唐祥虎

( 上海海事大學，上海 201306 )

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船用輪機尾氣余熱吸附式冷管的實驗研究

唐祥虎

( 上海海事大學，上海 201306 )

[摘要]船用輪機尾氣余熱吸附式冷管實驗以船舶輪機余熱利用為背景，基于吸附制冷原理，在一支密閉管內(nèi)通過吸、脫附循環(huán)獲得冷量的吸附式制冷單元管；該冷管采用13X沸石分子篩-水工質(zhì)對，在脫附溫度為200℃，吸附溫度為12℃工況下，蒸發(fā)溫度達到了3℃，獲得了198.8KJ制冷量，有效地實現(xiàn)了輪機尾氣余熱的再利用，是一種對環(huán)境友好、沒有溫室效應和臭氧破壞勢的制冷方式，該研究具有潛在的應用價值，具有環(huán)保和節(jié)能的特點。

[關鍵詞]余熱；冷管；吸附制冷；節(jié)能環(huán)保

1引言

圖1　吸附式制冷單元管結構圖

船用輪機尾氣余熱因其再利用潛力巨大、充分利用可以有效節(jié)約化石能源等優(yōu)點，其研究和利用受到世人的關注和重視。空調(diào)制冷以及冷藏冷凍制冷是船舶運行中重要的部分，目前通常采用的是利用燃料驅動或者主機余熱驅動制冷，由于隨著石油價格上漲，船舶燃油消耗在船舶營運成本中所占的比例越來越高，加上環(huán)境污染的加劇，船舶節(jié)能問題日益引起了人們的重視。目前，在大部分商用船舶上均采用內(nèi)燃式的柴油機作為船舶主推進裝置，一艘萬噸級的遠洋船舶為例，每天消耗燃油20t左右，減少燃油消耗而利用余熱制冷可以有效的降低成本并且減少對環(huán)境的污染。

余熱冷管采用天然制冷工質(zhì)對(沸石-水)，所以它的大氣臭氧層破壞勢(ODP)和溫室效應(GWP)均為零，單支余熱冷管就是一個結構緊湊的制冷單元。相比傳統(tǒng)式制冷，吸附式制冷對能源品質(zhì)要求不高，可以使用余熱作為熱源。最早文獻報道的吸附制冷系統(tǒng)是20世紀20年代，G.E.Hulse[1]利用硅膠-二氧化硫工質(zhì)對制成的制冷系統(tǒng)用于火車貨物的冷藏。我國學者對吸附式制冷的研究主要是從上世紀80年代開始，南京大學的嚴愛珍[2]，華南理工大學的譚盈科及研究團隊[3]對吸附制冷以及制冷工質(zhì)對進行了研究，上海交通大學王如竹及研究團隊[4-5]從90年代后也作了大量的吸附式制冷研究工作，引起了有關業(yè)界的關注。

利用余熱制冷作為熱源，將復合吸附劑整體成型置于密封管內(nèi)制成余熱冷管，可以利用發(fā)動機的排除的余熱完成制冷循環(huán)，在漁船上開發(fā)余熱驅動的吸附式制冷裝置，用于冷藏保鮮或者空調(diào)制冷的研究尚屬起步階段，還沒有成熟的產(chǎn)品問世。J.Fernandez．Seara[6]等人研究了用于回收拖網(wǎng)漁船尾氣余熱的NH3-H20吸收式制冰裝置。在沸石-分子篩工質(zhì)對的漁船應用研究方面，孔祥強等[7]對燃氣內(nèi)燃機余熱驅動的吸附式制冷機組進行了實驗研究，該機組由2個解吸/吸附真空腔和1個蒸發(fā)器熱管工作腔組成，吸附工質(zhì)對為硅膠-水。實驗結果表明，當變熱源溫度65℃時吸附式制冷機組的制冷功率能夠達到變熱源溫度90℃時的63%。Hart Baoqit[8]采用吸附制冷單元管的單元管上部作為吸附床充填沸石，下部作冷凝器/蒸發(fā)器。在一個單元管含有400克沸石的情況下，用一根單元管可把l公斤的水，從24℃冷卻到2℃。王德昌[9]以硅膠-水為吸附工質(zhì)對，開發(fā)研制了一臺固體吸附式制冰機，該制冰機空調(diào)工況下設計制冷量為10kW，系統(tǒng)COP≥0.4。這些研究促進了吸附式制冷的發(fā)展。本文通過船舶輪機尾氣余熱為熱源驅動的吸附式制冷的實驗，研究余熱吸附式制冷裝置的綜合性能。

