基于船舶余热吸收式制冷空调的讨论

摘要：随着经济全球化进程不断加快，各国之间的贸易交流不断加深，远洋船队的规模也不断扩大，导致海洋污染越来越严重，另外原油价格也在不断飙升，为了提高船舶的经济效益和环保，船舶能源的利用效率受到国际各国的广泛重视，而船舶余热吸收式制冷能够提高能源利用效率，而且对环境不会造成污染，所以船舶余热吸收式制冷空调有着广泛的运用前景。

关键词：船舶；余热吸收式制冷；空调

1吸附式制冷技术应用的意义

某些固态物质在一定的温度及压力下能吸收气体或水蒸气，在另一种温度及压力下又能把它释放出来，这种吸附、解吸的过程将导致压力的变化，从而起到了压缩机的作用。通常吸附过程是放热过程，而脫附过程是吸热过程，固体吸附式制冷便是利用这一现象来达到制冷目的。目前，船舶上的空调制冷大都采用蒸汽压缩式制冷技术，蒸汽压缩式制冷技术存在两大缺陷：压缩机耗能比较大；使用氟利昂制冷剂，不够环保。以沸石分子筛-水工质对为例，在通常工况下，吸附床适宜的加热解析温度为150～170度，正好可以利用排气余热。吸附式制冷技术可以节能（利用船舶柴油机余热）以及环保（制冷剂可以为水），作为一种环境友好型的制冷技术在远洋船舶上的应用将是一个必然的发展趋势。

2船舶余热吸收式制冷空调应用的可行性分析

船舶上余热丰富，主要分为两种形式：柴油机排气余热和缸套冷却水余热。目前船舶主机一般为几千千瓦甚至上万千瓦的大功率柴油机，其排烟温度300℃～450℃，冷却水的温度为70℃～95℃；而发电机功率为200kW～400kW的中速柴油机，其排烟温度为300℃～400℃、65℃～80℃。这些余热均可以作为吸收式制冷设备的驱动热源。

2.1吸收式制冷用于船舶空调系统

船舶空调用于天热时船员生活区的降温调节。压缩制冷的空调压缩机的负荷因航区和气温不同而不同，压缩机一般在40%～80%的额定负荷下工作，船舶空调压缩机的功率PC为30～45kW左右，活塞式制冷（空调）的COPaC在2.9～3.4之间。那么船舶空调的热负荷QaC=PC·COPaC。取COPaC=3.0，可求得QaC在90～135kW之间。如果以船舶柴油机冷却水为驱动热源，取柴油机缸套水的温度为90℃。典型船用空调冷媒水供水温度为7℃，回水温度为13℃。取空调系统蒸发温度为5℃，冷却水温度为25℃。可知系统性能系数COPsa约为0.6。则系统所需驱动热量Qsa=QaC/COPsa。Qsa约在150～225kW之间。而缸套冷却水所能提供的热能Qs=CP·qv·T。计算得Qs约在414kW。Qs>Qsa，可见从余热量上看，用船舶高温冷却水驱动氨水吸收式空调可以实现。由于采用了冷媒水系统，可以避免有毒的氨气直接与空调供风接触的机会，从而降低了不安全因素。

2.2船舶氨水吸收式空调系统设计

为保证船舶空调制冷装置工作的连续性，要求有持续不间断的热源供给。而正常情况下，船舶发电柴油机连续工作的特点，恰恰可以为空调制冷系统提供持续不断的高温冷却水作为吸收式空调制冷系统的驱动，其工作原理。当空调工作于夏季工况时，如船舶定速航行时，可以以主机缸套水并配合发电机缸套水作为系统驱动热源，船舶处于机动航行或发电机负荷不稳定时，可以使用锅炉蒸汽对缸套水进行适当程度地加热以保证系统稳定工作。另外，船舶工作于夏季工况时，船舶蒸汽用量减少，蒸汽辅助加热系统既保证了空调系统工作的稳定性，同时也减轻了大气冷凝器的热负荷。

2.3经济性分析

利用发电机余热和少量一次能源转换动力共同实现余热吸收式制冷，能够充分利用余热，提高能量利用率，减少船舶的供电压力，并且就经济性而言，以3万吨货轮为例子，船舶每年装备三个传统的空调压缩机，单机功率PC为50kw，通过具体计算得到油耗量大概为8.4kg/h，按照船舶空调每年工作6个月时间，每天工作9个小时，仅仅油耗费用就要比余热吸收式船舶空调系统多花费8万元左右。船舶系统除了能够减少油耗，还可以减少温室气体、氟化物和硫化物的排放。大大减少了船舶运输过程中所产生的污染，环保功能大大增加。

