船舶空调利用余热制冷的热经济性分析

甘念重 李格升

（武汉理工大学能源与动力工程学院1） 武汉 430063） （武汉理工大学科技处2） 武汉 430063）

船舶主机作为船舶的动力和能源中心，仅有50%左右的热量转换成有用功，其余的热量则以各种方式被带走，如果能对这些余热加以充分利用，就能提高船舶能源的利用率.吸收式制冷空调装置是一种以低温热源为主要动力的制冷设备，其常有“火中取冷”的说法，与采用氟利昂类制冷剂的蒸汽压缩式制冷装置相比，吸收式制冷空调装置具有耗能低、运行噪声低及环保等优点［1］.在船舶柴油机动力装置中，可供吸收式制冷空调装置利用的主要余热热源有：（1）柴油机排气余热；（2）柴油机缸套冷却水余热；（3）柴油机增压空气冷却水余热.现代柴油机船舶利用余热进行工作的设备已不少见，如废气锅炉是利用了柴油机排气余热的一种设备，而海水淡化装置却是利用了柴油机缸套冷却水余热的一种节能装置.如何对柴油机船舶上剩余的废热进行充分利用，即尝试将余热作为民用船舶空调的一种新型动力，正是本文研究的目的［2］.

1 吸收式空调装置利用船舶余热的可能方式

为了保证船舶在整个使用时间内（包括航行时间和非航行时间）船舶空调的正常工作，如果完全利用主机的废热来供给热源，显然是不行的（因为在船舶锚泊期间，主机是停止工作的，而发电柴油机的余热在锚泊时又很少）.因此必须考虑使用复合型热源，以保证空调机组在任何情况下都能使用.

1.1 热水－直燃复合型机组

在航行时，主要是利用主机缸套水的余热；在停航时，主要是直燃机组通过燃烧产生的高温烟气作为加热热源.由于装置选择了2种热源，其结构较为复杂，体积相对较大，其系统原理如图1所示.

图1 热水－直燃型机组系统原理图

1.2 蒸汽－直燃复合型机组

在航行时，主要是利用主机排气余热产生的蒸汽作为加热热源；在停航时，主要是直燃机组通过燃烧产生的高温烟气作为加热热源.同样由于本装置选择了2种热源，其结构较为复杂，体积相对较大，其系统原理如图2.

1.3 混合蒸汽型机组

图2 蒸汽－直燃型机组系统原理图

即在开航时，利用废气锅炉产生的蒸汽作为加热热源；在停航时，利用燃油辅锅炉产生的蒸汽作为加热热源.其特点是：加热介质就是蒸汽，系统简单，而且在航行中遇到主机故障等原因而导致废气锅炉产气量不足时，可以很方便地启动燃油辅锅炉进行升汽补充，其系统原理如图3所示.

图3 混合蒸汽型机组系统原理图

1.4 蒸汽－电力并列型机组

即在开航时，利用废气锅炉产生的蒸汽作为加热热源；在停航时，利用电力带动的蒸气压缩式制冷机组进行制冷.装置的特点是：必须具备2套完全不同的制冷系统，管理复杂，所占空间面积大，其系统原理如图4所示.

图4 蒸汽－电力型机组系统原理图

1.5 热水－电力并列型机组

即在开航时，主要是利用主机缸套水的余热作为加热热源；在停航时，利用电力带动的蒸气压缩式制冷机组进行制冷.其特点是：必须具备两套完全不同的制冷系统，管理复杂，所占空间面积大，其系统原理如图5所示.

2 不同型式空调机组使用时的一次能耗率计算

图5 热水－电力型机组系统原理图

为了对使用不同能源和品位的制冷装置进行经济性比较，可以将不同能源的消耗量折算为同种燃料物质（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与输出的能量的比值，它代表在给定能量输出要求的情况下，系统所消耗的一次能源量的大小.PER值越小，说明该系统消耗的一次能源量越少，该装置就越经济.对仅仅在夏季产生冷量的船舶空调装置而言，PER＝Qf／QC，其中：Qf为机组的一次能源消耗量；Qc为输出的制冷量［3］.为了便于计算和讨论，确定了某远洋货轮为参照对象，其主要参数为：（1）船型，散货船；（2）航区，全球；（3）总吨，90 091t；（4）主机型号，MAN B＆W 6S70MC－C；最大持续功率（M.C.O），18 630kW；转速，91r／min；正常持续功率（C.S.O），15 835 kW；（5）船舶空调器的制冷量，100kW.

2.1 设定的计算条件

1）冷媒水的进机、出机温度分别为7℃和12℃，冷媒水泵的扬程为20m.

2）冷却水的进机、出机温度分别为32℃和38℃，冷却水泵的扬程为40m.

3）对采用热水为热源的机组，热水的进机、出机温度分别为81℃和71℃，其循环泵的扬程为20m.

4）吸收式机组放置的位置与电制式机组的位置相同.

