2022年船用吸附式空调制冷系统可行性设计 .pdf

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1、第32卷 第3期大 连 海 事 大 学 学 报Vol. 32No. 32006年8月Journal of Dalian MaritimeUniversityAug2006文章编号:100627736(2006) 0320011204船用吸附式空调制冷系统可行性设计王雪章,杨昆 鸟鹏,杨 建,王 海,潘新祥(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连 116026 )摘要:分析吸附式制冷应用于船舶空调中的可行性,对其在商船上的应用进行实用性结构设计,对系统的组成进行优化,使之更接近理想循环.对船舶在航行和在港两种情况的热量来源进行控制,并实现了吸附与脱附过程的自动切换,为船舶在运行中实现自动控制提供基础

2、,也为推动吸附式制冷系统在实船上的使用提供新途径.关键词:船舶;空调制冷系统;吸附式制冷;制冷系数;理想循环中图分类号:U 664. 86文献标识码:A0 引 言吸附式制冷技术的应用始于20 世纪初,在Faraday发现氯化银吸附氨产生制冷现象以后1 ,才有了关于这方面的使用记载,当时采用氯化钙2氨和活性炭 2甲醇工质对的制冷技术被成功研制出来 . 然而 ,随后出现的蒸气压缩式制冷,从效率和功率上都较吸附式制冷占有明显优势,因而吸附式制冷未受到足够重视. 自从压缩式制冷常用冷剂氯氟烃类物质(即 CFCs ) 对大气臭氧层的破坏以及产生温室效应被揭示后,国际上已经开始采取从限制到完全禁止使用CF

3、Cs类物质的措施.人们又重新对更为环保、 更为节能的吸附式制冷产生浓厚兴趣.吸附式制冷的特点是能很好地利用低品质热能 ,吸附式制冷的驱动热源为50 以上工业废热和太阳能等低品位热能1 - 2,同时吸附制冷所采用的制冷剂都是天然制冷剂,如水 、 氨 、 甲醇以及氢等 ,其臭氧层破坏系数(ODP) 和温室效应系数( G WP) 均为零 . 船舶柴油机的热效率一般只有30%40 % ,而约占燃料发热量1 2 的能量被柴油机的冷却水及排气等带走.其中柴油机冷却水温度为 6085 ,所带走的热量约占燃料总发热量的 25%;而柴油机排气余热的特点是温度高,所带走的热量约占燃料总发热量的35%3 . 因而

4、,从能量利用角度而言,吸附式制冷在船用空调方面具有很好的应用前景.1船用吸附式空调的系统设计1. 1 工质对的选择吸附制冷工质对性能的好坏直接影响制冷性能和制冷系数的提高,崔群4 等人对吸附剂和吸附质提出了一些要求.目前完全符合文献4 要求的工质对还没有被发现,比较成熟的工质对有:沸石分子筛 2水 、 氯化钙 2氨 (甲醇 ) 、 活性碳 2甲醇 .(1)沸石分子筛 2水对沸石间歇地进行加热和冷却,使沸石产生脱附和吸附作用,就能达到制冷目的.实验研究表明4 :在通常工况下,吸附床适宜的加热解吸温度为 150. 在 150以上 ,继续提高解吸温度,尽管系统的COP不再增加,但可减少沸石充装量,从

5、而减小吸附床尺寸. 收稿日期:20052122071作者简介:王雪章(1980 - ) ,男,河北邯郸人,研究生;E2mail :wxz408 newmail. dlmu. edu. cn.潘新祥(1964 - ) ,男,浙江金华人,教授.名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - (2) 氯化钙 2氨 (甲醇 )具有实用化开发前景,国内部分研究人员以CaCl22NH3为工质对,利用柴油机尾气余热对吸附式制冷机进行研究. 国

6、外已有CaCl22NH3太阳能吸附式制冷样机. 然而 ,氯化钙经多次吸附、 再生循环后 ,吸附性能会有所下降.(3) 活性碳 2甲醇由于其吸附量大,吸附量对温度变化敏感,故得到广泛认可.其解吸温度为9598 5 ,船舶上的能量可以满足其要求. 近年来 ,王如竹5 - 6等用活性炭纤维作为吸附剂,甲醇为制冷剂,进行了吸附制冷系统性能研究,取得了显著效果:既可缩短循环时间,又减小了设备尺寸,可望替代活性炭2甲醇,是一种有开发潜力的吸附工质对.不过活性炭纤维的价格比活性炭高得多.因此 ,活性炭纤维2甲醇工质对在实用化方面还需进一步探讨.1. 2 连续吸附式制冷系统目前吸附式制冷技术还不像压缩机制冷那

