（轮机工程专业论文）吸收式二元冰制备系统的研究.pdf

中文摘要 摘要 能源紧缺问题已经成为全球面临的共同难题，越来越受到各国的密切关注，节 能和减排已是时代的主题，也是将来船舶行业发展的目标和方针。船舶动力装置 的余热利用是提高船舶经济性的主要措施，也是关系到国泰民安乃至整个世界和 谐发展的重大议题。本文通过对能源和环境问题的分析、船舶的制冷现状以及船 舶的动力余热利用情况分析，提出了一种全新的二元冰制备系统。该系统是以 t f e t e g d m e ( 三氟乙醇- - 甲醚四甘醇) 为工质对，以船舶柴油机冷却水余热为 热源的吸收式制冰系统。该工质对安全环保、无结晶问题、沸点差大，t f e 沸点低， t e g d m e 热稳定性能好在高温下仍能具有很强的吸收性能。该制冰系统与其它的 制冰系统相比有很多优势。二元冰中的冰晶尺寸较小，外形规则，不会损伤食品 的组织和外表且能隔绝食品与空气的接触有效的抑制细菌的繁殖；二元冰在融化 过程中具有相变，因此有较高的蓄冷密度，使得同体积下的流体具有更大的热交 换效率，能够快速冷却产品；二元冰具有良好的流动性；具有较小的过冷度，因 此生产二元冰所消耗的能量较生产块状冰所消耗的能量少的多。该系统可以充分 利用低品位的柴油机冷却水的余热来制取二元冰。因系统的蒸发温度可达零下2 0 摄氏度左右，又可以利用免费的海水资源制冰降低了船舶淡水的消耗。该装置既 能提高船舶柴油机的热量利用率，又解决了船舶制冷问题，一举多得，是一项非 常有前景的节能环保新技术。 本文研究了t f e t e g d m e 的热物性，展开了以其为工质对的制冰循环的理论 分析和计算，自行设计了系统的主要部件如蒸发器、吸收器、气液分离器、发生 器、搅拌器和冷凝器等。搭建了吸收式二元冰制备实验台，对系统进行了性能参 数预测分析，得出主要参数对二元冰制取量和c o p 值的影响规律，为后续的实验 调试提供参考依据。 关键词：余热利用；三氟乙醇二甲醚四甘醇；二元冰； 英文摘要 a b s t r a c t i nc o n t e m p o r a r yw o r l d , e v e r yc o u n t r yi sf o u n dt ob et r o u b l e d 、析t l le n e r g ys c a r c e p r o b l e m e n e r g yc o n s e r v a t i o na n d e m i s s i o nr e d u c t i o na r et h et h e m eo ft h et i m e sa n da r e a l s ot h ed e v e l o p m e n tg o a l sa n dg u i d e l i n e so ft h ef u t u r es h i p p i n gi n d u s t r y t h em a i n p r o p u l s i o np l a n t sw a s t eh e a tr e c o v e r yo fs h i pi st h em a i nm e a s u r et oi m p r o v et h e e c o n o m i cn a t u r e ，a n di sam a j o ri s s u er e l a t e dt ot h eh a r m o n i o u sd e v e l o p m e n to ft h e w h o l ew o r l d b a s e do nt h ea n a l y s i so fe n e r g ya n de n v i r o n m e n t a li s s u e s ，s t a t u so ft h e s h i p sr e f r i g e r a t i o na n dw a s t eh e a tu t i l i z a t i o nc o n d i t o no ft h es h i p sp o w e rp l a n t s ，an e w b i n a r yi c ep r e p a r a t i o ns y s t e mi sp r o p o s e d t h i sn e wa b s o r p t i o nb i n a r yi c em a k i n g s y s t e mu s e st f e t e g d m e ( t r i f l u o r o e t h a n o l t e t r a e t h y l e n eg l y c o ld i m e t h y le t h e r ) a si t s w o r k i n gf l u i d sa n de m p l o y st h ec o o l i n gw a t e ro fd i e s e le n g i n ea si t sh e a ts o u r c e t h e b i n a r yi c