唐祥虎

( 上海海事大學(xué)，上海 201306 )

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船用輪機(jī)尾氣余熱吸附式冷管的實(shí)驗(yàn)研究

唐祥虎

( 上海海事大學(xué)，上海 201306 )

[摘要]船用輪機(jī)尾氣余熱吸附式冷管實(shí)驗(yàn)以船舶輪機(jī)余熱利用為背景，基于吸附制冷原理，在一支密閉管內(nèi)通過(guò)吸、脫附循環(huán)獲得冷量的吸附式制冷單元管；該冷管采用13X沸石分子篩-水工質(zhì)對(duì)，在脫附溫度為200℃，吸附溫度為12℃工況下，蒸發(fā)溫度達(dá)到了3℃，獲得了198.8KJ制冷量，有效地實(shí)現(xiàn)了輪機(jī)尾氣余熱的再利用，是一種對(duì)環(huán)境友好、沒(méi)有溫室效應(yīng)和臭氧破壞勢(shì)的制冷方式，該研究具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，具有環(huán)保和節(jié)能的特點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]余熱；冷管；吸附制冷；節(jié)能環(huán)保

1引言

圖1　吸附式制冷單元管結(jié)構(gòu)圖

船用輪機(jī)尾氣余熱因其再利用潛力巨大、充分利用可以有效節(jié)約化石能源等優(yōu)點(diǎn)，其研究和利用受到世人的關(guān)注和重視?？照{(diào)制冷以及冷藏冷凍制冷是船舶運(yùn)行中重要的部分，目前通常采用的是利用燃料驅(qū)動(dòng)或者主機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)制冷，由于隨著石油價(jià)格上漲，船舶燃油消耗在船舶營(yíng)運(yùn)成本中所占的比例越來(lái)越高，加上環(huán)境污染的加劇，船舶節(jié)能問(wèn)題日益引起了人們的重視。目前，在大部分商用船舶上均采用內(nèi)燃式的柴油機(jī)作為船舶主推進(jìn)裝置，一艘萬(wàn)噸級(jí)的遠(yuǎn)洋船舶為例，每天消耗燃油20t左右，減少燃油消耗而利用余熱制冷可以有效的降低成本并且減少對(duì)環(huán)境的污染。

余熱冷管采用天然制冷工質(zhì)對(duì)(沸石-水)，所以它的大氣臭氧層破壞勢(shì)(ODP)和溫室效應(yīng)(GWP)均為零，單支余熱冷管就是一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊的制冷單元。相比傳統(tǒng)式制冷，吸附式制冷對(duì)能源品質(zhì)要求不高，可以使用余熱作為熱源。最早文獻(xiàn)報(bào)道的吸附制冷系統(tǒng)是20世紀(jì)20年代，G.E.Hulse[1]利用硅膠-二氧化硫工質(zhì)對(duì)制成的制冷系統(tǒng)用于火車(chē)貨物的冷藏。我國(guó)學(xué)者對(duì)吸附式制冷的研究主要是從上世紀(jì)80年代開(kāi)始，南京大學(xué)的嚴(yán)愛(ài)珍[2]，華南理工大學(xué)的譚盈科及研究團(tuán)隊(duì)[3]對(duì)吸附制冷以及制冷工質(zhì)對(duì)進(jìn)行了研究，上海交通大學(xué)王如竹及研究團(tuán)隊(duì)[4-5]從90年代后也作了大量的吸附式制冷研究工作，引起了有關(guān)業(yè)界的關(guān)注。

