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船舶余热吸附式制冷空调分析 导师 边克勤答辩人 刘国秀专业 轮机管理 论文框架 研究的目的和意义论文要点结论与展望 1 2 3 3 4 1研究的目的和意义 随着不可再生性能源的短缺和环境污染的日趋严重 人们对环境保护和能源有效利用的认识有了进一步的提高 各国对可持续性发展的既节能又利于环保的各种技术日益关注 而在制冷技术方面 氟利昂等有害制冷剂必须被摒弃 人们着重开发新型制冷剂 通过不断研究发现 吸收式 吸附式等绿色制冷技术 1987年9月 24个工业国签署了 蒙特利尔议定书 决定限制使用对臭氧层有破坏作用的物质 如今船舶空调系统大多数应用蒸汽压缩式制冷系统 不仅消耗燃油而且采用氟利昂类化合物作为制冷剂 然而 氯氟烃对臭氧层有着破坏的影响 虽然对臭氧层破坏性较小的R22 R134等物质逐步替代R12被采用 但是R22 R134是温室气体 不能长久使用以避免造成破坏 1研究的目的和意义 大型船舶主机及发电柴油机的排烟温度根据机型的不同 在经过涡轮透平增压器及废气锅炉后仍然高达150 200 其中蕴含着大量废热 约含燃油发热量的10 20 固体吸附式制冷在船上应用有着其他制冷空调方式所不能比拟的 吸附式制冷技术无压缩机 无耗电 无氟利昂 以热源为驱动力 结构简单 成本低 是制冷方面的新的实用技术 本文根据船舶主机的运行参数计算出该船尾气中可利用的余热 而这些余热不能全被吸附式制冷系统利用 因此 计算吸附式制冷空调可行性时 根据该船夏季的总热负荷计算出吸附式制冷系统应从尾气余热中吸收的能量 然后与尾气余热未被利用的能量对比 由此得出吸附式制冷空调应用可行 2论文要点 2 1吸附式制冷2 2吸附式制冷应用现状举例2 3船舶余热吸附式制冷空调2 4可行性分析2 5改进 2 1吸附式制冷 2 1 1吸附式制冷原理加热冷却 蒸发器 冷凝器 吸附床 2 1吸附式制冷 2 1 2连续吸附式制冷制热制冷加热冷却 2 1吸附式制冷 2 1 3吸附式制冷特点吸附式制冷系统无任何运动部件 系统简单不需维修 没有噪声 无污染 安全可靠 寿命长 而且对环境要求不高 可以在 20 左右工作 可以利用废热 废气 废水和太阳能等低品位热能 从而节省初级能源的消耗 与传统压缩式制冷相比 吸附式制冷系统更节能 节约大量用电 结构简单 运动部件少 安全可靠运行时没有震动和噪声 安装时无特殊要求 维护管理方便 吸附式制冷系统对环境和大气臭氧层无害 在相同制冷量下 吸附式制冷中冷凝器的热负荷低于压缩式 COP低于压缩式制冷循环 制冷剂流量也较低 2 2吸附式制冷应用现状举例 2 2 1引言目前 吸附式制冷技术在低品位热源利用中的研究大多在发动机余热和太阳能等方面 用未能完全使用废热制冷 应用吸附制冷技术实现了 太阳能冷库 非电冷库 工业余热冷库 轮船尾气制冷 汽车尾气冷藏车 尾气空调 等产品 并已实际应用 2 2 2太阳能吸附式制冷我国可再生能源丰富 尤其是太阳能 在2 3的地表上年辐射量都超过0 6MJ 每年地表吸收的太阳能大约相当于1 7万亿吨标准煤的能量 利用太阳能吸附式制冷系统可节约能源 减少环境污染 降低运营成本 2 2吸附式制冷应用现状举例 经过几十年的研究探索 太阳能吸附式制冷已开始从实验室迈向工业化生产 如图是德国Freiburg示范应用的太阳能吸附空调 2 2吸附式制冷应用现状举例 2 2 3渔船尾气吸附式制冰渔船上柴油发动机工作过程中只有三分之一左右的功率在做有用功 而有约三分之一的功率以温度达350 500 的尾气形式排放到大气中 下图为渔船尾气吸附式制冰机原理图 尾气储液器 2 3船舶余热吸附式制冷空调 2 3 1引言目前 船舶柴油机的热效率一般只有30 40 