漁船氨水吸收式制冷系統(tǒng)氨液流動(dòng)分析

趙新穎，黃溫赟，黃文超，呂續(xù)艦

(1 中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092;2海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室深藍(lán)漁業(yè)工程裝備技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237;3南京理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

中國(guó)大部分國(guó)內(nèi)捕撈漁船因成本的因素，很少配備專門制冷設(shè)備[1]，漁獲物保鮮主要依靠從碼頭帶冰保鮮[2]。但夏季海上溫度高，碎冰融化較快，為確保漁獲物品質(zhì)，漁船得在半個(gè)月內(nèi)回港卸貨并裝冰；淡水制冰消耗大量淡水資源[3]，攜冰出航增加了漁船排水量而加大油耗[4]；裝箱漁貨時(shí)破冰也加重了捕撈工人的作業(yè)強(qiáng)度。柴油機(jī)高溫尾氣占據(jù)柴油燃燒熱值的約30%[5]，由于國(guó)內(nèi)漁船主機(jī)主要使用柴油，也無需額外的鍋爐，注定無法像運(yùn)輸船一樣采用廢氣鍋爐來收集利用主機(jī)尾氣熱能[6]。結(jié)合漁船漁獲保鮮需求，利用主機(jī)尾氣熱能制冷，為漁獲物保鮮，具有現(xiàn)實(shí)意義[7]。

關(guān)于漁船利用余熱達(dá)到制冷目的研究越來越廣泛：譚顯光等[8]探討吸附式制冷系統(tǒng)在中小型漁船冷庫(kù)中的應(yīng)用；張晉彪[9]研究利用柴油機(jī)余熱吸收式制冰系統(tǒng)；林陳敏等[10]分析氨水吸收式制冷系統(tǒng)在漁船尾氣中余熱利用；倪錦等[11]針對(duì)特定的船用柴油機(jī)組開展氨水吸收式制冷系統(tǒng)的仿真與試驗(yàn)；艾志強(qiáng)[12]探索吸收式制冷裝置在遠(yuǎn)洋漁船上的應(yīng)用。而結(jié)合實(shí)際漁船主機(jī)的氨液循環(huán)過程及其影響因子的仿真分析卻不多。

因氨的溶水性好、蒸發(fā)潛熱大、沸點(diǎn)低等特點(diǎn)[13]，氨水吸收式制冷方式可利用余熱、廢熱等低品位熱能[14-15]，是目前最適合于中國(guó)機(jī)動(dòng)漁船的余熱利用方式[16]。針對(duì)目標(biāo)制冷量10 kW的上海市36 m標(biāo)準(zhǔn)化桁桿拖蝦漁船柴油機(jī)尾氣吸收式制冷裝置，模擬氨液循環(huán)過程，計(jì)算流量參數(shù)范圍，分析制冷控制因素，為裝置優(yōu)化提供實(shí)際指導(dǎo)。

1 制冷系統(tǒng)模型

氨水吸收式制冷裝置利用氨和水組成制冷工質(zhì)對(duì)[17]，主要是利用氨氣化吸收熱能給魚艙降溫。氨水在發(fā)生器中吸收尾氣熱能而氣化，經(jīng)分凝精餾后得到質(zhì)量濃度較高的氨氣，在冷凝器中凝結(jié)成液態(tài)，通過毛細(xì)管節(jié)流降壓后在魚艙吸熱氣化，再在吸收器中溶于水并釋放熱能，形成濃氨，由溶液泵輸送經(jīng)溶液熱交換器回發(fā)生器中完成循環(huán)[18-20]。氨液?jiǎn)卧鞒桃妶D1。在Aspen plus中建立如圖2的制冷模型。

圖1 氨液流程圖

圖2 氨液循環(huán)仿真模型

其中，氨水體系物性計(jì)算模型對(duì)于研究氨水吸收式制冷循環(huán)必不可少，主要包括熱力學(xué)計(jì)算性質(zhì)和傳遞性質(zhì)模型。熱力學(xué)性質(zhì)包括溫度、壓力、比容、內(nèi)能、熵、Gibbs自由能、Helmholtz自由能和逸度等。對(duì)于氨水吸收制冷，整個(gè)循環(huán)中只有兩種物質(zhì)存在氨與水，但迄今為止仍沒有任何一種物性方法能準(zhǔn)確模擬氨水汽液平衡，可靠的熱力學(xué)模型對(duì)模擬結(jié)果的正確與否起著決定性的作用。由于氨與水兩種分子之間存在著締合與離子化的特殊作用，所以氨水系統(tǒng)呈現(xiàn)出高度非理想化，氨水溶液的熱力學(xué)性質(zhì)一直沒有非常準(zhǔn)確的狀態(tài)方程來描述，根據(jù)氨水的性質(zhì)與實(shí)際應(yīng)用情況綜合來看，選擇Aspen模型樹中的電解質(zhì)模型ELECNRTL來進(jìn)行模擬計(jì)算[21]。