利用余熱制冷作為熱源，將復(fù)合吸附劑整體成型置于密封管內(nèi)制成余熱冷管，可以利用發(fā)動(dòng)機(jī)的排除的余熱完成制冷循環(huán)，在漁船上開(kāi)發(fā)余熱驅(qū)動(dòng)的吸附式制冷裝置，用于冷藏保鮮或者空調(diào)制冷的研究尚屬起步階段，還沒(méi)有成熟的產(chǎn)品問(wèn)世。J.Fernandez．Seara[6]等人研究了用于回收拖網(wǎng)漁船尾氣余熱的NH3-H20吸收式制冰裝置。在沸石-分子篩工質(zhì)對(duì)的漁船應(yīng)用研究方面，孔祥強(qiáng)等[7]對(duì)燃?xì)鈨?nèi)燃機(jī)余熱驅(qū)動(dòng)的吸附式制冷機(jī)組進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，該機(jī)組由2個(gè)解吸/吸附真空腔和1個(gè)蒸發(fā)器熱管工作腔組成，吸附工質(zhì)對(duì)為硅膠-水。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)變熱源溫度65℃時(shí)吸附式制冷機(jī)組的制冷功率能夠達(dá)到變熱源溫度90℃時(shí)的63%。Hart Baoqit[8]采用吸附制冷單元管的單元管上部作為吸附床充填沸石，下部作冷凝器/蒸發(fā)器。在一個(gè)單元管含有400克沸石的情況下，用一根單元管可把l公斤的水，從24℃冷卻到2℃。王德昌[9]以硅膠-水為吸附工質(zhì)對(duì)，開(kāi)發(fā)研制了一臺(tái)固體吸附式制冰機(jī)，該制冰機(jī)空調(diào)工況下設(shè)計(jì)制冷量為10kW，系統(tǒng)COP≥0.4。這些研究促進(jìn)了吸附式制冷的發(fā)展。本文通過(guò)船舶輪機(jī)尾氣余熱為熱源驅(qū)動(dòng)的吸附式制冷的實(shí)驗(yàn)，研究余熱吸附式制冷裝置的綜合性能。

2余熱吸附式冷管工作原理

2.1單元管實(shí)驗(yàn)原理

吸附式制冷單元管的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要有吸附/脫附段、絕熱段及蒸發(fā)/冷凝段三部分組成；其中吸/脫附段長(zhǎng)度為1.2m，中間設(shè)置壁面帶有許多小孔的吸附劑通道使得吸/脫附過(guò)程更加有效地進(jìn)行，在吸附劑通道與吸附床之間填充了13X沸石分子篩吸附劑；絕熱段長(zhǎng)度0.04m，用以減少吸附床與蒸發(fā)/冷凝段之間的傳熱；蒸發(fā)/冷凝段長(zhǎng)度為0.76m，用于冷凝和儲(chǔ)存從吸附床中脫附出來(lái)的制冷劑-水及與外界換熱獲得冷量。加熱脫附過(guò)程中，吸附床中間段的溫度可由室溫上升至220℃，并持續(xù)加熱4h左右的時(shí)間，脫附出來(lái)的水蒸氣在蒸發(fā)/冷凝段由循環(huán)空氣作為冷媒冷卻；冷卻吸附過(guò)程中，吸附床由循環(huán)空氣作為冷媒從220℃冷卻至室溫，而冷凝/蒸發(fā)段的制冷劑-水蒸發(fā)產(chǎn)生冷量，冷管的循環(huán)周期為16h(其中脫附6h，吸附10h)。

根據(jù)吸附劑與制冷劑的吸附特性，即吸附能力與溫度壓力變化的特性(溫度越低吸附能力越強(qiáng),溫度越高吸附能力越弱)，通過(guò)周期性交替給吸附床段用尾氣余熱加熱和用冷空氣冷卻以實(shí)現(xiàn)間歇制冷。如圖2所示：1-2-3-4過(guò)程為吸附床中進(jìn)行的吸附和脫附過(guò)程，1-2-5-6為蒸發(fā)/冷凝段進(jìn)行的蒸發(fā)和冷凝過(guò)程；1-2-3-4和1-2-5-6兩個(gè)循環(huán)過(guò)程均在密閉、孤立、負(fù)壓的冷管系統(tǒng)內(nèi)完成。其中：1-2-3是加熱脫附過(guò)程，隨著吸附床溫度的升高，制冷劑開(kāi)始不斷脫附，吸附床內(nèi)的壓力不斷升高，當(dāng)吸附床內(nèi)壓力由Pe升高至Pc時(shí)，制冷劑開(kāi)始向冷凝段脫附；1-2是加熱預(yù)脫附過(guò)程，吸附床吸收熱量Qh，2-3為加熱脫附過(guò)程，吸收脫附熱Qg，2為脫附開(kāi)始點(diǎn)，3為脫附結(jié)束點(diǎn)。3-4-1為冷卻吸附過(guò)程，隨著吸附床溫度的不斷降低，吸附劑開(kāi)始不斷吸附，吸附床內(nèi)的壓力隨之降低，冷凝段的制冷劑不斷蒸發(fā)進(jìn)入吸附床完成吸附過(guò)程；3-4為冷卻預(yù)吸附過(guò)程，吸附床放出熱量Qc，4-1為冷卻吸附過(guò)程，放出吸附熱Qad，4為吸附開(kāi)始點(diǎn)，1為吸附結(jié)束點(diǎn)。2-5為脫附出來(lái)的制冷劑經(jīng)冷凝放熱Qcond進(jìn)入蒸發(fā)/冷凝段的過(guò)程，6-1為制冷劑蒸發(fā)吸收熱量Qeva(即制冷量)進(jìn)入吸附床的過(guò)程。

