遠(yuǎn)洋漁船吸收式制冷應(yīng)用可行性分析

王維偉，潘新祥，沈 波

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026)

0 引言

遠(yuǎn)洋漁船在外海捕魚作業(yè)時，對捕獲的鮮魚進(jìn)行冷凍保鮮是其中重要的工作環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的冷凍方法是采用制冷壓縮機(jī)制造低溫，但隨著漁業(yè)資源的逐漸減少，燃油價格的飆升，漁船盈利日趨微薄。眾所周知，船舶的油耗成本占船舶運營成本的一半以上，同時，雖然船用柴油機(jī)效率較高，但仍有30%的熱量以高溫?zé)煔獾男问脚欧诺酱髿庵?，造成了極大的浪費，并污染了環(huán)境。

吸收、吸附等余熱回收制冷裝置因其可利用低品位熱源，正受到廣泛重視。周洪峰[1]等對船舶固體吸附式制冷裝置進(jìn)行了可行性分析與模擬實驗，但存在COP較低，吸附床壽命有限等缺點。而氨－水吸收式制冷裝置具有COP較高，工質(zhì)性質(zhì)穩(wěn)定，能夠制取低溫的優(yōu)點[2]。若能將主機(jī)排煙廢熱用作氨水吸收式制冷裝置的熱源，不僅能制取低溫，同時可以減少船上制冷壓縮機(jī)的數(shù)量，節(jié)約電能、油耗[3]，對于降低漁船作業(yè)成本，減少枯漁期捕撈經(jīng)濟(jì)風(fēng)險，保證船舶正常盈利具有重要的意義。

1 遠(yuǎn)洋漁船制冷系統(tǒng)分析

為了驗證氨吸收制冷裝置在大型漁船上應(yīng)用的可行性，筆者專門對遼漁集團(tuán)9814T遠(yuǎn)洋漁船“維多利亞”號進(jìn)行了調(diào)查分析。

該船制冷壓縮機(jī)配置如表1所示。由圖1描繪了其捕撈冷凍的過程。速凍盤將鮮魚迅速冷凍至－12℃左右，熱負(fù)荷較大，需要3～5臺90 kW的制冷壓縮機(jī)工作制冷，冷庫溫度約為－20℃。同時，船上具備對捕獲的魚進(jìn)行深加工的能力，為保證新鮮程度，同樣需要1臺60 kW的壓縮機(jī)制冷，保證加工車間內(nèi)維持在8℃。

表1 “維多利亞”號制冷壓縮機(jī)配置Table.1 Refrigeration compressors on Victoria

圖1 “維多利亞”號制冷電負(fù)荷分配Fig.1 Refrigerating electric distribution on Victoria

表2 不同作業(yè)情況下所需制冷壓縮機(jī)數(shù)量(臺)Table.2 The number of refrigeration compressor needed under different working condition

2 吸收式制冷可行性分析

結(jié)合表2中具體工況下壓縮機(jī)工作數(shù)量，可知漁船在大量捕獲鮮魚后，速凍和庫存耗電量極大，深加工會給船舶電網(wǎng)帶來額外的負(fù)擔(dān)。而在捕魚過程中，軸帶發(fā)電機(jī)又因為海況與船舶機(jī)動航行的原因不能使用。若能夠利用吸收式制冷減少壓縮式制冷機(jī)的熱負(fù)荷，不僅回收了廢氣余熱，同時也避免了大功率制冷壓縮機(jī)對船舶電網(wǎng)的沖擊，提高了生產(chǎn)作業(yè)的安全性，起到節(jié)能與安全的雙效作用。

2.1 可利用余熱量計算

船上配備主機(jī)功率4 963 kW，渦輪增壓器后廢氣溫度在260～280℃之間。同時，控制最低排氣溫度在165℃，使得煙囪免受酸性氣體凝結(jié)液腐蝕[4]，結(jié)合主機(jī)燃油消耗率和廢氣質(zhì)量流量的經(jīng)驗公式，計算可回收的余熱量約為1 058.3 kW。

2.2 船用可行性分析

結(jié)合圖1分析可知，即使將余熱量全部用于吸收式制冷機(jī)，因其COP僅為0.6左右，也不足以驅(qū)動正常作業(yè)所需全部制冷量。因此，以吸收式制冷部分取代壓縮式制冷將更具可行性。制冷壓縮機(jī)一般在40% ～80%的額定負(fù)荷下工作，其COPref在2.9～3.4之間[5]，則每臺60 kW 壓縮式制冷機(jī)熱負(fù)荷為