ELECNRTL模型通過計(jì)算電解質(zhì)水溶液系統(tǒng)以及混合電解質(zhì)系統(tǒng)中的各種離子和分子的活度系數(shù)，可以處理任何質(zhì)量濃度下的混合溶劑系統(tǒng)。ELEC-NRTL與NRTL-RK性質(zhì)方法完全一致。ELEC-NRTL模型可以在很寬的質(zhì)量濃度和溫度范圍內(nèi)，只用幾種二元參數(shù)，對(duì)電解質(zhì)水溶液的真實(shí)組分的相互作用進(jìn)行描述[22]。由此得到的活度系數(shù)方程為：

(1)

(2)

(3)

式中：R為摩爾氣體常數(shù)；G為二元體系中組分的自由能；xj為各組分百分比系數(shù)；C、D、E均為Aspen中電解質(zhì)物性系統(tǒng)給出的用以表征電解質(zhì)-分子交互的能量參數(shù)(Electrolyte-Molecule Pair Parameters)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中分別屬于GMELCC、GMELCD、GMELCE；T為溶液溫度(℃)，Tref=298.15 K。氨水傳遞性質(zhì)模型中需要考慮氨水溶液粘度、液導(dǎo)熱系數(shù)和氨水?dāng)U散系數(shù)等的計(jì)算方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 計(jì)算輸入條件

根據(jù)制冷裝置的運(yùn)行工況，給出制冷系統(tǒng)計(jì)算模型的基本運(yùn)行參數(shù)：額定制冷量10 kW、尾氣密度0.7 kg/m3[23]、尾氣比熱1.122 kJ/(kg·℃)[9]、尾氣進(jìn)口溫度350 ℃[24]、尾氣出口溫度≥130 ℃、進(jìn)料氨水質(zhì)量濃度33%、冷卻水進(jìn)口溫度25 ℃、冷卻水出口最大溫度32 ℃、水比熱4.2 kJ/(kg·℃)。

依據(jù)為氨的質(zhì)量守恒，即進(jìn)入精餾塔中的氨質(zhì)量為塔頂出料與塔底出料中氨的質(zhì)量之和[25]，故有：

Lr×φr=V+(Lr-V)×φa

(4)

式中：Lr—精餾塔進(jìn)料的流量，kg/h；φr—進(jìn)料中氨的質(zhì)量濃度，kg/m3；V—離開塔頂分凝器的純氨流量，kg/h；φa—塔底出料(稀氨水)中氨的質(zhì)量濃度，kg/m3。在計(jì)算中考慮過程中的熱損失5%[26]，吸收器中氨水溶液容量不做限制。

2.2 溶液泵流量對(duì)制冷效果的影響

溶液泵將濃氨水加壓后輸入至溶液熱交換器中，泵流量對(duì)整個(gè)循環(huán)中的能量交換速率影響較大，其變化會(huì)引起發(fā)生器熱負(fù)荷與吸收器功率的變化，同時(shí)也會(huì)影響制冷系數(shù)這一關(guān)鍵參數(shù)。不同流量的氨水析出氨的能力不同，當(dāng)氨水流量較小時(shí)，可析出純氨的量也較少。取尾氣進(jìn)口溫度350 ℃、出口溫度最低為130 ℃、發(fā)生器中最大熱負(fù)荷為40.61 kW(含5%的熱損失)，以額定制冷量10 kW為控制目標(biāo)，考慮泵流量對(duì)整個(gè)制冷循環(huán)的影響，保持蒸發(fā)器中的純氨流量一定的情況下改變泵排量，得到發(fā)生器熱負(fù)荷、吸收器冷卻功率、蒸發(fā)器制冷量、放氣系數(shù)、制冷系數(shù)等參數(shù)的變化規(guī)律(圖3)。

