黃溫赟，趙新穎，紀毓昭，丁一鳴

(1 中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，農(nóng)業(yè)部遠洋漁船與裝備重點實驗室，上海 200092;2 海洋國家實驗室深藍漁業(yè)工程裝備技術聯(lián)合實驗室，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行保鮮以保證其品質(zhì)[1]。將漁船主機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、浪費大量制冰淡水和頻繁返航靠港加冰狀況[4-5]，同時還減少了主機尾氣的熱污染[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[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)漁船實際工況，全新一代“船用煙氣型余熱吸收式制冷機”在上海市標準漁船中開展實船運行驗證。本研究建立該系統(tǒng)的數(shù)學模型并計算其性能指標，為設備優(yōu)化提供理論基礎。

1 主機尾氣制冷

上海地區(qū)36 m標準化漁船的船舶柴油機基本是中、高速機，轉(zhuǎn)速在750～1 500 r/min，柴油機的排氣溫度高達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、柴油機本體等帶出。如不加以利用，約65%的燃油熱能將被浪費。漁船主機因為功率小，作業(yè)工況復雜，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高溫冷卻水的熱能。在不增加主機負荷的情況下，回收尾氣實現(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，就相當于制冷壓縮機的作用。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組分的蒸氣，在另一條件下又能強烈地吸收低沸點組分蒸氣，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。習慣上稱低沸點組分為制冷劑，高沸點組分為吸收劑，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，當空氣中的氨體積濃度達到0.5%～0.6%時，30 min內(nèi)人就會中毒，當體積濃度達到15.5%～27%時就會引起爆炸[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)合漁船主機布置情況，開發(fā)設計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，氨不進入魚艙盤管中。制冷系統(tǒng)氨水回路中的設備包括發(fā)生器、精餾器、冷凝器、氨液罐、毛細管、蒸發(fā)器、吸收器、溶液泵和溶液交換器等。

柴油機尾氣是裝置主要熱源，在發(fā)生器中加熱濃氨水溶液，將低沸點的氨蒸發(fā)出來；純氨通過分凝精餾器后進入冷凝器，凝結(jié)成液態(tài)；經(jīng)毛細管節(jié)流降壓后進入蒸發(fā)器，吸熱蒸發(fā)，變?yōu)闅鈶B(tài)，進入吸收器；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。設計流程見圖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，氨液不會進入居住區(qū)/機艙。

圖1 裝置流程圖

3 數(shù)學模型

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)定運行時建立數(shù)學模型，先得到各狀態(tài)點氨的溫度T、壓力P、混合狀態(tài)的摩爾分數(shù)x/y、焓值H，再根據(jù)整個系統(tǒng)能量守恒和氨組分質(zhì)量不變，進而計算出各設備的熱負荷和系統(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、氣相中氨的摩爾分數(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的任意兩個可求解其余兩個參數(shù)，進而可以得出該狀態(tài)下的焓值。

3.3 熱力平衡計算

本系統(tǒng)各組成單元進出口總質(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數(shù)。

圖1中的各設備狀態(tài)：

1)發(fā)生器。發(fā)生器進出口氨水溶液總質(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，整個系統(tǒng)熱平衡方程式：

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

(30)

設定相應狀態(tài)點變量參數(shù)取值，即可算出各狀態(tài)點濃度溫度壓力及焓值。

4 結(jié)果及分析

4.1 計算和試驗結(jié)果

設計制冷量10 kW，設定尾氣進機溫度350 ℃，冷卻水進機溫度25 ℃，魚艙設定溫度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。借助計算機模擬，利用牛頓弦截法迭代計算，逐一求解出各個狀態(tài)點的T、P、H、x/y等參數(shù)，代入平衡計算公式得到理論計算值：發(fā)生器熱負荷21.8 kW，精留器熱負荷2.4 kW，冷凝器熱負荷15 kW，吸收器熱負荷16.2 kW，蒸發(fā)器熱負荷11.2 kW，溶液熱交換器熱負荷9.3 kW，魚艙冷量10 kW。

系統(tǒng)制冷系數(shù)：

(31)

設備實船運行時，魚艙制冷明顯，盤管上顯現(xiàn)一層冰霜。經(jīng)測量尾氣進機溫度316 ℃，出機溫度189 ℃，魚艙冷量約7.5 kW。經(jīng)統(tǒng)計，系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，每個航次(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)約了運營成本。

4.2 制冷性能影響因數(shù)分析

1)發(fā)生器熱負荷影響系統(tǒng)制冷性能。在泵和冷卻水不變的情況下，改變發(fā)生器熱負荷，即煙氣量或煙氣進出口溫差，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)生器熱負荷的關系。在一定范圍內(nèi)，隨著尾氣量的增加或出口溫差變大，發(fā)生器熱負荷增加，驅(qū)動氨液循環(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)生器廢氣進口溫度和廢氣流量是由主機工況決定的，而當主機工況發(fā)生改變時，只有控制發(fā)生器廢氣出口溫度，才能確保發(fā)生器熱負荷穩(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)運行的保障。由公式(30)得知，冷卻水負責將吸收器吸收的熱量和蒸發(fā)器吸收的熱量帶走，當冷卻水流量不足或冷卻水進口水溫過高時，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 理論計算與實際運行參數(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)理論值時尾氣進機溫度設定為350 ℃，而設備運行測量尾氣進機溫度為316 ℃，尾氣熱源量減少造成魚艙冷量減少。2)設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定值，尾氣熱量利用率下降，制冷量下降。3)設備裝船運行時正處于夏天，海水溫度較高，局部時段可達30 ℃，作為冷卻用水進機溫度較高，造成熱量無法及時帶走，制冷量減少。

4.4 制冷性能偏低原因分析

根據(jù)理論分析和實船運行，裝備的制冷性能偏低，分析原因有三：1)漁船工況復雜，主機工況不穩(wěn)定，裝置在設計時預留裕度較大，如漁船航行工況時主機滿負荷運行，尾氣溫度達350 ℃，該工況是裝置的設計工況點，實際情況卻是系統(tǒng)無法一直在設計工況點運行，如在拖網(wǎng)工況時主機需降功率運行，尾氣溫度可能低于300 ℃。為了保證設備的穩(wěn)定性和可靠性，相應部件設計有一定的裕度，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)為單級氨水吸收式制冷，中間過程能量損失較大。設備運行中測到吸收器冷卻水進出口溫差較大，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)生器熱負荷Qg。

5 結(jié)論

由于漁船主機排量小，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。

本文設計了一套實用性的漁船尾氣吸收式制冷系統(tǒng)，利用數(shù)學模型、理論計算分析，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)和實船數(shù)據(jù)進行比較分析原因，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，制冷量和制冷系數(shù)成反比，一個量的增長會引起另一個量的減少。

2)氨水單級循環(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)生器熱負荷增加而增大，當熱負荷上升到一定值后，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，同時影響發(fā)生器熱負荷，可用于部分抵消主機工況改變引起的尾氣量和尾氣進口溫度對制冷量的影響；冷卻水不夠會引起熱量不能被充分帶走，制冷量減少。

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