漁船主機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)應(yīng)用前景分析

趙新穎， 周 全， 丁一鳴

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092; 2.農(nóng)業(yè)部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092; 3.上海漁業(yè)船舶檢驗(yàn)局，上海 2000093; 4. 上海佑伏吸附制冷有限公司，上海 200030)

漁船主機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)應(yīng)用前景分析

趙新穎1，2， 周 全3， 丁一鳴4

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092; 2.農(nóng)業(yè)部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092; 3.上海漁業(yè)船舶檢驗(yàn)局，上海 2000093; 4. 上海佑伏吸附制冷有限公司，上海 200030)

我國擁有40余萬艘機(jī)動(dòng)捕撈漁船，其中絕大部分未安裝制冷設(shè)備，漁獲物保鮮要耗費(fèi)大量碎冰，浪費(fèi)大量能源的同時(shí)無法完全保證漁獲物的品質(zhì); 另一方面,漁船主機(jī)尾氣未經(jīng)利用直接排入大氣，造成大量能源的浪費(fèi)，而主機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)可以有效地解決上述兩方面的問題，是一項(xiàng)綠色節(jié)能技術(shù)?？墒褂弥鳈C(jī)余熱驅(qū)動(dòng)的制冷方式有吸收式、吸附式和蒸汽噴射式，經(jīng)比較分析，氨-水式吸收式制冷技術(shù)是最適合應(yīng)用于漁船的技術(shù)，但在推廣應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意對(duì)船型的選擇進(jìn)行評(píng)估分析，同時(shí)應(yīng)注意安全、排氣系統(tǒng)維護(hù)、操作和控制簡化以及冷量綜合利用等問題。

漁船； 余熱驅(qū)動(dòng)制冷系統(tǒng)； 應(yīng)用前景

截至2016年底，我國共有漁船101.1萬艘，其中機(jī)動(dòng)捕撈漁船42.6萬艘，主機(jī)功率達(dá)189.4×104kW[1]，其中除大多數(shù)遠(yuǎn)洋漁船和極少數(shù)國內(nèi)海洋漁船安裝了蒸汽壓縮式電制冷機(jī)組用于漁獲物保鮮外，其余漁船均不配備制冷系統(tǒng)，漁獲物的保鮮全部依靠出航時(shí)帶冰實(shí)現(xiàn)。以上海市36 m標(biāo)準(zhǔn)化桁桿拖蝦船為例，每船單航次需帶冰25 t，一年耗冰約200 t。據(jù)測算，制造200 t冰需耗電1.65萬度，折合標(biāo)準(zhǔn)煤5.5 t，同時(shí)需等量的淡水。漁船作業(yè)過程中為了保證漁獲物的新鮮度，經(jīng)常需要返港加冰，額外消耗燃油，有時(shí)冰融化后得不到及時(shí)補(bǔ)充還會(huì)影響漁獲物品質(zhì)，造成食品安全隱患。另一方面，漁船柴油機(jī)的排氣溫度最高可超過400 ℃，所含熱量約占燃油燃燒發(fā)熱量的30～35%[2]，這部分熱量被直接排入大氣，造成浪費(fèi)。因此，開展主機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)研究和相應(yīng)裝備在漁船上的應(yīng)用示范、推廣，既可以使柴油的熱能得到循環(huán)利用，又可以提升漁獲物的品質(zhì)，是綠色節(jié)能的措施，符合中央一號(hào)文件提出的推廣節(jié)本降耗，循環(huán)利用技術(shù)模式和農(nóng)業(yè)部《關(guān)于加快推進(jìn)漁業(yè)轉(zhuǎn)方式調(diào)結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)意見》提出的促進(jìn)節(jié)水減排、清潔生產(chǎn)、低碳循環(huán)、持續(xù)發(fā)展的文件精神。

1 主機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)制冷方式的可行性比較分析

目前，可利用主機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)進(jìn)行制冷的方式主要有三種：吸收式制冷，固體吸附式制冷和蒸汽噴射式制冷。

1.1吸收式制冷

吸收式制冷技術(shù)利用由兩種沸點(diǎn)不同的物質(zhì)組成的溶液的氣液平衡特性來完成制冷循環(huán)，典型的吸收式制冷循環(huán)原理如圖1所示，該技術(shù)以熱能為主要?jiǎng)恿?，僅需要少量電能輔助，是余熱驅(qū)動(dòng)制冷的理想方式[3]，目前應(yīng)用較為廣泛的吸收式制冷機(jī)為溴化鋰-水制冷機(jī)和氨-水制冷機(jī)兩種。

