论文部分内容阅读
摘要： 船舶柴油机具有相当可观的低品位热源。本文以实际算例测算了以船舶发电机排烟实现船舶伙食冷库的吸附式制冷方案可行性，在此基础上，设计了集成加热系统、冷却系统和氨循环系统的船舶冷库吸附式制冷方案，可为船舶节能、排放控制提供技术参考。
Abstract： Marine diesel engines have considerable low-grade heat sources. This paper uses a practical example to calculate the feasibility of using ship generator smoke to realize the adsorption refrigeration scheme of ship′s food cold storage. On this basis， an adsorption refrigeration scheme for ship cold storage with integrated heating system， cooling system and ammonia cycle system is designed. It can provide technical reference for ship energy saving and emission control.
關键词： 船舶;吸附式制冷;余热;冷库
Key words： ship; adsorption refrigeration;waste heat;cold storage
中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0041-02
0 引言
船舶是燃油消耗的大户，是推进节能减排的重要方面。船舶柴油机作为船舶设备的重要能耗设备，充分利用船舶柴油机排烟余热是实现船舶自身节能减排的有效路径之一。根据数据统计表明，船舶柴油机的热效率一般在30%～46%，而其中柴油机排烟能够带走25%～30%的能量[1]。船舶发电机的原动机一般采用转速较高的四冲程柴油机，而四冲程柴油机的排烟温度相比二冲程柴油机的排烟温度更高，因此，船舶发电柴油机的排烟余热更具有较高的利用价值。更为重要的是，船舶发电柴油机除坞修外，一直不间断工作，对于用于储存和保鲜食品船舶伙食冷库而言，更适合作为食品冷库的固体吸附式制冷的热源。基于此，本研究基于吸附式制冷原理，在分析船舶冷库应用船舶发电柴油机排烟余热可行性的基础上，提出基于吸附式制冷方式的船舶食品冷库系统设计方案，一方面能够起到节能效果，另一方面还可以对排放进行控制，达到节能和环保的双重效果。
1 吸附式制冷原理
吸附式制冷系统主要由吸附床、冷凝器和蒸发器三大部件组成，其工作循环如图1所示。
吸附式制冷的基本工作循环包括两个过程，分别是加热解吸过程（虚线）和吸附制冷过程（实线）。对于加热解吸过程，在加热作用下，吸附床受到加热作用下，吸附质，即制冷剂，产生解吸作用，从在吸附剂中脱附出来，当解吸出来的制冷剂蒸汽压力升高至环境温度的饱和压力，也就是冷凝压力时，蒸汽状态的制冷剂会在冷凝器中冷凝液化，随后进入蒸发器中。对于吸附制冷过程，吸附床受到冷却作用下，当达到吸附温度时，此时吸附床中的吸附剂又会重新吸附制冷剂的蒸汽，使得循环系统中的蒸汽压力降低，进而促使处于蒸发器中的液态制冷剂蒸发，因此，对于吸附式制冷，加热解吸过程和吸附制冷过程构成了一个完整的制冷工作循环，由于吸附式制冷方式是一种间歇式的制冷过程，而若要达到连续制冷的目的，则应采用两台以上吸附床，让其交错运行[2]。
2 船舶冷库应用的可行性分析
