基于吸收式制冷循環(huán)的船舶余熱回收系統(tǒng)性能研究*

龍佳慶 韋超毅

（1-柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣西 柳州 5 4 5 0 0 5 2-廣西大學(xué)）

引言

在能源匱乏和環(huán)境污染嚴(yán)重的背景下，節(jié)能減排受到了各行各業(yè)的重視。遠(yuǎn)洋運(yùn)輸是國際貿(mào)易的主要運(yùn)輸方式，船舶在消耗巨大能源的同時，其排放物對環(huán)境也造成了很大的污染。

吸收式制冷作為一種成熟的制冷技術(shù)，具有可利用廢熱、性能系數(shù)高、工質(zhì)對環(huán)境無污染的優(yōu)點(diǎn)。船舶余熱資源豐富，如果能將陸地技術(shù)成果船用化，對節(jié)能、環(huán)保無疑將具有重大意義[1]。對于所研究的瓦錫蘭12RTA96C發(fā)動機(jī)，在船舶以100%CMCR（最大可持續(xù)功率）的工況下運(yùn)行時，燃油輸出功占49.3%[2]，其他熱量均以廢氣、冷卻水、增壓后空氣、潤滑油等廢熱的形式向環(huán)境大氣中釋放，不僅浪費(fèi)資源，并且對環(huán)境造成了不良的影響。余熱回收利用技術(shù)是通過不同的措施對廢熱加以回收，轉(zhuǎn)化為有用的電能、熱能和冷能。目前，研究較多的余熱回收利用技術(shù)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[3]等。對于柴油機(jī)，廢氣的溫度高、能量多，是進(jìn)行余熱回收的主要對象。而關(guān)于發(fā)動機(jī)增壓空氣余熱回收的報道比較少。

在海上執(zhí)行遠(yuǎn)航任務(wù)時，為滿足船舶上的日常生活需求，制冷是必不可少的。制冷不僅可以保證船舶上食物的新鮮，還可以在溫度較高的環(huán)境下保障船員舒適性。目前，船舶上的制冷很多是通過輔機(jī)來提供，這樣不僅會增加成本，而且也減少了航行里程數(shù)。吸收式制冷循環(huán)可以利用熱量來轉(zhuǎn)換成冷量。Kececiler等[4]指出溫度范圍為50～200℃的熱源來驅(qū)動吸收式制冷系統(tǒng)很有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。另外有報道指出溫度為68～93℃的地?zé)崮芑蛘咛柲芏伎梢允褂糜隍?qū)動吸收式制冷系統(tǒng)[5]。船舶柴油機(jī)冷卻水出口水溫一般在80～90℃之間，可用來作為吸收式系統(tǒng)的驅(qū)動熱源，在不增加額外能量的情況下滿足船舶的制冷需求。

本文針對船舶柴油機(jī)增壓空氣的余熱品位低的特點(diǎn)，選取了吸收式制冷循環(huán)來匹配低溫特性，深入研究了吸收式制冷循環(huán)的工作原理和熱力學(xué)原理，基于 EES（Engineering Equation Solver）軟件開發(fā)了其工作及系統(tǒng)性能的模擬程序，研究不同熱源溫度對吸收式制冷循環(huán)的性能影響規(guī)律，為回收利用柴油機(jī)增壓空氣余熱提供數(shù)據(jù)分析和理論支持。

1 系統(tǒng)介紹及模型建立

在本研究中，采用單級的氨-水吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)來回收船舶發(fā)動機(jī)增壓空氣的能量，其工作原理如圖1所示。

圖1 增壓空氣驅(qū)動的氨-水吸收式制冷余熱回收系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，發(fā)生器是氨水與增壓空氣換熱的部件。濃氨水溶液進(jìn)入發(fā)生器后，溶液的溫度上升后氨氣從溶液中分離出來，分離出來的氨氣進(jìn)入冷凝器中釋放熱量的同時被冷凝成液體氨，經(jīng)過節(jié)流閥后變成低溫低壓的流體，隨后在蒸發(fā)器中吸收環(huán)境熱量并產(chǎn)生制冷效應(yīng)，從蒸發(fā)器出來的氨氣進(jìn)入發(fā)生器出來的稀溶液重新組成濃氨水溶液，經(jīng)過循環(huán)泵后重新進(jìn)入發(fā)生器中，整個循環(huán)結(jié)束。為了節(jié)省加熱濃溶液的熱量，提高整個裝置的熱效率，在系統(tǒng)中增加了一個溶液換熱器SHX，讓發(fā)生器流出的高溫稀溶液與吸收器流出的低溫濃溶液進(jìn)行熱交換，提高稀溶液進(jìn)入發(fā)生器的溫度。發(fā)動機(jī)各工況點(diǎn)下增壓空氣的熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 發(fā)動機(jī)各工況點(diǎn)下增壓空氣的熱力學(xué)參數(shù)

