余热冷管应用于船舶舱室空调的可行性分析

　　0引言
　　船舶在海上航行时，空调设备可为船员提供舒适的热湿环境.目前，船舶上应用的空调主要依靠柴油机发电产生电能带动压缩制冷机组.万吨级以上的远洋船舶空调系统耗电量约占船舶电网总容量的20%.
　　针对传统的压缩式制冷消耗电能的弊端和船舶在海上航行时柴油机会产生大量废气余热这一情况，利用船舶的废气余热制冷越来越受到业内学者的关注.同时，国际海运界对船舶在从事国际运输活动中排放出的大量温室气体也日益关注.国内学者对吸附式制冷的研究主要是从20世纪80年代开始的.严爱珍等对吸附式制冷以及制冷工质对进行研究.WANG等也对吸附式制冷进行大量的研究.孙永明详细探讨将固体吸附式制冷技术应用在船舶制冷空调系统的可能性、发展前景及其有待解决的问题.FERNANDEZSEARA等对用于拖网渔船尾气余热回收的NH3H2O吸附式制冰装置进行研究.SHU等详细论述船舶轮机系统和余热尾气排放系统，并对吸附式制冷进行进一步的探讨.诸建良设计出一套油冷柴油机及其余热回收系统，能有效地减少热损失、增加余热回收，从而取得节油的效果.张华等和朱成剑等对余热吸附式制冷单元管进行深入研究，利用毛细管原理设计出一种新颖的余热制冷单元管，并对冷管的特性及传热机理进行深入研究.顾伟红等对国际海运温室气体减排市场机制及其不确定性进行解析，得出当前需要降低船舶温室气体排放的结论.结合之前的研究成果，本文根据目前船舶余热量特点，设计出一种新型的余热冷管和余热冷管型旋转式吸附制冷空调装置.该装置可以为船舶空调提供冷量，并且能减少船舶温室气体的排放量.
　　1余热冷管制冷原理及热力学分析
　　余热冷管是以余热作为热源，基于固体吸附制冷原理在一支密闭不锈钢管或铜管内通过吸附、脱附循环获得冷量的一种制冷单元.其制冷过程无须消耗化石能源，采用的吸附工质对为沸石水.图1为余热冷管结构，具体的结构参数见表1.
　　过程（见图2（a）），即当船舶排出的高温尾气外掠冷管吸附/脱附段，加热该段使制冷剂蒸气从吸附床中脱附出来，脱附出的制冷剂蒸气在冷凝器与空气换热冷凝成液态水，并依靠重力储存在该段；②蒸发制冷过程（见图2（b）），即利用空气或海水冷却吸附床温度，吸附剂吸附周围制冷剂蒸气，制冷剂蒸气分压下降，蒸发器的液态制冷剂开始蒸发汽化，吸收大量的汽化潜热，从而使周围空气的温度降低，向外界提供冷量.同时，吸附/脱附段内的吸附剂不断地吸附水蒸气，实现其连续的蒸发制冷，直到吸附剂吸附饱和为止.　理想的余热冷管吸附式制冷循环过程见图3，包括：吸附床等容升压（a—b）、等压脱附（b—c）、降压冷却（c—d）、等压吸附（d—a）4个热力学过程；制冷剂等压冷凝（b—e）、节流降温（e—f）、等压汽化（f—a）3个热力学过程.图3中：Qh，Qg，Qc和Qad分别为吸附床在升温、脱附、降温和吸附过程中的热量传递；Qcond  和Qre分别为制冷剂在冷凝和蒸发过程中的热量传递.
　　为简化分析，假设：（1）将吸附床内的分子筛看成是当量的均匀连续介质；
　　（2）忽略吸附床的轴向导热，只考虑沿径向的导热；
　　（3）吸附床由金属材料制成，导热性能良好，可认为外壳温度处处相等；（4）吸附器内进行的是平衡吸附，即χ=f（T1，P），其中T1为吸附温度，P为吸附压力，χ为在温度T1下对应的吸附量.
　　单位质量吸附剂的制冷循环量Δχ为吸附终了对应的吸附量χa与解析终了对应的吸附量χb之差，即Δχ=χa-χb.由DA方程，吸附量χ可表示为
　　χ=χ0·exp（-K（T1/Ts-1）n）
　　根据选用的13X水工质对，最大吸附量χ0取值为0.331，饱和温度Ts取值为70 ℃，K和n为工质对的吸附特征常数，取值分别为2.99和2.
　　每个吸附制冷循环的制冷剂循环量m=m1Δχ.若忽略制冷剂从冷凝温度下降到蒸发温度的显热，则单根冷管循环制冷功率Qre=mLe/t=m1ΔχLe/t，式中：Le为水的汽化潜热，t为单管循环一次所需时间.取T1=35 ℃，T2=300 ℃，χa=0.157 kg，χb=
　　3.168×10-15 kg，Le=2 415 kJ/kg，t=3 600 s，则Qre=42 W，其中T2为脱附温度.
　　2吸附制冷空调装置系统
　　余热冷管型旋转式吸附制冷空调装置主要由多根余热冷管组成，直接利用吸附床床体的旋转完成冷热流体的切换，无节流装置，无冷剂控制阀门，密封性好.一旦有单个制冷单元损坏，可单独更换，安装和检修方便.用不同数量余热冷管可组装成不同功率的空调器，见图4.
