甘念重 李格升

（武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院1） 武漢 430063） （武漢理工大學(xué)科技處2） 武漢 430063）

船舶主機(jī)作為船舶的動(dòng)力和能源中心，僅有50%左右的熱量轉(zhuǎn)換成有用功，其余的熱量則以各種方式被帶走，如果能對(duì)這些余熱加以充分利用，就能提高船舶能源的利用率.吸收式制冷空調(diào)裝置是一種以低溫?zé)嵩礊橹饕獎(jiǎng)恿Φ闹评湓O(shè)備，其常有“火中取冷”的說(shuō)法，與采用氟利昂類(lèi)制冷劑的蒸汽壓縮式制冷裝置相比，吸收式制冷空調(diào)裝置具有耗能低、運(yùn)行噪聲低及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［1］.在船舶柴油機(jī)動(dòng)力裝置中，可供吸收式制冷空調(diào)裝置利用的主要余熱熱源有：（1）柴油機(jī)排氣余熱；（2）柴油機(jī)缸套冷卻水余熱；（3）柴油機(jī)增壓空氣冷卻水余熱.現(xiàn)代柴油機(jī)船舶利用余熱進(jìn)行工作的設(shè)備已不少見(jiàn)，如廢氣鍋爐是利用了柴油機(jī)排氣余熱的一種設(shè)備，而海水淡化裝置卻是利用了柴油機(jī)缸套冷卻水余熱的一種節(jié)能裝置.如何對(duì)柴油機(jī)船舶上剩余的廢熱進(jìn)行充分利用，即嘗試將余熱作為民用船舶空調(diào)的一種新型動(dòng)力，正是本文研究的目的［2］.

1 吸收式空調(diào)裝置利用船舶余熱的可能方式

為了保證船舶在整個(gè)使用時(shí)間內(nèi)（包括航行時(shí)間和非航行時(shí)間）船舶空調(diào)的正常工作，如果完全利用主機(jī)的廢熱來(lái)供給熱源，顯然是不行的（因?yàn)樵诖板^泊期間，主機(jī)是停止工作的，而發(fā)電柴油機(jī)的余熱在錨泊時(shí)又很少）.因此必須考慮使用復(fù)合型熱源，以保證空調(diào)機(jī)組在任何情況下都能使用.

1.1 熱水－直燃復(fù)合型機(jī)組

在航行時(shí)，主要是利用主機(jī)缸套水的余熱；在停航時(shí)，主要是直燃機(jī)組通過(guò)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾鳛榧訜釤嵩?由于裝置選擇了2種熱源，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，體積相對(duì)較大，其系統(tǒng)原理如圖1所示.

圖1 熱水－直燃型機(jī)組系統(tǒng)原理圖

1.2 蒸汽－直燃復(fù)合型機(jī)組

在航行時(shí)，主要是利用主機(jī)排氣余熱產(chǎn)生的蒸汽作為加熱熱源；在停航時(shí)，主要是直燃機(jī)組通過(guò)燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾鳛榧訜釤嵩?同樣由于本裝置選擇了2種熱源，其結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，體積相對(duì)較大，其系統(tǒng)原理如圖2.

1.3 混合蒸汽型機(jī)組

圖2 蒸汽－直燃型機(jī)組系統(tǒng)原理圖

即在開(kāi)航時(shí)，利用廢氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽作為加熱熱源；在停航時(shí)，利用燃油輔鍋爐產(chǎn)生的蒸汽作為加熱熱源.其特點(diǎn)是：加熱介質(zhì)就是蒸汽，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，而且在航行中遇到主機(jī)故障等原因而導(dǎo)致廢氣鍋爐產(chǎn)氣量不足時(shí)，可以很方便地啟動(dòng)燃油輔鍋爐進(jìn)行升汽補(bǔ)充，其系統(tǒng)原理如圖3所示.

圖3 混合蒸汽型機(jī)組系統(tǒng)原理圖

1.4 蒸汽－電力并列型機(jī)組

即在開(kāi)航時(shí)，利用廢氣鍋爐產(chǎn)生的蒸汽作為加熱熱源；在停航時(shí)，利用電力帶動(dòng)的蒸氣壓縮式制冷機(jī)組進(jìn)行制冷.裝置的特點(diǎn)是：必須具備2套完全不同的制冷系統(tǒng)，管理復(fù)雜，所占空間面積大，其系統(tǒng)原理如圖4所示.