eh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha s ：1 ) i th a ss m a l li c ec r y s t a ls i z ea n dc a n e f f e c t i v e l yi n h i b i tt h er e p r o d u c t i o no fb a c t e r i a 2 ) i th a sh i g hc o l ds t o r a g ed e n s i t ya n d g o o dl i q u i d i t y 3 ) t h eb i n a r yi c ec a nb ep u m p e da n dt h es y s t e ma r ee a s yt ob e a r r a n g e d 4 ) t h ep r o d u c t i o no fb i n a r yi c ec o n s u m e dl e s se n e r g yt h a nt h em a s s i v ei c e i nt h i sp a p e r ，t h et f e t e g d m et h e r m a lp r o p e r t i e sh a v eb e e ns t u d i e da n dt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o no ft h ea b s o r p t i o nb i n a r yi c em a k i n gc y c l eu s i n g t f e t e g d m ea si t sw o r k i n gf l u i d sh a v eb e e nl a u n c h e d t h em a i nc o m p o n e n t so ft h e s y s t e ms u c ha se v a p o r a t o r ，a b s o r b e r s ，g a s - l i q u i ds e p a r a t o r , g e n e r a t o r ，m i x e ra n d c o n d e n s e rh a v eb e e nd e s i g n e d a b s o r p t i o nb i n a r yi c ep r e p a r a t i o np l a n th a sb e e nb u i l t t h ep r e d i c t i o na n a l y s i so fs y s t e mp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r si sf m i s h e d t h el a w so fm a i n p a r a m e t e r st h a ta f f e c t e dt h ep r o d u c t i o nq u a n t i t yo fb i n a r yi c e sa n dc o pv a l u ea r e o b t a i n e d t h e s el a w sc a np r o v i d eg u i d e l i n e sf o rt h ef o l l o w - u pe x p e r i m e n t s d e b u g g i n g k e yw o r d s ：w a s t er e c o v e r y ；t f e t e g d m e ；b i n a r yi c e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文= = 咝蝗式三丞述生4 釜丕统的婴究：。除论文中已经注 明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或 未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：三街 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论 文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式 出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密剧( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：吴德乎导师签名：加1 日期：几u 。年占月17 日 吸收式二元冰制备系统的研究 第1 章绪论 1 1 研究船舶制冰系统的意义 1 1 1 关于能源和环境问题的分析 能源是最基本的资源，也是整个国民经济发展的经济基础。随着全球工业化 进程的加快，能源紧缺问题已受到各国政府的广泛关注。国民经济和社会发展 第十一个五年规划纲要提出要建设资源节约型和环境友好型社会，计划将单位 g d p 能耗在五年内降低2 0 ，主要污染物排放量降低1 0 。