中小型船舶吸收式制冷應(yīng)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(shè)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(guān)于船舶能效規(guī)則的相關(guān)要求[1]，對船舶動力裝置余熱在船用吸收式制冷機(jī)方面應(yīng)用的可行性進(jìn)行了探討和研究，進(jìn)而提高船舶動力設(shè)備余熱的利用率，達(dá)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(shù)運(yùn)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(dá)到循環(huán)制冷的效果。當(dāng)前廣泛應(yīng)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(zhì)主要應(yīng)用于低溫系統(tǒng)，LiBr-H2O工質(zhì)主要應(yīng)用于空調(diào)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(yīng)用的可行性分析

船上大量設(shè)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(jī)排氣或內(nèi)循環(huán)水余熱利用。本文重點討論船上柴油機(jī)余熱的應(yīng)用。

柴油機(jī)的排氣屬于中溫余熱。常見的大功率柴油機(jī)排氣溫度可達(dá)到300～450 ℃，冷卻水溫度可達(dá)70～95 ℃；低速柴油機(jī)排氣溫度相比大功率柴油機(jī)要低，一般可達(dá)到300～400 ℃，冷卻水溫度可達(dá)65～80 ℃。日本神戶商船大學(xué)和大阪大學(xué)工學(xué)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(jī)進(jìn)行了熱平衡分析[6]，其結(jié)果見表1。根據(jù)分析結(jié)果，船舶柴油機(jī)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(qū)動吸收式制冷設(shè)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(yīng)用方案

用船舶動力裝置的余熱來驅(qū)動吸收式制冷裝置有多種模式：一種模式是柴油機(jī)的廢氣經(jīng)過渦輪增壓器來驅(qū)動，還可以通過柴油機(jī)的冷卻水驅(qū)動，冷卻水降溫后又回到柴油機(jī)中繼續(xù)冷卻柴油機(jī)，形成一個循環(huán)；另一種更高效率的模式為柴油機(jī)的廢氣驅(qū)動廢氣鍋爐產(chǎn)生熱水，鍋爐中的熱水和柴油機(jī)冷卻水共同驅(qū)動吸收式制冷裝置進(jìn)行制冷。下面分別從NH3-H2O和LiBr-H2O這兩種不同工質(zhì)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(jī)功率7500kW)35000t集裝箱船(主機(jī)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(zhì)是在真空環(huán)境運(yùn)行的，不會產(chǎn)生爆炸等危害。

(2)環(huán)保無污染。

(3)溫度適應(yīng)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(zhì)。

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(diào)系統(tǒng)。

(2)腐蝕性較強(qiáng)。因為裝置中換熱器的金屬容易腐蝕，一般需要在工質(zhì)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(dá)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(zhì)氨和水都是天然的物質(zhì)，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(diào)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(jìn)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(dāng)船舶正常定速航時，利用主機(jī)和發(fā)電機(jī)的缸套水來驅(qū)動空調(diào)；當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(jìn)行不同程度加熱去驅(qū)動空調(diào)。這樣，既保證夏季工作空調(diào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也相應(yīng)減少了冷凝器的熱負(fù)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(jié)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(guān)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(zhì)[8]，其具有熱穩(wěn)定性好、無腐蝕性、安全性好、不需要精餾設(shè)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(shù)在漁船上利用余熱來制冰[9]，以達(dá)到保鮮漁產(chǎn)品的目的。制冷壓縮機(jī)在其他類型船舶上應(yīng)用還處在完善階段。若要在民用船舶上廣泛應(yīng)用，還需要解決以下問題：

(1)船舶機(jī)艙的空間非常狹小，設(shè)備繁多，各種設(shè)備和管路非常復(fù)雜。當(dāng)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(jī)艙設(shè)備安裝時，要優(yōu)化機(jī)艙機(jī)構(gòu)。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(hù)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(jìn)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(jié)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(dāng)位置的底部安裝液囊結(jié)構(gòu)，或改進(jìn)發(fā)生器和冷氣器之間的擋板結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)擋板效能，或降低機(jī)組的安裝高度等。

(3)裝置要嚴(yán)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(jìn)行冷量傳遞，也可將裝置結(jié)構(gòu)繼續(xù)優(yōu)化，將高壓區(qū)與低壓區(qū)分開，加強(qiáng)密封。

(4)熱源適應(yīng)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(jī)關(guān)需要提前進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程，把好檢驗關(guān)。船員在取得適任證書的培訓(xùn)和考試中需要增加相應(yīng)的知識點，使得船員能夠迅速掌握并應(yīng)用該系統(tǒng)的工作原理，便于后期的使用和維護(hù)。