船舶空調利用余熱制冷的熱經濟性分析

甘念重 李格升

（武漢理工大學能源與動力工程學院1） 武漢 430063） （武漢理工大學科技處2） 武漢 430063）

船舶主機作為船舶的動力和能源中心，僅有50%左右的熱量轉換成有用功，其余的熱量則以各種方式被帶走，如果能對這些余熱加以充分利用，就能提高船舶能源的利用率.吸收式制冷空調裝置是一種以低溫熱源為主要動力的制冷設備，其常有“火中取冷”的說法，與采用氟利昂類制冷劑的蒸汽壓縮式制冷裝置相比，吸收式制冷空調裝置具有耗能低、運行噪聲低及環保等優點［1］.在船舶柴油機動力裝置中，可供吸收式制冷空調裝置利用的主要余熱熱源有：（1）柴油機排氣余熱；（2）柴油機缸套冷卻水余熱；（3）柴油機增壓空氣冷卻水余熱.現代柴油機船舶利用余熱進行工作的設備已不少見，如廢氣鍋爐是利用了柴油機排氣余熱的一種設備，而海水淡化裝置卻是利用了柴油機缸套冷卻水余熱的一種節能裝置.如何對柴油機船舶上剩余的廢熱進行充分利用，即嘗試將余熱作為民用船舶空調的一種新型動力，正是本文研究的目的［2］.

1 吸收式空調裝置利用船舶余熱的可能方式

為了保證船舶在整個使用時間內（包括航行時間和非航行時間）船舶空調的正常工作，如果完全利用主機的廢熱來供給熱源，顯然是不行的（因為在船舶錨泊期間，主機是停止工作的，而發電柴油機的余熱在錨泊時又很少）.因此必須考慮使用復合型熱源，以保證空調機組在任何情況下都能使用.

1.1 熱水－直燃復合型機組

在航行時，主要是利用主機缸套水的余熱；在停航時，主要是直燃機組通過燃燒產生的高溫煙氣作為加熱熱源.由于裝置選擇了2種熱源，其結構較為復雜，體積相對較大，其系統原理如圖1所示.

圖1 熱水－直燃型機組系統原理圖

1.2 蒸汽－直燃復合型機組

在航行時，主要是利用主機排氣余熱產生的蒸汽作為加熱熱源；在停航時，主要是直燃機組通過燃燒產生的高溫煙氣作為加熱熱源.同樣由于本裝置選擇了2種熱源，其結構較為復雜，體積相對較大，其系統原理如圖2.

1.3 混合蒸汽型機組

圖2 蒸汽－直燃型機組系統原理圖

即在開航時，利用廢氣鍋爐產生的蒸汽作為加熱熱源；在停航時，利用燃油輔鍋爐產生的蒸汽作為加熱熱源.其特點是：加熱介質就是蒸汽，系統簡單，而且在航行中遇到主機故障等原因而導致廢氣鍋爐產氣量不足時，可以很方便地啟動燃油輔鍋爐進行升汽補充，其系統原理如圖3所示.

圖3 混合蒸汽型機組系統原理圖

1.4 蒸汽－電力并列型機組

即在開航時，利用廢氣鍋爐產生的蒸汽作為加熱熱源；在停航時，利用電力帶動的蒸氣壓縮式制冷機組進行制冷.裝置的特點是：必須具備2套完全不同的制冷系統，管理復雜，所占空間面積大，其系統原理如圖4所示.

圖4 蒸汽－電力型機組系統原理圖

1.5 熱水－電力并列型機組

即在開航時，主要是利用主機缸套水的余熱作為加熱熱源；在停航時，利用電力帶動的蒸氣壓縮式制冷機組進行制冷.其特點是：必須具備兩套完全不同的制冷系統，管理復雜，所占空間面積大，其系統原理如圖5所示.

2 不同型式空調機組使用時的一次能耗率計算

圖5 熱水－電力型機組系統原理圖

為了對使用不同能源和品位的制冷裝置進行經濟性比較，可以將不同能源的消耗量折算為同種燃料物質（如煤、油）的消耗量，即一次能耗率（primary energy rate，PER），是指一次能源消耗量與輸出的能量的比值，它代表在給定能量輸出要求的情況下，系統所消耗的一次能源量的大小.PER值越小，說明該系統消耗的一次能源量越少，該裝置就越經濟.對僅僅在夏季產生冷量的船舶空調裝置而言，PER＝Qf／QC，其中：Qf為機組的一次能源消耗量；Qc為輸出的制冷量［3］.為了便于計算和討論，確定了某遠洋貨輪為參照對象，其主要參數為：（1）船型，散貨船；（2）航區，全球；（3）總噸，90 091t；（4）主機型號，MAN B＆W 6S70MC－C；最大持續功率（M.C.O），18 630kW；轉速，91r／min；正常持續功率（C.S.O），15 835 kW；（5）船舶空調器的制冷量，100kW.

2.1 設定的計算條件

1）冷媒水的進機、出機溫度分別為7℃和12℃，冷媒水泵的揚程為20m.

2）冷卻水的進機、出機溫度分別為32℃和38℃，冷卻水泵的揚程為40m.

3）對采用熱水為熱源的機組，熱水的進機、出機溫度分別為81℃和71℃，其循環泵的揚程為20m.

4）吸收式機組放置的位置與電制式機組的位置相同.

