對船舶余熱吸收式制冷空調的研究

張良 陳兵

【關鍵詞】船舶;余熱吸收式制冷空調;設計

空調通風系統(tǒng)是船舶系統(tǒng)的重要組成部分，直接關系著船上人員居住環(huán)境舒適度以及傳播性疾病的防控等。而在現(xiàn)代海上運輸事業(yè)飛速發(fā)展的大背景下，船舶數(shù)量不斷增大，船舶運輸量也顯著擴增，使得海洋污染問題越來越嚴峻，因此必須對傳統(tǒng)的污染較為嚴重的船舶空調通風系統(tǒng)進行優(yōu)化和完善。其中余熱吸收式制冷空調是具有高度可行性、能源利用效率高、環(huán)境污染小的全新空調技術，其對船舶空調通風系統(tǒng)的優(yōu)化升級有著重要意義。

一、船舶余熱吸收式制冷空調可行性研究

船舶余熱吸收式制冷空調是將氨水溶液作為工質，其中氨作為制冷劑，水用作吸收劑。其原理在于液體氣化吸熱，由通過吸收器-發(fā)生器組的作用完成制冷循環(huán)的制冷機完成制冷。以氨水溶液作為工質，其中低沸點組也就是氨作為制冷劑，利用其蒸發(fā)進行制冷;而高沸點組也就是水被用作吸收劑，利用其對制冷劑蒸汽進行吸收，實現(xiàn)工作循環(huán)。一般船舶氨水吸收式制冷機的發(fā)生器上部裝有精餾塔和分凝器，用于提升氨蒸氣純度。雖然氨水吸收式制冷機設備較為笨重，但是現(xiàn)代船舶的大型化發(fā)展較為普遍，船艙中已經有了條件布置復雜的制冷機設備。船舶上余熱豐富，主要表現(xiàn)為柴油機排氣以及缸套冷卻水兩種形式，這些余熱可以被特制的制冷機吸收并通過固體吸附的方式實現(xiàn)制冷。在制冷原理得以有效實踐的基礎上，還必須確保余熱量足夠，能夠滿足船舶制冷需求。由于船舶主機通常是使用超大功率柴油機，其排煙溫度能夠達到300℃以上，甚至可以達到450℃，同時其冷卻水溫度也可達到80℃左右。此外，發(fā)電機的排煙溫度同樣可達到350℃左右，冷卻水溫度可達70℃左右，完全滿足了氨水吸收式制冷機運行需求。

二、船舶余熱吸收式制冷空調應用面臨的問題

船舶空調主要用于夏季對船員生活區(qū)進行降溫調節(jié)。由于壓縮機運行功率一般為額定功率的40%～80%，那么可以根據(jù)空調壓縮機空調的功率與熱泵循環(huán)性能系數(shù)，計算得到船舶空調的熱負荷。再結合系統(tǒng)性能系數(shù)，可以計算得到系統(tǒng)所需驅動熱量，同時計算排煙或冷卻水作為驅動熱源時提供的熱能，如果發(fā)現(xiàn)提供的熱能高于系統(tǒng)所需驅動熱量，那么就意味著相應的船舶余熱吸收式制冷空調的建設和運行具有可行性。運用船舶余熱吸收式制冷空調，可以大幅提高能源的綜合利用率，更能有效節(jié)省空調系統(tǒng)運行成本，具有良好的低碳環(huán)保功能，但是在實際運用時還有不少問題需要克服和解決。首先，船舶在水上行駛并不像在陸地上一樣平穩(wěn)，難免存在顛簸，從而會對船舶余熱吸收式制冷設備造成各種影響，如氨水循環(huán)系統(tǒng)化的發(fā)生器、蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器等都可能因為顛簸而導致運行性能降低，甚至可能出現(xiàn)故障。而且在較為惡劣的狂風暴雨天氣，船舶搖擺顛簸幅度較大，還可能發(fā)生吸收器溶液進入蒸發(fā)器或者發(fā)生器溶液進入冷凝器的情況，直接導致系統(tǒng)被污染和破壞，不能正常運行。而且氨水吸收式制冷設備本身較為笨重，占地不小，再加上安裝的精餾塔、分凝器，更使得系統(tǒng)占地面積和投資成本大幅增加。而現(xiàn)代船舶雖然規(guī)模在不斷擴大，內部空間也在不斷增大，但是留給氨水吸收式制冷設備的空間始終有限，這在很大程度上限制了制冷量。