我国大部分工业余热 未被充分利用，余热资源回收率仅占百分之三十三左右，超过一半的余热资源被 白白浪引1 1 。节能和减排是关系到国泰民安乃至全世界可持续发展的重大议题。节 能技术应包括提高能源丌发利用效率的先进技术，节能改造技术，降低能耗的新 材料开发应用技术，以及减少环境污染和提高能效的高端管理技术等。节能减排 已成为时代的主题。 目前全球能源供给逐年增加，其中绝大部分仍然是传统的化石能源，据2 0 0 2 年的统计资料记载【2 1 ，煤占能源供给的比例为2 3 2 、石油占3 5 o 、天然气占 2 1 2 。当今世界大部分发展中国家正正致力于发展本国经济，政府也逐步加大对 工业的财政扶持力度，但因得不到发达国家的技术支持和资金短缺等原因，致使 其经济增长模式粗犷、产业结构落后，进而决定了发展中国家对一次能源的依赖 程度相当大；发达国家在新能源的开发方面又面临诸多难题，新能源在将来很长 的一段时间内都无法取代化石能源，所以全球对能源的需求是不断增长的，预计 到2 0 2 0 年，在一次能源需求中，化石能源依然是主体【3 】。电力是一种清洁的二次 能源，在终端能源消费中的比例也逐渐加大，从1 9 7 3 年的9 6 上升至2 0 0 1 年的 1 5 6 。虽然我国正投入大量资金建设一批水力电站和风力电站基地，但是在电力 生产所用的一次能源仍然以化石能源为主。随着我国经济的快速发展、传统产业 的升级改造、新兴产业的崛起以及人民生活水平的提高，消耗在商业、生活方面 的电力比例会逐渐加大，电力紧张的问题仍然比较突出。 第1 章绪论 我国能源紧缺问题对渔船捕捞业也产生了深远的影响。据统计截止2 0 0 7 年底， 山东省共有机动渔船( 含渔业辅助船) 4 力- 多艘，总功率1 6 5 万千瓦，其中，从事 海洋生产渔船3 9 力- 艘，总功率1 5 5 万千瓦；功率大于4 5 k w 的渔船( 含渔业辅助 船) 7 千余艘，总功率1 1 6 万千瓦，年消耗燃油量超过1 0 0 万吨。由于海洋渔业资 源严重衰退，加之石油价格的居高不下，以海洋捕捞为生计的渔民收入已呈减缓 趋势。 环境保护问题已引起全球各国政府的高度重视，我国环保形势依然严峻。我 国主要污染物是有机及无机颗粒、氮氧化物、含氟制冷剂、硫化物、一氧化碳和 二氧化碳等。今年来我国受酸雨影响的地区越来越多，给农作物和树木带来了巨 大的损害，全国有1 3 的国土受酸雨影响【4 】其中重酸雨( p h 值“5 ) 城市的比例呈 升高趋势。目前，我国是仅次于美国的第二大c 0 2 排放国【5 】2 0 0 5 年在全球范围 内所占比例为1 3 1 ( 如图1 1 ) 。 自十九世纪八十年代以来，我国与能源相关领域的c 0 2 排放量迅猛增加，致使 我国每单位g d p 的c 0 2 排放量远远高于发达国家的排放水平，这充分显示出我国 能源结构的不合理性，以使用高含碳量的煤炭为主的产业结构继续存在，同时也 体现了我国能源利用效率水平低下的现实情况。 综上所述，人均能源资源占有量少、国内资源紧缺，从长远和总量上看能源 供给不足是我国的基本国情；我国大气环境污染情况己相当严重，随着各国对船 舶柴油机排气污染的广泛关注，我国的船舶行业应积极探索降低大气污染物排放 的各项措施，加大海洋环境和大气环境的保护力度。2 l 世纪是航海的世纪，船舶 动力装置不断向超大型、大功率方向发展。在全球能源和资源同益紧缺、环境和 气候条件逐步恶化以及燃油占航运业的成本比例越来越大和当前金融危机的影响 不断加深的情况下，进一步做好船舶的节能减排工作对降低船舶运输成本和保护 环境都具有重要意义，也是全面贯彻落实科学发展观的重要体现。 为了积极响应船舶的节能减排的号召，本文通过对能源和环境问题的分析、船 舶的制冷现状以及船舶的动力余热利用情况分析，提出了一种全新的二元冰制备 系统。该系统是以t f e t e g d m e ( 三氟乙醇- - 甲醚四甘醇) 为工质对，以船舶柴 2 吸收式元冰制备系统的研究 油机冷却水余热为热源的吸收式制冰系统。该工质对安全环保、无结晶问题、沸 点差人，t e g d m e 热稳定性能好在高温f 仍能具有很强的吸收性能。该制冰系统 与其它的制冰系统相比有很多优势。二元冰具有良好的泵送性能，能有效的抑制 细菌的繁殖，具有较高的蓄冷密度热交换效率高而且生产冰浆所消耗的能革较生 产块状冰所消耗的能量少的多。泼系统可以充分利用低品质的柴油机冷却水的余 热来制取二元冰。因系统的蒸发温度可达零f 2 0 摄氏度左右，又可以利用免费的 海水资源制冰降低了船舶淡水的消耗。该装置既能提高船舶柴油机的热量利用率， 又解决了船舶制冷问题，举多得，是项非常有前景的节能环保新技术。 以下是2 0 0 5 年世界各国二氧化碳排放比例饼图。 目11 各地m2 0 0 5 年c o ：排放比例 f i g il t h ed i s c h a r g e p r o p o r t i o no f c 0 = i ne a c hr e g i o n i n2 0 0 5 第1 章绪论 1 1 2 我国渔船保鲜的现状 我国的渔船保鲜方法主要有两种：传统的保鲜方式和渔船余热制冷装置保鲜 方式。