渔船主机余热驱动制冷系统应用前景分析

赵新颖， 周 全， 丁一鸣

(1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092; 2.农业部远洋渔船与装备重点实验室，上海 200092; 3.上海渔业船舶检验局，上海 2000093; 4. 上海佑伏吸附制冷有限公司，上海 200030)

渔船主机余热驱动制冷系统应用前景分析

赵新颖1，2， 周 全3， 丁一鸣4

(1.中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092; 2.农业部远洋渔船与装备重点实验室，上海 200092; 3.上海渔业船舶检验局，上海 2000093; 4. 上海佑伏吸附制冷有限公司，上海 200030)

我国拥有40余万艘机动捕捞渔船，其中绝大部分未安装制冷设备，渔获物保鲜要耗费大量碎冰，浪费大量能源的同时无法完全保证渔获物的品质; 另一方面,渔船主机尾气未经利用直接排入大气，造成大量能源的浪费，而主机余热驱动制冷技术可以有效地解决上述两方面的问题，是一项绿色节能技术。可使用主机余热驱动的制冷方式有吸收式、吸附式和蒸汽喷射式，经比较分析，氨-水式吸收式制冷技术是最适合应用于渔船的技术，但在推广应用时应注意对船型的选择进行评估分析，同时应注意安全、排气系统维护、操作和控制简化以及冷量综合利用等问题。

渔船； 余热驱动制冷系统； 应用前景

截至2016年底，我国共有渔船101.1万艘，其中机动捕捞渔船42.6万艘，主机功率达189.4×104kW[1]，其中除大多数远洋渔船和极少数国内海洋渔船安装了蒸汽压缩式电制冷机组用于渔获物保鲜外，其余渔船均不配备制冷系统，渔获物的保鲜全部依靠出航时带冰实现。以上海市36 m标准化桁杆拖虾船为例，每船单航次需带冰25 t，一年耗冰约200 t。据测算，制造200 t冰需耗电1.65万度，折合标准煤5.5 t，同时需等量的淡水。渔船作业过程中为了保证渔获物的新鲜度，经常需要返港加冰，额外消耗燃油，有时冰融化后得不到及时补充还会影响渔获物品质，造成食品安全隐患。另一方面，渔船柴油机的排气温度最高可超过400 ℃，所含热量约占燃油燃烧发热量的30～35%[2]，这部分热量被直接排入大气，造成浪费。因此，开展主机余热驱动制冷技术研究和相应装备在渔船上的应用示范、推广，既可以使柴油的热能得到循环利用，又可以提升渔获物的品质，是绿色节能的措施，符合中央一号文件提出的推广节本降耗，循环利用技术模式和农业部《关于加快推进渔业转方式调结构的指导意见》提出的促进节水减排、清洁生产、低碳循环、持续发展的文件精神。

1 主机余热驱动制冷方式的可行性比较分析

目前，可利用主机余热驱动进行制冷的方式主要有三种：吸收式制冷，固体吸附式制冷和蒸汽喷射式制冷。

1.1吸收式制冷

吸收式制冷技术利用由两种沸点不同的物质组成的溶液的气液平衡特性来完成制冷循环，典型的吸收式制冷循环原理如图1所示，该技术以热能为主要动力，仅需要少量电能辅助，是余热驱动制冷的理想方式[3]，目前应用较为广泛的吸收式制冷机为溴化锂-水制冷机和氨-水制冷机两种。

图1 吸收式制冷原理图Fig. 1 Diagram of absorption refrigeration

1.1.1 溴化锂吸收式制冷

溴化锂吸收式制冷是以溴化锂溶液为吸收剂，以水为制冷剂，利用水在高真空下蒸发吸热达到制冷目的。溴化锂稳定性高，常压下熔点为549 ℃，沸点为1 256 ℃，同时具有极强的吸水性，因此是理想的吸收剂，但由于溴化锂吸收式制冷机的制冷剂是水，制冷温度只能在0 ℃以上，一般不低于5℃[4]，而用于渔船保鲜的制冷系统要求能提供0 ℃或者更低的舱温，因此溴化锂吸收式制冷机不适合用于渔获物制冷保鲜，但可以为渔船空调提供冷水。

