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基于余熱驅(qū)動(dòng)的船用吸附制冷-載冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)

2019-06-13 09:16鄒霖庚鄭梓敏戴歲枝
中國修船 2019年3期
關(guān)鍵詞:制冷系統(tǒng)淡化余熱

鄒霖庚,鄭梓敏,戴歲枝,李 敏,葉 彪

(廣東海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,廣東 湛江 524088)

船舶排煙余熱量占柴油機(jī)總余熱量的26%,溫度高達(dá)300 ℃,屬于中溫余熱,能量高,有很高的利用價(jià)值[1]。目前研究船舶余熱回收技術(shù)主要包括渦輪系統(tǒng)、朗肯循環(huán)、海水淡化、余熱制冷、溫差發(fā)電等[2]。制冷系統(tǒng)是執(zhí)行遠(yuǎn)航和捕撈任務(wù)的船舶必配裝置,而在船舶上配置冷庫又需要消耗大量的能量,同時(shí)遠(yuǎn)洋航行需要滿足大量的淡水需求[3],因而通過余熱回收來同時(shí)實(shí)現(xiàn)供冷能量[4]和供海水淡化能量的組合需求,能突破余熱回收在單一應(yīng)用中的局限,將具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

吸附式制冷是一種利用低品位熱能驅(qū)動(dòng)的綠色制冷技術(shù),特別適用于電能不足而熱能有余的場合。但就目前而言,大多數(shù)漁船采用船用壓縮制冷,需耗費(fèi)大量的電能,在遠(yuǎn)洋航行電能持續(xù)供給較為困難的情況下,吸附制冷的優(yōu)越性更為突出[5-6],但局限于現(xiàn)有吸附床傳熱傳質(zhì)效果[7]。氨作為一種優(yōu)良的自然工質(zhì),由于其二級毒性而限制了其在小空間的使用,雖然已有氨-活性炭吸附式制冷的應(yīng)用研究,但余熱驅(qū)動(dòng)的氨吸附式制冷在船上的安全使用系統(tǒng)仍有待開發(fā)。為了突破現(xiàn)有船舶余熱回收利用中的局限,有效提高余熱回收利用率,本文開發(fā)了CaCl2-NH3吸附式余熱利用系統(tǒng),借助CO2載冷劑系統(tǒng)[8]解決了氨在船舶上的使用問題,并改良設(shè)計(jì)了有利于熱質(zhì)交換的吸附床,充分發(fā)揮吸附式制冷在船舶上使用的優(yōu)勢,結(jié)合系統(tǒng)組合設(shè)計(jì)中余熱的梯級利用,實(shí)現(xiàn)船舶余熱的高效回收。本系統(tǒng)將余熱直接驅(qū)動(dòng)吸附式制冷-載冷系統(tǒng),不同溫區(qū)的余熱驅(qū)動(dòng)海水淡化系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)余熱的梯級利用,在實(shí)現(xiàn)余熱利用系統(tǒng)的組裝設(shè)計(jì)及船上安全使用氨制冷劑的工藝上取得突破。

1 設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)方案

船舶航行時(shí)主機(jī)會(huì)產(chǎn)生大量的余熱,利用這些余熱驅(qū)動(dòng)船上的冷凍冷藏艙和海水淡化裝置,滿足船上貨物的低溫保存和船上人員的生活需求。本設(shè)計(jì)的組合系統(tǒng)包括CaCl2-NH3吸附制冷循環(huán)系統(tǒng),CO2載冷劑系統(tǒng),閃蒸海水淡化系統(tǒng)[9],船舶余熱驅(qū)動(dòng)的吸附制冷-載冷系統(tǒng)的原理示意圖如圖1所示。

圖1 船舶余熱驅(qū)動(dòng)的吸附制冷-載冷系統(tǒng)原理示意圖

1.1 基本思路

1)利用CaCl2-NH3吸附式制冷系統(tǒng)回收漁船尾氣余熱,蒸發(fā)冷凝器用于CO2載冷劑系統(tǒng),從而把氨循環(huán)局限在一個(gè)小空間里,降低了安全隱患,在船上實(shí)現(xiàn)“氨亦可安”。