圖3 泵流量對(duì)制冷效果的影響

從圖3中可以看出，隨著泵流量從155 kg/h逐步增加到270 kg/h，發(fā)生器熱負(fù)荷和吸收器冷卻功率幾乎呈線性增長(zhǎng)，分別達(dá)到最大熱負(fù)荷40.61 kW和最大冷卻功率需求35.87 kW，隨后穩(wěn)定在該值附近直到泵流量達(dá)到320 kg/h，系統(tǒng)處于熱損失最大的是吸收熱過程。隨著泵流量的進(jìn)一步增加和發(fā)生器熱負(fù)荷的積累，吸收器稀溶液溫度不斷升高，氨水吸收式制冷循環(huán)中氨的冷凝熱與蒸發(fā)熱幾乎相等，發(fā)生器氨水析出所需熱量顯著降低，發(fā)生器熱負(fù)荷和吸收器冷卻功率陡降，直到泵流量達(dá)到350 kg/h時(shí)，其下降幅度才逐漸減緩；當(dāng)泵流量大于455 kg/h時(shí)，熱負(fù)荷和冷卻功率隨泵流量的增加僅有小幅減小，最后趨于平穩(wěn)。在此過程中，制冷量基本維持在10 kW左右，僅當(dāng)泵流量在270～330 kg/h范圍內(nèi)時(shí)，制冷量有所降低，最低達(dá)8.8 kW。制冷系數(shù)的變化與發(fā)生器熱負(fù)荷和吸收器冷卻功率的變化趨勢(shì)相反，而放氣范圍幾乎呈單調(diào)遞減變化趨勢(shì)。

制冷過程中，制冷量直接取決于純氨交換量，在當(dāng)前額定制冷量10 kW時(shí)，需要的純氨流量為38.075 kg/h，在發(fā)生器熱負(fù)荷和溶液泵流量發(fā)生變化時(shí)，純氨流量會(huì)有小幅波動(dòng)，即引起實(shí)時(shí)制冷量小幅波動(dòng)(圖3)。當(dāng)泵流量較小時(shí)，尾氣能夠在合理排出量范圍內(nèi)提供足夠的熱量來滿足氨氣的析出要求，且出口溫度高于130 ℃，如圖3中熱負(fù)荷開始增長(zhǎng)階段；當(dāng)泵流量逐漸增大到一定范圍時(shí)，發(fā)生器內(nèi)氨水溶液多，需要更大的煙氣熱負(fù)荷來蒸發(fā)氨水，考慮實(shí)際煙氣出口溫度不會(huì)低于130 ℃，提供熱負(fù)荷最高為45.12 kW，因此無法析出足量的純氨，制冷量略低于10 kW。這種情況表現(xiàn)在圖3中即熱負(fù)荷保持不變，吸收器冷卻功率和制冷系數(shù)處于較平穩(wěn)階段。隨著泵流量繼續(xù)增加，氨水的析出比降低，尾氣出口溫度增高，熱負(fù)荷陡降，隨后趨于平穩(wěn)。

當(dāng)泵流量在355～455 kg/h之間變化時(shí)，制冷系數(shù)取值0.37～0.41，放氣范圍在0.08～0.06內(nèi)變化。該流量范圍處于熱負(fù)荷曲線陡降后較平緩的中間階段，若流量降低，則熱負(fù)荷變化劇烈，制冷系數(shù)下降明顯；若流量繼續(xù)增大，雖然制冷系數(shù)有所增加，但放氣范圍(氨氣析出比)將低于0.06，所需氨水量大，熱能利用率低。本系統(tǒng)制冷功率為10 kW時(shí)的溶液泵最佳流量范圍為355～455 kg/h。

2.3 發(fā)生器熱負(fù)荷對(duì)制冷效果的影響

在溶液泵流量(355 kg/h)保持不變時(shí)，研究不同發(fā)生器熱負(fù)荷對(duì)制冷效果的影響。發(fā)生器中氨氣析出的多少?zèng)Q定了進(jìn)入魚艙內(nèi)的氨量，進(jìn)而影響制冷量。圖4為純氨析出量與制冷量之間的關(guān)系示意圖，制冷量隨著純氨析出量的增加單調(diào)遞增，二者基本呈線性關(guān)系。

圖5所示為發(fā)生器熱負(fù)荷變化對(duì)制冷量、吸收器冷卻功率、制冷系數(shù)和放氣范圍的影響。制冷量和吸收器冷卻功率隨著發(fā)生器熱負(fù)荷的增大逐漸增加，當(dāng)發(fā)生器熱負(fù)荷增大到30 kW時(shí)，制冷量達(dá)到額定的10 kW；如果繼續(xù)增大，制冷量幾乎一直保持在10 kW，制冷系數(shù)持續(xù)降低。