我国渔船上对海产品传统的保鲜方式包括：出海作业时用购置的大批量冰 块覆盖海产品保鲜和采用压缩时制冷机组保鲜这两种方法。后者，需要外界额外 提供动力，从某种意义上说是增加了燃油消耗量，提高了广大渔业者的捕鱼成本； 中小型渔船上所使用的压缩式制冷机组的制冷剂一般为含氟冷剂，这种冷剂极易 漏泄且对人体和大气都有毒害作用，某些渔船氟利昂冷剂的漏泄量甚至可以高达 两吨【6 1 ，严重威胁着大气环境。前者，需要花费很大的费用购买冰块，携带的冰块 儿既占用了大部分仓容，又不能有效的保护海产品的品质。 在能源紧张的今天，柴油机余热的回收利用，已渐渐受到世人的关注和厚爱， 利用渔船余热制冷既是节能环保的新方法，又可以满足渔船冷量需求，对渔业保 鲜来说是一项创新的技术。泰山集团泰安华能制冷有限公司的渔船尾气制冷装置 研制成功之后，为渔民提供了一种全新的制冷保鲜方式。它充分利用了柴油机排 气废热。大部分渔船在航行和捕鱼时主机都是高负荷持续运转【1 7 1 ，柴油机排出的废 气所携带的能量，可以充分满足吸收式制冷机对热源温度的要求。目前，已有许 多学者展开了对船舶柴油机排气余热制冷的研究。这方面的研究主要集中在吸收 式制冷和吸附式制冷两个方面，王丽伟【8 】等人推出了一台以船用6 1 6 0 a 型柴油机 排气余热驱动的吸附式制冰机，该机采用甲醇作制冷剂，以活性炭作为吸附剂， 日产冰约6 0 0 k g ，c o p 值最大可达o 3 ，并且建立了该系统的仿真模型；湖南大学 李定宇1 9 1 教授开发了d y 型船舶柴油机尾气制冰机的样机，该样机采用卤化盐和氨 作为工质对，制冷量可达1 2 k w ，制冰能力为8 3 k g h 。中国海洋大学的李华军等获 得了“船舶柴油机排气余热吸附式制冰机 的专利，但未能开发出样机。徐士鸣 等人对利用渔船柴油机余热驱动的氨吸收式制冷系统保鲜的可行性进行了理论分 析【l0 1 。谭显光等探讨了将吸附式制冷系统应用于中小型渔船鱼体冷冻保鲜的方案， 该方案以d c 8 0 8 型拖网渔船为实例论证了方案的可行性。对于新型高性能吸收制 冷循环和研究进展突出的是功刀能文和徐士鸣教授，他们总结了吸收式制冷领域 的前沿技术，介绍了包括高c o p 值和扩大功能的新循环等。王志珍等以6 3 0 0 z c 4 吸收式二元冰制备系统的研究 柴油机为例设计了安装于渔船的利用柴油机排烟余热的溴化锂吸收式制冷装置， 并通过设计和计算得出该装置可安装的可行性结论。张里活阐述了通过用主机排 气、高温增压空气制取热水以及利用冷却水余热制冷等回收热量的手段，可以大 大提高渔船经济性【1 l 】【1 2 】【1 3 】。f e r n a n d e z s e 啦e ta l 论证了可以在拖网渔船安装氨水 吸收制冷装置的结论【14 1 。s g w a n g 等研制的单机两床吸收原型制冷机已在实船上 使用，据资料显示，零下七摄氏度时该机的c o p 值为o 1 8 ，该机产冰能力每小时 可达1 8 2 0 妇【15 1 。 由于柴油机的应用越来越广泛，余热制冷必将给社会带来巨大的经济效益。 通过大量的理论计算和实验论证在渔船上设立吸收式制冷装置来回收和利用冷却 水余热达到保鲜的目的是一项较好的节能和环保措施，很有发展前景。 1 1 3 研究t f e t e g d m e 吸收式制冰系统的意义 吸收式制冷系统具有能够充分利用废热、可降低能耗且不破坏环境等优 点，所以是一项颇具优势的技术。以前在船舶上应用的压缩式制冷机组结构复杂、 工作时噪音大且检修不方便，而吸收式系统采用了吸收器、发生器和泵代替压缩 式制冷系统中的压缩机，系统中几乎无运动部件，从而使工作性能得以优化。吸 附式制冷系统的性能系数较低，单组的吸附式系统只能间断性制冷，在制冷量较 大的场合，须将多个吸附单元联合起来连续制冷，致使系统更加复杂和庞大，这 样便限制了吸附式制冷机的广泛应用。吸收式制冷具有高c o p 值、运转平稳且能 连续制取冷量的优点，目前，大型吸收式制冷机组已经有了很大的市场空间。由 于传统的吸收系统的主要工作部件都只适合于自由水平面，不适合安装于运动状 态不断变化的船舶。本文从冷却水余热利用、吸收式制二元冰、适用于船舶工作 的条件以及新型环保工质对等几个方面着手，研究利用船舶柴油机冷却水余热作 驱动能源的吸收式制二元冰系统，同时兼顾到系统的经济性和实用性的要求。 目前，一些学者针对船舶余热利用的实际情况，提出了一种船用吸收式制冷 系统【1 6 】。该系统具有如下几方面的优势： 1 吸收式制冷系统可直接利用7 0 。c 以上的热源，能充分利用低品位热能。 2 吸收式制冷系统制冷温度范围广，可以满足船舶冷库温度要求( 1 8 + 5 ) 。 第1 章绪论 3 单机制冷系统的制冷量较大，c o p 值较吸附系统高，一般在0 4 , - - , 1 4 之间。 4 吸收式制冷系统制冷剂一般不含氟，环保性能好。 5 系统工作平稳无噪音，负荷调节范围广，易实现无级调节。 6 吸收式制冷系统中大多为热质交换设备，所用材料主要是不锈钢和铜，易于 生产和加工。 7 系统内除溶液泵外无其他运动部件，维修管理方便。 