漁船主機(jī)尾氣吸收式制冷裝置研究

黃溫赟，趙新穎，紀(jì)毓昭，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，農(nóng)業(yè)部遠(yuǎn)洋漁船與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092;2 海洋國家實(shí)驗(yàn)室深藍(lán)漁業(yè)工程裝備技術(shù)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237;3 上海佑伏吸附制冷有限公司，上海 200030)

海洋漁獲物自捕撈后就需要進(jìn)行保鮮以保證其品質(zhì)[1]。將漁船主機(jī)尾氣熱量回收再利用給魚艙制冷，對漁船節(jié)能降耗將有重要意義[2-3]，將改變了現(xiàn)階段帶冰保鮮、浪費(fèi)大量制冰淡水和頻繁返航靠港加冰狀況[4-5]，同時(shí)還減少了主機(jī)尾氣的熱污染[6]。氨水具有消耗臭氧潛能值(ODP)及全球邊暖潛能值(GWP)均為零的優(yōu)點(diǎn)[7-8]，在通常的工作溫度范圍內(nèi)，氨的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力適中，不會(huì)產(chǎn)生結(jié)晶[9-10]，制冷溫度范圍廣，能夠獲得零攝氏度以下溫度[11]，是作為漁船尾氣制冷優(yōu)良介質(zhì)。依據(jù)漁船實(shí)際工況，全新一代“船用煙氣型余熱吸收式制冷機(jī)”在上海市標(biāo)準(zhǔn)漁船中開展實(shí)船運(yùn)行驗(yàn)證。本研究建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并計(jì)算其性能指標(biāo)，為設(shè)備優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 主機(jī)尾氣制冷

上海地區(qū)36 m標(biāo)準(zhǔn)化漁船的船舶柴油機(jī)基本是中、高速機(jī)，轉(zhuǎn)速在750～1 500 r/min，柴油機(jī)的排氣溫度高達(dá)300～500 ℃[12]，通常沒有渦輪裝置，能源利用效率相對比較低，大概在30%～40%[13]，大部分的能量都被煙氣、冷卻水、柴油機(jī)本體等帶出。如不加以利用，約65%的燃油熱能將被浪費(fèi)。漁船主機(jī)因?yàn)楣β市?，作業(yè)工況復(fù)雜，無法采用廢氣鍋爐來收集利用高溫尾氣的熱能，或采用海水淡化裝置收集利用主機(jī)高溫冷卻水的熱能。在不增加主機(jī)負(fù)荷的情況下，回收尾氣實(shí)現(xiàn)制冷可滿足漁民需要[14]。

制冷裝置主要有吸附式和吸收式兩種型式。吸附式制冷是依靠某些固體物質(zhì)在一定的溫度及壓力下能吸附某種氣體或水蒸氣，在另一個(gè)溫度及壓力下，又能將其釋放出來，這種吸附和脫附的過程引起的壓力變化，就相當(dāng)于制冷壓縮機(jī)的作用。吸附式制冷所使用的固體吸附劑有沸石、硅膠、活性炭、氯化鈣等，制冷劑是對環(huán)境相對友好的物質(zhì)(如甲醇，氨，水等)，不采用會(huì)破壞臭氧層的氯氟烴類制冷劑[15]。吸收式制冷利用某些具有特殊性質(zhì)的二元溶液工質(zhì)對，在一定條件下能析出低沸點(diǎn)組分的蒸氣，在另一條件下又能強(qiáng)烈地吸收低沸點(diǎn)組分蒸氣，通過一種物質(zhì)對另一種物質(zhì)的吸收和釋放，產(chǎn)生物質(zhì)的狀態(tài)變化，從而伴隨吸熱和放熱過程。習(xí)慣上稱低沸點(diǎn)組分為制冷劑，高沸點(diǎn)組分為吸收劑，主要有溴化鋰-水和氨-水兩種。溴化鋰-水系統(tǒng)主要使用在大型工業(yè)低溫領(lǐng)域[16]，氨-水系統(tǒng)更適合小功率漁船[17]。

