基于船舶發(fā)電柴油機(jī)排煙余熱的船舶冷庫方案設(shè)計(jì)

范愛軍

摘要： 船舶柴油機(jī)具有相當(dāng)可觀的低品位熱源。本文以實(shí)際算例測算了以船舶發(fā)電機(jī)排煙實(shí)現(xiàn)船舶伙食冷庫的吸附式制冷方案可行性，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了集成加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和氨循環(huán)系統(tǒng)的船舶冷庫吸附式制冷方案，可為船舶節(jié)能、排放控制提供技術(shù)參考。

Abstract： Marine diesel engines have considerable low-grade heat sources. This paper uses a practical example to calculate the feasibility of using ship generator smoke to realize the adsorption refrigeration scheme of ship′s food cold storage. On this basis， an adsorption refrigeration scheme for ship cold storage with integrated heating system， cooling system and ammonia cycle system is designed. It can provide technical reference for ship energy saving and emission control.

關(guān)鍵詞： 船舶;吸附式制冷;余熱;冷庫

Key words： ship; adsorption refrigeration;waste heat;cold storage

中圖分類號(hào)：U698? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）19-0041-02

0? 引言

船舶是燃油消耗的大戶，是推進(jìn)節(jié)能減排的重要方面。船舶柴油機(jī)作為船舶設(shè)備的重要能耗設(shè)備，充分利用船舶柴油機(jī)排煙余熱是實(shí)現(xiàn)船舶自身節(jié)能減排的有效路徑之一。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，船舶柴油機(jī)的熱效率一般在30%～46%，而其中柴油機(jī)排煙能夠帶走25%～30%的能量[1]。船舶發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)一般采用轉(zhuǎn)速較高的四沖程柴油機(jī)，而四沖程柴油機(jī)的排煙溫度相比二沖程柴油機(jī)的排煙溫度更高，因此，船舶發(fā)電柴油機(jī)的排煙余熱更具有較高的利用價(jià)值。更為重要的是，船舶發(fā)電柴油機(jī)除塢修外，一直不間斷工作，對于用于儲(chǔ)存和保鮮食品船舶伙食冷庫而言，更適合作為食品冷庫的固體吸附式制冷的熱源?；诖耍狙芯炕谖绞街评湓?，在分析船舶冷庫應(yīng)用船舶發(fā)電柴油機(jī)排煙余熱可行性的基礎(chǔ)上，提出基于吸附式制冷方式的船舶食品冷庫系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，一方面能夠起到節(jié)能效果，另一方面還可以對排放進(jìn)行控制，達(dá)到節(jié)能和環(huán)保的雙重效果。

1? 吸附式制冷原理

吸附式制冷系統(tǒng)主要由吸附床、冷凝器和蒸發(fā)器三大部件組成，其工作循環(huán)如圖1所示。

吸附式制冷的基本工作循環(huán)包括兩個(gè)過程，分別是加熱解吸過程（虛線）和吸附制冷過程（實(shí)線）。對于加熱解吸過程，在加熱作用下，吸附床受到加熱作用下，吸附質(zhì)，即制冷劑，產(chǎn)生解吸作用，從在吸附劑中脫附出來，當(dāng)解吸出來的制冷劑蒸汽壓力升高至環(huán)境溫度的飽和壓力，也就是冷凝壓力時(shí)，蒸汽狀態(tài)的制冷劑會(huì)在冷凝器中冷凝液化，隨后進(jìn)入蒸發(fā)器中。對于吸附制冷過程，吸附床受到冷卻作用下，當(dāng)達(dá)到吸附溫度時(shí)，此時(shí)吸附床中的吸附劑又會(huì)重新吸附制冷劑的蒸汽，使得循環(huán)系統(tǒng)中的蒸汽壓力降低，進(jìn)而促使處于蒸發(fā)器中的液態(tài)制冷劑蒸發(fā)，因此，對于吸附式制冷，加熱解吸過程和吸附制冷過程構(gòu)成了一個(gè)完整的制冷工作循環(huán)，由于吸附式制冷方式是一種間歇式的制冷過程，而若要達(dá)到連續(xù)制冷的目的，則應(yīng)采用兩臺(tái)以上吸附床，讓其交錯(cuò)運(yùn)行[2]。

2? 船舶冷庫應(yīng)用的可行性分析

下面以某船舶作為實(shí)例對采用船舶發(fā)電柴油機(jī)排煙余熱實(shí)現(xiàn)船舶伙食冷庫的可行性進(jìn)行分析。該船舶食品冷庫具有三個(gè)庫，分別是干貨庫、菜庫和肉庫。其中，干貨庫的溫度為15℃左右，菜庫溫度范圍為0～5℃，肉庫的設(shè)定溫度范圍一般在-10～-15℃。根據(jù)該船提供的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明書，其制冷功率為Qf=5.3kW。該船發(fā)電柴油機(jī)有效功率額定功率Pge為200kW，一般情況下，柴油機(jī)的有效功率占缸內(nèi)燃油燃燒所放出能量的50%，因此，柴油機(jī)燃油燃燒釋放的能量為Qg：Qg=Pge/0.5=400kW（1）

柴油機(jī)燃燒的排煙損失一般占燃燒能量的25%～40%[3]，本文取30%，根據(jù)式（1）可以計(jì)算得到柴油機(jī)中排煙的熱量為：

Qge=Qg*30%=120kW（2）

根據(jù)固定吸附式制冷應(yīng)用情況，通常情況下其制冷效率為0.3～0.6[4]，本文取0.3，因此采用固體吸附式制冷實(shí)現(xiàn)船舶冷庫制冷需求所需的熱量Qsf為：

