固体吸附式制冷在船舶上应用的可行性及前景

1、 PAGE 5固体吸附式制冷在船舶上应用的可行性及前景上海海运运学院商商船学院院 甘伟伟 （20001355）摘要：固固体吸附附式制冷冷技术是是充分利利用低品品位能源源的一种种有效手手段，本本文介绍绍固体吸吸附式制制冷技术术的基本本原理和和工质的的选择及及针对船船舶废气气余热的的特点探探讨该技技术在船船舶上应应用的可可行性及及发展前前景。关键词：固体吸吸附式制制冷、工工质对、船舶、CFCCs替代、应用前前景。 前言言：随着世界界能源消消费量的的急剧上上升及地地球环境境的日益益恶化，使得人人们对节节约能源源和全球球环境保保护的重重要性逐逐步有了了充分的的认识，同时也也迫使人人们对能能源的有有效利

2、用用和减少少环境破破坏的新新技术有有了更深深入的研研究。固固体吸附附式制冷冷技术作作为一种种有效利利用低品品位能源源和对环环境无破破坏的制制冷技术术受到更更多的关关注。目前，国国际上由由于19985年年维也也纳保护护臭氧层层公约、19887年蒙特利利尔议定定书、以及119922年的“哥本哈哈根修订订案”等国际际性公约约、法规规的限制制，使得得氯氟烃烃（CFFCs）和氢氯氯氟烃（HCFFCs）的替替代问题题日趋紧紧迫，特特别是119900年6月月伦敦会会议上与与会国对对蒙特特利尔议议定书的修正正，该修修正案规规定：从从19993年11月1日日起，对对第一类类控制物物(CFFCs)的年生生产量和和

3、消费量量将逐步步递减，发达国国家在220000年初将将全部停停止消费费；发展展中国家家的控制制进程可可以推迟迟10年年。对于于航行于于各国间间的国际际船舶也也将逐步步受到IIMO“73/78防防污公约约”19997年议议定（即即“73/78”防污公公约-附附则，该附附则规定定所有船船舶都应应禁止使使用含有有消耗臭臭氧层物物质的新新设备）的约束束，更为为严肃的的是根据据蒙特特利尔议议定书的修正正案,发发达国家家将于220000年停止止使用CCFCss，要先先于发展展中国家家，因此此要航行行到发达达国家的的中国船船舶必须须执行发发达国家家的公约约标准。此外，过去普普遍认为为对臭氧氧层破坏坏较小的的

4、R222、R1334a等等替代物物质由于于其GWWP较大大，温室室效应明明显而前前途暗淡淡。正由由于以上上综合因因素，当当前广泛泛应用于于船舶上上的氯氟氟烃类物物质的替替代问题题将更加加严峻。固体吸吸附式制制冷因其其对环境境无破坏坏、节约约能源、无运动动部件的的优点而而成为解解决船舶舶CFCCs替代代问题的的一种较较好方法法。国外于六六七十年年代就开开始了对对吸附式式循环的的研究。国内的的研究开开始于八八十年代代初，严严爱珍等等人曾在在19882年对对吸附式式制冷作作过研究究，使用用的工质质是沸石石分子筛筛-水和和沸石分分子筛-乙醇。他们提提出了根根据不同同的制冷冷要求选选择不同同的工质质的方

5、法法（2）。朱瑞瑞琪等利利用发动动机废气气来驱动动以分子子筛-水水为工质质对的制制冷机对对渔船上上的鱼虾虾进行保保鲜，经经实验，在3hh的循环环中制冷冷量达992KJJ（5）。基于于此，本本文主要要介绍固固体吸附附式制冷冷的基本本原理和和其在船船舶上应应用的可可行性及及前景。固体吸附附式制冷冷11 固体吸吸附式制制冷的原原理 通通常吸附附过程是是放热过过程，而而脱附过过程是吸吸热过程程，固体体吸附式式制冷便便是利用用这一现现象来达达到制冷冷目的的的 。图图11是吸吸附式制制冷系统统的原理理图。11中充满满吸附剂剂，当它它被加热热时，已已被吸附附的吸附附质获得得能量，克服吸吸附剂的的吸引力力从吸