2 漁船尾氣吸收式制冷系統(tǒng)

氨對人體有毒害作用，當(dāng)空氣中的氨體積濃度達(dá)到0.5%～0.6%時(shí)，30 min內(nèi)人就會(huì)中毒，當(dāng)體積濃度達(dá)到15.5%～27%時(shí)就會(huì)引起爆炸[18]。因此，為了確保絕對安全，根據(jù)氨水吸收式制冷的原理，結(jié)合漁船主機(jī)布置情況，開發(fā)設(shè)計(jì)了一套間接式氨水制冷裝置，制冷循環(huán)介質(zhì)為制取冷量的制冷劑(氨)和吸收、解吸制冷劑的吸收劑(水)組成的工質(zhì)對[19]，間接制冷介質(zhì)為濃鹽水。主單元安裝在開放空間，氨不進(jìn)入魚艙盤管中。制冷系統(tǒng)氨水回路中的設(shè)備包括發(fā)生器、精餾器、冷凝器、氨液罐、毛細(xì)管、蒸發(fā)器、吸收器、溶液泵和溶液交換器等。

柴油機(jī)尾氣是裝置主要熱源，在發(fā)生器中加熱濃氨水溶液，將低沸點(diǎn)的氨蒸發(fā)出來；純氨通過分凝精餾器后進(jìn)入冷凝器，凝結(jié)成液態(tài)；經(jīng)毛細(xì)管節(jié)流降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器，吸熱蒸發(fā)，變?yōu)闅鈶B(tài)，進(jìn)入吸收器；吸收器中的氨水濃溶液由泵加壓，經(jīng)溶液熱交換器升溫后回到發(fā)生器；發(fā)生器底部的氨水稀溶液經(jīng)溶液熱交換器和節(jié)流降壓后進(jìn)入吸收器，吸收氨蒸氣；間接制冷介質(zhì)濃鹽水在蒸發(fā)器中被氨水溶液吸收熱能，循環(huán)到魚艙內(nèi)產(chǎn)生冷效應(yīng)。設(shè)計(jì)流程見圖1。為了保障安全，制冷裝置主單元安裝在駕駛層露天甲板上，氨液不會(huì)進(jìn)入居住區(qū)/機(jī)艙。

圖1 裝置流程圖

3 數(shù)學(xué)模型

在不考慮外部因素影響和系統(tǒng)管路熱力損失的情況下，系統(tǒng)無泄漏穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)建立數(shù)學(xué)模型，先得到各狀態(tài)點(diǎn)氨的溫度T、壓力P、混合狀態(tài)的摩爾分?jǐn)?shù)x/y、焓值H，再根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)能量守恒和氨組分質(zhì)量不變，進(jìn)而計(jì)算出各設(shè)備的熱負(fù)荷和系統(tǒng)制冷系數(shù)(COP)[20]。

3.1 狀態(tài)參數(shù)模型

舒爾茨(Schulz)[21]以吉布斯函數(shù)形式發(fā)表了氨水飽和氣相、飽和液相狀態(tài)方程，適用范圍在-73 ℃～177 ℃，0.980 7 kPa～2.452 0 MPa。根據(jù)熱力學(xué)原理[22-23]，可以得到：

氨水混合物氣相焓值：

(1)

氨水混合物液相焓值：

(2)

其中，舒而茨狀態(tài)方程：

TRg(1-y)gln(1-y)+TRgyglny

(3)

TRg(1-x)gln(1-x)+TRgyglnx

(4)

對比態(tài)比熵：

(5)

式中：x、y為混合液相、氣相中氨的摩爾分?jǐn)?shù)；TR為對比態(tài)溫度TR=T/Tb，T為溫度(K)，Tb為100 K；PR為對比態(tài)壓力PR=P/Pb，P為壓力

3.2 求解方程

(6)

(7)

利用牛頓迭代法，已知x、y、t、p的任意兩個(gè)可求解其余兩個(gè)參數(shù)，進(jìn)而可以得出該狀態(tài)下的焓值。

3.3 熱力平衡計(jì)算

本系統(tǒng)各組成單元進(jìn)出口總質(zhì)量平衡方程、氨組分質(zhì)量平衡方程和能量平衡方程[24]：

∑min-∑mout=0

(8)