1.1.2 氨水吸收式制冷

氨水吸收式制冷是以水为吸收剂，以氨为制冷剂，利用氨的蒸发吸热进行制冷，氨-水工质对用于吸收式制冷机具有明显的优势：(1)氨具有极大的溶水性，常温下一个体积的水最多可以溶解700倍的氨；(2)氨的蒸发潜热大，在通常蒸发温度下气化潜热为1 300 kJ/kg，是R22的7倍；(3)常压下氨沸点为-33.4 ℃，可以获取-60 ℃～0 ℃的低温[5]。因此理论上，氨水制冷机可以用于渔获物的速冻、冷藏、保鲜，也可用于制冰和空调机组。但是由于氨的化学性质极为活跃，因此在使用中应予以注意：(1)常温下氨是一种可燃气体，爆炸极限为16%～25%，最易引燃浓度为17%；(2)氨水溶液中氨和水的沸点相差不大，氨水在发生器被加热时，有部分水会随氨一起蒸发出来，因此必须采用精馏装置，获得较纯的氨蒸气；(3)对有色金属材料(除磷青铜)有腐蚀作用，因而在氨吸收式制冷系统中不采用铜及铜合金材料。

1.2固体吸附式制冷

吸附式制冷是通过微孔固体吸附剂在较低温度下吸附制冷剂，在较高温度下解吸制冷剂的吸附-解吸循环来实现的，图2是基本型固体吸附式制冷循环的原理图。

图2 吸附式制冷原理图Fig. 2 Diagram of adsorption refrigeration

渔船主机余热可用于制冷剂的解吸，相对于同样利用热能驱动的吸收式制冷而言，在热源温度比较低或冷凝温度比较高的条件下，采用合适的制冷工质时，吸附式制冷具有更高的效率，因此，吸附式制冷在低品位热源的利用方面具有优越性[6]。但是吸附式制冷技术也有其局限性，基本型吸附式制冷循环设置有一个吸附器，吸附-脱附过程交替进行，没有采用回热措施，不但损失了吸附床冷却放热及吸附放热的显热量，而且因为间歇式制冷产生切换损失，因此循环效率比较低。为了实现连续制冷，可以采用两个或多个吸附器交替工作，但采用此类系统需频繁切换烟气阀，长期工作后故障率高；此外船用环境下用烟气作为加热源，海水作为冷却水，吸附管表面容易发生腐蚀，影响使用寿命；而且长期工作后，吸附剂容易结块、膨胀，造成堵塞以至于冷量衰减。因此吸附式余热制冷装置应在上述问题妥善解决后进行推广应用。

1.3蒸汽喷射式制冷

喷射式制冷以蒸气的压力能为驱动能源，用喷射器制造真空环境，使制冷剂在低温下蒸发而制冷，图3是喷射式制冷原理图。

图3 蒸汽喷射式制冷原理图Fig. 3 Diagram of steam jet refrigeration

低沸点的制冷剂液体在发生器中被主机余热加热而成为过热蒸汽，进入喷射器的喷嘴，在其中迅速膨胀，在喷嘴出口处达到很大速度并形成真空状态，由于高速气流的引射作用，将蒸发器内的蒸气不断抽吸出来，从而保持蒸发器的真空。在喷射器内，工作蒸气与被引射蒸气经过充分混合后以冷凝压力流出。喷射式制冷机中制冷剂和工作蒸气是同一种物质。理论上讲，氨、氟利昂等均可作为喷射式制冷的制冷剂，但目前为止，只有以水为制冷剂的喷射式制冷机得到了实际应用[7]，而水作为制冷剂只能提供0℃以上的制冷环境，比较适合用于空调冷水，无法满足鱼舱冷藏保鲜的需求。

通过上述比较分析，氨-水式吸收式制冷方式是目前最适合于我国机动渔船的余热制冷方式。

2 吸收式余热制冷装置应用分析

2.1适用船型分析

我国渔船船型种类繁多，船舶尺度，作业水域，作业方式，机械配置，渔获物品种和保鲜要求也有很大不同，应对上述因素进行综合评估以判定主机余热制冷装置是否适用，以氨-水吸收式制冷方式为例，其所适用的船型应具有以下特点：

