基于余熱驅動的船用吸附制冷-載冷系統(tǒng)的設計研發(fā)

鄒霖庚，鄭梓敏，戴歲枝，李 敏，葉 彪

(廣東海洋大學 機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088)

船舶排煙余熱量占柴油機總余熱量的26%，溫度高達300 ℃，屬于中溫余熱，能量高，有很高的利用價值[1]。目前研究船舶余熱回收技術主要包括渦輪系統(tǒng)、朗肯循環(huán)、海水淡化、余熱制冷、溫差發(fā)電等[2]。制冷系統(tǒng)是執(zhí)行遠航和捕撈任務的船舶必配裝置，而在船舶上配置冷庫又需要消耗大量的能量，同時遠洋航行需要滿足大量的淡水需求[3]，因而通過余熱回收來同時實現(xiàn)供冷能量[4]和供海水淡化能量的組合需求，能突破余熱回收在單一應用中的局限，將具有重大的現(xiàn)實意義。

吸附式制冷是一種利用低品位熱能驅動的綠色制冷技術，特別適用于電能不足而熱能有余的場合。但就目前而言，大多數漁船采用船用壓縮制冷，需耗費大量的電能，在遠洋航行電能持續(xù)供給較為困難的情況下，吸附制冷的優(yōu)越性更為突出[5-6],但局限于現(xiàn)有吸附床傳熱傳質效果[7]。氨作為一種優(yōu)良的自然工質，由于其二級毒性而限制了其在小空間的使用，雖然已有氨-活性炭吸附式制冷的應用研究，但余熱驅動的氨吸附式制冷在船上的安全使用系統(tǒng)仍有待開發(fā)。為了突破現(xiàn)有船舶余熱回收利用中的局限，有效提高余熱回收利用率，本文開發(fā)了CaCl2-NH3吸附式余熱利用系統(tǒng)，借助CO2載冷劑系統(tǒng)[8]解決了氨在船舶上的使用問題，并改良設計了有利于熱質交換的吸附床，充分發(fā)揮吸附式制冷在船舶上使用的優(yōu)勢，結合系統(tǒng)組合設計中余熱的梯級利用，實現(xiàn)船舶余熱的高效回收。本系統(tǒng)將余熱直接驅動吸附式制冷-載冷系統(tǒng)，不同溫區(qū)的余熱驅動海水淡化系統(tǒng)，實現(xiàn)余熱的梯級利用，在實現(xiàn)余熱利用系統(tǒng)的組裝設計及船上安全使用氨制冷劑的工藝上取得突破。

1 設計原理和設計方案

船舶航行時主機會產生大量的余熱，利用這些余熱驅動船上的冷凍冷藏艙和海水淡化裝置，滿足船上貨物的低溫保存和船上人員的生活需求。本設計的組合系統(tǒng)包括CaCl2-NH3吸附制冷循環(huán)系統(tǒng)，CO2載冷劑系統(tǒng)，閃蒸海水淡化系統(tǒng)[9]，船舶余熱驅動的吸附制冷-載冷系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示。

圖1 船舶余熱驅動的吸附制冷-載冷系統(tǒng)原理示意圖

1.1 基本思路

1)利用CaCl2-NH3吸附式制冷系統(tǒng)回收漁船尾氣余熱，蒸發(fā)冷凝器用于CO2載冷劑系統(tǒng)，從而把氨循環(huán)局限在一個小空間里，降低了安全隱患，在船上實現(xiàn)“氨亦可安”。

2)吸附床出口的二次煙氣進行再次回收，在真空罐中加熱套缸冷卻水閃蒸進行海水淡化。

1.2 本系統(tǒng)的組成和運行模式

1)CaCl2-NH3吸附制冷循環(huán)。吸附床A解吸過程：柴油機尾氣加熱吸附床A，使氨開始從吸附劑中解吸出來，當制冷劑的壓力達到冷凝壓力時，電磁閥c打開，氨蒸汽經過冷凝、過冷后儲存在氨儲液器中，最后進入蒸發(fā)冷凝器中產生冷量傳遞給CO2載冷劑。吸附床B吸附過程：從蒸發(fā)冷凝器中出來的氨氣的壓力達到蒸發(fā)壓力時，電磁閥e打開，氨氣進入吸附床B，此時，海水冷卻吸附床B后吸附床溫度降低，吸附劑溫度隨之降低，使其恢復吸附性能，吸附制冷劑通過控制電磁閥來控制煙氣以及氨氣的流向，交替的切換完成整個連續(xù)循環(huán)從而達到制冷的效果。