　　（a）纵截面
　　（b）AA线和横截面
　　1旋转式吸附床前盖板；2高温烟气入口；3冷凝空气入口；4空调空气入口；
　　5冷却空气入口；6旋转式吸附床外壁；7吸附式制冷单元；8绝热层；
　　9法兰；10旋转式吸附床后盖板；11高温烟气出口；
　　12冷凝空气出口；13旋转轴；14空调空气出口；15冷却空气出口；
　　16旋转式吸附床外保护；17耐高温软刷；18绝热区
　　圆环，角度-60～90°）、脱附区（外圆环，角度90～-90°）、冷却区（外圆环，角度-90～60°）、冷凝区（内圆环，角度
　　90～-90°）、蒸发区（内圆环，角度-60～90°）、绝热区（中间圆环）.
　　余热冷管型旋转式吸附制冷空调装置（见图6）运行过程中：高温烟气先通过耐高温电子除尘器，然后进入旋转式吸附床前盖板的高温烟气入口，经过旋转式吸附床的脱附区，横掠余热冷管的脱附段，使制冷剂水蒸气脱附出来，然后高温烟气从旋转式吸附床后盖板的高温烟气出口排出；在脱附的同时，冷凝空气由风机送入旋转式吸附床前盖板的冷凝空气入口，进入旋转式吸附床的冷凝区，横掠余热冷管的冷凝段，使制冷剂水蒸气冷凝成液态水，然后冷凝空气从旋转式吸附床后盖板的冷凝空气出口排出；冷却空气由风机送入旋转式吸附床前盖板的冷却空气入口，进入旋转式吸附床的冷却区，横掠余热冷管的脱附/吸附段，使吸附床的温度下降，达到沸石分子筛的吸附温度，然后冷却空气从旋转式吸附床后盖板的冷却空气出口排出；室外空气与用户空气回风混合后，由风机送入旋转式吸附床盖板的空调空 气入口，进入旋转式吸附床的蒸发区，横掠余热冷管的蒸发段，使液态制冷剂水汽化，从而带走大量的汽化潜热，使空调空气的温度降低，然后从旋转式吸附床盖板的空调空气出口流出，进入空调加湿器，再送入用户.
　　1高温余热烟气；2电子除尘器；3经过旋转式吸附床排出的高温烟气；4冷凝空气；5经过旋转式吸附床排出的冷凝空气；6冷却空气；7经过旋转式吸附床排出的冷却空气；8室外空气；9空气回风；
　　10室外空气与用户空气回风混合后形成混合空气；11空气加湿；
　　12用户；13余热冷管型旋转式吸附制冷空调装置
　　3余热冷管在船舶舱室的可行性及经济效益分析
　　船舶余热量大、温度高，便于回收利用.散货船的设计航速一般为14～15 kn，一艘载质量10万t的散货船的余热量可达几千千瓦，排气温度约为300 ℃，排气的质量流量约为每小时几万千克.由此可见，船舶余热量丰富，可利用程度高.以沸石分子筛水作为吸附工质对的固体吸附式制冷系统，其脱附温度范围为70～400 ℃，可有效地利用船舶余热作为驱动，为船舶空调提供冷能量，从而节约燃油消耗.对一个空调所需制冷量为100 kW的船舶，吸附式制冷系统项目初投资主要包括购买余热冷管及其装置的费用30万元和安装调试费用15万元；其运行维护费用主要包括船舶靠岸时对设备的检修费用2 000元/次，以及更换已损坏的余热冷管费用80元/根.具体的经济效益分析见表3.
　　按空调装置每年工作6个月计算，采用余热冷管型空调，燃油费用每年约可节省17.9万元，2～3年就可收回初投资成本.除节省燃油消耗外，余热冷管型吸附式制冷系统还可减少温室气体和硫化物的排放.燃油的“碳强度系数”为C=0.27 kg/（kW·h），按上述效率因数计算，每年可减少CO2的排放
　　制冷系统制冷系数所需余热量/kW所需输入功率/kW所需冷管数量/根每天耗油量/kg冷管造价/（元/根）燃油价格/（元/t）项目初投资/万元运行维护费用/（元/年）体积/m3　　吸附式0.25400-2 500-80-4510 00018.84
　　蒸气压缩式3.00-33.3-166-6 000205 000-
　　约73 734 m3；按燃油平均含硫量2.5%计算，每年可减少SO2的排放约1 200 kg.由此可见，余热冷管型旋转式吸附制冷空调装置应用于船舶将会产生巨大的经济效益和环保效益.
　　4结论
　　对于一个100 kW的船舶空调热负荷，大约需要这样的余热冷管2 500根.将2 500根余热冷管组装成旋转式吸附制冷空调装置，体积为18.84 m3.将该空调装置放置在万吨级的船舶上，其所占用的空间是合理的.  
　　余热冷管型旋转式吸附制冷空调装置直接利用吸附床床体的旋转，完成冷热流体的切换，无节流装置，无冷剂控制阀门，密封性好，抗震能力强，一旦有单个制冷单元损坏，可单独更换，安装和检修方便，能稳定地在摇晃环境中运行.
　　因此，将余热冷管型旋转式吸附制冷空调装置应用于船舶舱室空调系统具有广阔的前景，不仅可以降低船舶的能耗，还可以降低船舶尾气对环境的污染.
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