在設(shè)備尾氣入口溫度一定時(shí)，發(fā)生器熱負(fù)荷的大小主要由尾氣流量決定，進(jìn)而影響到制冷量和制冷系數(shù)。從圖6可以得出，當(dāng)尾氣流量從124 m3/h增大到694.5 m3/h時(shí)，制冷量以較快速度增加至10 kW；當(dāng)尾氣流量在694.5 ～1 185.8 m3/h范圍內(nèi)時(shí)，制冷量在10～11 kW內(nèi)，變化幅度較小。制冷系數(shù)在尾氣流量為240.5 m3/h時(shí)達(dá)到最高值0.428，隨后持續(xù)降低。

圖4 純氨析出量與制冷量的關(guān)系

圖5 發(fā)生器熱負(fù)荷對(duì)制冷效果的影響

圖6 尾氣流量對(duì)制冷效果的影響

2.4 吸收器中冷卻水對(duì)制冷效果的影響

氨氣在被冷凝為液體的過程中需放出熱量，主要是在吸收器中靠冷卻水帶走。如冷卻水不足以將熱量帶走，將影響制冷量及制冷系數(shù)。由圖5可知，隨著發(fā)生器熱負(fù)荷的增大，吸收器冷卻功率線性增長(zhǎng)。吸收器冷卻功率對(duì)制冷效果的影響如圖7所示。當(dāng)吸收器冷卻功率從4.88 kW增大至29.25 kW時(shí)，制冷量增長(zhǎng)迅速；而再增大吸收器冷卻功率，制冷量增長(zhǎng)緩慢，在10～11 kW內(nèi)。制冷系數(shù)在吸收器冷卻功率8.86 kW時(shí)達(dá)到峰值0.428后持續(xù)下降；放氣系數(shù)逐漸緩慢增長(zhǎng)。

冷卻水的溫度隨季節(jié)不同而不盡相同。當(dāng)冷卻水流量一定時(shí)，吸收器冷卻功率越大，則需要越低的入口溫度，以提高換熱溫差，獲得相同的換熱效率；當(dāng)入口溫度一定時(shí)，吸收器冷卻功率越高，則需加大冷卻水的流量，滿足換熱量的要求，否則無法達(dá)到目標(biāo)制冷量。冷卻水流量與制冷量及制冷系數(shù)的關(guān)系如圖8所示，其趨勢(shì)與吸收器冷卻功率與制冷效果關(guān)系一致。

圖7 吸收器冷卻功率對(duì)制冷效果的影響

圖8 冷卻泵流量對(duì)制冷效果的影響

3 結(jié)論

漁船主機(jī)余熱制冷裝置將漁船主機(jī)高溫廢氣回收利用，節(jié)約了制冰而消耗的淡水，符合國(guó)家節(jié)能降耗、節(jié)水減排的要求，同時(shí)提升漁獲品質(zhì)，延長(zhǎng)漁民作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)而為漁民增產(chǎn)增收。本文對(duì)10 kW制冷量的漁船主機(jī)尾氣利用制冷氨液流動(dòng)過程分析發(fā)現(xiàn)：1) 制冷量與純氨析出量呈線性關(guān)系，且隨著純氨析出量的增加而單調(diào)遞增；制冷量隨著發(fā)生器熱負(fù)荷的增加，先增后平。2) 考慮冷卻水對(duì)制冷效果的影響，控制冷卻泵流量在10.86～19.7 m3/h范圍內(nèi)時(shí)，制冷量在10～11 kW，能夠滿足系統(tǒng)額定制冷量10 kW的基本要求。3) 目標(biāo)制冷量為10 kW時(shí)，溶液泵流量在355～455 kg/h范圍內(nèi)變化，系統(tǒng)可獲得最優(yōu)制冷效果。4) 在溶液泵實(shí)際流量為355 kg/h的工況下，當(dāng)發(fā)生器熱負(fù)荷達(dá)到30 kW時(shí)，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)額定制冷量10 kW，此時(shí)尾氣流量和吸收器冷卻功率在較大范圍內(nèi)波動(dòng)，對(duì)制冷量影響不大，這進(jìn)一步說明溶液泵流量為355 kg/h時(shí)，系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

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