邹霖庚，郑梓敏，戴岁枝，李 敏，叶 彪

(广东海洋大学 机械与动力工程学院，广东 湛江 524088)

船舶排烟余热量占柴油机总余热量的26%，温度高达300 ℃，属于中温余热，能量高，有很高的利用价值[1]。目前研究船舶余热回收技术主要包括涡轮系统、朗肯循环、海水淡化、余热制冷、温差发电等[2]。制冷系统是执行远航和捕捞任务的船舶必配装置，而在船舶上配置冷库又需要消耗大量的能量，同时远洋航行需要满足大量的淡水需求[3]，因而通过余热回收来同时实现供冷能量[4]和供海水淡化能量的组合需求，能突破余热回收在单一应用中的局限，将具有重大的现实意义。

吸附式制冷是一种利用低品位热能驱动的绿色制冷技术，特别适用于电能不足而热能有余的场合。但就目前而言，大多数渔船采用船用压缩制冷，需耗费大量的电能，在远洋航行电能持续供给较为困难的情况下，吸附制冷的优越性更为突出[5-6],但局限于现有吸附床传热传质效果[7]。氨作为一种优良的自然工质，由于其二级毒性而限制了其在小空间的使用，虽然已有氨-活性炭吸附式制冷的应用研究，但余热驱动的氨吸附式制冷在船上的安全使用系统仍有待开发。为了突破现有船舶余热回收利用中的局限，有效提高余热回收利用率，本文开发了CaCl2-NH3吸附式余热利用系统，借助CO2载冷剂系统[8]解决了氨在船舶上的使用问题，并改良设计了有利于热质交换的吸附床，充分发挥吸附式制冷在船舶上使用的优势，结合系统组合设计中余热的梯级利用，实现船舶余热的高效回收。本系统将余热直接驱动吸附式制冷-载冷系统，不同温区的余热驱动海水淡化系统，实现余热的梯级利用，在实现余热利用系统的组装设计及船上安全使用氨制冷剂的工艺上取得突破。

1 设计原理和设计方案

船舶航行时主机会产生大量的余热，利用这些余热驱动船上的冷冻冷藏舱和海水淡化装置，满足船上货物的低温保存和船上人员的生活需求。本设计的组合系统包括CaCl2-NH3吸附制冷循环系统，CO2载冷剂系统，闪蒸海水淡化系统[9]，船舶余热驱动的吸附制冷-载冷系统的原理示意图如图1所示。

图1 船舶余热驱动的吸附制冷-载冷系统原理示意图

1.1 基本思路

1)利用CaCl2-NH3吸附式制冷系统回收渔船尾气余热，蒸发冷凝器用于CO2载冷剂系统，从而把氨循环局限在一个小空间里，降低了安全隐患，在船上实现“氨亦可安”。

2)吸附床出口的二次烟气进行再次回收，在真空罐中加热套缸冷却水闪蒸进行海水淡化。

1.2 本系统的组成和运行模式

1)CaCl2-NH3吸附制冷循环。吸附床A解吸过程：柴油机尾气加热吸附床A，使氨开始从吸附剂中解吸出来，当制冷剂的压力达到冷凝压力时，电磁阀c打开，氨蒸汽经过冷凝、过冷后储存在氨储液器中，最后进入蒸发冷凝器中产生冷量传递给CO2载冷剂。吸附床B吸附过程：从蒸发冷凝器中出来的氨气的压力达到蒸发压力时，电磁阀e打开，氨气进入吸附床B，此时，海水冷却吸附床B后吸附床温度降低，吸附剂温度随之降低，使其恢复吸附性能，吸附制冷剂通过控制电磁阀来控制烟气以及氨气的流向，交替的切换完成整个连续循环从而达到制冷的效果。

2)CO2载冷循环。在蒸发冷凝器中氨液蒸发带走热量，CO2在蒸发冷凝器中被冷凝，CO2液体进入储液器，通过CO2屏蔽泵将其送到各个库房中相变蒸发制冷。

3)海水淡化循环。海水淡化原料取用套缸冷却海水(60～80 ℃)，本设计中取套缸冷却水温度60 ℃，经过海水过滤器由海水泵d泵入真空罐，通过喷淋装置喷淋在烟气-水换热器表面，烟气不断加热海水让其达到闪蒸温度65 ℃，进而源源不断产生水蒸气，并在水汽凝结器表面冷凝成淡水，流入淡水箱，浓度较高的海水则排出。

2 “福远渔7861”号远洋渔船设计案例计算与系统匹配

2.1 设计条件

以“福远渔7861”号远洋渔船作为设计案例，其基本配置及参数条件如表1所示。

表1 “福远渔7861”号远洋渔船基本参数表

2.2 设计计算及系统匹配

2.2.1 CaCl2-NH3吸附制冷循环系统热力计算

1)设计条件及热力过程。本设计中吸附床的工作条件如下：蒸发温度为-25 ℃，冷凝温度为35 ℃，吸附终了温度为40 ℃，初始解吸温度为87 ℃，初始吸附温度为90 ℃，解吸终了温度为120 ℃。

查CaCl2-NH3的吸附率脱附率曲线[10]得：脱附前CaCl2对NH3的吸附率Xconc=1.05，吸附前CaCl2对NH3的吸附率Xdil=0.4，吸附式制冷运行过程的压温图参考文献[10]。

2)制冷循环计算结果。其中CaCl2-NH3基本循环理论热力计算分析可参考文献[11]中的计算过程，计算结果如表2所示，吸附制冷中所使用到的各点温度汇总如表3所示。