圖4 蒸汽－電力型機(jī)組系統(tǒng)原理圖

1.5 熱水－電力并列型機(jī)組

即在開(kāi)航時(shí)，主要是利用主機(jī)缸套水的余熱作為加熱熱源；在停航時(shí)，利用電力帶動(dòng)的蒸氣壓縮式制冷機(jī)組進(jìn)行制冷.其特點(diǎn)是：必須具備兩套完全不同的制冷系統(tǒng)，管理復(fù)雜，所占空間面積大，其系統(tǒng)原理如圖5所示.

2 不同型式空調(diào)機(jī)組使用時(shí)的一次能耗率計(jì)算

圖5 熱水－電力型機(jī)組系統(tǒng)原理圖

為了對(duì)使用不同能源和品位的制冷裝置進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較，可以將不同能源的消耗量折算為同種燃料物質(zhì)（如煤、油）的消耗量，即一次能耗率（primary energy rate，PER），是指一次能源消耗量與輸出的能量的比值，它代表在給定能量輸出要求的情況下，系統(tǒng)所消耗的一次能源量的大小.PER值越小，說(shuō)明該系統(tǒng)消耗的一次能源量越少，該裝置就越經(jīng)濟(jì).對(duì)僅僅在夏季產(chǎn)生冷量的船舶空調(diào)裝置而言，PER＝Qf／QC，其中：Qf為機(jī)組的一次能源消耗量；Qc為輸出的制冷量［3］.為了便于計(jì)算和討論，確定了某遠(yuǎn)洋貨輪為參照對(duì)象，其主要參數(shù)為：（1）船型，散貨船；（2）航區(qū)，全球；（3）總噸，90 091t；（4）主機(jī)型號(hào)，MAN B＆W 6S70MC－C；最大持續(xù)功率（M.C.O），18 630kW；轉(zhuǎn)速，91r／min；正常持續(xù)功率（C.S.O），15 835 kW；（5）船舶空調(diào)器的制冷量，100kW.

2.1 設(shè)定的計(jì)算條件

1）冷媒水的進(jìn)機(jī)、出機(jī)溫度分別為7℃和12℃，冷媒水泵的揚(yáng)程為20m.

2）冷卻水的進(jìn)機(jī)、出機(jī)溫度分別為32℃和38℃，冷卻水泵的揚(yáng)程為40m.

3）對(duì)采用熱水為熱源的機(jī)組，熱水的進(jìn)機(jī)、出機(jī)溫度分別為81℃和71℃，其循環(huán)泵的揚(yáng)程為20m.

4）吸收式機(jī)組放置的位置與電制式機(jī)組的位置相同.

5）冷卻海水的比熱容為：3.89kJ／（kg·K），主機(jī)缸套冷卻水的比熱容為4.2kJ／（kg·K），冷媒水的比熱容為4.2kJ／（kg·K），海水的密度為1 025kg／m3.

6）制取100kW的制冷量，吸收式機(jī)組的本體耗電量約為1.8kW.

7）計(jì)算離心泵的配套功率時(shí)，泵的效率ηb＝60%，功率儲(chǔ)備系數(shù)Km＝1.2，由泵的有效功率Pe＝ρgQH，則泵的配套功率Pm＝KmPe／η.

8）船用柴油發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率ηd1＝45%，輸電線(xiàn)路效率ηd2＝90%.

9）散貨船的航行率α＝55%.

10）本船燃油輔鍋爐的熱效率ηg＝73%.

2.2 不同型式空調(diào)機(jī)組的一次能耗率計(jì)算

2.2.1 蒸汽－直燃復(fù)合型機(jī)組

1）航行時(shí)的一次能耗率 航行時(shí)采用的是蒸汽型機(jī)組，取蒸汽雙效型機(jī)組的熱力系數(shù)ζ＝1.2，則制冷量Q0＝100kW 時(shí)，所要的供汽熱量Qg＝100／1.2＝83.3kW［4］.由于 PER＝Qf／Qc，而Qf＝Qg＋Qe，但Qg用的是余熱，因此計(jì)算時(shí)應(yīng)取Qg＝0，Qe是冷卻水泵電功率PLe、冷媒水泵電功率Pme及機(jī)組本體電功率Pbe之和組成，而Pbe從上面的計(jì)算條件已知，即Pbe＝1.8kW.