5）冷卻海水的比熱容為：3.89kJ／（kg·K），主機缸套冷卻水的比熱容為4.2kJ／（kg·K），冷媒水的比熱容為4.2kJ／（kg·K），海水的密度為1 025kg／m3.

6）制取100kW的制冷量，吸收式機組的本體耗電量約為1.8kW.

7）計算離心泵的配套功率時，泵的效率ηb＝60%，功率儲備系數Km＝1.2，由泵的有效功率Pe＝ρgQH，則泵的配套功率Pm＝KmPe／η.

8）船用柴油發電機的發電效率ηd1＝45%，輸電線路效率ηd2＝90%.

9）散貨船的航行率α＝55%.

10）本船燃油輔鍋爐的熱效率ηg＝73%.

2.2 不同型式空調機組的一次能耗率計算

2.2.1 蒸汽－直燃復合型機組

1）航行時的一次能耗率 航行時采用的是蒸汽型機組，取蒸汽雙效型機組的熱力系數ζ＝1.2，則制冷量Q0＝100kW 時，所要的供汽熱量Qg＝100／1.2＝83.3kW［4］.由于 PER＝Qf／Qc，而Qf＝Qg＋Qe，但Qg用的是余熱，因此計算時應取Qg＝0，Qe是冷卻水泵電功率PLe、冷媒水泵電功率Pme及機組本體電功率Pbe之和組成，而Pbe從上面的計算條件已知，即Pbe＝1.8kW.

冷卻水帶走的熱量應為供汽熱量與吸收制冷量之和，因此PLe的計算為

則：PLe＝Km· （Qg＋Q0）gH／CΔtη·1 000＝1.2×（83.3＋100）×9.8×40／3.89×6×0.6×1 000＝6.15kW

可以認為冷媒水所帶走的熱量即為吸收制冷量Q0，因此Pme的計算為

則：Pme＝Km·Q0·gH／CΔtη·1 000＝1.2×100×9.8×20／4.2×5×0.6×1000＝1.87kW

則：Qe＝PLe＋Pme＋Pbe＝6.15＋1.87＋1.8＝9.82kW

由于Qe是電能，將其轉化為一次能源消耗為

則航行時一次能耗率為：PER1＝Qef／Qc＝24.25／100＝0.243

2）停泊時的一次能耗率 停泊時采用的是直燃機組，取其COP＝1.3，則（Qg＋Pbe）＝100／1.3＝77kW，而Pbe＝1.8kW，則Qg＝75.2kW.其冷媒泵功率同航行時的計算，即Pme＝1.87 kW，冷卻水泵功率PLe的計算如下：查表得直燃型機組的耗冷卻水指標為：（0.28～0.30）m3／（kW·h），制冷量為100kW時，取冷卻水的流量Q＝28m3／h.則：PLe＝Km·Pe／η，Pe＝ρgQH，PLe＝Km·ρgQH／η＝1.2×1 025×9.8×28×40／0.6×103×3 600＝3.75kW

則：Pme＋PLe＋Pbe＝1.87＋3.75＋1.8＝7.42kW，轉化為一次能耗率為：7.42／0.45×0.9＝18.3kW.

則停泊時一次能耗率為：PER2＝（18.3＋75.2）／100＝0.935

3）營運時間內的一次能耗率 根據上述的計算，機組在船舶整個營運時間內的一次能耗率為：

2.2.2 熱水 －直燃復合型機組 依照2.2.1的相似推導和計算，其營運時間內的一次能耗率PER＝0.65.

2.2.3 蒸汽 －電力并列型機組 依照2.2.1的相似推導和計算，其營運時間內的一次能耗率PER＝0.43.

2.2.4 熱水 －電力并列型機組 依照2.2.1的相似推導和計算，其營運時間內的一次能耗率PER＝0.54.

2.2.5 混合蒸汽型機組 依照2.2.1的相似推導和計算，其營運時間內的一次能耗率PER＝0.94.

本輪單獨使用電力型機組的一次能耗率PER＝0.658.

2.3 不同型式空調機組一次能耗率對照圖

見圖6所示.

圖6 不同型式空調機組一次能耗率對照圖

3 結 束 語

從上面的計算結果和對照圖可以得出，選擇蒸汽－電力并列型機組的熱經濟性最好，其次是熱水－電力并列型機組和蒸汽－直燃復合型機組，熱經濟性最差的是混合蒸汽型機組.結果也證明了：吸收式制冷裝置如果不能充分利用廢熱作為其加熱熱源，這種裝置只能說是“節電不節能”.顯然，要實現吸收式空調裝置在民用船舶上的廣泛應用，除考慮具體機組安裝空間大小、維護管理、船舶類型及航區影響等因素以外，還必須對機組本身做一些相關的技術改進，如添加能量增強劑和使用高效傳熱管［5］，以提高整個機組的熱效率和適用性.

［1］敖晨陽，李達仁，張 寧.船用溴化鋰吸收式制冷機應用研究［J］.機電設備，2002，（2）：30－33.

［2］吳伯才.船舶柴油機余熱的利用［J］.浙江海洋學院學報：自然科學版，2002，21（2）：187－190.

［3］嚴俊杰，黃錦濤，何茂剛.冷熱電聯產技術［M］.北京：化學工業出版社，2006.

［4］辛長平.溴化鋰吸收式制冷機實用教程［M］.北京：電子工業出版社，2004.

［5］譚輝平.溴化鋰吸收式制冷機的節能途徑［J］.節能技術，2000，18（14）：16－18.