基于船舶余熱吸收式制冷空調(diào)的討論

宋宏

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程不斷加快，各國之間的貿(mào)易交流不斷加深，遠(yuǎn)洋船隊(duì)的規(guī)模也不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致海洋污染越來越嚴(yán)重，另外原油價(jià)格也在不斷飆升，為了提高船舶的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保，船舶能源的利用效率受到國際各國的廣泛重視，而船舶余熱吸收式制冷能夠提高能源利用效率，而且對環(huán)境不會(huì)造成污染，所以船舶余熱吸收式制冷空調(diào)有著廣泛的運(yùn)用前景。

關(guān)鍵詞：船舶；余熱吸收式制冷；空調(diào)

1吸附式制冷技術(shù)應(yīng)用的意義

某些固態(tài)物質(zhì)在一定的溫度及壓力下能吸收氣體或水蒸氣，在另一種溫度及壓力下又能把它釋放出來，這種吸附、解吸的過程將導(dǎo)致壓力的變化，從而起到了壓縮機(jī)的作用。通常吸附過程是放熱過程，而脫附過程是吸熱過程，固體吸附式制冷便是利用這一現(xiàn)象來達(dá)到制冷目的。目前，船舶上的空調(diào)制冷大都采用蒸汽壓縮式制冷技術(shù)，蒸汽壓縮式制冷技術(shù)存在兩大缺陷：壓縮機(jī)耗能比較大；使用氟利昂制冷劑，不夠環(huán)保。以沸石分子篩-水工質(zhì)對為例，在通常工況下，吸附床適宜的加熱解析溫度為150～170度，正好可以利用排氣余熱。吸附式制冷技術(shù)可以節(jié)能（利用船舶柴油機(jī)余熱）以及環(huán)保（制冷劑可以為水），作為一種環(huán)境友好型的制冷技術(shù)在遠(yuǎn)洋船舶上的應(yīng)用將是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢。

2船舶余熱吸收式制冷空調(diào)應(yīng)用的可行性分析

船舶上余熱豐富，主要分為兩種形式：柴油機(jī)排氣余熱和缸套冷卻水余熱。目前船舶主機(jī)一般為幾千千瓦甚至上萬千瓦的大功率柴油機(jī)，其排煙溫度300℃～450℃，冷卻水的溫度為70℃～95℃；而發(fā)電機(jī)功率為200kW～400kW的中速柴油機(jī)，其排煙溫度為300℃～400℃、65℃～80℃。這些余熱均可以作為吸收式制冷設(shè)備的驅(qū)動(dòng)熱源。

2.1吸收式制冷用于船舶空調(diào)系統(tǒng)

船舶空調(diào)用于天熱時(shí)船員生活區(qū)的降溫調(diào)節(jié)。壓縮制冷的空調(diào)壓縮機(jī)的負(fù)荷因航區(qū)和氣溫不同而不同，壓縮機(jī)一般在40%～80%的額定負(fù)荷下工作，船舶空調(diào)壓縮機(jī)的功率PC為30～45kW左右，活塞式制冷（空調(diào)）的COPaC在2.9～3.4之間。那么船舶空調(diào)的熱負(fù)荷QaC=PC·COPaC。取COPaC=3.0，可求得QaC在90～135kW之間。如果以船舶柴油機(jī)冷卻水為驅(qū)動(dòng)熱源，取柴油機(jī)缸套水的溫度為90℃。典型船用空調(diào)冷媒水供水溫度為7℃，回水溫度為13℃。取空調(diào)系統(tǒng)蒸發(fā)溫度為5℃，冷卻水溫度為25℃。可知系統(tǒng)性能系數(shù)COPsa約為0.6。則系統(tǒng)所需驅(qū)動(dòng)熱量Qsa=QaC/COPsa。Qsa約在150～225kW之間。而缸套冷卻水所能提供的熱能Qs=CP·qv·T。計(jì)算得Qs約在414kW。Qs>Qsa，可見從余熱量上看，用船舶高溫冷卻水驅(qū)動(dòng)氨水吸收式空調(diào)可以實(shí)現(xiàn)。由于采用了冷媒水系統(tǒng)，可以避免有毒的氨氣直接與空調(diào)供風(fēng)接觸的機(jī)會(huì)，從而降低了不安全因素。

