基于船舶余熱吸收式制冷空調的討論

宋宏

摘要：隨著經濟全球化進程不斷加快，各國之間的貿易交流不斷加深，遠洋船隊的規模也不斷擴大，導致海洋污染越來越嚴重，另外原油價格也在不斷飆升，為了提高船舶的經濟效益和環保，船舶能源的利用效率受到國際各國的廣泛重視，而船舶余熱吸收式制冷能夠提高能源利用效率，而且對環境不會造成污染，所以船舶余熱吸收式制冷空調有著廣泛的運用前景。

關鍵詞：船舶；余熱吸收式制冷；空調

1吸附式制冷技術應用的意義

某些固態物質在一定的溫度及壓力下能吸收氣體或水蒸氣，在另一種溫度及壓力下又能把它釋放出來，這種吸附、解吸的過程將導致壓力的變化，從而起到了壓縮機的作用。通常吸附過程是放熱過程，而脫附過程是吸熱過程，固體吸附式制冷便是利用這一現象來達到制冷目的。目前，船舶上的空調制冷大都采用蒸汽壓縮式制冷技術，蒸汽壓縮式制冷技術存在兩大缺陷：壓縮機耗能比較大；使用氟利昂制冷劑，不夠環保。以沸石分子篩-水工質對為例，在通常工況下，吸附床適宜的加熱解析溫度為150～170度，正好可以利用排氣余熱。吸附式制冷技術可以節能（利用船舶柴油機余熱）以及環保（制冷劑可以為水），作為一種環境友好型的制冷技術在遠洋船舶上的應用將是一個必然的發展趨勢。

2船舶余熱吸收式制冷空調應用的可行性分析

船舶上余熱豐富，主要分為兩種形式：柴油機排氣余熱和缸套冷卻水余熱。目前船舶主機一般為幾千千瓦甚至上萬千瓦的大功率柴油機，其排煙溫度300℃～450℃，冷卻水的溫度為70℃～95℃；而發電機功率為200kW～400kW的中速柴油機，其排煙溫度為300℃～400℃、65℃～80℃。這些余熱均可以作為吸收式制冷設備的驅動熱源。

2.1吸收式制冷用于船舶空調系統

船舶空調用于天熱時船員生活區的降溫調節。壓縮制冷的空調壓縮機的負荷因航區和氣溫不同而不同，壓縮機一般在40%～80%的額定負荷下工作，船舶空調壓縮機的功率PC為30～45kW左右，活塞式制冷（空調）的COPaC在2.9～3.4之間。那么船舶空調的熱負荷QaC=PC·COPaC。取COPaC=3.0，可求得QaC在90～135kW之間。如果以船舶柴油機冷卻水為驅動熱源，取柴油機缸套水的溫度為90℃。典型船用空調冷媒水供水溫度為7℃，回水溫度為13℃。取空調系統蒸發溫度為5℃，冷卻水溫度為25℃。可知系統性能系數COPsa約為0.6。則系統所需驅動熱量Qsa=QaC/COPsa。Qsa約在150～225kW之間。而缸套冷卻水所能提供的熱能Qs=CP·qv·T。計算得Qs約在414kW。Qs>Qsa，可見從余熱量上看，用船舶高溫冷卻水驅動氨水吸收式空調可以實現。由于采用了冷媒水系統，可以避免有毒的氨氣直接與空調供風接觸的機會，從而降低了不安全因素。

2.2船舶氨水吸收式空調系統設計

為保證船舶空調制冷裝置工作的連續性，要求有持續不間斷的熱源供給。而正常情況下，船舶發電柴油機連續工作的特點，恰恰可以為空調制冷系統提供持續不斷的高溫冷卻水作為吸收式空調制冷系統的驅動，其工作原理。當空調工作于夏季工況時，如船舶定速航行時，可以以主機缸套水并配合發電機缸套水作為系統驅動熱源，船舶處于機動航行或發電機負荷不穩定時，可以使用鍋爐蒸汽對缸套水進行適當程度地加熱以保證系統穩定工作。另外，船舶工作于夏季工況時，船舶蒸汽用量減少，蒸汽輔助加熱系統既保證了空調系統工作的穩定性，同時也減輕了大氣冷凝器的熱負荷。

2.3經濟性分析

利用發電機余熱和少量一次能源轉換動力共同實現余熱吸收式制冷，能夠充分利用余熱，提高能量利用率，減少船舶的供電壓力，并且就經濟性而言，以3萬噸貨輪為例子，船舶每年裝備三個傳統的空調壓縮機，單機功率PC為50kw，通過具體計算得到油耗量大概為8.4kg/h，按照船舶空調每年工作6個月時間，每天工作9個小時，僅僅油耗費用就要比余熱吸收式船舶空調系統多花費8萬元左右。船舶系統除了能夠減少油耗，還可以減少溫室氣體、氟化物和硫化物的排放。大大減少了船舶運輸過程中所產生的污染，環保功能大大增加。