Qsf=Qf/COPsf=17.7kW（3）

很明顯有：Qge>>Qsf（4）

從結(jié)果（4）可以看出，該船舶發(fā)電機(jī)的排煙中的熱量能夠滿足固體吸附式制冷的需要，這也說明船上冷庫采用固體吸附式制冷技術(shù)是可行的。

3? 船舶吸附式制冷設(shè)計(jì)方案

3.1 冷庫熱源

為保證船舶食品冷庫長期連續(xù)工作，需要一個(gè)穩(wěn)定的長期熱源。而船舶發(fā)電柴油機(jī)連續(xù)不間斷工作（除塢修外），非常適合作為采用吸附式制冷實(shí)現(xiàn)船舶伙食冷庫的穩(wěn)定熱源[5]。為了提高船舶發(fā)電柴油機(jī)排煙的余熱利用效率，可以直接采用柴油機(jī)排煙用于加熱吸附床，但是需要注意的是，排煙經(jīng)過吸附床不可避免的影響柴油機(jī)排氣背壓，進(jìn)而影響發(fā)電機(jī)的工作性能。為此，建議在將發(fā)電機(jī)柴油機(jī)排煙通入吸附床之前，設(shè)置抽風(fēng)機(jī)，用于改善柴油機(jī)工作的正常排氣背壓?；诖耍O(shè)計(jì)了基于發(fā)電柴油機(jī)排煙的吸附式制冷方案，如圖2所示，該方案中包含吸附床、冷凝器、蒸發(fā)器、儲(chǔ)液器以及節(jié)流閥。

根據(jù)吸附式制冷工作原理，對于加熱解吸過程，應(yīng)將閥門置于圖示1位，這樣柴油機(jī)排煙在抽風(fēng)機(jī)的作用下流經(jīng)吸附床，進(jìn)而加熱吸附床中的吸附劑，使得制冷劑從中解吸出來。然后打開A閥，解析出來的蒸汽冷劑流入冷凝器，進(jìn)行冷凝液化，儲(chǔ)存在儲(chǔ)液器，在冷劑完成脫附過程后將A閥關(guān)閉。對于冷卻吸附過程，應(yīng)將閥門置于圖示2位，抽風(fēng)機(jī)抽吸自然風(fēng)，用于冷卻吸附床中的吸附劑，進(jìn)而能夠吸附制冷劑。然后將B閥打開，受到吸附創(chuàng)中吸附劑的吸附作用，制冷劑通過節(jié)流閥的節(jié)流降壓后流入蒸發(fā)器，實(shí)現(xiàn)制冷。在蒸發(fā)完成后，氣態(tài)的制冷劑又被重新吸附。

3.2 吸附式冷庫方案

根據(jù)上述方案示意圖，選擇常用的工質(zhì)對：活性炭-氨，作為吸附式制冷的工質(zhì)，進(jìn)一步完善了船舶吸附式食品冷庫系統(tǒng)方案，如圖3所示。本系統(tǒng)方案包括2個(gè)吸附床、1個(gè)蒸發(fā)器、1個(gè)冷凝器、1個(gè)節(jié)流閥、1個(gè)貯液器、1個(gè)冷卻水泵，以及多個(gè)止回閥和電磁閥等組成，形成了加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及氨循環(huán)系統(tǒng)。

①加熱系統(tǒng)。將船舶發(fā)電柴油機(jī)的高溫排煙用于加熱吸附床，在高溫作用下，吸附床中的氯化鈣-氨工質(zhì)對產(chǎn)生吸脫反應(yīng)，釋放氨氣。

②冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)采用的是串聯(lián)冷卻方式。第一級(jí)：首先冷卻水泵抽吸海水，直接用于冷卻圖中所示的冷凝器，第二級(jí)：經(jīng)過冷凝器的冷卻水送至發(fā)生器。在冷卻作用下，發(fā)生器中的工質(zhì)對產(chǎn)生吸附反應(yīng)。

③氨循環(huán)系統(tǒng)。在加熱系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的聯(lián)合作用下，制冷劑氨從發(fā)生器脫附出來后，依次進(jìn)入冷凝器、節(jié)流閥、蒸發(fā)器，與傳統(tǒng)蒸發(fā)式制冷原理相同，利用低溫低壓的液態(tài)冷劑的蒸發(fā)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)冷庫的制冷效果。從蒸發(fā)器出來的高溫高壓氣態(tài)冷劑隨后進(jìn)入發(fā)生器中開始下一循環(huán)的吸附作用，從而實(shí)現(xiàn)船舶冷庫的連續(xù)運(yùn)行。

4? 結(jié)束語

本研究基于吸附式制冷原理，利用具有低品位特點(diǎn)的船舶發(fā)電機(jī)柴油機(jī)排煙余熱，設(shè)計(jì)了一種用于替代傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷的船舶伙食冷庫方案，可為船舶節(jié)能與排放控制提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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[3]董景明.船舶吸附式制冷系統(tǒng)單元管式吸附床的優(yōu)化研究[D].大連海事大學(xué)，2008.

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[5]吳曉陽.艦艇主機(jī)排煙余熱吸附式制冷技術(shù)研究[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2009（02）：16-18.