2)吸附床出口的二次煙氣進(jìn)行再次回收,在真空罐中加熱套缸冷卻水閃蒸進(jìn)行海水淡化。

1.2 本系統(tǒng)的組成和運(yùn)行模式

1)CaCl2-NH3吸附制冷循環(huán)。吸附床A解吸過程:柴油機(jī)尾氣加熱吸附床A,使氨開始從吸附劑中解吸出來,當(dāng)制冷劑的壓力達(dá)到冷凝壓力時(shí),電磁閥c打開,氨蒸汽經(jīng)過冷凝、過冷后儲(chǔ)存在氨儲(chǔ)液器中,最后進(jìn)入蒸發(fā)冷凝器中產(chǎn)生冷量傳遞給CO2載冷劑。吸附床B吸附過程:從蒸發(fā)冷凝器中出來的氨氣的壓力達(dá)到蒸發(fā)壓力時(shí),電磁閥e打開,氨氣進(jìn)入吸附床B,此時(shí),海水冷卻吸附床B后吸附床溫度降低,吸附劑溫度隨之降低,使其恢復(fù)吸附性能,吸附制冷劑通過控制電磁閥來控制煙氣以及氨氣的流向,交替的切換完成整個(gè)連續(xù)循環(huán)從而達(dá)到制冷的效果。

2)CO2載冷循環(huán)。在蒸發(fā)冷凝器中氨液蒸發(fā)帶走熱量,CO2在蒸發(fā)冷凝器中被冷凝,CO2液體進(jìn)入儲(chǔ)液器,通過CO2屏蔽泵將其送到各個(gè)庫房中相變蒸發(fā)制冷。

3)海水淡化循環(huán)。海水淡化原料取用套缸冷卻海水(60~80 ℃),本設(shè)計(jì)中取套缸冷卻水溫度60 ℃,經(jīng)過海水過濾器由海水泵d泵入真空罐,通過噴淋裝置噴淋在煙氣-水換熱器表面,煙氣不斷加熱海水讓其達(dá)到閃蒸溫度65 ℃,進(jìn)而源源不斷產(chǎn)生水蒸氣,并在水汽凝結(jié)器表面冷凝成淡水,流入淡水箱,濃度較高的海水則排出。

2 “福遠(yuǎn)漁7861”號遠(yuǎn)洋漁船設(shè)計(jì)案例計(jì)算與系統(tǒng)匹配

2.1 設(shè)計(jì)條件

以“福遠(yuǎn)漁7861”號遠(yuǎn)洋漁船作為設(shè)計(jì)案例,其基本配置及參數(shù)條件如表1所示。

表1 “福遠(yuǎn)漁7861”號遠(yuǎn)洋漁船基本參數(shù)表

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算及系統(tǒng)匹配

2.2.1 CaCl2-NH3吸附制冷循環(huán)系統(tǒng)熱力計(jì)算

1)設(shè)計(jì)條件及熱力過程。本設(shè)計(jì)中吸附床的工作條件如下:蒸發(fā)溫度為-25 ℃,冷凝溫度為35 ℃,吸附終了溫度為40 ℃,初始解吸溫度為87 ℃,初始吸附溫度為90 ℃,解吸終了溫度為120 ℃。

查CaCl2-NH3的吸附率脫附率曲線[10]得:脫附前CaCl2對NH3的吸附率Xconc=1.05,吸附前CaCl2對NH3的吸附率Xdil=0.4,吸附式制冷運(yùn)行過程的壓溫圖參考文獻(xiàn)[10]。

2)制冷循環(huán)計(jì)算結(jié)果。其中CaCl2-NH3基本循環(huán)理論熱力計(jì)算分析可參考文獻(xiàn)[11]中的計(jì)算過程,計(jì)算結(jié)果如表2所示,吸附制冷中所使用到的各點(diǎn)溫度匯總?cè)绫?所示。