圖1 吸收式制冷原理圖Fig. 1 Diagram of absorption refrigeration

1.1.1 溴化鋰吸收式制冷

溴化鋰吸收式制冷是以溴化鋰溶液為吸收劑，以水為制冷劑，利用水在高真空下蒸發(fā)吸熱達(dá)到制冷目的。溴化鋰穩(wěn)定性高，常壓下熔點(diǎn)為549 ℃，沸點(diǎn)為1 256 ℃，同時(shí)具有極強(qiáng)的吸水性，因此是理想的吸收劑，但由于溴化鋰吸收式制冷機(jī)的制冷劑是水，制冷溫度只能在0 ℃以上，一般不低于5℃[4]，而用于漁船保鮮的制冷系統(tǒng)要求能提供0 ℃或者更低的艙溫，因此溴化鋰吸收式制冷機(jī)不適合用于漁獲物制冷保鮮，但可以為漁船空調(diào)提供冷水。

1.1.2 氨水吸收式制冷

氨水吸收式制冷是以水為吸收劑，以氨為制冷劑，利用氨的蒸發(fā)吸熱進(jìn)行制冷，氨-水工質(zhì)對(duì)用于吸收式制冷機(jī)具有明顯的優(yōu)勢：(1)氨具有極大的溶水性，常溫下一個(gè)體積的水最多可以溶解700倍的氨；(2)氨的蒸發(fā)潛熱大，在通常蒸發(fā)溫度下氣化潛熱為1 300 kJ/kg，是R22的7倍；(3)常壓下氨沸點(diǎn)為-33.4 ℃，可以獲取-60 ℃～0 ℃的低溫[5]。因此理論上，氨水制冷機(jī)可以用于漁獲物的速凍、冷藏、保鮮，也可用于制冰和空調(diào)機(jī)組。但是由于氨的化學(xué)性質(zhì)極為活躍，因此在使用中應(yīng)予以注意：(1)常溫下氨是一種可燃?xì)怏w，爆炸極限為16%～25%，最易引燃濃度為17%；(2)氨水溶液中氨和水的沸點(diǎn)相差不大，氨水在發(fā)生器被加熱時(shí)，有部分水會(huì)隨氨一起蒸發(fā)出來，因此必須采用精餾裝置，獲得較純的氨蒸氣；(3)對(duì)有色金屬材料(除磷青銅)有腐蝕作用，因而在氨吸收式制冷系統(tǒng)中不采用銅及銅合金材料。

1.2固體吸附式制冷

吸附式制冷是通過微孔固體吸附劑在較低溫度下吸附制冷劑，在較高溫度下解吸制冷劑的吸附-解吸循環(huán)來實(shí)現(xiàn)的，圖2是基本型固體吸附式制冷循環(huán)的原理圖。

圖2 吸附式制冷原理圖Fig. 2 Diagram of adsorption refrigeration

漁船主機(jī)余熱可用于制冷劑的解吸，相對(duì)于同樣利用熱能驅(qū)動(dòng)的吸收式制冷而言，在熱源溫度比較低或冷凝溫度比較高的條件下，采用合適的制冷工質(zhì)時(shí)，吸附式制冷具有更高的效率，因此，吸附式制冷在低品位熱源的利用方面具有優(yōu)越性[6]。但是吸附式制冷技術(shù)也有其局限性，基本型吸附式制冷循環(huán)設(shè)置有一個(gè)吸附器，吸附-脫附過程交替進(jìn)行，沒有采用回?zé)岽胧?，不但損失了吸附床冷卻放熱及吸附放熱的顯熱量，而且因?yàn)殚g歇式制冷產(chǎn)生切換損失，因此循環(huán)效率比較低。為了實(shí)現(xiàn)連續(xù)制冷，可以采用兩個(gè)或多個(gè)吸附器交替工作，但采用此類系統(tǒng)需頻繁切換煙氣閥，長期工作后故障率高；此外船用環(huán)境下用煙氣作為加熱源，海水作為冷卻水，吸附管表面容易發(fā)生腐蝕，影響使用壽命；而且長期工作后，吸附劑容易結(jié)塊、膨脹，造成堵塞以至于冷量衰減。因此吸附式余熱制冷裝置應(yīng)在上述問題妥善解決后進(jìn)行推廣應(yīng)用。

1.3蒸汽噴射式制冷

噴射式制冷以蒸氣的壓力能為驅(qū)動(dòng)能源，用噴射器制造真空環(huán)境，使制冷劑在低溫下蒸發(fā)而制冷，圖3是噴射式制冷原理圖。

圖3 蒸汽噴射式制冷原理圖Fig. 3 Diagram of steam jet refrigeration

低沸點(diǎn)的制冷劑液體在發(fā)生器中被主機(jī)余熱加熱而成為過熱蒸汽，進(jìn)入噴射器的噴嘴，在其中迅速膨脹，在噴嘴出口處達(dá)到很大速度并形成真空狀態(tài)，由于高速氣流的引射作用，將蒸發(fā)器內(nèi)的蒸氣不斷抽吸出來，從而保持蒸發(fā)器的真空。在噴射器內(nèi)，工作蒸氣與被引射蒸氣經(jīng)過充分混合后以冷凝壓力流出。噴射式制冷機(jī)中制冷劑和工作蒸氣是同一種物質(zhì)。理論上講，氨、氟利昂等均可作為噴射式制冷的制冷劑，但目前為止，只有以水為制冷劑的噴射式制冷機(jī)得到了實(shí)際應(yīng)用[7]，而水作為制冷劑只能提供0℃以上的制冷環(huán)境，比較適合用于空調(diào)冷水，無法滿足魚艙冷藏保鮮的需求。