取COPref=3.0，求得Qref=180 kW

如用吸收式制冷替代1臺壓縮機(jī)，則

取COPabs=0.6，求得需要熱量約300 kW。因此，柴油機(jī)廢氣的余熱量足以驅(qū)動與一臺壓縮制冷機(jī)制冷量相當(dāng)?shù)奈帐街评錂C(jī)。

2.3 經(jīng)濟(jì)性分析

漁獲量正常時冷庫需要2臺60 kW制冷壓縮機(jī)的制冷量。若1臺冷庫制冷壓縮機(jī)由吸收式制冷機(jī)代替，取船用180CST燃油低發(fā)熱值Hu=40 780 kJ/kg，發(fā)電機(jī)效率取ηg=85%，柴油原動機(jī)效率取ηe=50%，則為制冷壓縮機(jī)提供60 kW電能需要消耗一次能源量Qf=508 235 kJ，消耗燃油量約為12.46 kg/h。按壓縮機(jī)每年工作10個月，每天12 h工作計算，則每年節(jié)省的油耗量約44 866 kg;按照180CST燃油當(dāng)前市場價5 220元/t，則通過使用吸收式制冷系統(tǒng)，僅燃油費每年就節(jié)省23萬元。

除節(jié)省燃油消耗外，吸收式制冷系統(tǒng)還可減少溫室氣體和硫化物的排放。燃料油的“碳強度系數(shù)”(產(chǎn)生單位功率所排放CO2量)為C=0.27 kg/kWh，根據(jù)上述效率因數(shù)計算，每年減少CO2排放量約為69 859 m3，按照燃油平均含S量2.5%計算，則每年減少SO2排放量1 121.5 kg。由此可見，吸收式制冷的使用將在船舶節(jié)能、減排領(lǐng)域起到明顯效果。

3 吸收制冷系統(tǒng)發(fā)生器設(shè)計

吸收式制冷裝置船用化的設(shè)計重點在于發(fā)生器。制冷裝置的熱量來自主機(jī)和發(fā)電機(jī)的廢氣，若直接用主機(jī)廢氣加熱，發(fā)生器換熱處如發(fā)生氨漏泄，對船舶的安全運營將會產(chǎn)生重大影響，氨和空氣混合物達(dá)到16%～25%濃度范圍遇明火會燃燒和爆炸。而采用蒸汽作為熱源會給鍋爐造成額外的負(fù)擔(dān)。Jose Ferna ndez － Seara[6]將合成機(jī)油利用于發(fā)生器傳熱介質(zhì)，如圖2所示。這樣的設(shè)計避免了氨水直接接觸高溫廢氣的風(fēng)險，減少了改造投資、維護(hù)成本，使得系統(tǒng)運行更加安全可靠[7－8]。在余熱不足時，還可使用鍋爐蒸汽輔助加熱，保證系統(tǒng)正常運行。

圖2 余熱回收系統(tǒng)簡圖Fig.2 Schematic figure of heat recovery system

在系統(tǒng)布局上，如果制冷機(jī)和廢氣鍋爐在煙道上串列安裝，必將使后者易受到低溫腐蝕的危害。為此，采取雙煙道的布局，如圖3所示，將通向吸收式制冷余熱回收裝置和廢氣鍋爐的煙道分開，能夠有效避免兩者的相互影響。

圖3 并列式煙道Fig.3 Parallel gas duct

4 系統(tǒng)的運行控制

4.1 吸收－壓縮制冷機(jī)的手動切換

漁船離港駛向漁場期間，魚艙中未存儲魚貨，溫度處于10℃左右[9]，如果此時系統(tǒng)切換到吸收制冷模式，能使冷庫在漁船到達(dá)漁場之前保持在－20℃，省去冷庫預(yù)冷功耗。

4.2 自動開機(jī)和停機(jī)

在存儲魚貨后，冷庫控制模式選擇壓縮－吸收并聯(lián)制冷。吸收和壓縮制冷機(jī)的起停各由一個裝在冷庫的溫度繼電器控制，其接通和切斷值都相差一定值。這樣的溫度控制可保證以吸收制冷為主，以壓縮制冷為輔，最大限度地減少壓縮制冷機(jī)的運轉(zhuǎn)，又可避免冷庫熱負(fù)荷突然增大時吸收式制冷機(jī)起動慢、制冷量不足的缺點。

