中小型船舶吸收式制冷应用可行性分析

王恒财

(南通市地方海事局，江苏 南通 226001)

0 引言

随着绿色发展理念的深入人心，船舶作为用能大户，充分利用船上设备的余热是节能环保的重要途径。船舶动力装置的余热通常可用于蒸汽涡轮发电装置、废气热管锅炉等。本文根据国际海事组织(IMO)中关于船舶能效规则的相关要求[1]，对船舶动力装置余热在船用吸收式制冷机方面应用的可行性进行了探讨和研究，进而提高船舶动力设备余热的利用率，达到低碳节能环保的目的[2-4]。

1 吸收式制冷工作原理

吸收式制冷技术运用了溶液的溶解度会随温度变化的原理，即低温时制冷剂溶解于吸收剂，高温时通过蒸发吸热达到循环制冷的效果。当前广泛应用的方案有：氨-水(NH3-H2O)吸收式、溴化锂-水(LiBr-H2O)吸收式。NH3-H2O工质主要应用于低温系统，LiBr-H2O工质主要应用于空调系统[5]。吸收式制冷装置主要包括制冷、吸收两个工作过程，其工作原理见图1。

2 吸收式制冷在船舶上应用的可行性分析

船上大量设备有丰富的余热，其利用的方法和途径很多，主要为辅锅炉的余热利用、柴油机排气或内循环水余热利用。本文重点讨论船上柴油机余热的应用。

柴油机的排气属于中温余热。常见的大功率柴油机排气温度可达到300～450 ℃，冷却水温度可达70～95 ℃；低速柴油机排气温度相比大功率柴油机要低，一般可达到300～400 ℃，冷却水温度可达65～80 ℃。日本神户商船大学和大阪大学工学院分别对65 000 t散货船、35 000 t集装箱船两艘所使用的大功率柴油机进行了热平衡分析[6]，其结果见表1。根据分析结果，船舶柴油机的排气余热量非常可观，其热量主要被排气和冷却水损耗。而这些损失的热量用来驱动吸收式制冷设备是足够的，也是可以实现的。

图1 吸收式制冷循环原理

3 吸收式制冷在船舶上应用方案

用船舶动力装置的余热来驱动吸收式制冷装置有多种模式：一种模式是柴油机的废气经过涡轮增压器来驱动，还可以通过柴油机的冷却水驱动，冷却水降温后又回到柴油机中继续冷却柴油机，形成一个循环；另一种更高效率的模式为柴油机的废气驱动废气锅炉产生热水，锅炉中的热水和柴油机冷却水共同驱动吸收式制冷装置进行制冷。下面分别从NH3-H2O和LiBr-H2O这两种不同工质来分析吸收式制冷循环的特点。

表1 船舶热平衡分析单位：%

热平衡65000t散货船(主机功率7500kW)35000t集装箱船(主机功率15000kW)有效能量47.048.6排气损失25.719.9增压空气冷却损失13.712.2缸套、活塞冷却损失13.117.3其他0.52.0

3.1 溴化锂吸收式制冷循环

溴化锂吸收式制冷循环原理见图2，其主要优点如下：

(1)安全可靠。因为此种工质是在真空环境运行的，不会产生爆炸等危害。

(2)环保无污染。

(3)温度适应范围广。因为LiBr沸点比水高1 000 ℃，发生器工作稳定。

(4)性能稳定，极易溶于水，不易挥发变质。

溴化锂吸收式制冷循环具有如下缺点：

(1)制冷效果弱。制冷剂的水的凝点为0 ℃，其温度不会低于5 ℃，适合用于空调系统。

(2)腐蚀性较强。因为装置中换热器的金属容易腐蚀，一般需要在工质中加入缓释剂来抑制LiBr溶液对金属的腐蚀。

(3)易受温度影响。因为溶液在发生器中达到一定温度后，会析出部分LiBr晶体，影响其制冷效果[7]。

图2 溴化锂吸收式系统流程图

3.2 氨水吸收式制冷循环

氨水吸收式制冷的工质氨和水都是天然的物质，不会对环境和大气造成污染，并且由于氨的熔点和沸点都比较低，可以得到较低的温度(最低可以制取-70 ℃的低温)，调节的范围特别广。NH3-H2O吸收式制冷的缺点是其制热能效比(COP)不如LiBr-H2O吸收式制冷；氨有毒，易爆等缺点；并且由于氨的沸点和水的沸点相差不多，使氨蒸气中容易携带大量的水，所以一定要进行精馏。这就需要在发生器后安装一个分离器，使得整个装置的体积变得很大。

NH3-H2O吸收式制冷系统见图3[5]。该系统可采用以下余热利用模式：当船舶正常定速航时，利用主机和发电机的缸套水来驱动空调；当发电机转速不均匀时或船舶工况不稳定时，就用锅炉蒸汽对缸套水进行不同程度加热去驱动空调。这样，既保证夏季工作空调系统的稳定性，也相应减少了冷凝器的热负荷。

3.3 性能比较

综上，溴化锂吸收式制冷与氨水吸收式制冷比较总结见表2。

表2溴化锂吸收式制冷和氨水吸收式制冷的比较

通过表2对比发现，LiBr-H2O吸收式制冷和NH3-H2O吸收式制冷各有利弊，符合绿色发展理念和节能环保相关要求，所以研究者们不仅致力于克服两种制冷方式各自的缺点，同时开始研究新型混合制冷剂的吸收式制冷循环。如三氟乙醇-二甲醚四甘醇作为新型工质[8]，其具有热稳定性好、无腐蚀性、安全性好、不需要精馏设备等优点。

4 存在的主要问题及解决方法

目前吸收式制冷技术在渔船上利用余热来制冰[9]，以达到保鲜渔产品的目的。制冷压缩机在其他类型船舶上应用还处在完善阶段。若要在民用船舶上广泛应用，还需要解决以下问题：

(1)船舶机舱的空间非常狭小，设备繁多，各种设备和管路非常复杂。当吸收式制冷装置出现故障时，维修空间特别小，维修难度大。因此，机舱设备安装时，要优化机舱机构。在安装制冷装置时，可将吸收式制冷装置尽量小型化，并做好定期维护工作。

(2)制冷剂和吸收剂液舱晃荡，容易使吸收剂跟随制冷剂蒸汽进入冷凝器，产生倒灌[10]。同时，由于溶液振荡造成受热不均，使浓溶液易结晶，造成制冷量迅速下降，因此，要解决这些问题，可在装置适当位置的底部安装液囊结构，或改进发生器和冷气器之间的挡板结构，增强挡板效能，或降低机组的安装高度等。

(3)装置要严格密封，以防止放置吸收剂的腐蚀和毒性；同时还可采用冷媒水进行冷量传递，也可将装置结构继续优化，将高压区与低压区分开，加强密封。

(4)热源适应能力。由于船舶所产生的余热并不是一成不变的，是随着船舶的各种状态急剧变化的，这就会影响制冷系统的输入热量[1]，因此，需要采用可靠的发生过程方式，确保其稳定可靠。

(5)作为新型的节能方式主管机关需要提前进行研究和评估。船检部门从法规的高度要及时制定检验的标准及规程，把好检验关。船员在取得适任证书的培训和考试中需要增加相应的知识点，使得船员能够迅速掌握并应用该系统的工作原理，便于后期的使用和维护。