表2 CaCl2-NH3基本热力循环热量表 kJ

表3 吸附系统循环各点参数表

2.2.2 吸附系统的热力计算

1)制冷工况及制冷-吸附剂循环量的计算。吸附系统的制冷工况为：蒸发温度te=-25 ℃，蒸发比焓he=1 428.30 kJ/kg，冷凝温度tc=35 ℃，冷凝比焓hc=366.70 kJ/kg，过冷5 ℃，过冷温度td=30 ℃，过冷比焓hd=343.03 kJ/kg。加热烟气消耗的负荷：Φ=qm烟cp烟(t1in-t1out)=220.3 kW，其中qm烟为烟气质量流量，cp烟为烟气的定压比热容，t1in为吸附床烟气进口温度，t1out为吸附床烟气出口温度。

由船上用冷总负荷为85 kW，假设蒸发器与载冷剂有10%的传热损失[5]，则氨的制冷量：ΦNH3=85/(1-10%) =95 kW,在上述工况下，氨的质量流量：qm=ΦNH3/(he-hd)=95/(1 428.30-343.03) =0.087 5 kg/s。

假设进行一个吸附循环20 min，则一个吸附循环所需的氨的质量mNH3：

考虑到不完全吸附，增加20%的富裕度，则实际充氨量：mc=105.04×1.2=126.1 kg。

所需的氯化钙的质量：ma=mc/Xconc=126.1/1.05=120.1 kg。

2)高效吸附床的改进设计。根据参考文献[12]，本设计对吸附床进行了改良设计，其中吸附床上腔由热管冷凝段、弹簧型传质管、冷却盘管构成；吸附床下腔由热管蒸发段[13]、烟气通道以及折流板构成。考虑到氯化钙随着时间和使用次数的增加，吸附性能下降的特点，在腔体顶部设有可拆卸法兰组件，使整个吸附床可拆卸，同时在法兰上部连接有温度计、压力表和安全阀；底板中间设有排渣口，用于排出因烟气的进入而带来的废弃物。因此，增强了吸附床的传热、传质效率。其结构设计示意图如图2所示。

图2 吸附床结构设计示意图

2.2.3 闪蒸制淡部分的参数选定及设计计算

以一定容量的制淡水容量为设计条件进行主要设备的匹配计算，设计条件及参数如表4所示，设计中所使用到的各点温度汇总见表5所示。

表4 设计条件及相关设计参数的选定表

解得水汽凝结器出口温度为thout=40.9 ℃，海水淡化装置中各进出流体的温度条件如表5所示。

表5 海水淡化装置中各点参数汇总

2.2.4 各匹配设备负荷计算

1)吸附式制冷系统中以一个循环周期20 min匹配的冷凝器放出的热量可按下计算：

Qc=mc(γc+CpΔt)，

(1)

式中：mc为实际充氨量126.1 kg，γc为氨的气化潜热1 368.0(kJ/kg)；Cp为氨的定压比热容2.12 kJ/(kg·K)；t为系统运行时最高解吸温度(120 ℃)和冷凝温度(35 ℃)之差。

取5%热损失计算得Φc′=170.8 kW。

2)过冷器负荷：Φr=1.05qm(hc-hd)=2.17 kW。

设备热负荷及传热面积参数汇总如表6所示。

表6 设备热负荷及传热面积参数汇总表

2.2.5 CO2载冷系统热力计算

载冷剂系统采用相变潜热载冷，在设计与计算中所需的各基本参数条件如表7所示。

表7 CO2载冷循环基本参数选定表

若CO2载冷剂与氨温差取4 ℃，则CO2侧的温度为-21 ℃，查得：-21 ℃时CO2的气化潜热γ=286.4 kJ/kg，载冷剂的质量流量可按以下公式计算：qm=P1/γ，则低温库中CO2载冷剂的质量流量为qm1=0.105 kg/s，同理可得，冷藏库qm2=0.105 kg/s，高温库qm3=0.087 kg/s，三路载冷剂并联，得载冷剂系统中总的CO2质量流量：qmCO2=qm1+qm2+qm3=0.297 kg/s，载冷剂系统中所需要的CO2泵、贮液器及相关的管道阀门就相应做出选择。本系统其他设备如：真空系统设备，海水泵及其管道和阀门的设计计算和选择可参考文献[14]。

3 新设计系统与正常匹配状态下的能耗比较与分析

根据上述余热回收驱动的制冷—载冷系统能耗与原有制冷系统及海水淡化系统能耗相比，其相关数据如表8和表9所示。

表8 制冷系统能耗比较 kW

表9 制淡系统能耗比较 kW

数据分析表明，与船用正常能耗系统相比，本设计采用的吸附式制冷-载冷系统只需消耗少量电能，即可制取系统所需的制冷量，耗能低、效果好。同时，系统对烟气进行二次回收，加热套缸冷却水闪蒸制淡，在提高能源利用率的同时获取足够的淡水，并将排气温度原来的325 ℃降低为149 ℃，减少了温室效应，达到了真正的节能减排。

4 结束语

本设计的主要优势是利用柴油机尾气余热作为吸附式制冷系统的驱动热源，既对环境友好，又可产生实际效益。一方面，利用船舶尾气余热驱动CaCl2-NH3吸附式制冷系统，配合CO2载冷系统实现制冷，把氨吸附制冷系统限制在一定空间内，有效利用了氨的热力性能并在船上安全使用，还可以避免常规压缩式制冷机组重量和振动给船体带来的额外重量；另一方面，将加热了吸附床后的二次余热加热套缸冷却水，使其闪蒸，进而冷凝制淡，实现海水淡化，梯级利用能量，在船舶余热回收设计及船舶辅机设计理念和思路上会有更高的应用价值。