2余熱吸附式冷管工作原理

2.1單元管實驗原理

吸附式制冷單元管的結構如圖1所示，主要有吸附/脫附段、絕熱段及蒸發(fā)/冷凝段三部分組成；其中吸/脫附段長度為1.2m，中間設置壁面帶有許多小孔的吸附劑通道使得吸/脫附過程更加有效地進行，在吸附劑通道與吸附床之間填充了13X沸石分子篩吸附劑；絕熱段長度0.04m，用以減少吸附床與蒸發(fā)/冷凝段之間的傳熱；蒸發(fā)/冷凝段長度為0.76m，用于冷凝和儲存從吸附床中脫附出來的制冷劑-水及與外界換熱獲得冷量。加熱脫附過程中，吸附床中間段的溫度可由室溫上升至220℃，并持續(xù)加熱4h左右的時間，脫附出來的水蒸氣在蒸發(fā)/冷凝段由循環(huán)空氣作為冷媒冷卻；冷卻吸附過程中，吸附床由循環(huán)空氣作為冷媒從220℃冷卻至室溫，而冷凝/蒸發(fā)段的制冷劑-水蒸發(fā)產(chǎn)生冷量，冷管的循環(huán)周期為16h(其中脫附6h，吸附10h)。

根據(jù)吸附劑與制冷劑的吸附特性，即吸附能力與溫度壓力變化的特性(溫度越低吸附能力越強,溫度越高吸附能力越弱)，通過周期性交替給吸附床段用尾氣余熱加熱和用冷空氣冷卻以實現(xiàn)間歇制冷。如圖2所示：1-2-3-4過程為吸附床中進行的吸附和脫附過程，1-2-5-6為蒸發(fā)/冷凝段進行的蒸發(fā)和冷凝過程；1-2-3-4和1-2-5-6兩個循環(huán)過程均在密閉、孤立、負壓的冷管系統(tǒng)內(nèi)完成。其中：1-2-3是加熱脫附過程，隨著吸附床溫度的升高，制冷劑開始不斷脫附，吸附床內(nèi)的壓力不斷升高，當吸附床內(nèi)壓力由Pe升高至Pc時，制冷劑開始向冷凝段脫附；1-2是加熱預脫附過程，吸附床吸收熱量Qh，2-3為加熱脫附過程，吸收脫附熱Qg，2為脫附開始點，3為脫附結束點。3-4-1為冷卻吸附過程，隨著吸附床溫度的不斷降低，吸附劑開始不斷吸附，吸附床內(nèi)的壓力隨之降低，冷凝段的制冷劑不斷蒸發(fā)進入吸附床完成吸附過程；3-4為冷卻預吸附過程，吸附床放出熱量Qc，4-1為冷卻吸附過程，放出吸附熱Qad，4為吸附開始點，1為吸附結束點。2-5為脫附出來的制冷劑經(jīng)冷凝放熱Qcond進入蒸發(fā)/冷凝段的過程，6-1為制冷劑蒸發(fā)吸收熱量Qeva(即制冷量)進入吸附床的過程。

圖2　吸附式制冷循環(huán)熱力圖

2.2余熱吸附式冷管系統(tǒng)的實驗原理

船用輪機尾氣余熱吸附式冷管系統(tǒng)主要由輪機尾氣余熱模擬系統(tǒng)、冷管系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3　余熱吸附式制冷管系統(tǒng)圖1、2-風閥；3-風閥3；4-風閥4；5-鼓風機；6、7、8-真空球閥；9-水箱；10-真空泵；11-流量計；12-軸流風機；13-陶瓷加熱圈

輪機尾氣余熱模擬系統(tǒng)由陶瓷加熱圈、軸流風機、風閥和上循環(huán)風道組成，用來提供冷管脫附過程所需的熱量及冷卻吸附過程中冷卻冷管的循環(huán)空氣；冷管系統(tǒng)由單獨的冷管構成，真空泵和水箱分別用來提供系統(tǒng)所需的真空環(huán)境和制冷劑-水；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集系統(tǒng)的壓力和溫度數(shù)據(jù)；壓力測點設置于連接冷管、水箱及真空管道的交匯處；溫度數(shù)據(jù)一共設置九處T型熱電偶測點，分別是：冷管的上、中、下三處，吸附床段殼體的空氣進出口，蒸發(fā)/冷凝段殼體的空氣進出口，水箱底部和空氣溫度測點。

3實驗結果及分析

抽真空保壓過程：冷管系統(tǒng)需在一定的真空工況下運行，因此需要用真空泵對系統(tǒng)抽真空，打開真空閥6、8，接通真空泵與冷管，對系統(tǒng)抽真空至極限壓力100Pa，并維持2～3min(如圖4)，之后關閉真空閥8，對系統(tǒng)進行保壓，經(jīng)保壓24h后系統(tǒng)壓力為194Pa(如圖5)，漏氣率為3.92Pa/h，在實驗允許范圍之內(nèi)。

圖4　抽真空過程冷管內(nèi)壓力變化

圖5　保壓過程冷管內(nèi)壓力變化

圖6　填充制冷劑過程水箱及環(huán)境溫度變化

填充制冷劑過程：關閉真空閥6，接通真空閥7、8，抽除水箱內(nèi)多余的空氣，然后關閉閥8，接通閥6、7，對冷管填充制冷劑直至吸附飽和，關閉所有真空閥；填充制冷劑過程中由于需預先抽除水箱內(nèi)多余的空氣，該過程水箱內(nèi)壓力急劇降低引起其中水的快速蒸發(fā)而溫度大幅降低至最低溫度5℃，而后隨著吸附劑對水的吸附漸趨飽和，水箱溫度再次回升至室溫(如圖6)，壓力趨于此溫度下的水蒸氣分壓力(如圖7)。

