渔船氨水吸收式制冷系统氨液流动分析

赵新颖，黄温赟，黄文超，吕续舰

(1 中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业农村部远洋渔船与装备重点实验室，上海 200092;2海洋国家实验室深蓝渔业工程装备技术联合实验室，山东 青岛 266237;3南京理工大学能源与动力工程学院，江苏 南京 210094)

中国大部分国内捕捞渔船因成本的因素，很少配备专门制冷设备[1]，渔获物保鲜主要依靠从码头带冰保鲜[2]。但夏季海上温度高，碎冰融化较快，为确保渔获物品质，渔船得在半个月内回港卸货并装冰；淡水制冰消耗大量淡水资源[3]，携冰出航增加了渔船排水量而加大油耗[4]；装箱渔货时破冰也加重了捕捞工人的作业强度。柴油机高温尾气占据柴油燃烧热值的约30%[5]，由于国内渔船主机主要使用柴油，也无需额外的锅炉，注定无法像运输船一样采用废气锅炉来收集利用主机尾气热能[6]。结合渔船渔获保鲜需求，利用主机尾气热能制冷，为渔获物保鲜，具有现实意义[7]。

关于渔船利用余热达到制冷目的研究越来越广泛：谭显光等[8]探讨吸附式制冷系统在中小型渔船冷库中的应用；张晋彪[9]研究利用柴油机余热吸收式制冰系统；林陈敏等[10]分析氨水吸收式制冷系统在渔船尾气中余热利用；倪锦等[11]针对特定的船用柴油机组开展氨水吸收式制冷系统的仿真与试验；艾志强[12]探索吸收式制冷装置在远洋渔船上的应用。而结合实际渔船主机的氨液循环过程及其影响因子的仿真分析却不多。

因氨的溶水性好、蒸发潜热大、沸点低等特点[13]，氨水吸收式制冷方式可利用余热、废热等低品位热能[14-15]，是目前最适合于中国机动渔船的余热利用方式[16]。针对目标制冷量10 kW的上海市36 m标准化桁杆拖虾渔船柴油机尾气吸收式制冷装置，模拟氨液循环过程，计算流量参数范围，分析制冷控制因素，为装置优化提供实际指导。

1 制冷系统模型

氨水吸收式制冷装置利用氨和水组成制冷工质对[17]，主要是利用氨气化吸收热能给鱼舱降温。氨水在发生器中吸收尾气热能而气化，经分凝精馏后得到质量浓度较高的氨气，在冷凝器中凝结成液态，通过毛细管节流降压后在鱼舱吸热气化，再在吸收器中溶于水并释放热能，形成浓氨，由溶液泵输送经溶液热交换器回发生器中完成循环[18-20]。氨液单元流程见图1。在Aspen plus中建立如图2的制冷模型。

图1 氨液流程图

图2 氨液循环仿真模型

其中，氨水体系物性计算模型对于研究氨水吸收式制冷循环必不可少，主要包括热力学计算性质和传递性质模型。热力学性质包括温度、压力、比容、内能、熵、Gibbs自由能、Helmholtz自由能和逸度等。对于氨水吸收制冷，整个循环中只有两种物质存在氨与水，但迄今为止仍没有任何一种物性方法能准确模拟氨水汽液平衡，可靠的热力学模型对模拟结果的正确与否起着决定性的作用。由于氨与水两种分子之间存在着缔合与离子化的特殊作用，所以氨水系统呈现出高度非理想化，氨水溶液的热力学性质一直没有非常准确的状态方程来描述，根据氨水的性质与实际应用情况综合来看，选择Aspen模型树中的电解质模型ELECNRTL来进行模拟计算[21]。

ELECNRTL模型通过计算电解质水溶液系统以及混合电解质系统中的各种离子和分子的活度系数，可以处理任何质量浓度下的混合溶剂系统。ELEC-NRTL与NRTL-RK性质方法完全一致。ELEC-NRTL模型可以在很宽的质量浓度和温度范围内，只用几种二元参数，对电解质水溶液的真实组分的相互作用进行描述[22]。由此得到的活度系数方程为：

(1)

(2)

(3)