6、附附剂表面面脱出（即脱附附），右右边管内内吸附质质增加，系统内内的压力力逐渐升升高，使使得C11导通，C2截止。当系统统中压力力达到22中温度度所对应应的饱和和压力时时，吸附附质便凝凝结并在在3中聚聚集，脱脱附过程程结束，1从低低品味热热源处获获得Q11的热量量。而当当1被冷冷却时，向外界界放出QQ2的热量量，温度度下降时时，吸附附剂又开开始吸附附吸附质质，使左左边管内内吸附质质减少，系统压压力下降降，C11截止，C2导通（即吸附附），33中的液液态吸附附质因压压力下降降而蒸发发，吸收收环境中中的热量量Q3（即制制冷作用用）后流流回1中中，从而而完成一一个间歇歇式循环环（即单单床循环环），达达

7、到制冷冷的目的的。循环环中不考考虑能量量损失，则Q11+Q3=Q2+Q4，Q3为一循循环的制制冷量。1.吸附附筒（吸吸附床），2.冷凝器器，3.蒸发器器（贮液液器），C1.C2.单向向阀.由以上可可知，单单个吸附附筒的循循环制冷冷是间歇歇式的，若要达达到连续续制冷的的目的，则应增增加吸附附筒（床床）的数数目，让让其交错错运行，则所得得到的制制冷循环环就是连连续的了了。1. 2 工工质的选选择由以上固固体吸附附式制冷冷的原理理可知，制冷循循环的制制冷量与与脱附出出来的吸吸附质的的数量和和吸附质质汽化潜潜热有关关。而吸吸附质的的数量又又与吸附附剂的微微孔体积积相关。因此，在选择择吸附对对时应选选择

8、单位位体积汽汽化潜热热大的吸吸附质和和微孔体体积大、单位体体积吸附附剂能吸吸附较多多吸附质质的吸附附剂，同同时还应应要求吸吸附对的的吸附热热较小，以便吸吸附剂能能对温度度的变化化产生敏敏感的反反应，提提高制冷冷效果。另外，还要求求吸附剂剂的传热热性能好好，但这这将与要要求吸附附剂的微微孔体积积大相矛矛盾。因因为要传传热性能能好势必必造成微微孔体积积较小，而要微微孔体积积大势必必造成传传热性能能较差，因此这这两方面面因素是是相互矛矛盾的，在应用用中应该该综合加加以考虑虑，选择择适当方方案。目前,已已有所研研究的吸吸附工质质对主要要有沸石石分子筛筛-水、活性炭炭-甲醇醇/氨、硅胶-水、金金属氢化化

9、物-氢氢、氯化化钙-氨氨(属化化学吸附附)等，但应用用较多的的是前两两种。它它们的基基本情况况如下：（1）. 沸石石分子筛筛-水：水是一种种较为理理想的吸吸附质。它的汽汽化潜热热大（222588kJ/kg），且价格格便宜，来源广广泛。但但水也有有一定的的缺点，沸石分分子筛对对温度的的变化不不是很敏敏感，因因而其在在应用较较低温热热源的方方面将受受到一定定的限制制；其次次，因为为水在00以下时时要结冰冰（标准准大气压压下），所以要要制取00以下的的温度时时，系统统内压力力要低于于0.66KPa，这这将对装装置的密密封提出出较高的的要求。但相对对而言，倘若在在密封性性方面采采取有效效而必要要的措施

10、施，这种种吸附对对的优势势将大于于其劣势势，并且且将是能能够满足足各种常常用制冷冷的需要要的。（2）. 活性性炭-甲甲醇：活性炭对对甲醇的的吸附量量大并且且甲醇的的凝固点点低（-98），因因而将会会适用于于各种低低温制冷冷场合，利用低低品味能能源中温温度较低低的一部部分热源源。但相相对于水水而言，甲醇的的汽化潜潜热低（11002kJJ/kgg），仅仅为水的的50%左右，另外，在655以下时时活性炭炭-甲醇醇将在负负压下工工作，由由此也将将对密封封性有更更高的要要求。综合而言言，以上上两种吸吸附对相相对其他他工质对对而言将将较为有有优势。选择沸沸石分子子筛-水水作为工工质对的的固体吸吸附制冷冷方