2.2船舶氨水吸收式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證船舶空調(diào)制冷裝置工作的連續(xù)性，要求有持續(xù)不間斷的熱源供給。而正常情況下，船舶發(fā)電柴油機(jī)連續(xù)工作的特點(diǎn)，恰恰可以為空調(diào)制冷系統(tǒng)提供持續(xù)不斷的高溫冷卻水作為吸收式空調(diào)制冷系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，其工作原理。當(dāng)空調(diào)工作于夏季工況時(shí)，如船舶定速航行時(shí)，可以以主機(jī)缸套水并配合發(fā)電機(jī)缸套水作為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)熱源，船舶處于機(jī)動(dòng)航行或發(fā)電機(jī)負(fù)荷不穩(wěn)定時(shí)，可以使用鍋爐蒸汽對缸套水進(jìn)行適當(dāng)程度地加熱以保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。另外，船舶工作于夏季工況時(shí)，船舶蒸汽用量減少，蒸汽輔助加熱系統(tǒng)既保證了空調(diào)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，同時(shí)也減輕了大氣冷凝器的熱負(fù)荷。

2.3經(jīng)濟(jì)性分析

利用發(fā)電機(jī)余熱和少量一次能源轉(zhuǎn)換動(dòng)力共同實(shí)現(xiàn)余熱吸收式制冷，能夠充分利用余熱，提高能量利用率，減少船舶的供電壓力，并且就經(jīng)濟(jì)性而言，以3萬噸貨輪為例子，船舶每年裝備三個(gè)傳統(tǒng)的空調(diào)壓縮機(jī)，單機(jī)功率PC為50kw，通過具體計(jì)算得到油耗量大概為8.4kg/h，按照船舶空調(diào)每年工作6個(gè)月時(shí)間，每天工作9個(gè)小時(shí)，僅僅油耗費(fèi)用就要比余熱吸收式船舶空調(diào)系統(tǒng)多花費(fèi)8萬元左右。船舶系統(tǒng)除了能夠減少油耗，還可以減少溫室氣體、氟化物和硫化物的排放。大大減少了船舶運(yùn)輸過程中所產(chǎn)生的污染，環(huán)保功能大大增加。

3船舶余熱吸收式制冷空調(diào)運(yùn)用中遇到的障礙及解決方案

3.1遇到的障礙

余熱吸收式系統(tǒng)可以在不增加柴油機(jī)油耗的前提下有效利用船舶柴油機(jī)余熱實(shí)現(xiàn)制冷，是能源的綜合利用效率大大地提高，并使船舶的運(yùn)行陳本降低還具有低碳環(huán)保的功能，但是在實(shí)際的船用化過程中還有需要問題需要去克服。首先船體發(fā)生顛簸對NH3-H2O循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)生器、蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器有著和嚴(yán)重的負(fù)面影響，如果遇到惡劣的天氣情況導(dǎo)致船舶大幅度搖擺時(shí)，還會(huì)使吸收器的溶液進(jìn)入蒸發(fā)器或者發(fā)生器中的液體進(jìn)入冷凝器，使得整個(gè)系統(tǒng)被污染破換，NH3-H2O循環(huán)系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，比蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)不足的地方在于NH3-H2O循環(huán)系統(tǒng)受限于船舶機(jī)艙的有限空間，導(dǎo)致單位體積制冷量比較小，這也是限制該系統(tǒng)船舶化進(jìn)程中的重大問題。然后由于氨和水的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)接近，需要安裝精餾塔來防止發(fā)生過程中混合的少量水蒸氣；這大大增加裝備該系統(tǒng)的占地面積和投資成本。

3.2解決方案

目前對吸收制冷的研究主要集中在新型工質(zhì)對、吸收式制冷循環(huán)熱集成及傳熱傳質(zhì)等方面的研究。（1）新型工質(zhì)對。DA-WenSun對氨-水、氨-硝酸鋰、氨-硫氰酸鈉在吸收式制冷系統(tǒng)的性能進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，氨-硝酸鋰與氨-硫氰酸鈉的實(shí)際性能接近，氨-硝酸鋰（NH3-LiNO3）比氨-硫氰酸鈉（NH3-NaSCN）的COP略高，兩者比氨-水（NH3-H2O）的COP要高很多，而且不必使用精餾設(shè)備。在解決吸收器自由液面的問題上，有學(xué)者以TFE/NMP為工質(zhì)對進(jìn)行了搖擺式豎直管內(nèi)降膜吸收理論、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，只要海上風(fēng)浪不大，TFE/NMP吸收式制冷系統(tǒng)完全滿足船舶制冷需求。（2）熱集成。二十世紀(jì)初提出的GAX循環(huán)，經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，GAX循環(huán)也出現(xiàn)了不同的種類，如基本GAX、分支GAX、VXGAX、半GAX、多分支GAX等，并有多臺(tái)機(jī)組投入運(yùn)行，這在很大程度上提高了系統(tǒng)的性能系數(shù)。