表2 CaCl2-NH3基本熱力循環(huán)熱量表 kJ

表3 吸附系統(tǒng)循環(huán)各點(diǎn)參數(shù)表

2.2.2 吸附系統(tǒng)的熱力計(jì)算

1)制冷工況及制冷-吸附劑循環(huán)量的計(jì)算。吸附系統(tǒng)的制冷工況為:蒸發(fā)溫度te=-25 ℃,蒸發(fā)比焓he=1 428.30 kJ/kg,冷凝溫度tc=35 ℃,冷凝比焓hc=366.70 kJ/kg,過冷5 ℃,過冷溫度td=30 ℃,過冷比焓hd=343.03 kJ/kg。加熱煙氣消耗的負(fù)荷:Φ=qm煙cp煙(t1in-t1out)=220.3 kW,其中qm煙為煙氣質(zhì)量流量,cp煙為煙氣的定壓比熱容,t1in為吸附床煙氣進(jìn)口溫度,t1out為吸附床煙氣出口溫度。

由船上用冷總負(fù)荷為85 kW,假設(shè)蒸發(fā)器與載冷劑有10%的傳熱損失[5],則氨的制冷量:ΦNH3=85/(1-10%) =95 kW,在上述工況下,氨的質(zhì)量流量:qm=ΦNH3/(he-hd)=95/(1 428.30-343.03) =0.087 5 kg/s。

假設(shè)進(jìn)行一個(gè)吸附循環(huán)20 min,則一個(gè)吸附循環(huán)所需的氨的質(zhì)量mNH3:

考慮到不完全吸附,增加20%的富裕度,則實(shí)際充氨量:mc=105.04×1.2=126.1 kg。

所需的氯化鈣的質(zhì)量:ma=mc/Xconc=126.1/1.05=120.1 kg。

2)高效吸附床的改進(jìn)設(shè)計(jì)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[12],本設(shè)計(jì)對吸附床進(jìn)行了改良設(shè)計(jì),其中吸附床上腔由熱管冷凝段、彈簧型傳質(zhì)管、冷卻盤管構(gòu)成;吸附床下腔由熱管蒸發(fā)段[13]、煙氣通道以及折流板構(gòu)成??紤]到氯化鈣隨著時(shí)間和使用次數(shù)的增加,吸附性能下降的特點(diǎn),在腔體頂部設(shè)有可拆卸法蘭組件,使整個(gè)吸附床可拆卸,同時(shí)在法蘭上部連接有溫度計(jì)、壓力表和安全閥;底板中間設(shè)有排渣口,用于排出因煙氣的進(jìn)入而帶來的廢棄物。因此,增強(qiáng)了吸附床的傳熱、傳質(zhì)效率。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2 吸附床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

2.2.3 閃蒸制淡部分的參數(shù)選定及設(shè)計(jì)計(jì)算

以一定容量的制淡水容量為設(shè)計(jì)條件進(jìn)行主要設(shè)備的匹配計(jì)算,設(shè)計(jì)條件及參數(shù)如表4所示,設(shè)計(jì)中所使用到的各點(diǎn)溫度匯總見表5所示。

表4 設(shè)計(jì)條件及相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的選定表

解得水汽凝結(jié)器出口溫度為thout=40.9 ℃,海水淡化裝置中各進(jìn)出流體的溫度條件如表5所示。

表5 海水淡化裝置中各點(diǎn)參數(shù)匯總

2.2.4 各匹配設(shè)備負(fù)荷計(jì)算

1)吸附式制冷系統(tǒng)中以一個(gè)循環(huán)周期20 min匹配的冷凝器放出的熱量可按下計(jì)算:

Qc=mc(γc+CpΔt),

(1)