本研究采用EES模擬軟件對吸收式制冷循環(huán)進(jìn)行了計算分析。在保證模擬計算準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，為簡化計算做了以下假設(shè)：

1）進(jìn)入冷凝器的氣體為純氨氣；

2）流體經(jīng)過節(jié)流閥為等焓過程；

3）從蒸發(fā)器中出來的氨氣被稀氨水溶液完全吸收。

在建立模型前對運(yùn)行參數(shù)做了設(shè)置，如表2所示。

表2 系統(tǒng)邊界條件

系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，氨水溶液在工作過程中會出現(xiàn)能量的交換以及氨和水的相變現(xiàn)象。因此，系統(tǒng)模型是以能量守恒和質(zhì)量守恒來建立的，系統(tǒng)各主要部件模型如下：

發(fā)生器（過程：7→1，8）：

冷凝器（過程：1→2）：

蒸發(fā)器（過程：3→4）：

在這個過程中制冷劑從環(huán)境中吸收熱量，在蒸發(fā)器中蒸發(fā)變成氣態(tài)。

吸收器（過程：4，10→5）：

從蒸發(fā)器中出來的氣態(tài)制冷劑進(jìn)入吸收器以后，被從溶液換熱器出來的稀溶液吸收后重新變成了濃溶液。

泵 2（5→6）：

循環(huán)中的溶液泵是由電來驅(qū)動的，泵消耗的電量可以表示為溶液在泵后與泵前能量的差值，同時應(yīng)該考慮泵的效率。

溶液交換器（過程：6→7，8→9）：

制冷能效系數(shù)COP通常用來評價制冷系統(tǒng)的性能。COP定義為制冷量與所消耗的能量的比值。

式中：m 為質(zhì)量，Q 為熱量，h為焓，a、b、c均為濃度，T為溫度，ε為溶液交換器的效率，η表示泵的效率。下標(biāo)中g(shù)en表示發(fā)生器，eva表示蒸發(fā)器，cond表示冷凝器，p表示泵。

2 結(jié)果分析

由于氨水溶液中氨和水的沸點(diǎn)相差不大，在實(shí)際應(yīng)用過程中，氨水在發(fā)生器中被加熱時，有一部分水會隨氨一起蒸發(fā)出來。圖2顯示了在不同發(fā)動機(jī)工況點(diǎn)下，不同發(fā)生器出口處氣體中氨的濃度變化趨勢。從圖中可以看出，氨的濃度在不同發(fā)動機(jī)工況下變化不大，而主要受到發(fā)生溫度的影響較大。隨著發(fā)生溫度的增加，氨的濃度也在增大。這是由于在氨水這種二元溶液中，液體中低沸點(diǎn)氨先被蒸發(fā)出來，隨著發(fā)生溫度逐漸升高，水蒸氣的數(shù)量增多，導(dǎo)致了氨的含量也逐漸減少。針對這樣的現(xiàn)象，發(fā)生器出口處的氣體在進(jìn)入冷凝器之前需采用精餾裝置，獲得較純的氨蒸汽，避免水蒸氣在節(jié)流降壓過程中結(jié)冰，從而保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

圖2 發(fā)生器出口氣體中氨的濃度

氨水在不同的溫度和壓力下，其飽和濃度是不相同的。從發(fā)生器出口的稀氨水都是飽和氨水溶液，由于發(fā)生壓力不變，影響稀氨水的飽和濃度影響的主要是發(fā)生溫度。如圖3所示，隨著發(fā)生溫度的增大，稀溶液的飽和濃度降低。這是由于隨著發(fā)生溫度的增加，從溶液中分離出來的氨氣量增加，從而導(dǎo)致了稀溶液濃度的降低。