圖7　填充制冷劑過程水箱壓力變化

加熱脫附過程：在加熱脫附過程中，設定溫控箱溫度280℃，接通陶瓷加熱圈和軸流風機，不斷向上風管送入循環(huán)熱空氣，直至溫度最終穩(wěn)定在220℃左右，并保持冷管接受200℃以上熱空氣加熱5～6h(如圖8)。

冷卻吸附過程：關閉溫控箱，斷開陶瓷加熱圈，繼續(xù)接通軸流風機，持續(xù)向冷管系統(tǒng)送入循環(huán)空氣，隨著吸附床冷卻吸附過程的進行，冷管的蒸發(fā)/冷凝段的溫度由于水的蒸發(fā)而逐漸降低至最低蒸發(fā)溫度3℃左右，同時進入風管的空氣被冷卻而產(chǎn)生最大時約4℃的溫降，而后隨著吸附漸趨飽和再次回升至室溫水平，吸附過程冷管蒸發(fā)段的溫度變化曲線呈“V”形(如圖9)，計算得出冷管的單位質(zhì)量吸附劑的制冷量為198.8 kJ，COP為0.0325。該試驗制冷量和制冷系數(shù)與理論值存在一定的差距導致，這些差距的原因主要有：由于系統(tǒng)的保溫性能、保溫材料的局限性以及冷管和沸石分子篩之間存在傳熱熱阻導致系統(tǒng)的傳熱損失；其次因為吸附床段和冷凝/蒸發(fā)段并非完全絕熱，由于同是不銹鋼管壁，吸附床段會有一定的熱量傳向冷凝蒸發(fā)段；再者由于系統(tǒng)需要良好的真空環(huán)境才能充分發(fā)揮吸附劑的吸附性能達到有效的制冷效用，雖然經(jīng)過保壓測試，但由于閥門和接頭的存在，而且吸附過程時間較長，運行過程中系統(tǒng)的真空性還是會受到一定程度的破壞，最終導致系統(tǒng)制冷性能降低。

圖8　脫附過程冷管上部及中部溫度變化

圖9　吸附過程冷管底部及下循環(huán)風管進、出風口溫度變化

4結論

船用輪機尾氣余熱吸附式制冷管目前研究階段的缺點是吸附劑的吸附性能較低，吸附制冷系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)效果并不理想，系統(tǒng)的制冷系數(shù)普遍較低(COP≤1)；而實驗中又會由于保溫、絕熱性能和真空性能等實際問題的存在導致系統(tǒng)的COP遠遠小于理論值，本實驗在脫附溫度為200℃，吸附環(huán)境溫度為12℃時，蒸發(fā)溫度最低達到了3℃，制冷量為198.8 kJ，COP為0.0325，遠低于理論值。

因此在吸附式制冷實用化的發(fā)展進程中，開發(fā)更高效的吸附制冷工質(zhì)對和改進吸附式制冷系統(tǒng)裝置是迫需解決的兩個關鍵問題；但其使用對環(huán)境友好無污染的制冷工質(zhì)對，無傳動部件適合船舶海上航行環(huán)境，利用余熱實現(xiàn)制冷，在船舶上采用該冷管提供空調(diào)冷量或者制冰用于低溫儲藏可以節(jié)省船舶消耗的化石能源，該研究具有潛在的應用價值，具有環(huán)保和節(jié)能的特點。

5參考文獻

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Study of Adsorption Cooling Tube Experiment with Marine Turbine Exhaust Waste Heat

TANG Xianghu

( Shanghai Maritime University，Shanghai，201306 )

Abstract：Adsorption cooling tube experiment of marine turbine exhaust waste heat is set in utilization of ship engine waste heat and based on the principle of adsorption refrigeration.It is a refrigeration unit that obtains cold quantity through the absorption and stripping cycle in a closed tube.The cooling tube uses 13X zeolite-water as adsorption working pairs which can obtain 198.8KJ cold quantity as well as 3℃ evaporating temperature in the condition of 200℃ stripping temperature and 12℃ adsorption temperature.It is a way of refrigeration reusing the turbine exhaust gas waste heat，which is friendly to the environment with its GWP&ODP=0.The study has the characteristics of environmental protection and energy saving with potential value of application.

Key words：Waste heat；Ccooling tube；Adsorption refrigeration；Energy saving and environment protection

收稿日期：2015-9-18

基金項目：上海海事大學校內(nèi)基金項目(20120094)

作者簡介：唐祥虎(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：制冷與空調(diào)的節(jié)能、蓄能技術。Email：1275373223@qq.com

文章編號：ISSN1005-9180(2016)01-006-06

中圖分類號：TQ051.8+6文獻標示碼：A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.01.002