(1)具有充足的安装空间

氨-水式吸收式制冷系统必需的部件包括吸收器、发生器、冷凝器、溶液热交换器、精馏塔、溶液泵等，有些系统为了提高系统的效率还要配备其他的附属部件，为了保证系统的安全性，这些部件需布置在敞开甲板。同时为了高效利用主机的废热，吸收器必须串联在主机排气管上，而且为了不增加排气背压而影响主机的正常运转，排气管不得做加长或额外的弯曲，因此，渔船主机排气管经过的敞开甲板附近区域应无捕捞设备和其他作业设备布置。

(2)渔获物保鲜需求与主机工况相匹配

吸收式制冷技术利用的是主机排气热量，由于主机排气热量属于低品位热源，热量利用率普遍较低，以上海市36 m标准化渔船为例，其主机功率为205 kW，主机正常运转时制冷机组能产生的最大制冷量约15 kW，该船型鱼舱容积约90 m3，一个航次可捕渔获约10 t， 在室外温度35 ℃的条件下，维持舱温0 ℃所需的冷量约为10 kW，而冷冻渔获所需的冷量为25 kW，超出机组供冷范围，因此，机组不适合用于渔获物冷冻，而适合冷藏保鲜。

此外，吸收式制冷机组的制冷量大小主要取决于主机排烟温度、排烟量，而排烟量和温度与主机的输出功率密切相关，图4是某吸收式制冷机组制冷量和排烟温度的关系：

图4 吸收式制冷机组制冷量和排烟温度的关系Fig. 4 Relationship between refrigerating capacity and exhaust gas temperature

由图可知，吸收式制冷装置的运行和制冷能力与主机的输出功率成正线性关系。对于一个航次内多次起捕作业的拖网、围网或钓具类渔船，先期起捕的渔获在渔船继续作业或返航时可由(吸收式)制冷装置配合适量碎冰提供足够的冷量；而对于张网、流刺网等定置类作业方式的渔船，在渔船赶赴渔场、放网和等候期间鱼舱是空的，渔船起捕后直接返港，所带的冰足以为渔获保鲜，制冷系统在渔获物保鲜方面的经济效益不够明显。而对于安装了电制冷装置的渔船，在安装空间允许的前提下，余热制冷机组可作为补充手段，在主机运转时投入运行，使电制冷装置降负荷运行，节省全船用电。

2.2装置应用需注意的问题

2.2.1 安全问题

前文已述及，氨的化学特性非常活跃，容易发生爆炸，会腐蚀人体，还具有毒性，因此使用过程中应绝对确保安全，主要的措施包括：

(1)除蒸发盘管外，其余所有部件布置在开敞甲板，以便在发生泄漏时使氨尽快扩散到大气中，避免局部浓度过大引发爆炸；

(2)设置氨泄漏检测报警和水喷淋装置，因为氨具有极好的水溶性，在系统关键部位设置水喷淋装置，与泄漏检测报警联动，在第一时间将泄漏的氨用水溶解，避免燃烧和爆炸。

(3)对于鱼舱内的蒸发盘管，由于鱼舱是人员较容易集中的区域，为确保舱内作业的安全，应避免在鱼舱内盘管上设置阀门、法兰和可拆卸接头，有条件的渔船最好加装通风系统。而且，在确保冷量的前提下，应尽量使用二次换热系统，即增装换热器，用液氨冷却载冷剂，使用安全的载冷剂在鱼舱内循环吸热，避免氨进入鱼舱，图5是典型的间接式氨-水吸收式制冷系统。

图5 间接式氨-水吸收式制冷系统图Fig. 5 Diagram of indirect evaporation ammonia-water absorption refrigeration

2.2.2 主机排气系统定期进行检查保养

吸收式制冷机组需将其发生器安装在主机的排气管上，以尽量提高主机尾气的利用效率，机组运行一段时间之后，发生器内部和排气管道会积灰，严重时可能会造成主机排气背压增大，影响主机的正常运转，因此应定期进行检查和清理。

2.2.3 加强设备小型化和液位控制研究

与大型船舶相比，渔船的摇摆和倾斜更为剧烈和频繁，为了避免沉浸式换热结构中氨液液面频繁变化对系统运行造成的影响，氨吸收系统的发生器、吸收器、蒸发器等应尽量采用喷淋式结构，只需保持动态液封压力并满足泵的吸程要求即可，还可减少氨的充注量；同时在发生器、吸收器、蒸发器内使用盘管式结构，可提高传热效率，减小设备尺寸。