圖3 發(fā)生器出口處稀溶液中氨的濃度

圖4為氨水濃溶液的質(zhì)量流量在不同工況下隨著發(fā)生溫度的變化規(guī)律圖。如圖所示，氨水濃溶液的流量是隨著發(fā)生溫度的增加而減小的。這是由于在同一發(fā)動機(jī)工況下，增壓空氣作為吸收式制冷循環(huán)的熱源，其質(zhì)量和溫度都是固定的。因此，要使得發(fā)生溫度升高，則氨水濃溶液的流量會減小。換言之，可通過控制發(fā)生器中濃氨水的流量來控制發(fā)生溫度的大小。此外還可以看出，在相同的發(fā)生溫度下，發(fā)動機(jī)的負(fù)荷越大，增壓空氣的溫度、壓力和流量都越大，其換熱量也越大，氨水濃溶液的質(zhì)量流量也越大。

圖4 氨水濃溶液的質(zhì)量流量

系統(tǒng)制冷量是評價吸收式制冷循環(huán)最重要的評價參數(shù)之一，制冷量的大小直接影響著能否滿足制冷需求。在吸收式制冷循環(huán)中，制冷量大小主要決定于分離出來的氨氣量如圖5所示，在相同的發(fā)動機(jī)工況下，制冷量隨著發(fā)生溫度的增加而減小。這是由于在熱源參數(shù)固定的情況下，發(fā)生溫度增加后，雖然其單位溶液所分離出來的氨氣量增加，但進(jìn)入發(fā)生器的濃氨水溶液的流量減小，從發(fā)生器中分離出來的總氨氣的數(shù)量減小了，因此其制冷量減小。此外從圖中還可以得知，在相同的發(fā)生溫度下，發(fā)動機(jī)的負(fù)荷越大，增壓空氣的溫度、壓力和流量都越大，所以換熱量增多，系統(tǒng)的制冷量也隨之增大。在110%負(fù)荷下，由增壓空氣驅(qū)動的吸收式制冷系統(tǒng)的制冷量最高可達(dá)20000 kW，可滿足船舶上所需的制冷需求。

圖5 系統(tǒng)制冷量

制冷系數(shù)COP值是用來評價制冷系統(tǒng)性能的一個重要參數(shù)，即所能實(shí)現(xiàn)的制冷量與輸入能量的比值。在相同工況下，COP越大說明其能量的利用效率越高。從圖6中可以看出在相同的發(fā)動機(jī)工況下，隨著發(fā)生溫度的升高，COP值減小。這是由于在相同的發(fā)生壓力下，隨著發(fā)生溫度的增加，分離的氨蒸氣平均過熱度增加，雖然單位濃溶液所產(chǎn)生的氨氣蒸汽量增多，但是濃氨水的流量會有所降低，產(chǎn)生的總氨氣量減少，制冷量也隨之降低。雖然熱源與氨水在發(fā)生器中的換熱量也變小了，但其減小的速度遠(yuǎn)小于制冷量減小的速度。

圖6 制冷能效系數(shù)COP

3 結(jié)論

本文提出了利用氨水吸收式制冷系統(tǒng)來對船舶柴油機(jī)的低品位熱源冷卻水進(jìn)行回收利用。通過對其熱力學(xué)性能進(jìn)行全面的模擬研究分析，獲得了不同發(fā)動機(jī)工況下不同發(fā)生溫度對吸收式制冷系統(tǒng)性能的影響，得到的結(jié)果歸納如下：

1）在相同壓力下氨水的飽和溶液與溫度緊密關(guān)聯(lián)。飽和濃度是隨著溫度的增加而降低。

2）在相同的發(fā)動機(jī)工況下，進(jìn)入發(fā)生器的濃氨水流量隨著發(fā)生溫度的增加而減小。

3）制冷量和COP值都是隨著熱源溫度的增加而增大的，最大值分別為20000 kW和0.71。

4）研究表明，利用氨水吸收式制冷循環(huán)是回收船舶低品位增壓空氣的有效途徑，不僅滿足了船舶的制冷要求，而且有效地降低了燃油消耗，從而降低了航運(yùn)成本。

1 沈波，潘新祥，王維偉.船舶余熱吸收式制冷空調(diào)[J].中國航海，2012，35（4）：33～36

2 Sulzer RTA 96C.Engine selection and project manual.Wartsila；June 2001

3 G.Shu，Y.Liang，H.Wei，et al.A review of waste heat recovery on two-stroke IC engine aboard ships[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，19：385~401

4 A.Kececiler，H.Acar，A.Dogan.Thermodynamic analysis of the absorption refrigeration system with geothermal energy:an experimental study[J].Energy Conversion and Management，2000，41（1）：37~48

5 D.C.Erickson.Extending the boundaries of ammonia absorption chillers[J].ASHRAE Journal 2007，49（4）：32~35