.cn。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.51020105010）