2)CO2載冷循環(huán)。在蒸發(fā)冷凝器中氨液蒸發(fā)帶走熱量，CO2在蒸發(fā)冷凝器中被冷凝，CO2液體進入儲液器，通過CO2屏蔽泵將其送到各個庫房中相變蒸發(fā)制冷。

3)海水淡化循環(huán)。海水淡化原料取用套缸冷卻海水(60～80 ℃)，本設計中取套缸冷卻水溫度60 ℃，經過海水過濾器由海水泵d泵入真空罐，通過噴淋裝置噴淋在煙氣-水換熱器表面，煙氣不斷加熱海水讓其達到閃蒸溫度65 ℃，進而源源不斷產生水蒸氣，并在水汽凝結器表面冷凝成淡水，流入淡水箱，濃度較高的海水則排出。

2 “福遠漁7861”號遠洋漁船設計案例計算與系統(tǒng)匹配

2.1 設計條件

以“福遠漁7861”號遠洋漁船作為設計案例，其基本配置及參數條件如表1所示。

表1 “福遠漁7861”號遠洋漁船基本參數表

2.2 設計計算及系統(tǒng)匹配

2.2.1 CaCl2-NH3吸附制冷循環(huán)系統(tǒng)熱力計算

1)設計條件及熱力過程。本設計中吸附床的工作條件如下：蒸發(fā)溫度為-25 ℃，冷凝溫度為35 ℃，吸附終了溫度為40 ℃，初始解吸溫度為87 ℃，初始吸附溫度為90 ℃，解吸終了溫度為120 ℃。

查CaCl2-NH3的吸附率脫附率曲線[10]得：脫附前CaCl2對NH3的吸附率Xconc=1.05，吸附前CaCl2對NH3的吸附率Xdil=0.4，吸附式制冷運行過程的壓溫圖參考文獻[10]。

2)制冷循環(huán)計算結果。其中CaCl2-NH3基本循環(huán)理論熱力計算分析可參考文獻[11]中的計算過程，計算結果如表2所示，吸附制冷中所使用到的各點溫度匯總如表3所示。

表2 CaCl2-NH3基本熱力循環(huán)熱量表 kJ

表3 吸附系統(tǒng)循環(huán)各點參數表

2.2.2 吸附系統(tǒng)的熱力計算

1)制冷工況及制冷-吸附劑循環(huán)量的計算。吸附系統(tǒng)的制冷工況為：蒸發(fā)溫度te=-25 ℃，蒸發(fā)比焓he=1 428.30 kJ/kg，冷凝溫度tc=35 ℃，冷凝比焓hc=366.70 kJ/kg，過冷5 ℃，過冷溫度td=30 ℃，過冷比焓hd=343.03 kJ/kg。加熱煙氣消耗的負荷：Φ=qm煙cp煙(t1in-t1out)=220.3 kW，其中qm煙為煙氣質量流量，cp煙為煙氣的定壓比熱容，t1in為吸附床煙氣進口溫度，t1out為吸附床煙氣出口溫度。

由船上用冷總負荷為85 kW，假設蒸發(fā)器與載冷劑有10%的傳熱損失[5]，則氨的制冷量：ΦNH3=85/(1-10%) =95 kW,在上述工況下，氨的質量流量：qm=ΦNH3/(he-hd)=95/(1 428.30-343.03) =0.087 5 kg/s。

假設進行一個吸附循環(huán)20 min，則一個吸附循環(huán)所需的氨的質量mNH3：

考慮到不完全吸附，增加20%的富裕度，則實際充氨量：mc=105.04×1.2=126.1 kg。

所需的氯化鈣的質量：ma=mc/Xconc=126.1/1.05=120.1 kg。

2)高效吸附床的改進設計。根據參考文獻[12]，本設計對吸附床進行了改良設計，其中吸附床上腔由熱管冷凝段、彈簧型傳質管、冷卻盤管構成；吸附床下腔由熱管蒸發(fā)段[13]、煙氣通道以及折流板構成?？紤]到氯化鈣隨著時間和使用次數的增加，吸附性能下降的特點，在腔體頂部設有可拆卸法蘭組件，使整個吸附床可拆卸，同時在法蘭上部連接有溫度計、壓力表和安全閥；底板中間設有排渣口，用于排出因煙氣的進入而帶來的廢棄物。因此，增強了吸附床的傳熱、傳質效率。其結構設計示意圖如圖2所示。