由于吸收式制冷系统的诸多优点，n h 3 h 2 0 ( 氨水) 和h 2 0 l i b r ( 水溴化锂) 吸收 式制冷系统被广泛用于实际生产。经过半个多世纪的发展和完善，吸收式制冷系 统已被商品化和系列化【1 7 】，但是要将这两个制冷系统应用于实船制冷，存在很多 技术难题。因为，吸收式制冷系统中氨有毒且易泄漏，易对人体造成伤害，当空 气中的氨含量达为1 5 , - - - , 2 8 时，就会发生爆炸【l 引，危险系数高；另外，水溴化锂 吸收式制冷系统存在结晶的问题且不能制取o c 以下的低温【l9 1 ，不能满足海产品保 鲜的制冷温度的要求。以t f e t e g d m e 三氟乙醇- - 甲醚四甘醇) 为工质对的吸收式 制冷系统恰能克服上述两种制冷系统的缺陷f 2 0 1 2 1 】1 2 2 】【2 3 】1 2 4 】：系统在真空条件下工作 无爆炸危险；制冷温度范广；c o p 值高；工质对热化学定性能好，对系统金属无腐 蚀性，不易燃烧、毒性不大等。本文提出了利用上述的t f e t e g d m e 工质对，以温 度控制器和电加热器模拟船舶柴油机冷却水作为发生器的热源，来研究和开发利 用船舶冷却水余热的吸收式制冰系统。t f e t e g d m e 吸收式制冰机不但省去了带冰 作业的限制，而且还能充分利用主机冷却水余热，大大降低了捕鱼成本，提高了 能源的有效利用率，为海洋水产捕捞业带来了新的冰变革。同时，该装置结构简 单、抗震性能好、易于维护，对海产品捕捞业来说具有重要的意义。 1 1 4 船舶动力余热利用情况分析 船舶节能的主要途径主要表现在船舶动力装置的节能。燃油在气缸内燃烧后 的热量大部分被排气和冷却水带走，只有小部分热量得以充分利用( 大约占3 5 燃料的能量可以转化为机械能) 。对于这两大部分热损失目前都有一定的废热回 收手段。其中，利用排气废热的方法主要是：在船舶柴油机排气系统设置废气涡 轮增压器、安装能全部或部分代替辅助锅炉的废气锅炉以及目前新兴的热管式锅 6 吸收式二元冰制备系统的研究 炉、热油锅炉和利用余热锅炉产生水蒸气驱动汽轮机发电等；渔船柴油机冷却水 温度一般都在8 0 。c 左右属于低品位热能，对于冷却水余热的利用目前广泛采用的 方式是：采用冷却水暖缸和利用冷却水热量来加热日用油柜的燃油等【z 副。 近年来船舶余热利用的方法也越来越多船舶余热利用的用途大致有两种：一 种是用于加热；另一种用途是用于产生动力。前者，主要体现在生活用热、海水 制淡装置用热、舱室取暖以及油类和各种机械设备用热等。后者，则通常是利用 余热锅炉产生的水蒸汽来驱动汽轮发电机，所产生的电能直接并入船舶电网，或 驱动其它机械，降低了运营成本。详细用途如图1 2 所示。 图1 2 船舶余热用途的示意图 f i g 1 2t h ew a s t eh e a ta p p l i c a t i o n so fs h i p 7 第1 章绪论 这些年来日本在联合节能技术方面的研究比较突出，某些造船集团开发了联 合节能发电装置例如三菱重工的超级透平发电系统s t g 系统，示意图如图1 3 所示。 图1 3 废热利用联合装置s t g 系统图 f i g 1 3w a s t eh e a tu t i l i z a t i o nc o m b i n e du n i ts t gs y s t e m 日用 加热 由于该系统采用高效率的三菱m e t s c 涡轮增压器，所以所耗废气量较小。 从废气涡轮增压器前抽出一部分废气提供给一个径流式的废气透平，该废气透平 和热水闪蒸蒸汽透平通过一个齿轮装置共同驱动发电机。废热回收装置的主要设 备是多级蒸发经济器、混压蒸汽透平、炉水预热器。s t c 系统的主要特点是在双 压废气经济器和混压蒸汽透平发电机的基础上又补充了一个热水闪发能量发电系 统。这些废热联合装置利用主机排气、增压空气和气缸冷却水的余热，提供给透 吸收式二元冰制各系统的研究 平发电机、空调装置、加热装置和海水制淡装置等。系统的设置很合理，例如， 当蒸汽透平发电机满足不了船舶辅助设备要求时，轴带发电机可以代替发电机供 电；当满足辅助设备供电的要求时，轴带发电机还可以作为辅助推进装置的马达 使用。这样的布局可以充分提高能量利用率，但由于装置的造价也比较昂贵，大 大提高了装置的初次投入费用。 船舶柴油机的排气废热约占废热总量的百分之三十以上。四冲程增压柴油机 排气温度为通常在3 8 0 4 5 0 ，二冲程直流扫气增压柴油机的排气温度通常为 3 7 0 左右。排气经涡轮增压器和废气锅炉后，其温度一般降至2 7 0 左右，通常 排气的露点1 8 0 ，有时可能还要低于这个数值，那么从1 8 0 2 7 0 之间的这部 分废气所能提供的能量还是有较大的利用空间的。柴油机冷却水温度一般在7 0 9 0 之间属于低品位热能。船用柴油机冷却水带走的热量，大约占耗热量的 2 0 - 3 0 ，是很可观的能量，如何把这部分热量利用起来，是一个值得研究的课题。 1 下面对某一艘船舶主柴油机的热平衡进行简单分析。 