式中:mc為實(shí)際充氨量126.1 kg,γc為氨的氣化潛熱1 368.0(kJ/kg);Cp為氨的定壓比熱容2.12 kJ/(kg·K);t為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)最高解吸溫度(120 ℃)和冷凝溫度(35 ℃)之差。

取5%熱損失計(jì)算得Φc′=170.8 kW。

2)過冷器負(fù)荷:Φr=1.05qm(hc-hd)=2.17 kW。

設(shè)備熱負(fù)荷及傳熱面積參數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表6 設(shè)備熱負(fù)荷及傳熱面積參數(shù)匯總表

2.2.5 CO2載冷系統(tǒng)熱力計(jì)算

載冷劑系統(tǒng)采用相變潛熱載冷,在設(shè)計(jì)與計(jì)算中所需的各基本參數(shù)條件如表7所示。

表7 CO2載冷循環(huán)基本參數(shù)選定表

若CO2載冷劑與氨溫差取4 ℃,則CO2側(cè)的溫度為-21 ℃,查得:-21 ℃時(shí)CO2的氣化潛熱γ=286.4 kJ/kg,載冷劑的質(zhì)量流量可按以下公式計(jì)算:qm=P1/γ,則低溫庫中CO2載冷劑的質(zhì)量流量為qm1=0.105 kg/s,同理可得,冷藏庫qm2=0.105 kg/s,高溫庫qm3=0.087 kg/s,三路載冷劑并聯(lián),得載冷劑系統(tǒng)中總的CO2質(zhì)量流量:qmCO2=qm1+qm2+qm3=0.297 kg/s,載冷劑系統(tǒng)中所需要的CO2泵、貯液器及相關(guān)的管道閥門就相應(yīng)做出選擇。本系統(tǒng)其他設(shè)備如:真空系統(tǒng)設(shè)備,海水泵及其管道和閥門的設(shè)計(jì)計(jì)算和選擇可參考文獻(xiàn)[14]。

3 新設(shè)計(jì)系統(tǒng)與正常匹配狀態(tài)下的能耗比較與分析

根據(jù)上述余熱回收驅(qū)動(dòng)的制冷—載冷系統(tǒng)能耗與原有制冷系統(tǒng)及海水淡化系統(tǒng)能耗相比,其相關(guān)數(shù)據(jù)如表8和表9所示。

表8 制冷系統(tǒng)能耗比較 kW

表9 制淡系統(tǒng)能耗比較 kW

數(shù)據(jù)分析表明,與船用正常能耗系統(tǒng)相比,本設(shè)計(jì)采用的吸附式制冷-載冷系統(tǒng)只需消耗少量電能,即可制取系統(tǒng)所需的制冷量,耗能低、效果好。同時(shí),系統(tǒng)對煙氣進(jìn)行二次回收,加熱套缸冷卻水閃蒸制淡,在提高能源利用率的同時(shí)獲取足夠的淡水,并將排氣溫度原來的325 ℃降低為149 ℃,減少了溫室效應(yīng),達(dá)到了真正的節(jié)能減排。

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢是利用柴油機(jī)尾氣余熱作為吸附式制冷系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)熱源,既對環(huán)境友好,又可產(chǎn)生實(shí)際效益。一方面,利用船舶尾氣余熱驅(qū)動(dòng)CaCl2-NH3吸附式制冷系統(tǒng),配合CO2載冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)制冷,把氨吸附制冷系統(tǒng)限制在一定空間內(nèi),有效利用了氨的熱力性能并在船上安全使用,還可以避免常規(guī)壓縮式制冷機(jī)組重量和振動(dòng)給船體帶來的額外重量;另一方面,將加熱了吸附床后的二次余熱加熱套缸冷卻水,使其閃蒸,進(jìn)而冷凝制淡,實(shí)現(xiàn)海水淡化,梯級利用能量,在船舶余熱回收設(shè)計(jì)及船舶輔機(jī)設(shè)計(jì)理念和思路上會(huì)有更高的應(yīng)用價(jià)值。

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