11、式将将能够满满足常规规的需要要。但若若要制取取极低的的温度，则应选选择凝固固点温度度更低的的吸附质质，如采采用氢、氮、氦氦等气体体，利用用沸石的的吸附与与脱附来来实现。2. 固体吸吸附式制制冷在船船舶上应应用的可可行性及及前景固体吸附附式制冷冷装置可可以充分分利用低低品位能能源且基基本上无无运动部部件、运运行时噪噪音小、维修方方便、寿寿命长，同时满满足节能能和环保保的要求求，这些些优点决决定了这这种新型型制冷装装置的应应用前景景将会非非常乐观观。船舶舶上有着着丰富的的废气余余热资源源，这将将为固体体吸附式式制冷在在船舶上上的应用用提供必必要的前前提条件件。目前，船船舶柴油油机的热热效率一一般只

12、有有30-40%，图22-1及及表2-1表示示出了船船舶柴油油机的各各种废气气余热的的组成及及温度水水平（7），由此此可见，船舶上上有着相相当可观观的废气气余热和和高温淡淡柴油机种种类废气余热热种类温度（）低速二冲冲程机（扫气口口式）排气3000低速二冲冲程机（排气阀阀式）排气3400中速四冲冲程机排气4000各机型通用增压空气气1201800柴油机冷冷却水50770辅助锅炉炉排气1502500表2-11.柴油油机废气气余热及及温度水水平水等低品品位热源源可供利利用。如如果能够够以之用用于固体体吸附式式制冷，满足船船舶的制制冷船舶舶的制冷冷需求，这无论论是对于于进行船船舶节能能，解决决由于燃燃

13、料不足足和油价价上涨而而导致的的营运成成本上升升问题，还是减减少环境境污染，达到“73/78公公约”规定的的要求以以及符合合港口国国特别是是发达国国家港口口的检查查都是非非常有利利的。目前，船船舶上普普遍采用用大型低低速二冲冲程柴油油机作为为主机和和中速四四冲程柴柴油机作作为辅机机，其排排气温度度一般在在3500-4550左右，即使在在采用了了废气锅锅炉后，其最后后排气温温度也在在1500-2550左右，因此若若将此时时的废气气用于固固体吸附附式制冷冷，以沸沸石分子子筛-水水作为工工质对（若以之之为例），将会会取得不不错的效效果。因因为在1150左右的的时候，沸石吸吸附制冷冷的效能能将达到到最

14、高(5)，制冷系系数最大大。若温温度继续续升高，则可降降低沸石石的填充充量，从从而减少少装置的的体积，节省材材料和费费用。另另外，就就沸石分分子筛-水的使使用而言言，由于于沸石分分子筛极极易吸水水，因此此，在使使用前必必须注意意其活化化处理的的方法。通常在在常压下下，活化化处理的的温度一一般在4400-5000之间，如果温温度过低低，活化化后残存存的水量量较多；而温度度过高，沸石的的晶格有有可能遭遭到破坏坏，甚至至丧失吸吸附性。 此外，还可以以采用其其他的工工质对如如活性炭炭-甲醇醇来利用用柴油机机气缸冷冷却淡水水这一部部分低温温余热，为了让让装置在在正压状状态下运运行，则则应该适适当提高高气

15、缸冷冷却水的的温度，但是此此时必须须解决气气缸水套套中由于于水温升升高可能能形成的的气阻而而使柴油油机有关关的零部部件局部部过热，循环水水泵的泄泄漏和汽蚀蚀等问题题，此问问题若不不有效的的加以解解决势必必增加船船舶装置置的维护护管理难难度，增增加维护护管理的的工作量量，甚至至由于维维护困难难而导致致的机损损事故发发生。因因此，在在应用活活性炭-甲醇时时必须考考虑其对对动力装装置安全全性的影影响。另外，为为了得到到连续的的制冷量量，船舶舶上也可可以采用用多个吸吸附筒（床）即即多床循循环的制制冷方式式，使它它们交错错运行。为了达达到能源源的更有有效利用用，甚至至可以采采用更高高级的循循环回热循循环