5）冷却海水的比热容为：3.89kJ／（kg·K），主机缸套冷却水的比热容为4.2kJ／（kg·K），冷媒水的比热容为4.2kJ／（kg·K），海水的密度为1 025kg／m3.

6）制取100kW的制冷量，吸收式机组的本体耗电量约为1.8kW.

7）计算离心泵的配套功率时，泵的效率ηb＝60%，功率储备系数Km＝1.2，由泵的有效功率Pe＝ρgQH，则泵的配套功率Pm＝KmPe／η.

8）船用柴油发电机的发电效率ηd1＝45%，输电线路效率ηd2＝90%.

9）散货船的航行率α＝55%.

10）本船燃油辅锅炉的热效率ηg＝73%.

2.2 不同型式空调机组的一次能耗率计算

2.2.1 蒸汽－直燃复合型机组

1）航行时的一次能耗率 航行时采用的是蒸汽型机组，取蒸汽双效型机组的热力系数ζ＝1.2，则制冷量Q0＝100kW 时，所要的供汽热量Qg＝100／1.2＝83.3kW［4］.由于 PER＝Qf／Qc，而Qf＝Qg＋Qe，但Qg用的是余热，因此计算时应取Qg＝0，Qe是冷却水泵电功率PLe、冷媒水泵电功率Pme及机组本体电功率Pbe之和组成，而Pbe从上面的计算条件已知，即Pbe＝1.8kW.

冷却水带走的热量应为供汽热量与吸收制冷量之和，因此PLe的计算为

则：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

可以认为冷媒水所带走的热量即为吸收制冷量Q0，因此Pme的计算为

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

则：Qe＝PLe＋Pme＋Pbe＝6.15＋1.87＋1.8＝9.82kW

由于Qe是电能，将其转化为一次能源消耗为

则航行时一次能耗率为：PER1＝Qef／Qc＝24.25／100＝0.243

2）停泊时的一次能耗率 停泊时采用的是直燃机组，取其COP＝1.3，则（Qg＋Pbe）＝100／1.3＝77kW，而Pbe＝1.8kW，则Qg＝75.2kW.其冷媒泵功率同航行时的计算，即Pme＝1.87 kW，冷却水泵功率PLe的计算如下：查表得直燃型机组的耗冷却水指标为：（0.28～0.30）m3／（kW·h），制冷量为100kW时，取冷却水的流量Q＝28m3／h.则：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

则：Pme＋PLe＋Pbe＝1.87＋3.75＋1.8＝7.42kW，转化为一次能耗率为：7.42／0.45×0.9＝18.3kW.

则停泊时一次能耗率为：PER2＝（18.3＋75.2）／100＝0.935

3）营运时间内的一次能耗率 根据上述的计算，机组在船舶整个营运时间内的一次能耗率为：

2.2.2 热水 －直燃复合型机组 依照2.2.1的相似推导和计算，其营运时间内的一次能耗率PER＝0.65.

2.2.3 蒸汽 －电力并列型机组 依照2.2.1的相似推导和计算，其营运时间内的一次能耗率PER＝0.43.

2.2.4 热水 －电力并列型机组 依照2.2.1的相似推导和计算，其营运时间内的一次能耗率PER＝0.54.

2.2.5 混合蒸汽型机组 依照2.2.1的相似推导和计算，其营运时间内的一次能耗率PER＝0.94.

本轮单独使用电力型机组的一次能耗率PER＝0.658.

2.3 不同型式空调机组一次能耗率对照图

见图6所示.

图6 不同型式空调机组一次能耗率对照图

3 结 束 语

从上面的计算结果和对照图可以得出，选择蒸汽－电力并列型机组的热经济性最好，其次是热水－电力并列型机组和蒸汽－直燃复合型机组，热经济性最差的是混合蒸汽型机组.结果也证明了：吸收式制冷装置如果不能充分利用废热作为其加热热源，这种装置只能说是“节电不节能”.显然，要实现吸收式空调装置在民用船舶上的广泛应用，除考虑具体机组安装空间大小、维护管理、船舶类型及航区影响等因素以外，还必须对机组本身做一些相关的技术改进，如添加能量增强剂和使用高效传热管［5］，以提高整个机组的热效率和适用性.

［1］敖晨阳，李达仁，张 宁.船用溴化锂吸收式制冷机应用研究［J］.机电设备，2002，（2）：30－33.

［2］吴伯才.船舶柴油机余热的利用［J］.浙江海洋学院学报：自然科学版，2002，21（2）：187－190.

［3］严俊杰，黄锦涛，何茂刚.冷热电联产技术［M］.北京：化学工业出版社，2006.

［4］辛长平.溴化锂吸收式制冷机实用教程［M］.北京：电子工业出版社，2004.

［5］谭辉平.溴化锂吸收式制冷机的节能途径［J］.节能技术，2000，18（14）：16－18.