下面以某船舶作为实例对采用船舶发电柴油机排烟余热实现船舶伙食冷库的可行性进行分析。该船舶食品冷库具有三个库，分别是干货库、菜库和肉库。其中，干货库的温度为15℃左右，菜库温度范围为0～5℃，肉库的设定温度范围一般在-10～-15℃。根据该船提供的制冷系统设计说明书，其制冷功率为Qf=5.3kW。该船发电柴油机有效功率额定功率Pge为200kW，一般情况下，柴油机的有效功率占缸内燃油燃烧所放出能量的50%，因此，柴油机燃油燃烧释放的能量为Qg：Qg=Pge/0.5=400kW（1）
柴油机燃烧的排烟损失一般占燃烧能量的25%～40%[3]，本文取30%，根据式（1）可以计算得到柴油机中排烟的热量为：
Qge=Qg*30%=120kW（2）
根据固定吸附式制冷应用情况，通常情况下其制冷效率为0.3～0.6[4]，本文取0.3，因此采用固体吸附式制冷实现船舶冷库制冷需求所需的热量Qsf为：
Qsf=Qf/COPsf=17.7kW（3）
很明显有：Qge>>Qsf（4）
从结果（4）可以看出，该船舶发电机的排烟中的热量能够满足固体吸附式制冷的需要，这也说明船上冷库采用固体吸附式制冷技术是可行的。
3 船舶吸附式制冷设计方案
3.1 冷库热源
为保证船舶食品冷库长期连续工作，需要一个稳定的长期热源。而船舶发电柴油机连续不间断工作（除坞修外），非常适合作为采用吸附式制冷实现船舶伙食冷库的稳定热源[5]。为了提高船舶发电柴油机排烟的余热利用效率，可以直接采用柴油机排烟用于加热吸附床，但是需要注意的是，排烟经过吸附床不可避免的影响柴油机排气背压，进而影响发电机的工作性能。为此，建议在将发电机柴油机排烟通入吸附床之前，设置抽风机，用于改善柴油机工作的正常排气背压。基于此，设计了基于发电柴油机排烟的吸附式制冷方案，如图2所示，该方案中包含吸附床、冷凝器、蒸发器、储液器以及节流阀。 根据吸附式制冷工作原理，对于加热解吸过程，应将阀门置于图示1位，这样柴油机排烟在抽风机的作用下流经吸附床，进而加热吸附床中的吸附剂，使得制冷剂从中解吸出来。然后打开A阀，解析出来的蒸汽冷剂流入冷凝器，进行冷凝液化，储存在储液器，在冷剂完成脱附过程后将A阀关闭。对于冷却吸附过程，应将阀门置于图示2位，抽风机抽吸自然风，用于冷却吸附床中的吸附剂，进而能够吸附制冷剂。然后将B阀打开，受到吸附创中吸附剂的吸附作用，制冷剂通过节流阀的节流降压后流入蒸发器，实现制冷。在蒸发完成后，气态的制冷剂又被重新吸附。
3.2 吸附式冷库方案
根据上述方案示意图，选择常用的工质对：活性炭-氨，作为吸附式制冷的工质，进一步完善了船舶吸附式食品冷库系统方案，如图3所示。本系统方案包括2个吸附床、1个蒸发器、1个冷凝器、1个节流阀、1个贮液器、1个冷却水泵，以及多个止回阀和电磁阀等组成，形成了加热系统、冷却系统以及氨循环系统。
①加热系统。将船舶发电柴油机的高温排烟用于加热吸附床，在高温作用下，吸附床中的氯化钙-氨工质对产生吸脱反应，释放氨气。
②冷却系统。冷却系统采用的是串联冷却方式。第一级：首先冷却水泵抽吸海水，直接用于冷却图中所示的冷凝器，第二级：经过冷凝器的冷却水送至发生器。在冷却作用下，发生器中的工质对产生吸附反應。
③氨循环系统。在加热系统和冷却系统的联合作用下，制冷剂氨从发生器脱附出来后，依次进入冷凝器、节流阀、蒸发器，与传统蒸发式制冷原理相同，利用低温低压的液态冷剂的蒸发效应，实现冷库的制冷效果。从蒸发器出来的高温高压气态冷剂随后进入发生器中开始下一循环的吸附作用，从而实现船舶冷库的连续运行。
4 结束语
本研究基于吸附式制冷原理，利用具有低品位特点的船舶发电机柴油机排烟余热，设计了一种用于替代传统蒸汽压缩式制冷的船舶伙食冷库方案，可为船舶节能与排放控制提供参考。
参考文献：
[1]智会杰.船舶余热驱动吸附式制冷冷量综合利用研究[D].集美大学，2012.
[2]王雪章.船舶空调吸附式制冷系统设计及传热机理研究[D].大连海事大学，2008.
[3]董景明.船舶吸附式制冷系统单元管式吸附床的优化研究[D].大连海事大学，2008.
[4]周冬雷.船舶尾气吸附式制冷系统的开发及性能试验[D].山东大学，2005.