通過上述比較分析，氨-水式吸收式制冷方式是目前最適合于我國機(jī)動(dòng)漁船的余熱制冷方式。

2 吸收式余熱制冷裝置應(yīng)用分析

2.1適用船型分析

我國漁船船型種類繁多，船舶尺度，作業(yè)水域，作業(yè)方式，機(jī)械配置，漁獲物品種和保鮮要求也有很大不同，應(yīng)對(duì)上述因素進(jìn)行綜合評(píng)估以判定主機(jī)余熱制冷裝置是否適用，以氨-水吸收式制冷方式為例，其所適用的船型應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

(1)具有充足的安裝空間

氨-水式吸收式制冷系統(tǒng)必需的部件包括吸收器、發(fā)生器、冷凝器、溶液熱交換器、精餾塔、溶液泵等，有些系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)的效率還要配備其他的附屬部件，為了保證系統(tǒng)的安全性，這些部件需布置在敞開甲板。同時(shí)為了高效利用主機(jī)的廢熱，吸收器必須串聯(lián)在主機(jī)排氣管上，而且為了不增加排氣背壓而影響主機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，排氣管不得做加長或額外的彎曲，因此，漁船主機(jī)排氣管經(jīng)過的敞開甲板附近區(qū)域應(yīng)無捕撈設(shè)備和其他作業(yè)設(shè)備布置。

(2)漁獲物保鮮需求與主機(jī)工況相匹配

吸收式制冷技術(shù)利用的是主機(jī)排氣熱量，由于主機(jī)排氣熱量屬于低品位熱源，熱量利用率普遍較低，以上海市36 m標(biāo)準(zhǔn)化漁船為例，其主機(jī)功率為205 kW，主機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)制冷機(jī)組能產(chǎn)生的最大制冷量約15 kW，該船型魚艙容積約90 m3，一個(gè)航次可捕漁獲約10 t， 在室外溫度35 ℃的條件下，維持艙溫0 ℃所需的冷量約為10 kW，而冷凍漁獲所需的冷量為25 kW，超出機(jī)組供冷范圍，因此，機(jī)組不適合用于漁獲物冷凍，而適合冷藏保鮮。

此外，吸收式制冷機(jī)組的制冷量大小主要取決于主機(jī)排煙溫度、排煙量，而排煙量和溫度與主機(jī)的輸出功率密切相關(guān)，圖4是某吸收式制冷機(jī)組制冷量和排煙溫度的關(guān)系：

圖4 吸收式制冷機(jī)組制冷量和排煙溫度的關(guān)系Fig. 4 Relationship between refrigerating capacity and exhaust gas temperature

由圖可知，吸收式制冷裝置的運(yùn)行和制冷能力與主機(jī)的輸出功率成正線性關(guān)系。對(duì)于一個(gè)航次內(nèi)多次起捕作業(yè)的拖網(wǎng)、圍網(wǎng)或釣具類漁船，先期起捕的漁獲在漁船繼續(xù)作業(yè)或返航時(shí)可由(吸收式)制冷裝置配合適量碎冰提供足夠的冷量；而對(duì)于張網(wǎng)、流刺網(wǎng)等定置類作業(yè)方式的漁船，在漁船趕赴漁場、放網(wǎng)和等候期間魚艙是空的，漁船起捕后直接返港，所帶的冰足以為漁獲保鮮，制冷系統(tǒng)在漁獲物保鮮方面的經(jīng)濟(jì)效益不夠明顯。而對(duì)于安裝了電制冷裝置的漁船，在安裝空間允許的前提下，余熱制冷機(jī)組可作為補(bǔ)充手段，在主機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)投入運(yùn)行，使電制冷裝置降負(fù)荷運(yùn)行，節(jié)省全船用電。

2.2裝置應(yīng)用需注意的問題

2.2.1 安全問題

前文已述及，氨的化學(xué)特性非?；钴S，容易發(fā)生爆炸，會(huì)腐蝕人體，還具有毒性，因此使用過程中應(yīng)絕對(duì)確保安全，主要的措施包括：