∑(minζin)-∑(moutζout)=0

(9)

Q+W+∑(minhin)-∑(mouthout)=0

(10)

式中：Q為換熱量(kW，加入為正值)；W為泵功率(kW)；min、mout為氨水混合物流入/流出的質(zhì)量流量(kg/s)；hin、hout為氨水溶液流入/流出的比焓(kJ/kg)；ζin、ζout為流入/流出的氨水混合物中氨的摩爾分?jǐn)?shù)。

圖1中的各設(shè)備狀態(tài)：

1)發(fā)生器。發(fā)生器進(jìn)出口氨水溶液總質(zhì)量平衡，氨組分質(zhì)量平衡；吸收的煙氣熱量改變部分氨水物態(tài)，容器熱量平衡，考慮發(fā)生器散熱5%，得到：

m1+m7=m8+m13

(11)

m1ζ1+m7ζ7=m8ζ8+m13ζ13

(12)

0.95Qg=m1h1+m7h7-m8h8-m13h13

(13)

2)分凝精餾塔。精餾塔進(jìn)出口氨水溶液總質(zhì)量平衡，氨組分質(zhì)量平衡；部分氨水物態(tài)改變的散熱由冷卻水帶走，容器熱量平衡，得到：

m1=m2+m13

(14)

m1ζ1=m2ζ2+m13ζ13

(15)

Qr=m1h1-m2h2-m13h13

(16)

3)冷凝器。冷凝器進(jìn)出口氨水溶液總質(zhì)量平衡；冷卻水帶走氨液化的熱量，容器熱量平衡：

Qc=m2h2-m3h3,m2=m3

(17)

4)氨液罐。正常工作狀態(tài)下，氨液罐提供平衡和緩沖作用。

m3=m14

(18)

5)蒸發(fā)器。蒸發(fā)器中兩組循環(huán)進(jìn)出口總質(zhì)量平衡；氨水溶液吸熱，濃鹽水放熱，容器熱量平衡，考慮熱損失10%，得到：

m4=m14,m9=m10

(19)

0.9×(m4h4+m9h9)=m10h10+m14h14

(20)

6)魚艙盤管。盤管進(jìn)出口濃鹽水總質(zhì)量平衡；濃鹽水冷能在魚艙內(nèi)中釋放，得到：

Qe=m12h12-m10h10,m12=m10

(21)

7)循環(huán)泵。泵進(jìn)出口濃鹽水總質(zhì)量平衡；做功提高了濃鹽水的焓值。

W2=m9h9-m12h12,m9=m12

(22)

8)吸收器。吸收器進(jìn)出口氨水溶液總質(zhì)量平衡，氨組分質(zhì)量平衡；氨溶于水中釋放的熱能由冷卻水帶走，容器熱量平衡，得到：

m6=m4+m5

(23)

m6ζ6=m4ζ4+m5ζ5

(24)

Qa=m6h6-m4h4-m5h5

(25)

9)溶液泵。泵進(jìn)出口濃鹽水總質(zhì)量平衡；做功提高了氨水混合物的焓值。

W1=m11h11-m6h6,m6=m11

(26)

10)溶液熱交換器。高溫稀氨水與低溫濃氨水熱交換，考慮熱損失5%。

m5=m7,m11=m8

(27)

0.95×(m5h5+m8h8)=m11h11+m7h7

(28)

不考慮系統(tǒng)運(yùn)行中的氨損失，整合系統(tǒng)的總質(zhì)量平衡方程和氨組分質(zhì)量平衡方程可以得出：

η1m1=η2m8

(29)

其中，η1為精餾器效率、η2為循環(huán)系數(shù)。不考慮其他環(huán)境熱能損失，整個(gè)系統(tǒng)熱平衡方程式：

Qg+Qe+W1+W2=Qr+Qc+Qa

(30)