圖2　吸附式制冷循環(huán)熱力圖

2.2余熱吸附式冷管系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)原理

船用輪機(jī)尾氣余熱吸附式冷管系統(tǒng)主要由輪機(jī)尾氣余熱模擬系統(tǒng)、冷管系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)三部分組成，其系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3　余熱吸附式制冷管系統(tǒng)圖1、2-風(fēng)閥；3-風(fēng)閥3；4-風(fēng)閥4；5-鼓風(fēng)機(jī)；6、7、8-真空球閥；9-水箱；10-真空泵；11-流量計(jì)；12-軸流風(fēng)機(jī)；13-陶瓷加熱圈

輪機(jī)尾氣余熱模擬系統(tǒng)由陶瓷加熱圈、軸流風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥和上循環(huán)風(fēng)道組成，用來(lái)提供冷管脫附過(guò)程所需的熱量及冷卻吸附過(guò)程中冷卻冷管的循環(huán)空氣；冷管系統(tǒng)由單獨(dú)的冷管構(gòu)成，真空泵和水箱分別用來(lái)提供系統(tǒng)所需的真空環(huán)境和制冷劑-水；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀采集系統(tǒng)的壓力和溫度數(shù)據(jù)；壓力測(cè)點(diǎn)設(shè)置于連接冷管、水箱及真空管道的交匯處；溫度數(shù)據(jù)一共設(shè)置九處T型熱電偶測(cè)點(diǎn)，分別是：冷管的上、中、下三處，吸附床段殼體的空氣進(jìn)出口，蒸發(fā)/冷凝段殼體的空氣進(jìn)出口，水箱底部和空氣溫度測(cè)點(diǎn)。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

抽真空保壓過(guò)程：冷管系統(tǒng)需在一定的真空工況下運(yùn)行，因此需要用真空泵對(duì)系統(tǒng)抽真空，打開(kāi)真空閥6、8，接通真空泵與冷管，對(duì)系統(tǒng)抽真空至極限壓力100Pa，并維持2～3min(如圖4)，之后關(guān)閉真空閥8，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保壓，經(jīng)保壓24h后系統(tǒng)壓力為194Pa(如圖5)，漏氣率為3.92Pa/h，在實(shí)驗(yàn)允許范圍之內(nèi)。

圖4　抽真空過(guò)程冷管內(nèi)壓力變化

圖5　保壓過(guò)程冷管內(nèi)壓力變化

圖6　填充制冷劑過(guò)程水箱及環(huán)境溫度變化

填充制冷劑過(guò)程：關(guān)閉真空閥6，接通真空閥7、8，抽除水箱內(nèi)多余的空氣，然后關(guān)閉閥8，接通閥6、7，對(duì)冷管填充制冷劑直至吸附飽和，關(guān)閉所有真空閥；填充制冷劑過(guò)程中由于需預(yù)先抽除水箱內(nèi)多余的空氣，該過(guò)程水箱內(nèi)壓力急劇降低引起其中水的快速蒸發(fā)而溫度大幅降低至最低溫度5℃，而后隨著吸附劑對(duì)水的吸附漸趨飽和，水箱溫度再次回升至室溫(如圖6)，壓力趨于此溫度下的水蒸氣分壓力(如圖7)。

圖7　填充制冷劑過(guò)程水箱壓力變化

加熱脫附過(guò)程：在加熱脫附過(guò)程中，設(shè)定溫控箱溫度280℃，接通陶瓷加熱圈和軸流風(fēng)機(jī)，不斷向上風(fēng)管送入循環(huán)熱空氣，直至溫度最終穩(wěn)定在220℃左右，并保持冷管接受200℃以上熱空氣加熱5～6h(如圖8)。