a 船舶主柴油机的型号和相关参数见表1 1 表1 1 m a nb w6 s 7 0 m c c 主柴油机的相关参数 t a b 1 1t h ep a r a m e t e r so fm a nb & w6 s 7 0 m c - cm a i ne n g i n e 主柴油机对应主柴油机对应 相关参数参数值相关参数参数值 缸数缸径6 7 0 0 2 8 0 0 主机型号 札a n b w6 s 7 0 m c - c 行程 m m 最大持续 1 8 6 3 0 1 5 8 3 5 最大转速 9 1 8 6 2 持续功率 k w 持续转速r i n l n b 该船主柴油机的热损失情况 由平衡示意图可以看出，燃料完全燃烧所释放的热量大约只有一半变成了有 效功，而排气、冷却水、滑油及其它热量损失的总和大约占到所消耗燃料所产生 9 第1 章绪论 热量的一半；其中，排气热损失占3 2 9 ，是各种热损失之首本机的热平衡图如 图i a 所示。 图1 4 土柴油机热平衡示意幽 f i 9 1 4 t h eh e a te q u i l i b r i u mc h a r t o f m a i ne n g i n e c 该船主柴油机运行参数记录见表12 ( 该工况卜主机的有效功率为1 4 8 5 0k w ) 表12 m n8 鲫6 9 7 嗍cct 柴油机的运行参数记录 t a bi2 t h er u n n i n g p a r a m e l e r s o f m a n b & w 6 9 7 0 m c - c m a i ne n g i n e 主柴油机运行参数记录值主柴油机运行参数记录值 主机转速( r t h i n ) 8 56 燃油进机温度( ) 1 3 4 主柴油机燃油消耗 6 0海水温度( ) ( t d ) 扫气总管温度机 3 9 3 8增压空气温度( ) 1 7 0 舱温度( ) 气缸冷却水进出增压器废气进气平 7 t 8 13 8 9 机温度( ) 均温度( ) 主机滑油进出机增压器废气排气平均 4 5 5 4 2 7 0 温度( )温度( ) 吸收式二元冰制备系统的研究 d 该船主柴油机排气的热平衡分析 下图是该船主机排气余热利用情况的说明图，本船通过废气涡轮增压器和废 气锅炉来回收部分排气余热。 图1 5 主柴油机排气热平衡示意图 f i g 1 5 t h eh e a te q u i l i b r i u mc h a r to fm a i ne n g i n e 2 l i b r 吸收式制冷的柴油机排烟余热利用的简单计算 该计算参数的选取以6 3 0 0 z c 柴油机为例。该机型标定功率4 5 0 k w ( 6 0 0 h p ) ； 标定工况时燃油耗率为1 6 5 9 ( h p h ) ，额定排气温度4 5 0 * ( 2 。 a 1 千克燃油完全燃烧所需的理论空气量 燃油的主要成份是碳和氢各占8 7 和1 3 ，忽略硫、氮等成分的含量，计 算得燃烧1 千克燃油所需的空气量为1 4 4 埏。取过量空气系数为2 ，则燃烧l 千克 燃油所需的空气量为2 8 8 k g 。 b 1 千克燃油完全燃烧所产生的排烟具有的热量 排烟中主要含有二氧化碳、一氧化碳、水蒸气、氮氧化物等，取烟气比热c p 为1 0 5 k j “k g k ) ，进入发生器中的烟气温度为4 5 0 。c ，加热l i b r 水溶液后，烟 气离开发生器的温度为1 3 3 5 ，则每千克排烟所能释放出的热量为：q = c p at = 1 0 5 1 5 3 1 6 5 = 3 3 2 3 k j 地 c 利用排烟余热所能产生的制冷量 第1 章绪论 根据6 3 0 0 z c 型柴油机的额定功率和额定工况时燃油的消耗率为1 6 5 9 ( h p h ) 知该机每小时燃油消耗油量为9 9 k g ，1 千克燃油完全燃烧所需的空气量为2 8 8 k g ， 每小时产生的排烟为2 8 5 1 2 k g ，每小时排烟可利用的热量为2 8 5 1 2 k g h 3 3 2 3 k j k g = 2 6 3 2 k w 根据毛= q o q g ，得出制冷量q o = 0 7 1 5 2 6 3 2 = 1 8 8 2 k w 。可 见理论上将柴油机排烟的热量用于吸收式制冷装置的热源所产生的制冷效果还是 很明显的。华南理工大学电力学院的王志珍、张潮宏【2 6 1 在 一文中以此为例进行了单效溴化锂吸收式制冷装置的热力计算和传热计 算并给出了装置示意图。 3 船舶余热制冷技术 目前利用柴油机余热制冷技术在某些小型船舶上已有应用，但未能形成一定 规模，余热技术主要应用的领域有：余热冷库、热电联用制冷、船舶余热空调和 渔船制冰装置等。近年来大型船舶柴油机余热制冷的也越来越受关注。目前的余 热制冷技术可能应用船舶制冷的主要有以下四种方案。 a 废气涡轮直接同轴驱动的压缩机制冷方案 柴油机排气被导入废气锅炉的受热面，加热锅筒中的水进而产生水蒸汽，高 温高压的过热水蒸汽被用来驱动汽轮机发电，所产生的电量或直接并入船舶电网 或为制冷压缩机提供动力，能够节省一定量的柴油。但是，为了达到简单且高效 的目的，可以将废气涡轮直接用于驱动同轴的制冷压缩机，这样的布置可以使效 率达到3 0 ，既提高了效率又可以简化结构易于设计，结构图如图1 6 所示。 