漁船余熱朗肯－朗肯制冰系統(tǒng)研究
為有效利用漁船煙氣和冷卻水的余熱，本文采用有機(jī)朗肯- 朗肯系統(tǒng)進(jìn)行制冰，建立了系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，研究了系統(tǒng)的性能參數(shù)和影響因素，評價了單位質(zhì)量熱水以及單位功率熱源的制冰能力。結(jié)果表明：余熱溫度和冷凝溫度對系統(tǒng)性能有重要影響，而冷凝器的過冷溫度對系統(tǒng)性能的影響很小。在熱源溫度為100℃，冷凝溫度為40℃時，每噸熱水的制冰量為86.4kg/t，單位功率余熱每小時的制冰量為2.27kg/(kW·h) ，論證了有機(jī)朗肯- 朗肯循環(huán)系統(tǒng)用于漁船余熱制冰的可行性。
1、前言
我國擁有眾多的中小型漁船，這些漁船大部分都沒有配置冷凍設(shè)備，為了魚品冷藏保鮮，一般需帶冰出海捕魚，費用較高，很不經(jīng)濟(jì)。而這類漁船柴油機(jī)燃燒所產(chǎn)生熱量的30%～45% 被排氣帶走而損失掉，并且尾氣溫度一般在400℃ 左右或更高。另外，發(fā)動機(jī)冷卻水的溫度一般也在60～100℃之間。如果能回收利用這部分熱量進(jìn)行制冰，可減少漁船帶冰量，降低捕魚成本，具有重要意義。
國內(nèi)外的學(xué)者已經(jīng)開展了漁船余熱制冰的研究，主要是通過吸附和吸收的方式進(jìn)行制冰。王如竹等陸續(xù)開展了漁船煙氣余熱吸附制冰的研究，并開發(fā)出了相關(guān)的樣機(jī)。倪錦等采用氨水吸收的方式利用漁船煙氣進(jìn)行制冰。吸附制冰系統(tǒng)能在漁船搖擺的狀態(tài)下工作，但是吸附制冰最核心的問題是缺乏同時具有高的傳熱和傳質(zhì)性能的吸附劑，導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，性能系數(shù)低。氨水吸收式制冰系統(tǒng)的循環(huán)效率比吸附式的高，但是制冷劑氨和吸收劑水的標(biāo)準(zhǔn)沸點差只有133.4℃，發(fā)生器的蒸汽中會含有少量水蒸氣，為此需要設(shè)置精餾器，致使系統(tǒng)設(shè)備龐大。
近來，余熱驅(qū)動的有機(jī)朗肯- 朗肯循環(huán)( 又叫有機(jī)朗肯- 蒸汽壓縮循環(huán)) 備受關(guān)注，該循環(huán)主要包括膨脹機(jī)系統(tǒng)和壓縮機(jī)系統(tǒng)，膨脹機(jī)系統(tǒng)采用低沸點的有機(jī)工質(zhì)作為循環(huán)介質(zhì)，利用熱能加熱有機(jī)工質(zhì)驅(qū)動膨脹機(jī)輸出動力; 壓縮機(jī)和膨脹機(jī)同軸，膨脹機(jī)直接帶動壓縮機(jī)轉(zhuǎn)動。由于朗肯-朗肯循環(huán)采用同軸結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)效率高，而且能夠利用工業(yè)余熱，地?zé)岷吞柲艿戎械蜏責(zé)嵩矗艿礁鲊鴮W(xué)者的青睞。
為有效利用漁船的余熱，本文以漁船的煙氣和發(fā)動機(jī)冷卻水作為熱源驅(qū)動有機(jī)朗肯- 朗肯系統(tǒng)進(jìn)行制冰，主要研究系統(tǒng)的整體設(shè)計，熱力過程以及系統(tǒng)性能的影響參數(shù)，旨在分析朗肯- 朗肯循環(huán)利用漁船余熱制冰的可行性，并為下一步樣機(jī)的開發(fā)提供參考依據(jù)。
2、系統(tǒng)設(shè)計
余熱情況：漁船余熱主要包括發(fā)動機(jī)排煙余熱和發(fā)動機(jī)冷卻水余熱。以一臺發(fā)動機(jī)功率100kW 的小漁船為例，排煙溫度一般在400℃左右，排煙所帶走的熱量占燃油燃燒所產(chǎn)生熱量的30% ～45%。發(fā)動機(jī)冷卻水的溫度一般在60～100℃之間，發(fā)動機(jī)冷卻水排出的熱量約占燃油燃燒所產(chǎn)生熱量的30%左右。近似估算，發(fā)動機(jī)冷卻水和排煙帶走的熱量約為200kW。