設(shè)定相應(yīng)狀態(tài)點(diǎn)變量參數(shù)取值，即可算出各狀態(tài)點(diǎn)濃度溫度壓力及焓值。

4 結(jié)果及分析

4.1 計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果

設(shè)計(jì)制冷量10 kW，設(shè)定尾氣進(jìn)機(jī)溫度350 ℃，冷卻水進(jìn)機(jī)溫度25 ℃，魚艙設(shè)定溫度0 ℃。輸入系統(tǒng)流體參數(shù)，如濃鹽水出蒸發(fā)器溫度，冷凝器熱端溫降，蒸發(fā)器傳熱溫升，溶液熱交換器冷端溫升，冷凝器冷卻水溫升，吸收器冷卻水溫升，精留器冷卻水溫升等。借助計(jì)算機(jī)模擬，利用牛頓弦截法迭代計(jì)算，逐一求解出各個(gè)狀態(tài)點(diǎn)的T、P、H、x/y等參數(shù)，代入平衡計(jì)算公式得到理論計(jì)算值：發(fā)生器熱負(fù)荷21.8 kW，精留器熱負(fù)荷2.4 kW，冷凝器熱負(fù)荷15 kW，吸收器熱負(fù)荷16.2 kW，蒸發(fā)器熱負(fù)荷11.2 kW，溶液熱交換器熱負(fù)荷9.3 kW，魚艙冷量10 kW。

系統(tǒng)制冷系數(shù)：

(31)

設(shè)備實(shí)船運(yùn)行時(shí)，魚艙制冷明顯，盤管上顯現(xiàn)一層冰霜。經(jīng)測量尾氣進(jìn)機(jī)溫度316 ℃，出機(jī)溫度189 ℃，魚艙冷量約7.5 kW。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，每個(gè)航次(15 d左右)可節(jié)省8～10 t冰。裝備節(jié)省了淡水消耗，在未增加能源投入的前提下節(jié)約了運(yùn)營成本。

4.2 制冷性能影響因數(shù)分析

1)發(fā)生器熱負(fù)荷影響系統(tǒng)制冷性能。在泵和冷卻水不變的情況下，改變發(fā)生器熱負(fù)荷，即煙氣量或煙氣進(jìn)出口溫差，系統(tǒng)制冷狀態(tài)將改變，得出如圖2所示的制冷量/制冷系數(shù)和發(fā)生器熱負(fù)荷的關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，隨著尾氣量的增加或出口溫差變大，發(fā)生器熱負(fù)荷增加，驅(qū)動(dòng)氨液循環(huán)的熱能增多，氨液循環(huán)加快，制冷量加大，而COP卻減小。

圖2 發(fā)生器熱負(fù)荷對制冷效果的影響

2)溶液泵功率控制裝置制冷量。發(fā)生器廢氣進(jìn)口溫度和廢氣流量是由主機(jī)工況決定的，而當(dāng)主機(jī)工況發(fā)生改變時(shí)，只有控制發(fā)生器廢氣出口溫度，才能確保發(fā)生器熱負(fù)荷穩(wěn)定，保證制冷量。通過溶液泵功率調(diào)整，改變氨循環(huán)次數(shù)，即改變單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生器中蒸發(fā)出來的氨量，穩(wěn)定制冷量。

3)冷卻水流量和溫度是系統(tǒng)運(yùn)行的保障。由公式(30)得知，冷卻水負(fù)責(zé)將吸收器吸收的熱量和蒸發(fā)器吸收的熱量帶走，當(dāng)冷卻水流量不足或冷卻水進(jìn)口水溫過高時(shí)，熱能無法順利排出，氨液利用率下降，氨循環(huán)次數(shù)減少，制冷量下降。

