張良 陳兵

【關(guān)鍵詞】船舶;余熱吸收式制冷空調(diào);設(shè)計(jì)

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)是船舶系統(tǒng)的重要組成部分，直接關(guān)系著船上人員居住環(huán)境舒適度以及傳播性疾病的防控等。而在現(xiàn)代海上運(yùn)輸事業(yè)飛速發(fā)展的大背景下，船舶數(shù)量不斷增大，船舶運(yùn)輸量也顯著擴(kuò)增，使得海洋污染問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)峻，因此必須對(duì)傳統(tǒng)的污染較為嚴(yán)重的船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化和完善。其中余熱吸收式制冷空調(diào)是具有高度可行性、能源利用效率高、環(huán)境污染小的全新空調(diào)技術(shù)，其對(duì)船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化升級(jí)有著重要意義。

一、船舶余熱吸收式制冷空調(diào)可行性研究

船舶余熱吸收式制冷空調(diào)是將氨水溶液作為工質(zhì)，其中氨作為制冷劑，水用作吸收劑。其原理在于液體氣化吸熱，由通過(guò)吸收器-發(fā)生器組的作用完成制冷循環(huán)的制冷機(jī)完成制冷。以氨水溶液作為工質(zhì)，其中低沸點(diǎn)組也就是氨作為制冷劑，利用其蒸發(fā)進(jìn)行制冷;而高沸點(diǎn)組也就是水被用作吸收劑，利用其對(duì)制冷劑蒸汽進(jìn)行吸收，實(shí)現(xiàn)工作循環(huán)。一般船舶氨水吸收式制冷機(jī)的發(fā)生器上部裝有精餾塔和分凝器，用于提升氨蒸氣純度。雖然氨水吸收式制冷機(jī)設(shè)備較為笨重，但是現(xiàn)代船舶的大型化發(fā)展較為普遍，船艙中已經(jīng)有了條件布置復(fù)雜的制冷機(jī)設(shè)備。船舶上余熱豐富，主要表現(xiàn)為柴油機(jī)排氣以及缸套冷卻水兩種形式，這些余熱可以被特制的制冷機(jī)吸收并通過(guò)固體吸附的方式實(shí)現(xiàn)制冷。在制冷原理得以有效實(shí)踐的基礎(chǔ)上，還必須確保余熱量足夠，能夠滿足船舶制冷需求。由于船舶主機(jī)通常是使用超大功率柴油機(jī)，其排煙溫度能夠達(dá)到300℃以上，甚至可以達(dá)到450℃，同時(shí)其冷卻水溫度也可達(dá)到80℃左右。此外，發(fā)電機(jī)的排煙溫度同樣可達(dá)到350℃左右，冷卻水溫度可達(dá)70℃左右，完全滿足了氨水吸收式制冷機(jī)運(yùn)行需求。