式中：R为摩尔气体常数；G为二元体系中组分的自由能；xj为各组分百分比系数；C、D、E均为Aspen中电解质物性系统给出的用以表征电解质-分子交互的能量参数(Electrolyte-Molecule Pair Parameters)，在数据库中分别属于GMELCC、GMELCD、GMELCE；T为溶液温度(℃)，Tref=298.15 K。氨水传递性质模型中需要考虑氨水溶液粘度、液导热系数和氨水扩散系数等的计算方法。

2 结果与分析

2.1 计算输入条件

根据制冷装置的运行工况，给出制冷系统计算模型的基本运行参数：额定制冷量10 kW、尾气密度0.7 kg/m3[23]、尾气比热1.122 kJ/(kg·℃)[9]、尾气进口温度350 ℃[24]、尾气出口温度≥130 ℃、进料氨水质量浓度33%、冷却水进口温度25 ℃、冷却水出口最大温度32 ℃、水比热4.2 kJ/(kg·℃)。

依据为氨的质量守恒，即进入精馏塔中的氨质量为塔顶出料与塔底出料中氨的质量之和[25]，故有：

Lr×φr=V+(Lr-V)×φa

(4)

式中：Lr—精馏塔进料的流量，kg/h；φr—进料中氨的质量浓度，kg/m3；V—离开塔顶分凝器的纯氨流量，kg/h；φa—塔底出料(稀氨水)中氨的质量浓度，kg/m3。在计算中考虑过程中的热损失5%[26]，吸收器中氨水溶液容量不做限制。

2.2 溶液泵流量对制冷效果的影响

溶液泵将浓氨水加压后输入至溶液热交换器中，泵流量对整个循环中的能量交换速率影响较大，其变化会引起发生器热负荷与吸收器功率的变化，同时也会影响制冷系数这一关键参数。不同流量的氨水析出氨的能力不同，当氨水流量较小时，可析出纯氨的量也较少。取尾气进口温度350 ℃、出口温度最低为130 ℃、发生器中最大热负荷为40.61 kW(含5%的热损失)，以额定制冷量10 kW为控制目标，考虑泵流量对整个制冷循环的影响，保持蒸发器中的纯氨流量一定的情况下改变泵排量，得到发生器热负荷、吸收器冷却功率、蒸发器制冷量、放气系数、制冷系数等参数的变化规律(图3)。

图3 泵流量对制冷效果的影响

从图3中可以看出，随着泵流量从155 kg/h逐步增加到270 kg/h，发生器热负荷和吸收器冷却功率几乎呈线性增长，分别达到最大热负荷40.61 kW和最大冷却功率需求35.87 kW，随后稳定在该值附近直到泵流量达到320 kg/h，系统处于热损失最大的是吸收热过程。随着泵流量的进一步增加和发生器热负荷的积累，吸收器稀溶液温度不断升高，氨水吸收式制冷循环中氨的冷凝热与蒸发热几乎相等，发生器氨水析出所需热量显著降低，发生器热负荷和吸收器冷却功率陡降，直到泵流量达到350 kg/h时，其下降幅度才逐渐减缓；当泵流量大于455 kg/h时，热负荷和冷却功率随泵流量的增加仅有小幅减小，最后趋于平稳。在此过程中，制冷量基本维持在10 kW左右，仅当泵流量在270～330 kg/h范围内时，制冷量有所降低，最低达8.8 kW。制冷系数的变化与发生器热负荷和吸收器冷却功率的变化趋势相反，而放气范围几乎呈单调递减变化趋势。

制冷过程中，制冷量直接取决于纯氨交换量，在当前额定制冷量10 kW时，需要的纯氨流量为38.075 kg/h，在发生器热负荷和溶液泵流量发生变化时，纯氨流量会有小幅波动，即引起实时制冷量小幅波动(图3)。当泵流量较小时，尾气能够在合理排出量范围内提供足够的热量来满足氨气的析出要求，且出口温度高于130 ℃，如图3中热负荷开始增长阶段；当泵流量逐渐增大到一定范围时，发生器内氨水溶液多，需要更大的烟气热负荷来蒸发氨水，考虑实际烟气出口温度不会低于130 ℃，提供热负荷最高为45.12 kW，因此无法析出足量的纯氨，制冷量略低于10 kW。这种情况表现在图3中即热负荷保持不变，吸收器冷却功率和制冷系数处于较平稳阶段。随着泵流量继续增加，氨水的析出比降低，尾气出口温度增高，热负荷陡降，随后趋于平稳。

