对船舶余热吸收式制冷空调的研究

2020-11-02张良陈兵

消费电子 2020年6期

张良陈兵

【关键词】船舶;余热吸收式制冷空调;设计

空调通风系统是船舶系统的重要组成部分，直接关系着船上人员居住环境舒适度以及传播性疾病的防控等。而在现代海上运输事业飞速发展的大背景下，船舶数量不断增大，船舶运输量也显著扩增，使得海洋污染问题越来越严峻，因此必须对传统的污染较为严重的船舶空调通风系统进行优化和完善。其中余热吸收式制冷空调是具有高度可行性、能源利用效率高、环境污染小的全新空调技术，其对船舶空调通风系统的优化升级有着重要意义。

一、船舶余热吸收式制冷空调可行性研究

船舶余热吸收式制冷空调是将氨水溶液作为工质，其中氨作为制冷剂，水用作吸收剂。其原理在于液体气化吸热，由通过吸收器-发生器组的作用完成制冷循环的制冷机完成制冷。以氨水溶液作为工质，其中低沸点组也就是氨作为制冷剂，利用其蒸发进行制冷;而高沸点组也就是水被用作吸收剂，利用其对制冷剂蒸汽进行吸收，实现工作循环。一般船舶氨水吸收式制冷机的发生器上部装有精馏塔和分凝器，用于提升氨蒸气纯度。虽然氨水吸收式制冷机设备较为笨重，但是现代船舶的大型化发展较为普遍，船舱中已经有了条件布置复杂的制冷机设备。船舶上余热丰富，主要表现为柴油机排气以及缸套冷却水两种形式，这些余热可以被特制的制冷机吸收并通过固体吸附的方式实现制冷。在制冷原理得以有效实践的基础上，还必须确保余热量足够，能够满足船舶制冷需求。由于船舶主机通常是使用超大功率柴油机，其排烟温度能够达到300℃以上，甚至可以达到450℃，同时其冷却水温度也可达到80℃左右。此外，发电机的排烟温度同样可达到350℃左右，冷却水温度可达70℃左右，完全满足了氨水吸收式制冷机运行需求。

二、船舶余热吸收式制冷空调应用面临的问题

船舶空调主要用于夏季对船员生活区进行降温调节。由于压缩机运行功率一般为额定功率的40%～80%，那么可以根据空调压缩机空调的功率与热泵循环性能系数，计算得到船舶空调的热负荷。再结合系统性能系数，可以计算得到系统所需驱动热量，同时计算排烟或冷却水作为驱动热源时提供的热能，如果发现提供的热能高于系统所需驱动热量，那么就意味着相应的船舶余热吸收式制冷空调的建设和运行具有可行性。运用船舶余热吸收式制冷空调，可以大幅提高能源的综合利用率，更能有效节省空调系统运行成本，具有良好的低碳环保功能，但是在实际运用时还有不少问题需要克服和解决。首先，船舶在水上行驶并不像在陆地上一样平稳，難免存在颠簸，从而会对船舶余热吸收式制冷设备造成各种影响，如氨水循环系统化的发生器、蒸发器、吸收器、冷凝器等都可能因为颠簸而导致运行性能降低，甚至可能出现故障。而且在较为恶劣的狂风暴雨天气，船舶摇摆颠簸幅度较大，还可能发生吸收器溶液进入蒸发器或者发生器溶液进入冷凝器的情况，直接导致系统被污染和破坏，不能正常运行。而且氨水吸收式制冷设备本身较为笨重，占地不小，再加上安装的精馏塔、分凝器，更使得系统占地面积和投资成本大幅增加。而现代船舶虽然规模在不断扩大，内部空间也在不断增大，但是留给氨水吸收式制冷设备的空间始终有限，这在很大程度上限制了制冷量。

三、船舶余热吸收式制冷空调系统构建

（一）船舶余热吸收式制冷空调系统设计

为了确保船舶余热吸收式制冷空调长期处于稳定、正常运行状态，必须持续不间断地供给热量，否则一旦热量供给中断，在缺乏驱动能源的情况下整个空调通风系统的运行都会大受影响，甚至可能给船上人员带来生命健康威胁。不过在船舶行驶过程中，发电柴油机在正常情况下处于长期连续工作状态，其能够持续不断地提供高温冷却水作为制冷空调系统的能源驱动。在设计传播余热吸收式制冷空调系统时，应当从能源供给出发展开全过程的分析和研究，设计出可持续、稳定运行的制冷系统。主机、副机缸套水作为整个空调系统的驱动能源，其需要被吸收到包含蒸馏塔的发生器中，既可以直接吸入，也可以先对其进行蒸汽处理。发生器中的氨直接进入到溶液热交换器之中，实现热交换，再通过节流阀或者浓氨水泵进入到吸收器之中，最后再通过吸收器实现制冷。而发生器中的水则要进入分凝器，精分凝后进入冷凝器或与外界实现热交换，又或者返回发生器之中。而冷凝器又与液氨储槽直接相连，通过液氨储槽进入过冷器，再由过冷器进入到吸收器之中。还有部分过冷器中的溶液会经节流阀与蒸发器处理，再重新回到过冷器，最后抵达吸收器。该系统的运行能够有效实现制冷，改善船舱温湿度情况。在该系统中还包含有锅炉蒸汽作为辅助加热系统。如果船舶处于正常定速航行状态，那么主机和发电机缸套水完全可以满足系统热量需求。而在船舶处于机动航行或发电机负荷不稳定的状况时，则需要使用锅炉蒸汽加热缸套水，确保能够完全满足系统热量需求，保障系统稳定运行。

针对氨水吸收式制冷空调设备应用时存在的种种问题，在设计时需要尝试采取各种方法进行解决，其中新型工质对于热集成是具有应用前景的两种方式。所谓新型工质对就是将氨-水工质对更换为氨-硝酸锂、氨-硫氰酸钠等工质对。后两者工质对的标准沸点差距相较氨-水工质对而言更大，这意味着在设计和建设相应的船舶余热吸收式制冷空调系统时不需要使用精馏设备，大幅减小了设备占用空间体积，同时减少了设备成本。同时氨-硝酸锂、氨-硫氰酸钠工质对的系统性能系数远高于氨—水工质对，能够有效提升系统性能。而热集成则是通过科学设计，充分利用较热的气体对较冷的液体或气体进行加热，尽可能减少加热和冷却负荷，有效提高系统的热回收能力，减少投资费用。

（二）船舶余热吸收式制冷空调技术经济性分析

船舶余热吸收式制冷空调能够提高能源利用效率，落实低碳环保，同时节省大量制冷经济成本。传统蒸汽压缩式制冷系统消耗一次能源并转化为电能实现制冷，能源利用率较低，通常只有50%的能量可用于柴油发电，剩下的50%作为余热排放。而柴油发电的80%用作船舶动力及其他用电，仅有20%用作制冷。吸收式制冷系统则是主要利用发电机余热以及少量由一次能源转化的电能共同实现制冷，充分利用了一次能源转换时的50%余热，同时其消耗的电能通常在2%左右，大幅降低了船舶电网负荷。具体来看，如果某2.8t货轮安装余热吸收式制冷空调取代原先的空调压缩机，空调压缩机单机功率为40kW，蒸发温度和冷凝温度分别为5℃和30℃，工况制冷量为120kW，船用发电机效率为85%，柴油原动机为50%，燃油低热值为40780kJ/kg。那么以空调每年工作5个月，每天工作12h进行计算，则使用余热吸收式制冷空调每年可剩下燃油量约14956kg，同时还可减少约23286m3的CO2排放量。