工質(zhì)選擇：HFC-245fa 對臭氧層沒有破壞，溫室效應(yīng)較小，不可燃，不腐蝕。該工質(zhì)在膨脹機(jī)出口側(cè)仍為過熱蒸汽，沒有出現(xiàn)兩相區(qū)，膨脹機(jī)運行較安全，而且膨脹機(jī)效率較高。參考了相關(guān)文獻(xiàn)，本文選擇HFC - 245fa 作為膨脹機(jī)系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)�？紤]到膨脹機(jī)和壓縮機(jī)主軸密封在長期運行過程中存在泄漏的可能，從安全穩(wěn)定的角度考慮，壓縮機(jī)系統(tǒng)也采用HFC-245fa 作為循環(huán)工質(zhì)。
系統(tǒng)設(shè)計：整個系統(tǒng)的流程如圖1 所示，在本文中膨脹機(jī)系統(tǒng)叫做動力側(cè)，壓縮機(jī)系統(tǒng)叫做制冰側(cè)。為防止煙氣結(jié)垢，煙氣不直接進(jìn)入發(fā)生器，而是采用余熱鍋爐回收煙氣的熱量。為拆卸和維修方便，余熱鍋爐內(nèi)采用水作為吸熱工質(zhì)，通過循環(huán)泵將熱水泵入發(fā)生器加熱有機(jī)工質(zhì)。由于排煙的溫度較高，達(dá)到400℃左右，余熱鍋爐內(nèi)熱水的溫度一般高于發(fā)動機(jī)冷卻水的溫度，因此，在設(shè)計發(fā)生器時，采用立式結(jié)構(gòu)，換熱管采用上下兩層布置，上層換熱管內(nèi)通入余熱鍋爐的高溫?zé)崴�，下層換熱管通入發(fā)動機(jī)冷卻水。
由于進(jìn)入發(fā)生器的HFC - 245fa工質(zhì)為過冷態(tài)，溫度較低，為提高系統(tǒng)效率，進(jìn)入發(fā)生器的熱水采用逆流的方式，即采用上進(jìn)下出的方式，工質(zhì)采用下進(jìn)上出的方式。動側(cè)和制冰側(cè)的冷凝器可以采用風(fēng)冷也可以采用水冷，本文選擇風(fēng)冷冷凝器。系統(tǒng)中動力側(cè)和制冰側(cè)的兩個冷凝器可以做成一個共用也可以做成兩個。冷凝器做成一個共用的話，結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)緊湊，但是經(jīng)過冷凝器后，一路工質(zhì)進(jìn)入制冰機(jī)，另一路工質(zhì)進(jìn)入發(fā)生器，實際運行時，工質(zhì)流量的精確分配是個難題。冷凝器若做成2個，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是工質(zhì)流量的分配比較容易。本文選擇2 個獨立的冷凝器。漁船的運行工況決定了排煙和發(fā)動機(jī)冷卻水的溫度，考慮到漁船運行工況的多變性，所設(shè)計的制冰系統(tǒng)應(yīng)能適用熱源多變的工況。為此，膨脹機(jī)采用徑向軸流式的透平膨脹機(jī)，該機(jī)適用范圍廣，能在變負(fù)荷工況下穩(wěn)定運行。壓縮機(jī)采用離心式，壓縮機(jī)與膨脹機(jī)同軸。
圖1 系統(tǒng)流程示意
結(jié)論
(1) 將有機(jī)朗肯- 朗肯循環(huán)系統(tǒng)用于漁船余熱制冰是可行性的。在熱源溫度為100℃，冷凝溫度為40℃時，每噸熱水的制冰量為86.4kg/t，單位功率余熱每小時的制冰量為2.27kg/(kW·h) 。此制冰量和制冰速率可以滿足中小漁船的冰需求量;
(2) 余熱熱源溫度和冷凝溫度對系統(tǒng)性能有重要影響。當(dāng)冷凝溫度為40℃，熱源溫度分別為80、120和160℃時，單位功率的余熱每小時可制冰量分別為1.62、2.83 和3.74kg/(kw·h) 。當(dāng)熱源溫度為100℃，冷凝溫度為30、40 和50℃時，單位功率的余熱每小時的制冰量分別為3.56、2.27和1.46kg/(kW·h) 。在實際設(shè)計漁船余熱制冰系統(tǒng)時，要以系統(tǒng)整體性能最佳為原則，綜合權(quán)衡是采用風(fēng)冷還是水冷冷凝器;
(3) 制冰側(cè)冷凝器的過冷溫度對系統(tǒng)性能的影響很小，在實際設(shè)計余熱制冰系統(tǒng)時，過冷度的選擇主要考慮系統(tǒng)的運行安全;
(4) 本文提出的有機(jī)朗肯- 朗肯循環(huán)制冰系統(tǒng)，不僅可以制冰，而且可以用余熱驅(qū)動來制冷。同時可以利用漁船的余熱，也可以利用地?zé)�，太陽能和工業(yè)余熱，具有廣泛的應(yīng)用前景。
