中小型船舶吸收式制冷應用可行性分析

王恒財

(南通市地方海事局，江蘇 南通 226001)

0 引言

隨著綠色發(fā)展理念的深入人心，船舶作為用能大戶，充分利用船上設備的余熱是節(jié)能環(huán)保的重要途徑。船舶動力裝置的余熱通常可用于蒸汽渦輪發(fā)電裝置、廢氣熱管鍋爐等。本文根據(jù)國際海事組織(IMO)中關于船舶能效規(guī)則的相關要求[1]，對船舶動力裝置余熱在船用吸收式制冷機方面應用的可行性進行了探討和研究，進而提高船舶動力設備余熱的利用率，達到低碳節(jié)能環(huán)保的目的[2-4]。

1 吸收式制冷工作原理

吸收式制冷技術運用了溶液的溶解度會隨溫度變化的原理，即低溫時制冷劑溶解于吸收劑，高溫時通過蒸發(fā)吸熱達到循環(huán)制冷的效果。當前廣泛應用的方案有：氨-水(NH3-H2O)吸收式、溴化鋰-水(LiBr-H2O)吸收式。NH3-H2O工質主要應用于低溫系統(tǒng)，LiBr-H2O工質主要應用于空調系統(tǒng)[5]。吸收式制冷裝置主要包括制冷、吸收兩個工作過程，其工作原理見圖1。

2 吸收式制冷在船舶上應用的可行性分析

船上大量設備有豐富的余熱，其利用的方法和途徑很多，主要為輔鍋爐的余熱利用、柴油機排氣或內循環(huán)水余熱利用。本文重點討論船上柴油機余熱的應用。

柴油機的排氣屬于中溫余熱。常見的大功率柴油機排氣溫度可達到300～450 ℃，冷卻水溫度可達70～95 ℃；低速柴油機排氣溫度相比大功率柴油機要低，一般可達到300～400 ℃，冷卻水溫度可達65～80 ℃。日本神戶商船大學和大阪大學工學院分別對65 000 t散貨船、35 000 t集裝箱船兩艘所使用的大功率柴油機進行了熱平衡分析[6]，其結果見表1。根據(jù)分析結果，船舶柴油機的排氣余熱量非常可觀，其熱量主要被排氣和冷卻水損耗。而這些損失的熱量用來驅動吸收式制冷設備是足夠的，也是可以實現(xiàn)的。

圖1 吸收式制冷循環(huán)原理

3 吸收式制冷在船舶上應用方案

用船舶動力裝置的余熱來驅動吸收式制冷裝置有多種模式：一種模式是柴油機的廢氣經(jīng)過渦輪增壓器來驅動，還可以通過柴油機的冷卻水驅動，冷卻水降溫后又回到柴油機中繼續(xù)冷卻柴油機，形成一個循環(huán)；另一種更高效率的模式為柴油機的廢氣驅動廢氣鍋爐產(chǎn)生熱水，鍋爐中的熱水和柴油機冷卻水共同驅動吸收式制冷裝置進行制冷。下面分別從NH3-H2O和LiBr-H2O這兩種不同工質來分析吸收式制冷循環(huán)的特點。

表1 船舶熱平衡分析單位：%

熱平衡65000t散貨船(主機功率7500kW)35000t集裝箱船(主機功率15000kW)有效能量47.048.6排氣損失25.719.9增壓空氣冷卻損失13.712.2缸套、活塞冷卻損失13.117.3其他0.52.0

3.1 溴化鋰吸收式制冷循環(huán)

溴化鋰吸收式制冷循環(huán)原理見圖2，其主要優(yōu)點如下：

(1)安全可靠。因為此種工質是在真空環(huán)境運行的，不會產(chǎn)生爆炸等危害。

(2)環(huán)保無污染。

(3)溫度適應范圍廣。因為LiBr沸點比水高1 000 ℃，發(fā)生器工作穩(wěn)定。

(4)性能穩(wěn)定，極易溶于水，不易揮發(fā)變質。

溴化鋰吸收式制冷循環(huán)具有如下缺點：

(1)制冷效果弱。制冷劑的水的凝點為0 ℃，其溫度不會低于5 ℃，適合用于空調系統(tǒng)。

(2)腐蝕性較強。因為裝置中換熱器的金屬容易腐蝕，一般需要在工質中加入緩釋劑來抑制LiBr溶液對金屬的腐蝕。

(3)易受溫度影響。因為溶液在發(fā)生器中達到一定溫度后，會析出部分LiBr晶體，影響其制冷效果[7]。

圖2 溴化鋰吸收式系統(tǒng)流程圖

3.2 氨水吸收式制冷循環(huán)