冷卻水帶走的熱量應(yīng)為供汽熱量與吸收制冷量之和，因此PLe的計(jì)算為

則：PLe＝Km· （Qg＋Q0）gH／CΔtη·1 000＝1.2×（83.3＋100）×9.8×40／3.89×6×0.6×1 000＝6.15kW

可以認(rèn)為冷媒水所帶走的熱量即為吸收制冷量Q0，因此Pme的計(jì)算為

則：Pme＝Km·Q0·gH／CΔtη·1 000＝1.2×100×9.8×20／4.2×5×0.6×1000＝1.87kW

則：Qe＝PLe＋Pme＋Pbe＝6.15＋1.87＋1.8＝9.82kW

由于Qe是電能，將其轉(zhuǎn)化為一次能源消耗為

則航行時(shí)一次能耗率為：PER1＝Qef／Qc＝24.25／100＝0.243

2）停泊時(shí)的一次能耗率 停泊時(shí)采用的是直燃機(jī)組，取其COP＝1.3，則（Qg＋Pbe）＝100／1.3＝77kW，而Pbe＝1.8kW，則Qg＝75.2kW.其冷媒泵功率同航行時(shí)的計(jì)算，即Pme＝1.87 kW，冷卻水泵功率PLe的計(jì)算如下：查表得直燃型機(jī)組的耗冷卻水指標(biāo)為：（0.28～0.30）m3／（kW·h），制冷量為100kW時(shí)，取冷卻水的流量Q＝28m3／h.則：PLe＝Km·Pe／η，Pe＝ρgQH，PLe＝Km·ρgQH／η＝1.2×1 025×9.8×28×40／0.6×103×3 600＝3.75kW

則：Pme＋PLe＋Pbe＝1.87＋3.75＋1.8＝7.42kW，轉(zhuǎn)化為一次能耗率為：7.42／0.45×0.9＝18.3kW.

則停泊時(shí)一次能耗率為：PER2＝（18.3＋75.2）／100＝0.935

3）營(yíng)運(yùn)時(shí)間內(nèi)的一次能耗率 根據(jù)上述的計(jì)算，機(jī)組在船舶整個(gè)營(yíng)運(yùn)時(shí)間內(nèi)的一次能耗率為：

2.2.2 熱水 －直燃復(fù)合型機(jī)組 依照2.2.1的相似推導(dǎo)和計(jì)算，其營(yíng)運(yùn)時(shí)間內(nèi)的一次能耗率PER＝0.65.

2.2.3 蒸汽 －電力并列型機(jī)組 依照2.2.1的相似推導(dǎo)和計(jì)算，其營(yíng)運(yùn)時(shí)間內(nèi)的一次能耗率PER＝0.43.

2.2.4 熱水 －電力并列型機(jī)組 依照2.2.1的相似推導(dǎo)和計(jì)算，其營(yíng)運(yùn)時(shí)間內(nèi)的一次能耗率PER＝0.54.

2.2.5 混合蒸汽型機(jī)組 依照2.2.1的相似推導(dǎo)和計(jì)算，其營(yíng)運(yùn)時(shí)間內(nèi)的一次能耗率PER＝0.94.

本輪單獨(dú)使用電力型機(jī)組的一次能耗率PER＝0.658.

2.3 不同型式空調(diào)機(jī)組一次能耗率對(duì)照?qǐng)D

見(jiàn)圖6所示.

圖6 不同型式空調(diào)機(jī)組一次能耗率對(duì)照?qǐng)D

3 結(jié) 束 語(yǔ)

從上面的計(jì)算結(jié)果和對(duì)照?qǐng)D可以得出，選擇蒸汽－電力并列型機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性最好，其次是熱水－電力并列型機(jī)組和蒸汽－直燃復(fù)合型機(jī)組，熱經(jīng)濟(jì)性最差的是混合蒸汽型機(jī)組.結(jié)果也證明了：吸收式制冷裝置如果不能充分利用廢熱作為其加熱熱源，這種裝置只能說(shuō)是“節(jié)電不節(jié)能”.顯然，要實(shí)現(xiàn)吸收式空調(diào)裝置在民用船舶上的廣泛應(yīng)用，除考慮具體機(jī)組安裝空間大小、維護(hù)管理、船舶類(lèi)型及航區(qū)影響等因素以外，還必須對(duì)機(jī)組本身做一些相關(guān)的技術(shù)改進(jìn)，如添加能量增強(qiáng)劑和使用高效傳熱管［5］，以提高整個(gè)機(jī)組的熱效率和適用性.

［1］敖晨陽(yáng)，李達(dá)仁，張 寧.船用溴化鋰吸收式制冷機(jī)應(yīng)用研究［J］.機(jī)電設(shè)備，2002，（2）：30－33.

［2］吳伯才.船舶柴油機(jī)余熱的利用［J］.浙江海洋學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2002，21（2）：187－190.

［3］嚴(yán)俊杰，黃錦濤，何茂剛.冷熱電聯(lián)產(chǎn)技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

［4］辛長(zhǎng)平.溴化鋰吸收式制冷機(jī)實(shí)用教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［5］譚輝平.溴化鋰吸收式制冷機(jī)的節(jié)能途徑［J］.節(jié)能技術(shù)，2000，18（14）：16－18.