当泵流量在355～455 kg/h之间变化时，制冷系数取值0.37～0.41，放气范围在0.08～0.06内变化。该流量范围处于热负荷曲线陡降后较平缓的中间阶段，若流量降低，则热负荷变化剧烈，制冷系数下降明显；若流量继续增大，虽然制冷系数有所增加，但放气范围(氨气析出比)将低于0.06，所需氨水量大，热能利用率低。本系统制冷功率为10 kW时的溶液泵最佳流量范围为355～455 kg/h。

2.3 发生器热负荷对制冷效果的影响

在溶液泵流量(355 kg/h)保持不变时，研究不同发生器热负荷对制冷效果的影响。发生器中氨气析出的多少决定了进入鱼舱内的氨量，进而影响制冷量。图4为纯氨析出量与制冷量之间的关系示意图，制冷量随着纯氨析出量的增加单调递增，二者基本呈线性关系。

图5所示为发生器热负荷变化对制冷量、吸收器冷却功率、制冷系数和放气范围的影响。制冷量和吸收器冷却功率随着发生器热负荷的增大逐渐增加，当发生器热负荷增大到30 kW时，制冷量达到额定的10 kW；如果继续增大，制冷量几乎一直保持在10 kW，制冷系数持续降低。

在设备尾气入口温度一定时，发生器热负荷的大小主要由尾气流量决定，进而影响到制冷量和制冷系数。从图6可以得出，当尾气流量从124 m3/h增大到694.5 m3/h时，制冷量以较快速度增加至10 kW；当尾气流量在694.5 ～1 185.8 m3/h范围内时，制冷量在10～11 kW内，变化幅度较小。制冷系数在尾气流量为240.5 m3/h时达到最高值0.428，随后持续降低。

图4 纯氨析出量与制冷量的关系

图5 发生器热负荷对制冷效果的影响

图6 尾气流量对制冷效果的影响

2.4 吸收器中冷却水对制冷效果的影响

氨气在被冷凝为液体的过程中需放出热量，主要是在吸收器中靠冷却水带走。如冷却水不足以将热量带走，将影响制冷量及制冷系数。由图5可知，随着发生器热负荷的增大，吸收器冷却功率线性增长。吸收器冷却功率对制冷效果的影响如图7所示。当吸收器冷却功率从4.88 kW增大至29.25 kW时，制冷量增长迅速；而再增大吸收器冷却功率，制冷量增长缓慢，在10～11 kW内。制冷系数在吸收器冷却功率8.86 kW时达到峰值0.428后持续下降；放气系数逐渐缓慢增长。

冷却水的温度随季节不同而不尽相同。当冷却水流量一定时，吸收器冷却功率越大，则需要越低的入口温度，以提高换热温差，获得相同的换热效率；当入口温度一定时，吸收器冷却功率越高，则需加大冷却水的流量，满足换热量的要求，否则无法达到目标制冷量。冷却水流量与制冷量及制冷系数的关系如图8所示，其趋势与吸收器冷却功率与制冷效果关系一致。

图7 吸收器冷却功率对制冷效果的影响

图8 冷却泵流量对制冷效果的影响

3 结论

渔船主机余热制冷装置将渔船主机高温废气回收利用，节约了制冰而消耗的淡水，符合国家节能降耗、节水减排的要求，同时提升渔获品质，延长渔民作业时长，进而为渔民增产增收。本文对10 kW制冷量的渔船主机尾气利用制冷氨液流动过程分析发现：1) 制冷量与纯氨析出量呈线性关系，且随着纯氨析出量的增加而单调递增；制冷量随着发生器热负荷的增加，先增后平。2) 考虑冷却水对制冷效果的影响，控制冷却泵流量在10.86～19.7 m3/h范围内时，制冷量在10～11 kW，能够满足系统额定制冷量10 kW的基本要求。3) 目标制冷量为10 kW时，溶液泵流量在355～455 kg/h范围内变化，系统可获得最优制冷效果。4) 在溶液泵实际流量为355 kg/h的工况下，当发生器热负荷达到30 kW时，系统即可实现额定制冷量10 kW，此时尾气流量和吸收器冷却功率在较大范围内波动，对制冷量影响不大，这进一步说明溶液泵流量为355 kg/h时，系统处于最佳运行状态。

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