1 ) 离心式或螺杆式的压缩机2 ) 废气涡轮装置 图1 6 废气涡轮直接带动制冷压缩机制冷系统 f i g 1 6t h ec o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o nd r i v e nb ye x h a u s tg a s 1 2 涡 轮 吸收式二元冰制各系统的研究 b 吸收式的船舶余热制冷 吸收式制冷机组根据驱动能源的不同可以分为蒸汽型、直燃型、热水型和烟 气型机组等。图1 7 是一种吸收式制冷系统示意图。 热交换器 图1 7 一种吸收式制冷系统示意图 f i g 1 7aa b s o r p t i o n - t y p ei c e m a k i n gs y s t e md i a g r a m 根据实际制冷量的需求吸收式制冷机组可设计成单效、双效或三效机型等。 单效吸收式机组的c o p 值一般不超过0 7 ；双效机的c o p 值最高可达到1 2 ，可以利 用船舶柴油机排出的废气或者用锅炉产生的饱和水蒸汽作为制冷系统的热源。装 置可以采用三筒型双效结构形式来防止因船舶的摇摆、振荡等冲击作用导致的冷 剂污染问题和减少蒸汽的压力变化对性能系数的影响。这种结构形式的优点是发 生器与冷凝器分开布置的。大多数吸收式制冷机组主要采用h 2 0 l i b r 及n h 3 i - 1 2 0 作 为制冷工质对。这两种工质对虽然被普遍使用，但是它们本身存在一些致命的缺 点：氨制冷系统危险系数高、对人体有毒、易燃易爆且制冷剂与吸收剂沸点相差 较小；h 2 0 l i b r 易结晶、腐蚀性强、不能制取0 。c 以下低温且装置风冷化较难。目 前许多研究人员展开了对新工质对的研究。 c 利用船舶余热的吸附式制冷 利用船舶余热的吸附式制冷系统以船舶柴油机排出的废气为热源通过吸附的 方式来制取冷量的制冷系统。吸附制冷的吸附剂成分和吸附性质可以分为物理吸 第1 章绪论 附剂、化学吸附剂以及复合吸附剂等。常见的物理吸附剂有活性炭、硅胶及沸石 等；氯化物金属、氢氧化物金属和盐是常用的化学吸附剂；复合吸附剂是物理吸 附剂和化学吸附剂合成的制剂，它通把氯化物金属与活性炭石墨沸石等配对使 用。常用的吸附制冷剂有氨水、甲醇、乙醇等物质。由于船舶废气温度较高沸石 和水是比较不错的选择，但是不能应用于制冰，在制取较低温度的场合可以换用 活性炭加甲醇作为工质对来达到制冷要求。为保证系统连续工作，适应柴油机排 气连续供给的工况，须把两单组吸附床联合起来持续工作。以万吨级货轮“庆阳 号为例，其主柴油机额定功率功率为1 2 0 0 0k w ，假设最终所排废气中可利用的 废热量为8 0 0k w ；若取吸附式制冷系统的c o p 值为0 4 时( 吸附式制冷系统c o p 值最高可达0 6 0 - 0 8 0 ) ，其制冷量即为3 2 0k w ，完全可满足船舶空调对制冷量 2 0 0k w 的要求。该空调系统原理图【2 7 】如下图所示1 8 所示。 1 ) 柴油机；2 ) 吸附床；3 ) 4 ) 电磁阀；5 ) 单向止回阀； 6 ) 真空电磁阀；7 ) 冷凝器：8 ) 节流阀；9 ) 蒸发器：1 0 ) 真空泵 图1 8 利用船舶余热的吸附式制冷空调系统原理图 f i g 1 8t h e r m o e l e c t r i ca b s o r p t i o n - t y p ei c e m a k i n gs y s t e md i a g r a m 1 4 吸收式二元冰制备系统的研究 d 利用船舶余热的喷射式制冷 喷射制冷技术是一种利用低品质热能如余热、废热、地热、太阳能等驱动的 制冷技术。喷射技术的应用可以减轻船舶的倾斜、摇摆、冲击和振动等因素对装 置性能的影响，可有效防止冷剂污染的问题。近年来，为了达到特殊的目的如制 取较低低温等，蒸汽喷射式制冷机系统可以采用r 2 2 、r 3 2 、r 1 3 4 a d m f 等其它新 型工质作为制冷剂，这便为将喷射式制冷系统应用于船舶上提供了新的技术支持。 喷射式制冷与目前普遍使用的机械压缩式制冷相比具有许多优点：a ) 设备结构 简单，无压缩机运动部件少，工作平稳无噪音，检修管理方便。b ) 能充分利用低品 位能源，如工业废热等。e ) m 况稳定，受振动、冲击等外力作用影响较小。但是， 喷射制冷性能系数c o p 值比较低是其致命弱点，因此限制了其广泛使用。 近年来一些学者研究出一种新型喷射制冷系统【2 8 1 1 2 9 ( n e r s ) ，该循环系统引入 了一个液体气体射流泵，通过机械过冷的方法使该系统的c o p 显著提高。机械过 冷是通过消耗少量泵功对从冷凝器出来的液体进行过冷处理的，与常规系统相比， 可以有更大的过冷度。 下面简单介绍一下该系统： 常规喷射制冷系统除了吸收制冷系统四大部件还增加了喷射器和循环泵。其 中，从发生器出来的高压工作蒸气从喷射器的喷嘴喷出，引射从蒸发器出来的低 压蒸气。工作蒸气和低压蒸气在混合段混合后，经扩压器扩压后，一起流迸冷凝 器。冷凝后的液体，一部分被泵回到发生器，另一部分流经节流阀进入蒸发器。 发生器产生的高压蒸气通过喷嘴再次把蒸发器中的低压气蒸气被吸入喷射器，完 成整个制冷循环。 