氨水吸收式制冷的工質氨和水都是天然的物質，不會對環(huán)境和大氣造成污染，并且由于氨的熔點和沸點都比較低，可以得到較低的溫度(最低可以制取-70 ℃的低溫)，調節(jié)的范圍特別廣。NH3-H2O吸收式制冷的缺點是其制熱能效比(COP)不如LiBr-H2O吸收式制冷；氨有毒，易爆等缺點；并且由于氨的沸點和水的沸點相差不多，使氨蒸氣中容易攜帶大量的水，所以一定要進行精餾。這就需要在發(fā)生器后安裝一個分離器，使得整個裝置的體積變得很大。

NH3-H2O吸收式制冷系統(tǒng)見圖3[5]。該系統(tǒng)可采用以下余熱利用模式：當船舶正常定速航時，利用主機和發(fā)電機的缸套水來驅動空調；當發(fā)電機轉速不均勻時或船舶工況不穩(wěn)定時，就用鍋爐蒸汽對缸套水進行不同程度加熱去驅動空調。這樣，既保證夏季工作空調系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也相應減少了冷凝器的熱負荷。

3.3 性能比較

綜上，溴化鋰吸收式制冷與氨水吸收式制冷比較總結見表2。

表2溴化鋰吸收式制冷和氨水吸收式制冷的比較

通過表2對比發(fā)現(xiàn)，LiBr-H2O吸收式制冷和NH3-H2O吸收式制冷各有利弊，符合綠色發(fā)展理念和節(jié)能環(huán)保相關要求，所以研究者們不僅致力于克服兩種制冷方式各自的缺點，同時開始研究新型混合制冷劑的吸收式制冷循環(huán)。如三氟乙醇-二甲醚四甘醇作為新型工質[8]，其具有熱穩(wěn)定性好、無腐蝕性、安全性好、不需要精餾設備等優(yōu)點。

4 存在的主要問題及解決方法

目前吸收式制冷技術在漁船上利用余熱來制冰[9]，以達到保鮮漁產(chǎn)品的目的。制冷壓縮機在其他類型船舶上應用還處在完善階段。若要在民用船舶上廣泛應用，還需要解決以下問題：

(1)船舶機艙的空間非常狹小，設備繁多，各種設備和管路非常復雜。當吸收式制冷裝置出現(xiàn)故障時，維修空間特別小，維修難度大。因此，機艙設備安裝時，要優(yōu)化機艙機構。在安裝制冷裝置時，可將吸收式制冷裝置盡量小型化，并做好定期維護工作。

(2)制冷劑和吸收劑液艙晃蕩，容易使吸收劑跟隨制冷劑蒸汽進入冷凝器，產(chǎn)生倒灌[10]。同時，由于溶液振蕩造成受熱不均，使?jié)馊芤阂捉Y晶，造成制冷量迅速下降，因此，要解決這些問題，可在裝置適當位置的底部安裝液囊結構，或改進發(fā)生器和冷氣器之間的擋板結構，增強擋板效能，或降低機組的安裝高度等。

(3)裝置要嚴格密封，以防止放置吸收劑的腐蝕和毒性；同時還可采用冷媒水進行冷量傳遞，也可將裝置結構繼續(xù)優(yōu)化，將高壓區(qū)與低壓區(qū)分開，加強密封。

(4)熱源適應能力。由于船舶所產(chǎn)生的余熱并不是一成不變的，是隨著船舶的各種狀態(tài)急劇變化的，這就會影響制冷系統(tǒng)的輸入熱量[1]，因此，需要采用可靠的發(fā)生過程方式，確保其穩(wěn)定可靠。

(5)作為新型的節(jié)能方式主管機關需要提前進行研究和評估。船檢部門從法規(guī)的高度要及時制定檢驗的標準及規(guī)程，把好檢驗關。船員在取得適任證書的培訓和考試中需要增加相應的知識點，使得船員能夠迅速掌握并應用該系統(tǒng)的工作原理，便于后期的使用和維護。