二、船舶余熱吸收式制冷空調(diào)應(yīng)用面臨的問(wèn)題

船舶空調(diào)主要用于夏季對(duì)船員生活區(qū)進(jìn)行降溫調(diào)節(jié)。由于壓縮機(jī)運(yùn)行功率一般為額定功率的40%～80%，那么可以根據(jù)空調(diào)壓縮機(jī)空調(diào)的功率與熱泵循環(huán)性能系數(shù)，計(jì)算得到船舶空調(diào)的熱負(fù)荷。再結(jié)合系統(tǒng)性能系數(shù)，可以計(jì)算得到系統(tǒng)所需驅(qū)動(dòng)熱量，同時(shí)計(jì)算排煙或冷卻水作為驅(qū)動(dòng)熱源時(shí)提供的熱能，如果發(fā)現(xiàn)提供的熱能高于系統(tǒng)所需驅(qū)動(dòng)熱量，那么就意味著相應(yīng)的船舶余熱吸收式制冷空調(diào)的建設(shè)和運(yùn)行具有可行性。運(yùn)用船舶余熱吸收式制冷空調(diào)，可以大幅提高能源的綜合利用率，更能有效節(jié)省空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行成本，具有良好的低碳環(huán)保功能，但是在實(shí)際運(yùn)用時(shí)還有不少問(wèn)題需要克服和解決。首先，船舶在水上行駛并不像在陸地上一樣平穩(wěn)，難免存在顛簸，從而會(huì)對(duì)船舶余熱吸收式制冷設(shè)備造成各種影響，如氨水循環(huán)系統(tǒng)化的發(fā)生器、蒸發(fā)器、吸收器、冷凝器等都可能因?yàn)轭嶔ざ鴮?dǎo)致運(yùn)行性能降低，甚至可能出現(xiàn)故障。而且在較為惡劣的狂風(fēng)暴雨天氣，船舶搖擺顛簸幅度較大，還可能發(fā)生吸收器溶液進(jìn)入蒸發(fā)器或者發(fā)生器溶液進(jìn)入冷凝器的情況，直接導(dǎo)致系統(tǒng)被污染和破壞，不能正常運(yùn)行。而且氨水吸收式制冷設(shè)備本身較為笨重，占地不小，再加上安裝的精餾塔、分凝器，更使得系統(tǒng)占地面積和投資成本大幅增加。而現(xiàn)代船舶雖然規(guī)模在不斷擴(kuò)大，內(nèi)部空間也在不斷增大，但是留給氨水吸收式制冷設(shè)備的空間始終有限，這在很大程度上限制了制冷量。

三、船舶余熱吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)構(gòu)建

（一）船舶余熱吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了確保船舶余熱吸收式制冷空調(diào)長(zhǎng)期處于穩(wěn)定、正常運(yùn)行狀態(tài)，必須持續(xù)不間斷地供給熱量，否則一旦熱量供給中斷，在缺乏驅(qū)動(dòng)能源的情況下整個(gè)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行都會(huì)大受影響，甚至可能給船上人員帶來(lái)生命健康威脅。不過(guò)在船舶行駛過(guò)程中，發(fā)電柴油機(jī)在正常情況下處于長(zhǎng)期連續(xù)工作狀態(tài)，其能夠持續(xù)不斷地提供高溫冷卻水作為制冷空調(diào)系統(tǒng)的能源驅(qū)動(dòng)。在設(shè)計(jì)傳播余熱吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)從能源供給出發(fā)展開(kāi)全過(guò)程的分析和研究，設(shè)計(jì)出可持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行的制冷系統(tǒng)。主機(jī)、副機(jī)缸套水作為整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能源，其需要被吸收到包含蒸餾塔的發(fā)生器中，既可以直接吸入，也可以先對(duì)其進(jìn)行蒸汽處理。發(fā)生器中的氨直接進(jìn)入到溶液熱交換器之中，實(shí)現(xiàn)熱交換，再通過(guò)節(jié)流閥或者濃氨水泵進(jìn)入到吸收器之中，最后再通過(guò)吸收器實(shí)現(xiàn)制冷。而發(fā)生器中的水則要進(jìn)入分凝器，精分凝后進(jìn)入冷凝器或與外界實(shí)現(xiàn)熱交換，又或者返回發(fā)生器之中。而冷凝器又與液氨儲(chǔ)槽直接相連，通過(guò)液氨儲(chǔ)槽進(jìn)入過(guò)冷器，再由過(guò)冷器進(jìn)入到吸收器之中。還有部分過(guò)冷器中的溶液會(huì)經(jīng)節(jié)流閥與蒸發(fā)器處理，再重新回到過(guò)冷器，最后抵達(dá)吸收器。該系統(tǒng)的運(yùn)行能夠有效實(shí)現(xiàn)制冷，改善船艙溫濕度情況。在該系統(tǒng)中還包含有鍋爐蒸汽作為輔助加熱系統(tǒng)。如果船舶處于正常定速航行狀態(tài)，那么主機(jī)和發(fā)電機(jī)缸套水完全可以滿足系統(tǒng)熱量需求。而在船舶處于機(jī)動(dòng)航行或發(fā)電機(jī)負(fù)荷不穩(wěn)定的狀況時(shí)，則需要使用鍋爐蒸汽加熱缸套水，確保能夠完全滿足系統(tǒng)熱量需求，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