圖2 吸附床結構設計示意圖

2.2.3 閃蒸制淡部分的參數選定及設計計算

以一定容量的制淡水容量為設計條件進行主要設備的匹配計算，設計條件及參數如表4所示，設計中所使用到的各點溫度匯總見表5所示。

表4 設計條件及相關設計參數的選定表

解得水汽凝結器出口溫度為thout=40.9 ℃，海水淡化裝置中各進出流體的溫度條件如表5所示。

表5 海水淡化裝置中各點參數匯總

2.2.4 各匹配設備負荷計算

1)吸附式制冷系統(tǒng)中以一個循環(huán)周期20 min匹配的冷凝器放出的熱量可按下計算：

Qc=mc(γc+CpΔt)，

(1)

式中：mc為實際充氨量126.1 kg，γc為氨的氣化潛熱1 368.0(kJ/kg)；Cp為氨的定壓比熱容2.12 kJ/(kg·K)；t為系統(tǒng)運行時最高解吸溫度(120 ℃)和冷凝溫度(35 ℃)之差。

取5%熱損失計算得Φc′=170.8 kW。

2)過冷器負荷：Φr=1.05qm(hc-hd)=2.17 kW。

設備熱負荷及傳熱面積參數匯總如表6所示。

表6 設備熱負荷及傳熱面積參數匯總表

2.2.5 CO2載冷系統(tǒng)熱力計算

載冷劑系統(tǒng)采用相變潛熱載冷，在設計與計算中所需的各基本參數條件如表7所示。

表7 CO2載冷循環(huán)基本參數選定表

若CO2載冷劑與氨溫差取4 ℃，則CO2側的溫度為-21 ℃，查得：-21 ℃時CO2的氣化潛熱γ=286.4 kJ/kg，載冷劑的質量流量可按以下公式計算：qm=P1/γ，則低溫庫中CO2載冷劑的質量流量為qm1=0.105 kg/s，同理可得，冷藏庫qm2=0.105 kg/s，高溫庫qm3=0.087 kg/s，三路載冷劑并聯(lián)，得載冷劑系統(tǒng)中總的CO2質量流量：qmCO2=qm1+qm2+qm3=0.297 kg/s，載冷劑系統(tǒng)中所需要的CO2泵、貯液器及相關的管道閥門就相應做出選擇。本系統(tǒng)其他設備如：真空系統(tǒng)設備，海水泵及其管道和閥門的設計計算和選擇可參考文獻[14]。

3 新設計系統(tǒng)與正常匹配狀態(tài)下的能耗比較與分析

根據上述余熱回收驅動的制冷—載冷系統(tǒng)能耗與原有制冷系統(tǒng)及海水淡化系統(tǒng)能耗相比，其相關數據如表8和表9所示。

表8 制冷系統(tǒng)能耗比較 kW

表9 制淡系統(tǒng)能耗比較 kW

數據分析表明，與船用正常能耗系統(tǒng)相比，本設計采用的吸附式制冷-載冷系統(tǒng)只需消耗少量電能，即可制取系統(tǒng)所需的制冷量，耗能低、效果好。同時，系統(tǒng)對煙氣進行二次回收，加熱套缸冷卻水閃蒸制淡，在提高能源利用率的同時獲取足夠的淡水，并將排氣溫度原來的325 ℃降低為149 ℃，減少了溫室效應，達到了真正的節(jié)能減排。

4 結束語

本設計的主要優(yōu)勢是利用柴油機尾氣余熱作為吸附式制冷系統(tǒng)的驅動熱源，既對環(huán)境友好，又可產生實際效益。一方面，利用船舶尾氣余熱驅動CaCl2-NH3吸附式制冷系統(tǒng)，配合CO2載冷系統(tǒng)實現(xiàn)制冷，把氨吸附制冷系統(tǒng)限制在一定空間內，有效利用了氨的熱力性能并在船上安全使用，還可以避免常規(guī)壓縮式制冷機組重量和振動給船體帶來的額外重量；另一方面，將加熱了吸附床后的二次余熱加熱套缸冷卻水，使其閃蒸，進而冷凝制淡，實現(xiàn)海水淡化，梯級利用能量，在船舶余熱回收設計及船舶輔機設計理念和思路上會有更高的應用價值。