4.3 冷卻水溫度和加熱量的控制

對于航行在熱帶海域的漁船，冷卻水的溫度將高達(dá)30℃，冷凝效率無疑會降低。對吸收器來說，如圖4所示，當(dāng)冷卻水溫度由tw升高到t'w時，吸收終了的濃溶液狀態(tài)將由點4移動到點4'，氨水濃度由 ξr降低為 ξ'r，Δξ變小，使性能惡化。

圖4 冷卻水溫度對系統(tǒng)濃度差的影響Fig.4 The influence of cooling water temperature on deflation ratio

當(dāng)冷卻水溫度較高時，單靠控制冷卻水流量的方法不能完全解決制冷系數(shù)下降的問題。如圖5所示，此時加熱溫度由t'h增加到th，使Δξ增加，才能保持較高制冷系數(shù)[10]。因此，同時控制冷卻水流量和加熱溫度，能更好地滿足對系統(tǒng)性能的要求。

圖5 加熱溫度對系統(tǒng)濃度差的影響Fig.5 The influence of heating temperature on deflation ratio

5 結(jié)論

(1)將吸收式制冷應(yīng)用于大型漁船，并在不同工況下充分發(fā)揮吸收式制冷和壓縮式制冷各自的優(yōu)勢，能達(dá)到節(jié)能與減排的雙重目的。

(2)用吸收式制冷機(jī)部分取代壓縮制冷，而非完全取代，更具可行性。

(3)吸收式制冷與壓縮式制冷系統(tǒng)的聯(lián)合控制有待于進(jìn)一步研究。

[1]周洪峰，張興彪，王雪章，等.船舶余熱固體吸附式制冷可行性分析和模擬實驗系統(tǒng)設(shè)計[J].節(jié)能技術(shù)，2007，25(3):238－240.

ZHOU Hong－feng，ZHANG Xing－biao，WANG Xue－zhang，F(xiàn)easibility of Solid Adsorption Refrigeration of Ship Waste Heat and Design of Simulation Experiment System[J].Energy Conservation Technology，2007，25(3):238 －240.

[2]何一堅.深度冷凍吸收制冷理論與實驗研究[D].杭州:浙江大學(xué)，2004.

He.Yijian.Theoretical and Experimental Study on Absorption Refrigeration in Low Temperatures[D].Hangzou:Zhejiang University，2004.

[3]陳亞平，林陳敏，田瑩.漁船尾氣驅(qū)動的氨水溶液冷卻吸收式制冷[J].東南大學(xué)學(xué)報:英文版，2010，26(2):333－338.

ChenYaping，Lin Chenmin，Tian Ying.Aqueous ammonia solution cooling absorption refrigeration driven by fishing boat diesel exhaust heat[J].Journal of Southeast University:English edition，2010，26(2):333 －338.

[4]張存有，趙龍文.船舶廢氣鍋爐積灰著火故障原因與解決方法[J].世界海運，2011，34(1):11 －13.

ZHANGCun－you，ZHAO Long－wen.Reason and resolution of deposit fire in marine exhaust boilers[J].World Shipping，2011，34(1):11－13.

[5]張晉彪.利用柴油機(jī)余熱吸收式制冰系統(tǒng)的研究[D].大連:大連海事大學(xué)，2008.

Zhang.J.B.Study of absorption refrigeration by waste energy of diesel engine[D].Dalian:Dalian maritime university，2008.

[6]Jose Fernandez－Seara.Heat recovery system to power an onboard NH3－H2O absorption refrigeration plant in trawler chiller fishing vessels[J].Applied Thermal Engineering，1998，18:1189－1205.

[7]J.L.Boyen.Thermal Energy Recovery[M].2ed edition.New York:John Wiley ＆ Sons，1980.

[8]K.Yen－Hsuing.Waste Energy Utilization Technology[M].New York:1981.

[9]蔡秀安.遠(yuǎn)洋漁船制冷系統(tǒng)設(shè)計的分析與體會[J].制冷，1998(1):38－42.

Cai.X.A.The analysis and summary of refrigeration system design on fishing vessel[J].Refrigeration，1998，1:38 －42.

[10]楊思文.氨水吸收制冷基礎(chǔ)理論與設(shè)計之七:性能與流程[J].流體機(jī)械，1990(3).

YangSiwen.Theories and design of ammonia－water absorption refrigeration system，part7 － performance and procedure[J].Fluid Machinery，1990(3).