3船舶余熱吸收式制冷空調運用中遇到的障礙及解決方案

3.1遇到的障礙

余熱吸收式系統可以在不增加柴油機油耗的前提下有效利用船舶柴油機余熱實現制冷，是能源的綜合利用效率大大地提高，并使船舶的運行陳本降低還具有低碳環保的功能，但是在實際的船用化過程中還有需要問題需要去克服。首先船體發生顛簸對NH3-H2O循環系統的發生器、蒸發器、吸收器、冷凝器有著和嚴重的負面影響，如果遇到惡劣的天氣情況導致船舶大幅度搖擺時，還會使吸收器的溶液進入蒸發器或者發生器中的液體進入冷凝器，使得整個系統被污染破換，NH3-H2O循環系統無法正常運行，比蒸汽壓縮式制冷系統不足的地方在于NH3-H2O循環系統受限于船舶機艙的有限空間，導致單位體積制冷量比較小，這也是限制該系統船舶化進程中的重大問題。然后由于氨和水的標準沸點接近，需要安裝精餾塔來防止發生過程中混合的少量水蒸氣；這大大增加裝備該系統的占地面積和投資成本。

3.2解決方案

目前對吸收制冷的研究主要集中在新型工質對、吸收式制冷循環熱集成及傳熱傳質等方面的研究。（1）新型工質對。DA-WenSun對氨-水、氨-硝酸鋰、氨-硫氰酸鈉在吸收式制冷系統的性能進行了對比實驗，結果表明，氨-硝酸鋰與氨-硫氰酸鈉的實際性能接近，氨-硝酸鋰（NH3-LiNO3）比氨-硫氰酸鈉（NH3-NaSCN）的COP略高，兩者比氨-水（NH3-H2O）的COP要高很多，而且不必使用精餾設備。在解決吸收器自由液面的問題上，有學者以TFE/NMP為工質對進行了搖擺式豎直管內降膜吸收理論、數值模擬和實驗研究，結果表明，只要海上風浪不大，TFE/NMP吸收式制冷系統完全滿足船舶制冷需求。（2）熱集成。二十世紀初提出的GAX循環，經過一個世紀的發展，GAX循環也出現了不同的種類，如基本GAX、分支GAX、VXGAX、半GAX、多分支GAX等，并有多臺機組投入運行，這在很大程度上提高了系統的性能系數。

4應用實例分析

以某公司一條遠洋集裝箱船為例，對船舶柴油機進行熱平衡分析并就排氣余熱進行計算。貨輪主要度量如下：總長242.00m，型寬32.10m，型深21.00m。船舶主機相關參數如下：主機型號Sulzer9TRA76（R1），最大持續功率33120ps，最大持續轉速98rpm，正常持續功率29810ps，正常持續轉速95rpm，缸數9，缸徑760mm，行程2200mm，主機單缸排量998L。主機運行參數記錄，此工況下主機負荷80.95%，主機功率Pe=26809ps，航速21.30kn，主機轉速93.44rpm，主機燃油消耗91.24t/d，掃氣總管溫度51℃，機艙溫度36℃，海水溫度28℃，汽缸冷卻水進機溫度64℃，汽缸冷卻水出機溫度85℃，主機滑油進機溫度40℃，滑油出機平均溫度44℃，燃油進機溫度136℃，增壓空氣溫度170℃，增壓器廢氣進氣平均溫度484℃，增壓器廢氣排氣平均溫度347℃。

4.1柴油機的熱平衡分析

柴油機的熱平衡方程可表示為：Qf=Qe+Qex+QCw+QCo+Qr。其中Qf為柴油機燃料燃燒產生的總熱量；Qe為轉化為有效功的熱量；Qex為排氣帶走的熱量；QCw為冷卻水帶走的熱量；QCo為潤滑油帶走的熱量；Qr為其他熱量損失。通過熱平衡分析計算，可得Qe/Qf=46.4%，Qex/Qf=41.7%，可知柴油機的發熱量僅有46%左右的變成了有效功，而排氣帶走的熱量約占到42%。

4.2柴油機的排氣余熱計算

該遠洋船舶的排氣余熱利用是：缸內的高溫排氣先經過廢氣渦輪增壓器，然后通過廢氣鍋爐再從煙囪排出。增壓器利用的能量Qex1=Mex×Cpex×（t4進-t4排）=19.75×106kJ/h。廢氣鍋爐利用的能量Qex2=Mex×Cpex×（t5進-t5排）=24.10×106（kJ/h）。排氣沒有被利用能量Qex3=Qex-Qex1-Qex2=（64.58-19.75-24.10）×106=20.73×106=5758.33（kW）。由上述分析計算可知，未被利用而隨排煙帶走的熱量還有很多，且廢氣溫度還在175℃以上，若利用柴油機排氣余熱進行吸附式空調制冷設計，僅利用其中160～170℃的廢熱能量，估算可利用能量QexR=Mex×Cpex×（t6進–t6排）=400（kW）。

綜上計算可知，若吸附式制冷系統的COP值達到0.3時，其制冷量即為120kW，完全可滿足船舶空調對制冷量的要求（該船夏季總熱負荷為96.4kW）。

5結束語

在未來經濟全球化必然會不斷加快進程，低碳環保理念也會成為人們行動的標準，能源必須得到高效率的運用，所以船舶余熱吸收式制冷空調的運用發展前景十分廣闊。本文首先對船舶余熱吸收式制冷空調的運用要的概括分析，希望能對船舶余熱吸收式制冷空調的發展做出一點貢獻。

參考文獻：

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（作者單位：滬東中華造船（集團）有限公司）