冷卻吸附過(guò)程：關(guān)閉溫控箱，斷開(kāi)陶瓷加熱圈，繼續(xù)接通軸流風(fēng)機(jī)，持續(xù)向冷管系統(tǒng)送入循環(huán)空氣，隨著吸附床冷卻吸附過(guò)程的進(jìn)行，冷管的蒸發(fā)/冷凝段的溫度由于水的蒸發(fā)而逐漸降低至最低蒸發(fā)溫度3℃左右，同時(shí)進(jìn)入風(fēng)管的空氣被冷卻而產(chǎn)生最大時(shí)約4℃的溫降，而后隨著吸附漸趨飽和再次回升至室溫水平，吸附過(guò)程冷管蒸發(fā)段的溫度變化曲線(xiàn)呈“V”形(如圖9)，計(jì)算得出冷管的單位質(zhì)量吸附劑的制冷量為198.8 kJ，COP為0.0325。該試驗(yàn)制冷量和制冷系數(shù)與理論值存在一定的差距導(dǎo)致，這些差距的原因主要有：由于系統(tǒng)的保溫性能、保溫材料的局限性以及冷管和沸石分子篩之間存在傳熱熱阻導(dǎo)致系統(tǒng)的傳熱損失；其次因?yàn)槲酱捕魏屠淠?蒸發(fā)段并非完全絕熱，由于同是不銹鋼管壁，吸附床段會(huì)有一定的熱量傳向冷凝蒸發(fā)段；再者由于系統(tǒng)需要良好的真空環(huán)境才能充分發(fā)揮吸附劑的吸附性能達(dá)到有效的制冷效用，雖然經(jīng)過(guò)保壓測(cè)試，但由于閥門(mén)和接頭的存在，而且吸附過(guò)程時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)的真空性還是會(huì)受到一定程度的破壞，最終導(dǎo)致系統(tǒng)制冷性能降低。

圖8　脫附過(guò)程冷管上部及中部溫度變化

圖9　吸附過(guò)程冷管底部及下循環(huán)風(fēng)管進(jìn)、出風(fēng)口溫度變化

4結(jié)論

船用輪機(jī)尾氣余熱吸附式制冷管目前研究階段的缺點(diǎn)是吸附劑的吸附性能較低，吸附制冷系統(tǒng)的傳熱傳質(zhì)效果并不理想，系統(tǒng)的制冷系數(shù)普遍較低(COP≤1)；而實(shí)驗(yàn)中又會(huì)由于保溫、絕熱性能和真空性能等實(shí)際問(wèn)題的存在導(dǎo)致系統(tǒng)的COP遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論值，本實(shí)驗(yàn)在脫附溫度為200℃，吸附環(huán)境溫度為12℃時(shí)，蒸發(fā)溫度最低達(dá)到了3℃，制冷量為198.8 kJ，COP為0.0325，遠(yuǎn)低于理論值。

因此在吸附式制冷實(shí)用化的發(fā)展進(jìn)程中，開(kāi)發(fā)更高效的吸附制冷工質(zhì)對(duì)和改進(jìn)吸附式制冷系統(tǒng)裝置是迫需解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題；但其使用對(duì)環(huán)境友好無(wú)污染的制冷工質(zhì)對(duì)，無(wú)傳動(dòng)部件適合船舶海上航行環(huán)境，利用余熱實(shí)現(xiàn)制冷，在船舶上采用該冷管提供空調(diào)冷量或者制冰用于低溫儲(chǔ)藏可以節(jié)省船舶消耗的化石能源，該研究具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，具有環(huán)保和節(jié)能的特點(diǎn)。

5參考文獻(xiàn)

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Study of Adsorption Cooling Tube Experiment with Marine Turbine Exhaust Waste Heat

TANG Xianghu

( Shanghai Maritime University，Shanghai，201306 )

Abstract：Adsorption cooling tube experiment of marine turbine exhaust waste heat is set in utilization of ship engine waste heat and based on the principle of adsorption refrigeration.It is a refrigeration unit that obtains cold quantity through the absorption and stripping cycle in a closed tube.The cooling tube uses 13X zeolite-water as adsorption working pairs which can obtain 198.8KJ cold quantity as well as 3℃ evaporating temperature in the condition of 200℃ stripping temperature and 12℃ adsorption temperature.It is a way of refrigeration reusing the turbine exhaust gas waste heat，which is friendly to the environment with its GWP&ODP=0.The study has the characteristics of environmental protection and energy saving with potential value of application.

Key words：Waste heat；Ccooling tube；Adsorption refrigeration；Energy saving and environment protection

收稿日期：2015-9-18

基金項(xiàng)目：上海海事大學(xué)校內(nèi)基金項(xiàng)目(20120094)

作者簡(jiǎn)介：唐祥虎(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：制冷與空調(diào)的節(jié)能、蓄能技術(shù)。Email：1275373223@qq.com

文章編號(hào)：ISSN1005-9180(2016)01-006-06

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ051.8+6文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

doi:10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.01.002