下图给出了废气余热组成 由此可见 船上有着大量的余热能量 如果充分利用这些余热能量将达到一个可观的经济性 利用这些余热能量驱动吸附式制冷设备安装在船舶上 将进一步利用余热减少营运成本 虽然 余热吸附式技术不成熟 但其有着巨大的潜在价值 2 3船舶余热吸附式制冷空调 2 3 2船舶余热吸附式制冷空调6a3a4a海水5a3b4b5b86b1柴油机 2吸附床 3一电磁阀 4一电磁阀 5 单向阀 6 真空电磁阀 7冷凝器 8节流阀 9 蒸发器 10 空调器 2 4可行性分析 以某一船舶主机运行参数进行计算 主机运行参数记录 此工况下主机负荷80 95 主机功率Pe 26809ps 航速21 30kn 主机转速93 44mm 主机燃油消耗91 24t d 扫气总管温度51 机舱温度36 海水温度28 汽缸冷却水进机温度64 汽缸冷却水出机温度85 主机滑油进机温度40 滑油出机平均温度44 燃油进机温度136 增压空气温度170 增压器废气进气平均温度484 增压器废气排气平均温度347 柴油机的热平衡方程可表示为 燃烧总热量 转化有效功的热量 排气带走的热量 冷却水带走的热量 润滑油带走的热量 其它热量损失通过计算得出 可知排气带走的热量约占到42 2 4可行性分析 该远洋船舶的排气余热利用是 缸内的高温排气先经过废气涡轮增压器 然后通过废气锅炉再从烟囱排出 排气热量的平衡 增压器利用的能量 废气锅炉利用的能量 排气未被利用的能量经计算得 未被利用而随排烟带走的热量还有很多 且废气温度还在175 以上 固体吸附式制冷COP在0 3 0 6之间 而该船夏季空调总热负荷96 4kw 根据公式 蒸发器热负荷 吸附式制冷系统热负荷可得 当满足该船制冷需求是 吸附式制冷空调系统应获得的热负荷应在160kw 321kw之间 2 4可行性分析 而 式中kg h 1 05kJ kg 考虑进气损失的影响取170 则 而在160kw 321kw之间 带入上式得到 162 166 可见只要利用废气162 170 的能量就可满足该船制冷需求 2 5优化 吸附式制冷设备安装于船舶上工作还需要一系列的工作 吸附床的传热效率和传质特性对制冷系统有影响 传热越快 循环周期越短 单位时间制冷量就越大 所以应加强吸附床的传热 缩短循环时间 这可从改善吸附介质的传热性能和改善吸附床的结构设计以及合适的循环方式 改善吸附介质吸附剂是一种多孔介质 常见的吸附剂一般是粉末或颗粒状 这种吸附床接触热阻大 导热性能差 可将不同颗粒大小的吸附剂混合起来以减少吸附床的松散性 或在吸附床中添加导热性好的石墨或金属等来提高吸附床的导热性能 也可改变吸附剂的加工形状 将其加工成圆片或圆柱 这种形状有利于减少与换热壁的接粗热阻 改善传热性能 增加填充量 改善吸附床结构减少吸附床厚度 增大和外界的换热面积 将金属肋片或金属管插入吸附床中 这样可实现大面积的换热 2 5优化 3 相匹配的制冷循环方式将提高系统的效率和能来利用率 制冷循环方式有多种 主要有连续回热式 热波式 对流热波式 回质循环等 吸附式制冷循环间歇工作 将其应用与船上时 我们需将其设置为连续制冷循环 这样就需要两个吸附床 通过阀门的切换使一个吸附床保持为吸附状态 另一个吸附床为脱附状态 从而达到连续制冷 然而这种设置效率低 为了提高效率 进一步的研究发现通过吸附床之间的能量交换 来实现显热和吸附热的回收以提高系统COP值得连续回热循环 3结论与展望 固体吸附式制冷技术是一种节约能源 保护环境的制冷方式可通过改善吸附介质 改善吸附床结构以及合适的循环方式来提高效率通过计算知余热吸附式制冷空调应用于船舶理论上是可行的吸附式制冷技术在船上的应用具有可观的经济性和广阔的前景 致谢 感谢我的论文指导老师边老师 他对我进行了无私的指导和帮助 不厌其烦的帮助进行论文的