4應(yīng)用實(shí)例分析

以某公司一條遠(yuǎn)洋集裝箱船為例，對船舶柴油機(jī)進(jìn)行熱平衡分析并就排氣余熱進(jìn)行計(jì)算。貨輪主要度量如下：總長242.00m，型寬32.10m，型深21.00m。船舶主機(jī)相關(guān)參數(shù)如下：主機(jī)型號(hào)Sulzer9TRA76（R1），最大持續(xù)功率33120ps，最大持續(xù)轉(zhuǎn)速98rpm，正常持續(xù)功率29810ps，正常持續(xù)轉(zhuǎn)速95rpm，缸數(shù)9，缸徑760mm，行程2200mm，主機(jī)單缸排量998L。主機(jī)運(yùn)行參數(shù)記錄，此工況下主機(jī)負(fù)荷80.95%，主機(jī)功率Pe=26809ps，航速21.30kn，主機(jī)轉(zhuǎn)速93.44rpm，主機(jī)燃油消耗91.24t/d，掃氣總管溫度51℃，機(jī)艙溫度36℃，海水溫度28℃，汽缸冷卻水進(jìn)機(jī)溫度64℃，汽缸冷卻水出機(jī)溫度85℃，主機(jī)滑油進(jìn)機(jī)溫度40℃，滑油出機(jī)平均溫度44℃，燃油進(jìn)機(jī)溫度136℃，增壓空氣溫度170℃，增壓器廢氣進(jìn)氣平均溫度484℃，增壓器廢氣排氣平均溫度347℃。

4.1柴油機(jī)的熱平衡分析

柴油機(jī)的熱平衡方程可表示為：Qf=Qe+Qex+QCw+QCo+Qr。其中Qf為柴油機(jī)燃料燃燒產(chǎn)生的總熱量；Qe為轉(zhuǎn)化為有效功的熱量；Qex為排氣帶走的熱量；QCw為冷卻水帶走的熱量；QCo為潤滑油帶走的熱量；Qr為其他熱量損失。通過熱平衡分析計(jì)算，可得Qe/Qf=46.4%，Qex/Qf=41.7%，可知柴油機(jī)的發(fā)熱量僅有46%左右的變成了有效功，而排氣帶走的熱量約占到42%。

4.2柴油機(jī)的排氣余熱計(jì)算

該遠(yuǎn)洋船舶的排氣余熱利用是：缸內(nèi)的高溫排氣先經(jīng)過廢氣渦輪增壓器，然后通過廢氣鍋爐再從煙囪排出。增壓器利用的能量Qex1=Mex×Cpex×（t4進(jìn)-t4排）=19.75×106kJ/h。廢氣鍋爐利用的能量Qex2=Mex×Cpex×（t5進(jìn)-t5排）=24.10×106（kJ/h）。排氣沒有被利用能量Qex3=Qex-Qex1-Qex2=（64.58-19.75-24.10）×106=20.73×106=5758.33（kW）。由上述分析計(jì)算可知，未被利用而隨排煙帶走的熱量還有很多，且廢氣溫度還在175℃以上，若利用柴油機(jī)排氣余熱進(jìn)行吸附式空調(diào)制冷設(shè)計(jì)，僅利用其中160～170℃的廢熱能量，估算可利用能量QexR=Mex×Cpex×（t6進(jìn)–t6排）=400（kW）。

綜上計(jì)算可知，若吸附式制冷系統(tǒng)的COP值達(dá)到0.3時(shí)，其制冷量即為120kW，完全可滿足船舶空調(diào)對制冷量的要求（該船夏季總熱負(fù)荷為96.4kW）。

5結(jié)束語

在未來經(jīng)濟(jì)全球化必然會(huì)不斷加快進(jìn)程，低碳環(huán)保理念也會(huì)成為人們行動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)，能源必須得到高效率的運(yùn)用，所以船舶余熱吸收式制冷空調(diào)的運(yùn)用發(fā)展前景十分廣闊。本文首先對船舶余熱吸收式制冷空調(diào)的運(yùn)用要的概括分析，希望能對船舶余熱吸收式制冷空調(diào)的發(fā)展做出一點(diǎn)貢獻(xiàn)。

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（作者單位：滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司）