4.3 理論計(jì)算與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)比較分析

裝備的制冷量與理論值相差較大，分析原因如下：1)理論值時(shí)尾氣進(jìn)機(jī)溫度設(shè)定為350 ℃，而設(shè)備運(yùn)行測量尾氣進(jìn)機(jī)溫度為316 ℃，尾氣熱源量減少造成魚艙冷量減少。2)設(shè)備安裝在漁船駕駛甲板，發(fā)生器與空氣熱交換大，造成尾氣熱損失大于設(shè)定值，尾氣熱量利用率下降，制冷量下降。3)設(shè)備裝船運(yùn)行時(shí)正處于夏天，海水溫度較高，局部時(shí)段可達(dá)30 ℃，作為冷卻用水進(jìn)機(jī)溫度較高，造成熱量無法及時(shí)帶走，制冷量減少。

4.4 制冷性能偏低原因分析

根據(jù)理論分析和實(shí)船運(yùn)行，裝備的制冷性能偏低，分析原因有三：1)漁船工況復(fù)雜，主機(jī)工況不穩(wěn)定，裝置在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留裕度較大，如漁船航行工況時(shí)主機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，尾氣溫度達(dá)350 ℃，該工況是裝置的設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，實(shí)際情況卻是系統(tǒng)無法一直在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)運(yùn)行，如在拖網(wǎng)工況時(shí)主機(jī)需降功率運(yùn)行，尾氣溫度可能低于300 ℃。為了保證設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，相應(yīng)部件設(shè)計(jì)有一定的裕度，系統(tǒng)熱損耗較大。2)因魚艙內(nèi)需頻繁裝卸漁獲物，為了保證漁民在魚艙內(nèi)作業(yè)的絕對安全，系統(tǒng)選用間接式制冷，多了一道熱交換環(huán)節(jié)，確保氨不進(jìn)入魚艙內(nèi)，因此中間環(huán)節(jié)熱損失增大。3)本系統(tǒng)為單級(jí)氨水吸收式制冷，中間過程能量損失較大。設(shè)備運(yùn)行中測到吸收器冷卻水進(jìn)出口溫差較大，氨蒸氣與冷卻水熱交換量較大，后續(xù)可增加發(fā)生器—吸收器交換GAX循環(huán)[25]，將稀溶液在吸收器內(nèi)吸收氨蒸氣所釋放出的熱能為濃溶液作為部分發(fā)生熱，減少發(fā)生器熱負(fù)荷Qg。

5 結(jié)論

由于漁船主機(jī)排量小，長期以來都沒有一種有效的方法利用這部分熱能。尾氣制冷裝置將主機(jī)廢氣部分熱源回收制冷給魚艙漁獲物保鮮，既節(jié)能環(huán)保又滿足漁民要求，減少攜冰量，提高漁船單次作業(yè)時(shí)間，是發(fā)展循環(huán)利用、綠色生態(tài)漁業(yè)的有效途徑。

本文設(shè)計(jì)了一套實(shí)用性的漁船尾氣吸收式制冷系統(tǒng)，利用數(shù)學(xué)模型、理論計(jì)算分析，研究了不同輸入條件下的裝置制冷性能，并將理論數(shù)據(jù)和實(shí)船數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析原因，給出今后優(yōu)化方向。主要結(jié)論如下：

1)尾氣量或尾氣溫度發(fā)生變化時(shí)，制冷量和制冷系數(shù)成反比，一個(gè)量的增長會(huì)引起另一個(gè)量的減少。

2)氨水單級(jí)循環(huán)能量利用率低，發(fā)生器中能量流失最大，利用該部分能量為發(fā)生器中氨液加熱加壓，可提高制冷系數(shù)。

3)制冷量受發(fā)生器熱負(fù)荷、溶液泵功率和冷卻水的影響。在一定范圍內(nèi)制冷量隨著發(fā)生器熱負(fù)荷增加而增大，當(dāng)熱負(fù)荷上升到一定值后，其對制冷量的影響逐步減弱，制冷量趨向于某一臨界值；溶液泵通過控制氨液循環(huán)次數(shù)而改變制冷量，同時(shí)影響發(fā)生器熱負(fù)荷，可用于部分抵消主機(jī)工況改變引起的尾氣量和尾氣進(jìn)口溫度對制冷量的影響；冷卻水不夠會(huì)引起熱量不能被充分帶走，制冷量減少。

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