16、，但但同时也也得付出出代价增加加系统的的复杂性性和初投投资。当当然，由由此所得得到的效效益必将将远远大大于所付付出的初初投资。关于固体体吸附式式制冷在在船舶上上的试验验性应用用已经有有了成功功。西安安交通大大学的朱朱瑞琪和和韩宝琦琦等研究究人员开开展了固固体吸附附式制冷冷用于柴柴油机驱驱动的渔渔船上的的制冷和和供热研研究，利利用柴油油机排出出的高温温废气作作为吸附附式热泵泵运行的的能源，取得了了良好的的运行效效果（5）。此外外，由于于节能的的客观要要求，吸吸附式制制冷技术术发展迅迅速。美美国沸石石动力公公司近年年正致力力于高效效能的吸吸附式制制冷机和和热泵的的研究。对连续续再生样样机进行行了1

17、00个月的的经济分分析表明明，吸附附式制冷冷机和热热泵的运运行费用用（按燃燃烧天然然气计算算）比电电动压缩缩式制冷冷机和热热泵低得得多（如如图2-2所示示），且且前者的的制造成成本与后后者不相相上下。可见应应用前景景相当乐乐观。由此可见见，固体体吸附式式制冷运运用于船船舶上无无论是从从理论上上还是实实际的基基本条件件上都是是完全可可行的。3. 结束语语： 根据固固体吸附附式制冷冷的工作作原理、对低品品味能源源的要求求以及船船舶运行行工况下下废气余余热的组组成特性性、船舶舶制冷需需求可知知，固体体吸附式式制冷在在船舶上上应用完完全是可可行的。关键是是应如何何解决其其在试验验中所存存在的问问题。比

18、比如说：如何改改进吸附附剂的传传热性能能。因此此，国内内各方面面应加大大以下三三方面的的研究（4）： （1）.改善吸吸附剂的的吸附性性能，增增大制冷冷量。 （2）.强化传传热，提提高吸附附剂的传传热性能能和单位位吸附剂剂的制冷冷功率，缩短循循环时间间，提高高热效率率。 （3）.改进循循环，采采用高效效回热循循环。同时，国国内有关关的航运运企业也也应支持持并尽快快加入这这一技术术的实用用化研究究工作，以期这这一工作作早日得得以广泛泛的应用用。随着世界界能源危危机的日日益严峻峻和全球球环境的的日益恶恶化，而而与之同同时世界界各国人人民的节节能和环环保意识识不断提提高，在在航行于于各国间间（特别别是

19、发达达国家间间）的国国际船舶舶将面临临受到港港口国日日趋严格格检验的的形势下下，这种种节约能能源、降降低营运运成本并并且有利利于保护护环境的的新技术术在理论论、实验验上必将将有更大大的突破破和逐步步实用化化。将来来，其在在船舶上上的应用用必将日日趋广泛泛。参考文献献Negiib DDousss aand FEMMeunnierr.”AAdorrptiion heaat ppumpp,Acctivve CCarbbonMetthannol Paiir”.LIMMSICCNRSS BPP30,914406,Orssay,Fraancee.严爱珍等等.沸石石分子筛筛吸附式式制冷.制冷学学报，1198

20、33，（11），332-337.RuiqqiZhhu,BBaoqqiHaan,MMeizzhenn Liin aand YonngzhhanggYu.”Exxperrimeentaal iinveestiigattionn onn addsorrptiion sysstemm foor pprodduciing chiilleed wwateer”,Intt J Reffrigg,19992,15(1),31-34章学来、吴孟余余.固体吸吸附式制制冷及其其在船舶舶上的应应用.第三届届全国海海事技术术研讨会会文集.朱瑞琪、韩宝琦琦等.沸石水的吸吸附特性性及其制制冷/热热泵性能能分析.韩宝琦等等.制制冷空调调原理及及应用.西安安交通大大学出版版社.沈思介.轮机机节能.上海海海运学学院999-166FEASSIBIILITTY AAND PROOSPEECT OF APPPLYIING SOOLIDD-ADDS