三、船舶余熱吸收式制冷空調系統(tǒng)構建

（一）船舶余熱吸收式制冷空調系統(tǒng)設計

為了確保船舶余熱吸收式制冷空調長期處于穩(wěn)定、正常運行狀態(tài)，必須持續(xù)不間斷地供給熱量，否則一旦熱量供給中斷，在缺乏驅動能源的情況下整個空調通風系統(tǒng)的運行都會大受影響，甚至可能給船上人員帶來生命健康威脅。不過在船舶行駛過程中，發(fā)電柴油機在正常情況下處于長期連續(xù)工作狀態(tài)，其能夠持續(xù)不斷地提供高溫冷卻水作為制冷空調系統(tǒng)的能源驅動。在設計傳播余熱吸收式制冷空調系統(tǒng)時，應當從能源供給出發(fā)展開全過程的分析和研究，設計出可持續(xù)、穩(wěn)定運行的制冷系統(tǒng)。主機、副機缸套水作為整個空調系統(tǒng)的驅動能源，其需要被吸收到包含蒸餾塔的發(fā)生器中，既可以直接吸入，也可以先對其進行蒸汽處理。發(fā)生器中的氨直接進入到溶液熱交換器之中，實現(xiàn)熱交換，再通過節(jié)流閥或者濃氨水泵進入到吸收器之中，最后再通過吸收器實現(xiàn)制冷。而發(fā)生器中的水則要進入分凝器，精分凝后進入冷凝器或與外界實現(xiàn)熱交換，又或者返回發(fā)生器之中。而冷凝器又與液氨儲槽直接相連，通過液氨儲槽進入過冷器，再由過冷器進入到吸收器之中。還有部分過冷器中的溶液會經節(jié)流閥與蒸發(fā)器處理，再重新回到過冷器，最后抵達吸收器。該系統(tǒng)的運行能夠有效實現(xiàn)制冷，改善船艙溫濕度情況。在該系統(tǒng)中還包含有鍋爐蒸汽作為輔助加熱系統(tǒng)。如果船舶處于正常定速航行狀態(tài)，那么主機和發(fā)電機缸套水完全可以滿足系統(tǒng)熱量需求。而在船舶處于機動航行或發(fā)電機負荷不穩(wěn)定的狀況時，則需要使用鍋爐蒸汽加熱缸套水，確保能夠完全滿足系統(tǒng)熱量需求，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

針對氨水吸收式制冷空調設備應用時存在的種種問題，在設計時需要嘗試采取各種方法進行解決，其中新型工質對于熱集成是具有應用前景的兩種方式。所謂新型工質對就是將氨-水工質對更換為氨-硝酸鋰、氨-硫氰酸鈉等工質對。后兩者工質對的標準沸點差距相較氨-水工質對而言更大，這意味著在設計和建設相應的船舶余熱吸收式制冷空調系統(tǒng)時不需要使用精餾設備，大幅減小了設備占用空間體積，同時減少了設備成本。同時氨-硝酸鋰、氨-硫氰酸鈉工質對的系統(tǒng)性能系數(shù)遠高于氨—水工質對，能夠有效提升系統(tǒng)性能。而熱集成則是通過科學設計，充分利用較熱的氣體對較冷的液體或氣體進行加熱，盡可能減少加熱和冷卻負荷，有效提高系統(tǒng)的熱回收能力，減少投資費用。

（二）船舶余熱吸收式制冷空調技術經濟性分析

船舶余熱吸收式制冷空調能夠提高能源利用效率，落實低碳環(huán)保，同時節(jié)省大量制冷經濟成本。傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)消耗一次能源并轉化為電能實現(xiàn)制冷，能源利用率較低，通常只有50%的能量可用于柴油發(fā)電，剩下的50%作為余熱排放。而柴油發(fā)電的80%用作船舶動力及其他用電，僅有20%用作制冷。吸收式制冷系統(tǒng)則是主要利用發(fā)電機余熱以及少量由一次能源轉化的電能共同實現(xiàn)制冷，充分利用了一次能源轉換時的50%余熱，同時其消耗的電能通常在2%左右，大幅降低了船舶電網負荷。具體來看，如果某2.8t貨輪安裝余熱吸收式制冷空調取代原先的空調壓縮機，空調壓縮機單機功率為40kW，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分別為5℃和30℃，工況制冷量為120kW，船用發(fā)電機效率為85%，柴油原動機為50%，燃油低熱值為40780kJ/kg。那么以空調每年工作5個月，每天工作12h進行計算，則使用余熱吸收式制冷空調每年可剩下燃油量約14956kg，同時還可減少約23286m3的CO2排放量。

結束語

綜上可知，現(xiàn)代船舶基本上已經滿足余熱吸收式制冷空調安裝運行條件，未來應進行船舶余熱吸收式制冷空調系統(tǒng)設計與安裝，同時積極探索新型工質對以及熱集成的應用創(chuàng)新，不斷提高系統(tǒng)性能，充分發(fā)揮系統(tǒng)作用，為船舶提供穩(wěn)定制冷服務的同時減少經濟成本，提高能源利用效率，減少碳排放。