(1)除蒸發(fā)盤管外，其余所有部件布置在開敞甲板，以便在發(fā)生泄漏時(shí)使氨盡快擴(kuò)散到大氣中，避免局部濃度過大引發(fā)爆炸；

(2)設(shè)置氨泄漏檢測報(bào)警和水噴淋裝置，因?yàn)榘本哂袠O好的水溶性，在系統(tǒng)關(guān)鍵部位設(shè)置水噴淋裝置，與泄漏檢測報(bào)警聯(lián)動(dòng)，在第一時(shí)間將泄漏的氨用水溶解，避免燃燒和爆炸。

(3)對(duì)于魚艙內(nèi)的蒸發(fā)盤管，由于魚艙是人員較容易集中的區(qū)域，為確保艙內(nèi)作業(yè)的安全，應(yīng)避免在魚艙內(nèi)盤管上設(shè)置閥門、法蘭和可拆卸接頭，有條件的漁船最好加裝通風(fēng)系統(tǒng)。而且，在確保冷量的前提下，應(yīng)盡量使用二次換熱系統(tǒng)，即增裝換熱器，用液氨冷卻載冷劑，使用安全的載冷劑在魚艙內(nèi)循環(huán)吸熱，避免氨進(jìn)入魚艙，圖5是典型的間接式氨-水吸收式制冷系統(tǒng)。

圖5 間接式氨-水吸收式制冷系統(tǒng)圖Fig. 5 Diagram of indirect evaporation ammonia-water absorption refrigeration

2.2.2 主機(jī)排氣系統(tǒng)定期進(jìn)行檢查保養(yǎng)

吸收式制冷機(jī)組需將其發(fā)生器安裝在主機(jī)的排氣管上，以盡量提高主機(jī)尾氣的利用效率，機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間之后，發(fā)生器內(nèi)部和排氣管道會(huì)積灰，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成主機(jī)排氣背壓增大，影響主機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此應(yīng)定期進(jìn)行檢查和清理。

2.2.3 加強(qiáng)設(shè)備小型化和液位控制研究

與大型船舶相比，漁船的搖擺和傾斜更為劇烈和頻繁，為了避免沉浸式換熱結(jié)構(gòu)中氨液液面頻繁變化對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成的影響，氨吸收系統(tǒng)的發(fā)生器、吸收器、蒸發(fā)器等應(yīng)盡量采用噴淋式結(jié)構(gòu)，只需保持動(dòng)態(tài)液封壓力并滿足泵的吸程要求即可，還可減少氨的充注量；同時(shí)在發(fā)生器、吸收器、蒸發(fā)器內(nèi)使用盤管式結(jié)構(gòu)，可提高傳熱效率，減小設(shè)備尺寸。

2.2.4 系統(tǒng)操控盡量簡化

吸收式制冷系統(tǒng)與電制冷系統(tǒng)相比更加復(fù)雜，氨在系統(tǒng)循環(huán)中不斷被加熱、冷卻、吸收、蒸發(fā)，系統(tǒng)需監(jiān)控的壓力、溫度參數(shù)較多，而現(xiàn)階段我國漁船船員，尤其是國內(nèi)漁船船員的知識(shí)水平普遍較低，因此應(yīng)盡可能提高系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，使其操作和控制盡量簡潔易懂，以便于機(jī)組的推廣。

2.2.5 注意系統(tǒng)冷量綜合利用

主機(jī)余熱制冷機(jī)組除了為漁獲物提供保鮮冷量外，還可以通過調(diào)節(jié)氨的蒸發(fā)溫度，提供0℃以上的冷水，再以風(fēng)機(jī)盤管方式為船員提供空調(diào)系統(tǒng)，提高漁船的適居性，另外還可以通過加裝冰蓄冷系統(tǒng)，解決產(chǎn)冷量和用冷量的時(shí)間差異問題，實(shí)現(xiàn)冷量的最大化利用。

3 結(jié)論

主機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)制冷技術(shù)一方面可以對(duì)主機(jī)尾氣中的低品位熱源進(jìn)行二次利用，符合國家發(fā)展循環(huán)利用、綠色生態(tài)漁業(yè)的政策；另一方面，所產(chǎn)生的冷量可以節(jié)省大量的冰，因而節(jié)省大量淡水和燃燒煤，符合國家的節(jié)能減排方針，在我國漁船上具有廣闊的應(yīng)用前景，但是使用中要確保安全，并注意排氣系統(tǒng)保養(yǎng)，系統(tǒng)操控簡化和冷量綜合利用，提高系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)效益，從而促進(jìn)其推廣應(yīng)用。

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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

上海市科技興農(nóng)重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目資助(2017-02-08-00-07-F00073)

趙新穎(1979-)，高級(jí)工程師，研究方向：漁船輪機(jī)工程與節(jié)能技術(shù)研究。

E-mail:zhaoxinying@fmiri.ac.cn

TB 69

A