新型喷射制冷系统是在常规喷射制冷系统的基础上加了一个液体气体射流泵 构成喷射制冷子循环。系统图如图1 9 所示，在该子循环中，循环泵为射流泵提供 部分高压液体作为工作流体，由此引射来自过冷器的低压蒸气，然后一起进入冷 凝器冷凝。凝结后的冷凝液一部分由循环泵输送回射流泵进口，另一部分流经节 流阀进入过冷器，在过冷器罩吸热蒸发生成气体，再次被吸入射流泵完成子循环。 喷射器主要由喷嘴和吸入室、混合室、喉部以及扩压室五部分组成，如图1 1 0 所 第l 章绪论 示，它是喷射制冷系统的关键部件。系统的c o p 值很大程度上取决于喷射器的喷 射系数( 引射流体与工作流体的流量之比) ，喷射压力、引射压力、背压又是影响喷 射系数的主要因素。一些研究显示喷射系数在喷射压力、引射压力一定的情况下 随着背压降低而增加【3 0 】【3 1 1 。 图1 9 新型喷射制冷系统示意图 f i g 1 9an e wi n j e c t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m 西安交大的任云峰【3 2 】等人用数学模型对该系统性能进行分析得出结论： a ) 喷射制冷系统中，加入机械过冷环节可以提高系统的c o p 值。 b ) 射流泵、喷射器是决定新循环c o p 值的关键部件，提高二者的喷射系数则 c o p 值随之升高。 c ) 冷凝温度、蒸发温度和机械过冷度不变且制冷量相同时，发生器温度提高， 则循环所需的泵功就会减小，机械过冷的效果就越好，系统c o p 值也会相应提高。 1 6 吸收式二元冰制备系统的研究 图1 1 0 喷射器中不同位置处压力变化的示意图 f i g 1 1 0 t h ec h a n g eo f p r e s s u r er e l a t i v et op o s i t i o ni nt h ei n j e c t o r d ) 相同工况时，不同的制冷剂存在着各自的最佳过冷度。 上文总结了有望安装于船舶的四种制冷技术，下面将介绍目前在船舶柴油机 余热制冷和空调领域的研究成果。利用柴油机冷却水余热为热源的溴化锂吸收式 空调制冷装置已有两位研究人员对其可行性进行了论证，其中蒋昌炎是以6 1 3 5 型 柴油机冷却水为热源，吴钢是以舰船柴油发电机6 1 5 0 c 柴油机的冷却水作热源， 分别进行了设计计算得出了利用柴油机冷却水余热为热源的溴化锂吸收式空调制 冷装置可以在船舶上安装的结论。废热制冷方式有吸收式和吸附式两种，吸收式 传统上主要是溴化锂水和氨一水二种工质对；吸附式由于柴油机排气温度较高应采 用沸石水或沸石氨为工质对等。 1 2 研究二元冰制备技术的意义 1 2 1 二元冰的介绍 二元冰( 冰浆) 是指处于冻结点温度的含有细微的悬浮冰晶粒子( 直径约为 1 0 0um ) 的浆状可泵送二元流体。二元冰在冻结和融化过程中存在相变过程所以 1 7 第1 章绪论 具有较高的冷却能力和热交换效率，又因它具有良好的流动性能，所以在近几十 年来被广泛的运用。含冰率为2 0 左右的冰浆与固体表面换热时，热交换系数可高 达3 k w m 2 k 。 1 2 2 二元冰的特性 与传统冰块冷藏相比二元冰具有如下的特点： 1 二元冰浆中的冰晶尺寸较小( 直径一般在l m m 以下) ，外形规则。可以将 食品( 如鱼类、肉类和果蔬等) 浸没在柔软的冰浆内，这样又能隔绝食品与空气 的接触从而抑制细菌的繁殖又不会损伤食品的组织和外表，可以有效的保护食品 的质量。 2 二元冰浆在融化过程中具有相变，蓄冷密度高，同体积下的流体热交换效率 高，能够快速冷却产品。因二元冰具有稳定的冷却温度，在冷藏过程中温度几乎 不波动，所以能保持良好的食品质量。 3 二元冰浆具有良好的流动性，可以通过软管或普通管路输送，设备终端可以 随意布置，使系统结构更加合理。 4 二元冰浆是冰晶和水溶液的混合物，制取冰浆所消耗的能量比生产块状冰所 消耗的能量少的多。 表1 3 为几种冰块和冰浆的物理特性比较： 表1 3 几种形态的冰的物理特性对比 t a b 1 3t h ee o m p a r i s i o no f p h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i co fd i f f e r e n ti c et y p e 特点冰浆片冰壳状冰 尺寸( r a m )直径：0 2 5 0 5厚度：1 5 - 2 5厚度：2 - 2 0 外形。统一的球形 不规则尖锐边界不规则边界 过冷度小大 小 吸收式二元冰制备系统的研究 表1 4 为几种冰块和冰浆的生产、贮存和使用过程的比较： 表1 4 几种形态的冰在生产、贮存和使用过程中的比较 t a b 1 4t h ec o m p a r i s i o no fp r o d u c t i o n 、s t o r a g ea n d u s a g eo fd i f f e r e n ti c et y p e 特点冰浆片冰壳状冰 蒸发温度 - 1 2 - - 1 5 - 3 0 一1 8 装置结构体积紧凑人人 装