針對(duì)氨水吸收式制冷空調(diào)設(shè)備應(yīng)用時(shí)存在的種種問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)需要嘗試采取各種方法進(jìn)行解決，其中新型工質(zhì)對(duì)于熱集成是具有應(yīng)用前景的兩種方式。所謂新型工質(zhì)對(duì)就是將氨-水工質(zhì)對(duì)更換為氨-硝酸鋰、氨-硫氰酸鈉等工質(zhì)對(duì)。后兩者工質(zhì)對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)差距相較氨-水工質(zhì)對(duì)而言更大，這意味著在設(shè)計(jì)和建設(shè)相應(yīng)的船舶余熱吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)時(shí)不需要使用精餾設(shè)備，大幅減小了設(shè)備占用空間體積，同時(shí)減少了設(shè)備成本。同時(shí)氨-硝酸鋰、氨-硫氰酸鈉工質(zhì)對(duì)的系統(tǒng)性能系數(shù)遠(yuǎn)高于氨—水工質(zhì)對(duì)，能夠有效提升系統(tǒng)性能。而熱集成則是通過(guò)科學(xué)設(shè)計(jì)，充分利用較熱的氣體對(duì)較冷的液體或氣體進(jìn)行加熱，盡可能減少加熱和冷卻負(fù)荷，有效提高系統(tǒng)的熱回收能力，減少投資費(fèi)用。

（二）船舶余熱吸收式制冷空調(diào)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

船舶余熱吸收式制冷空調(diào)能夠提高能源利用效率，落實(shí)低碳環(huán)保，同時(shí)節(jié)省大量制冷經(jīng)濟(jì)成本。傳統(tǒng)蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)消耗一次能源并轉(zhuǎn)化為電能實(shí)現(xiàn)制冷，能源利用率較低，通常只有50%的能量可用于柴油發(fā)電，剩下的50%作為余熱排放。而柴油發(fā)電的80%用作船舶動(dòng)力及其他用電，僅有20%用作制冷。吸收式制冷系統(tǒng)則是主要利用發(fā)電機(jī)余熱以及少量由一次能源轉(zhuǎn)化的電能共同實(shí)現(xiàn)制冷，充分利用了一次能源轉(zhuǎn)換時(shí)的50%余熱，同時(shí)其消耗的電能通常在2%左右，大幅降低了船舶電網(wǎng)負(fù)荷。具體來(lái)看，如果某2.8t貨輪安裝余熱吸收式制冷空調(diào)取代原先的空調(diào)壓縮機(jī)，空調(diào)壓縮機(jī)單機(jī)功率為40kW，蒸發(fā)溫度和冷凝溫度分別為5℃和30℃，工況制冷量為120kW，船用發(fā)電機(jī)效率為85%，柴油原動(dòng)機(jī)為50%，燃油低熱值為40780kJ/kg。那么以空調(diào)每年工作5個(gè)月，每天工作12h進(jìn)行計(jì)算，則使用余熱吸收式制冷空調(diào)每年可剩下燃油量約14956kg，同時(shí)還可減少約23286m3的CO2排放量。

結(jié)束語(yǔ)

綜上可知，現(xiàn)代船舶基本上已經(jīng)滿足余熱吸收式制冷空調(diào)安裝運(yùn)行條件，未來(lái)應(yīng)進(jìn)行船舶余熱吸收式制冷空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝，同時(shí)積極探索新型工質(zhì)對(duì)以及熱集成的應(yīng)用創(chuàng)新，不斷提高系統(tǒng)性能，充分發(fā)揮系統(tǒng)作用，為船舶提供穩(wěn)定制冷服務(wù)的同時(shí)減少經(jīng)濟(jì)成本，提高能源利用效率，減少碳排放。