[5]吴晓阳.舰艇主机排烟余热吸附式制冷技术研究[J].交通节能与环保，2009（02）：16-18.
Abstract： Marine diesel engines have considerable low-grade heat sources. This paper uses a practical example to calculate the feasibility of using ship generator smoke to realize the adsorption refrigeration scheme of ship′s food cold storage. On this basis， an adsorption refrigeration scheme for ship cold storage with integrated heating system， cooling system and ammonia cycle system is designed. It can provide technical reference for ship energy saving and emission control.
關键词： 船舶;吸附式制冷;余热;冷库
Key words： ship; adsorption refrigeration;waste heat;cold storage
中图分类号：U698 文献标识码：A 文章编号：1674-957X（2021）19-0041-02
0 引言
船舶是燃油消耗的大户，是推进节能减排的重要方面。船舶柴油机作为船舶设备的重要能耗设备，充分利用船舶柴油机排烟余热是实现船舶自身节能减排的有效路径之一。根据数据统计表明，船舶柴油机的热效率一般在30%～46%，而其中柴油机排烟能够带走25%～30%的能量[1]。船舶发电机的原动机一般采用转速较高的四冲程柴油机，而四冲程柴油机的排烟温度相比二冲程柴油机的排烟温度更高，因此，船舶发电柴油机的排烟余热更具有较高的利用价值。更为重要的是，船舶发电柴油机除坞修外，一直不间断工作，对于用于储存和保鲜食品船舶伙食冷库而言，更适合作为食品冷库的固体吸附式制冷的热源。基于此，本研究基于吸附式制冷原理，在分析船舶冷库应用船舶发电柴油机排烟余热可行性的基础上，提出基于吸附式制冷方式的船舶食品冷库系统设计方案，一方面能够起到节能效果，另一方面还可以对排放进行控制，达到节能和环保的双重效果。
1 吸附式制冷原理
吸附式制冷系统主要由吸附床、冷凝器和蒸发器三大部件组成，其工作循环如图1所示。
吸附式制冷的基本工作循环包括两个过程，分别是加热解吸过程（虚线）和吸附制冷过程（实线）。对于加热解吸过程，在加热作用下，吸附床受到加热作用下，吸附质，即制冷剂，产生解吸作用，从在吸附剂中脱附出来，当解吸出来的制冷剂蒸汽压力升高至环境温度的饱和压力，也就是冷凝压力时，蒸汽状态的制冷剂会在冷凝器中冷凝液化，随后进入蒸发器中。对于吸附制冷过程，吸附床受到冷却作用下，当达到吸附温度时，此时吸附床中的吸附剂又会重新吸附制冷剂的蒸汽，使得循环系统中的蒸汽压力降低，进而促使处于蒸发器中的液态制冷剂蒸发，因此，对于吸附式制冷，加热解吸过程和吸附制冷过程构成了一个完整的制冷工作循环，由于吸附式制冷方式是一种间歇式的制冷过程，而若要达到连续制冷的目的，则应采用两台以上吸附床，让其交错运行[2]。
2 船舶冷库应用的可行性分析
下面以某船舶作为实例对采用船舶发电柴油机排烟余热实现船舶伙食冷库的可行性进行分析。该船舶食品冷库具有三个库，分别是干货库、菜库和肉库。其中，干货库的温度为15℃左右，菜库温度范围为0～5℃，肉库的设定温度范围一般在-10～-15℃。根据该船提供的制冷系统设计说明书，其制冷功率为Qf=5.3kW。该船发电柴油机有效功率额定功率Pge为200kW，一般情况下，柴油机的有效功率占缸内燃油燃烧所放出能量的50%，因此，柴油机燃油燃烧释放的能量为Qg：Qg=Pge/0.5=400kW（1）