3船舶余热吸收式制冷空调运用中遇到的障碍及解决方案

3.1遇到的障碍

余热吸收式系统可以在不增加柴油机油耗的前提下有效利用船舶柴油机余热实现制冷，是能源的综合利用效率大大地提高，并使船舶的运行陈本降低还具有低碳环保的功能，但是在实际的船用化过程中还有需要问题需要去克服。首先船体发生颠簸对NH3-H2O循环系统的发生器、蒸发器、吸收器、冷凝器有着和严重的负面影响，如果遇到恶劣的天气情况导致船舶大幅度摇摆时，还会使吸收器的溶液进入蒸发器或者发生器中的液体进入冷凝器，使得整个系统被污染破换，NH3-H2O循环系统无法正常运行，比蒸汽压缩式制冷系统不足的地方在于NH3-H2O循环系统受限于船舶机舱的有限空间，导致单位体积制冷量比较小，这也是限制该系统船舶化进程中的重大问题。然后由于氨和水的标准沸点接近，需要安装精馏塔来防止发生过程中混合的少量水蒸气；这大大增加装备该系统的占地面积和投资成本。

3.2解决方案

目前对吸收制冷的研究主要集中在新型工质对、吸收式制冷循环热集成及传热传质等方面的研究。（1）新型工质对。DA-WenSun对氨-水、氨-硝酸锂、氨-硫氰酸钠在吸收式制冷系统的性能进行了对比实验，结果表明，氨-硝酸锂与氨-硫氰酸钠的实际性能接近，氨-硝酸锂（NH3-LiNO3）比氨-硫氰酸钠（NH3-NaSCN）的COP略高，两者比氨-水（NH3-H2O）的COP要高很多，而且不必使用精馏设备。在解决吸收器自由液面的问题上，有学者以TFE/NMP为工质对进行了摇摆式竖直管内降膜吸收理论、数值模拟和实验研究，结果表明，只要海上风浪不大，TFE/NMP吸收式制冷系统完全满足船舶制冷需求。（2）热集成。二十世纪初提出的GAX循环，经过一个世纪的发展，GAX循环也出现了不同的种类，如基本GAX、分支GAX、VXGAX、半GAX、多分支GAX等，并有多台机组投入运行，这在很大程度上提高了系统的性能系数。

4应用实例分析

以某公司一条远洋集装箱船为例，对船舶柴油机进行热平衡分析并就排气余热进行计算。货轮主要度量如下：总长242.00m，型宽32.10m，型深21.00m。船舶主机相关参数如下：主机型号Sulzer9TRA76（R1），最大持续功率33120ps，最大持续转速98rpm，正常持续功率29810ps，正常持续转速95rpm，缸數9，缸径760mm，行程2200mm，主机单缸排量998L。主机运行参数记录，此工况下主机负荷80.95%，主机功率Pe=26809ps，航速21.30kn，主机转速93.44rpm，主机燃油消耗91.24t/d，扫气总管温度51℃，机舱温度36℃，海水温度28℃，汽缸冷却水进机温度64℃，汽缸冷却水出机温度85℃，主机滑油进机温度40℃，滑油出机平均温度44℃，燃油进机温度136℃，增压空气温度170℃，增压器废气进气平均温度484℃，增压器废气排气平均温度347℃。

4.1柴油机的热平衡分析

柴油机的热平衡方程可表示为：Qf=Qe+Qex+QCw+QCo+Qr。其中Qf为柴油机燃料燃烧产生的总热量；Qe为转化为有效功的热量；Qex为排气带走的热量；QCw为冷却水带走的热量；QCo为润滑油带走的热量；Qr为其他热量损失。通过热平衡分析计算，可得Qe/Qf=46.4%，Qex/Qf=41.7%，可知柴油机的发热量仅有46%左右的变成了有效功，而排气带走的热量约占到42%。

4.2柴油机的排气余热计算

该远洋船舶的排气余热利用是：缸内的高温排气先经过废气涡轮增压器，然后通过废气锅炉再从烟囱排出。增压器利用的能量Qex1=Mex×Cpex×（t4进-t4排）=19.75×106kJ/h。废气锅炉利用的能量Qex2=Mex×Cpex×（t5进-t5排）=24.10×106（kJ/h）。排气没有被利用能量Qex3=Qex-Qex1-Qex2=（64.58-19.75-24.10）×106=20.73×106=5758.33（kW）。由上述分析计算可知，未被利用而随排烟带走的热量还有很多，且废气温度还在175℃以上，若利用柴油机排气余热进行吸附式空调制冷设计，仅利用其中160～170℃的废热能量，估算可利用能量QexR=Mex×Cpex×（t6进–t6排）=400（kW）。

综上计算可知，若吸附式制冷系统的COP值达到0.3时，其制冷量即为120kW，完全可满足船舶空调对制冷量的要求（该船夏季总热负荷为96.4kW）。

5结束语

在未来经济全球化必然会不断加快进程，低碳环保理念也会成为人们行动的标准，能源必须得到高效率的运用，所以船舶余热吸收式制冷空调的运用发展前景十分广阔。本文首先对船舶余热吸收式制冷空调的运用要的概括分析，希望能对船舶余热吸收式制冷空调的发展做出一点贡献。

参考文献：

[1]基于吸收式制冷循环的船舶余热回收系统性能研究[J].龙佳庆，韦超毅.小型内燃机与车辆技术.2015（02）.

[2]船舶空调余热制冷技术发展问题及改进[J].易云.中国高新区.2017（18）.

[3]吸收式制冷装置在远洋船舶上的应用探索[J].艾志强.中国水运（下半月）.2017（03）.

（作者单位：沪东中华造船（集团）有限公司）

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