2.2.4 系统操控尽量简化

吸收式制冷系统与电制冷系统相比更加复杂，氨在系统循环中不断被加热、冷却、吸收、蒸发，系统需监控的压力、温度参数较多，而现阶段我国渔船船员，尤其是国内渔船船员的知识水平普遍较低，因此应尽可能提高系统的自动化水平，使其操作和控制尽量简洁易懂，以便于机组的推广。

2.2.5 注意系统冷量综合利用

主机余热制冷机组除了为渔获物提供保鲜冷量外，还可以通过调节氨的蒸发温度，提供0℃以上的冷水，再以风机盘管方式为船员提供空调系统，提高渔船的适居性，另外还可以通过加装冰蓄冷系统，解决产冷量和用冷量的时间差异问题，实现冷量的最大化利用。

3 结论

主机余热驱动制冷技术一方面可以对主机尾气中的低品位热源进行二次利用，符合国家发展循环利用、绿色生态渔业的政策；另一方面，所产生的冷量可以节省大量的冰，因而节省大量淡水和燃烧煤，符合国家的节能减排方针，在我国渔船上具有广阔的应用前景，但是使用中要确保安全，并注意排气系统保养，系统操控简化和冷量综合利用，提高系统的可靠性和经济效益，从而促进其推广应用。

[1] 农业部渔业渔政管理局. 中国渔业统计年鉴2017[M]. 北京：中国农业出版社，2017.

[2] 董景明,黄党和,谷杰然,等. 吸附式制冷在船舶空调中应用的可行性研究[J].船舶工程,2008，30(1)，19-22.

[3] 王维伟，潘新祥，沈波. 远洋渔船吸收式制冷应用可行性分析[J]. 节能技术，2012，30(5): 397-399.

[4] 敖晨阳 李达仁 张宁. 船用溴化锂吸收式制冷机应用研究[J]. 机电设备，2002，19(2)：30-33.

[5] 张祉祐. 制冷原理与设备[M]. 北京：机械工业出版社，1986.

[6] 王如竹，王丽伟，吴静怡. 吸附式制冷理论与应用[M]. 北京：科学出版社, 2007.

[7] 张玲玲, 陶乐仁. 喷射式制冷的发展研究现状[J]. 制冷与空调(四川),2012，26(5) ：504-510.

Analysisontheapplicationprospectofengineexhaust-poweredrefrigeratingsystemonfishingvessels

ZHAO Xin-ying1，2， ZHOU Quan3， DING Yi-ming4

(1FisheryMachineryInstrumentResearchInstitute,ChineseAcademyofFisherySciences,Shanghai200092,China; 2KeyLaboratoryofOceanFishingVesselandEquipment,MinistryofAgriculture,Shanghai200092,China; 3ShanghaiFishingVesselInspectionBureau,Shanghai200093,China; 4ShanghaiYoufuAbsorptionRefrigerationCo.LTD,Shanghai200030,China)

There are more than 400,000 motor fishing vessels in China, and the vast majority of them are not equipped with refrigerating device. Large amount of ice is needed to keep the harvesting fish fresh, though plenty of fresh water and energy is wasted, the quality of the fish cannot be well guaranteed. On the other hand, exhaust gas of the engine on fishing vessels is discharged to the air directly and the heat is not used. Engine exhaust-powered refrigerating technology can resolve both problems; it is a green and energy-saving technology. There are three types of engine exhaust-powered refrigerating technologies: absorption type, absorption type and steam jet type, the absorption refrigerating system using ammonia and water is the most suitable type to be used on fishing vessels. The system safety, the maintenance of exhaust system, the simplifying of the control and the integrated utilization of the cold energy are the elements to be concerned.

fishing vessel; exhaust-powered refrigerating system; application prospect

2095-3666(2017)04-0285-05

10.13233/j.cnki.fishis.2017.04.008

2017-09-20

2017-10-23

上海市科技兴农重点攻关项目资助(2017-02-08-00-07-F00073)

赵新颖(1979-)，高级工程师，研究方向：渔船轮机工程与节能技术研究。

E-mail:zhaoxinying@fmiri.ac.cn

TB 69

A