柴油机燃烧的排烟损失一般占燃烧能量的25%～40%[3]，本文取30%，根据式（1）可以计算得到柴油机中排烟的热量为：
Qge=Qg*30%=120kW（2）
根据固定吸附式制冷应用情况，通常情况下其制冷效率为0.3～0.6[4]，本文取0.3，因此采用固体吸附式制冷实现船舶冷库制冷需求所需的热量Qsf为：
Qsf=Qf/COPsf=17.7kW（3）
很明显有：Qge>>Qsf（4）
从结果（4）可以看出，该船舶发电机的排烟中的热量能够满足固体吸附式制冷的需要，这也说明船上冷库采用固体吸附式制冷技术是可行的。
3 船舶吸附式制冷设计方案
3.1 冷库热源
为保证船舶食品冷库长期连续工作，需要一个稳定的长期热源。而船舶发电柴油机连续不间断工作（除坞修外），非常适合作为采用吸附式制冷实现船舶伙食冷库的稳定热源[5]。为了提高船舶发电柴油机排烟的余热利用效率，可以直接采用柴油机排烟用于加热吸附床，但是需要注意的是，排烟经过吸附床不可避免的影响柴油机排气背压，进而影响发电机的工作性能。为此，建议在将发电机柴油机排烟通入吸附床之前，设置抽风机，用于改善柴油机工作的正常排气背压。基于此，设计了基于发电柴油机排烟的吸附式制冷方案，如图2所示，该方案中包含吸附床、冷凝器、蒸发器、储液器以及节流阀。 根据吸附式制冷工作原理，对于加热解吸过程，应将阀门置于图示1位，这样柴油机排烟在抽风机的作用下流经吸附床，进而加热吸附床中的吸附剂，使得制冷剂从中解吸出来。然后打开A阀，解析出来的蒸汽冷剂流入冷凝器，进行冷凝液化，储存在储液器，在冷剂完成脱附过程后将A阀关闭。对于冷却吸附过程，应将阀门置于图示2位，抽风机抽吸自然风，用于冷却吸附床中的吸附剂，进而能够吸附制冷剂。然后将B阀打开，受到吸附创中吸附剂的吸附作用，制冷剂通过节流阀的节流降压后流入蒸发器，实现制冷。在蒸发完成后，气态的制冷剂又被重新吸附。
3.2 吸附式冷库方案
根据上述方案示意图，选择常用的工质对：活性炭-氨，作为吸附式制冷的工质，进一步完善了船舶吸附式食品冷库系统方案，如图3所示。本系统方案包括2个吸附床、1个蒸发器、1个冷凝器、1个节流阀、1个贮液器、1个冷却水泵，以及多个止回阀和电磁阀等组成，形成了加热系统、冷却系统以及氨循环系统。
①加热系统。将船舶发电柴油机的高温排烟用于加热吸附床，在高温作用下，吸附床中的氯化钙-氨工质对产生吸脱反应，释放氨气。
②冷却系统。冷却系统采用的是串联冷却方式。第一级：首先冷却水泵抽吸海水，直接用于冷却图中所示的冷凝器，第二级：经过冷凝器的冷却水送至发生器。在冷却作用下，发生器中的工质对产生吸附反應。
③氨循环系统。在加热系统和冷却系统的联合作用下，制冷剂氨从发生器脱附出来后，依次进入冷凝器、节流阀、蒸发器，与传统蒸发式制冷原理相同，利用低温低压的液态冷剂的蒸发效应，实现冷库的制冷效果。从蒸发器出来的高温高压气态冷剂随后进入发生器中开始下一循环的吸附作用，从而实现船舶冷库的连续运行。
4 结束语
本研究基于吸附式制冷原理，利用具有低品位特点的船舶发电机柴油机排烟余热，设计了一种用于替代传统蒸汽压缩式制冷的船舶伙食冷库方案，可为船舶节能与排放控制提供参考。
参考文献：
[1]智会杰.船舶余热驱动吸附式制冷冷量综合利用研究[D].集美大学，2012.
[2]王雪章.船舶空调吸附式制冷系统设计及传热机理研究[D].大连海事大学，2008.
[3]董景明.船舶吸附式制冷系统单元管式吸附床的优化研究[D].大连海事大学，2008.
[4]周冬雷.船舶尾气吸附式制冷系统的开发及性能试验[D].山东大学，2005.
[5]吴晓阳.舰艇主机排烟余热吸附式制冷技术研究[J].交通节能与环保，2009（02）：16-18.