7、么成熟 ,主要表现在三个方面7 :循环周期长;制冷量相对较小;制冷系数不高. 因此 ,吸附式制冷装置必须从以下两个方面进行改进:变间歇制冷为连续制冷 ;提高制冷量和制冷系数.由于船舶航行期间 ,柴油机废气余热源源不断,其能量富裕量很大 ,对制冷系数方面的要求不是特别关切,在将吸附式制冷作为船舶空调使用时,更多考虑的是如何实现系统的连续工作,以保持船员舱室空调的连续供给 .根据王如竹等8 连续回热型吸附式空调系统流程 . 该系统采用两个吸附床、 一个蒸发器、 一个冷凝器及一个节流阀. 当一个吸附床与冷凝器相通 ,正在加热解吸时,另一个吸附床与蒸发器相通 ,正在冷却吸附.当解吸吸附过程完成后,通过

8、加热 、 冷却介质流动管道上的阀门切换,使两个吸附床互换工作状态,这样就实现了连续制冷.该系统流程图从理论上解决了吸附式制冷连续工作的问题,然而 ,在实际使用时,仍需进行改进 ,尤其是吸附式制冷用于船舶空调时,因船舶有着特殊的工作环境,更有必要进行改进. 主要包括 : (1) 系统中手动阀较多,无法实现两个吸附床工作状态的自动切换; (2) 实际循环与理想循环的Clapeyron图的偏离大9 ,需热量增大; (3) 要想实现状态的自动切换,必须要有感受状态的感应元件或基于时间控制的自动元件; (4) 流量较大时,不能采用普通电磁阀进行控制,而必须利用船上的控制空气,利用气动换向阀实现对大流量介

9、质的控制 ;(5) 要充分利用船舶现有的条件,实现吸附式空调在船上的使用,对脱附床的加热介质可采用船舶主机冷却水(6590 ) ,如温度不够,可适当通过废气加热至9598 . 吸附床的冷却可直接利用海水或低温淡水系统.1. 3 船用连续吸附式空调实施方案根据实船条件和实现吸附式空调连续运转的要求 ,从上述提及的几个方面对理论连续吸附式空调系统加以改进.(1) 两个吸附床解吸过程和吸附过程的自动转换 ,并且使实际循环更接近理想循环.要想实现吸附式制冷的连续工作,必须采用至少两个吸附床 ,以便实现交替地进行脱附和吸附过程. 为了实现交替过程,应当设立感应元件用以感受处于脱附阶段的吸附床已基本完成脱

10、附过程,然后 ,将两个吸附床的工作状态置换.转换的依据可以采用压力继电器感受脱附床出口压力的变化,当这一压力开始呈现下降时,表明脱附过程基本结束,或者采用时间继电器,根据一定温度范围和吸附床的容量 ,决定完全脱附需要的时间,直接运用设定时间继电器的方法实现两个吸附床的转换.压力继电器或时间继电器感受的电信号传给电磁换向阀,继而实现制冷剂流动线路的变化.由于采用三位四通换向阀,取代了多个截止阀的功能 ,同时 ,能方便地实现自动转换.图 1 表示冷剂在系统中的优化运行. 图中的三位四通阀可以保证当处于解吸状态的吸附床的压力达到冷凝器的冷凝压力时两者才相通. 背压阀的作用是当处于吸附状态的吸附床的压

11、力达到蒸发压力时蒸发器才和处于吸附状态的吸附床相通,以上的设计使系统在实际运行中更接近理论循环,以提高制冷系数6 .图1两个吸附床交替工作时冷剂系统的转换(2) 对于流量较大的加热水和冷却水的转换应当采用气动控制阀来实现,如图 2 所示 . 供吸附21大 连 海 事 大 学 学 报 第 32 卷 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 床加热用的介质可选用船舶主机冷却水,冷却主机后的水的温度最高可达90 ,这部分水的流量

12、较大 ,作为普通电磁阀受通流面积所限,只能采用气动阀控制 ;同样 ,冷却吸附床的冷却水流量也很大 ,应当采用气动阀.根据功能而定,选择三位四通气动换向阀,就可以实现两个吸附床交替地进行解吸与吸附过程.图2 两个吸附床交替工作时加热与冷却介质的转换(3) 现代化柴油机(如 B&W 系列 、 MAN 系列等) 的主机缸套冷却水的出口温度一般都提高至90左右 ,高水温可以满足对吸附床解吸的条件,若想进一步提高用以加热的水温,可使主机出口缸套水再经过废气锅炉的适当加热,然后 ,采用温度调节器对进入吸附床加热的水温进行调节,确保提供温度符合要求的加热介质. 图 3 显示的是船舶在航行期间的加热水流量可方

13、向地控制. 但船舶也有相当一部分时间是在港装卸货物,为使系统的应用更具广泛性,针对船舶在港期间的加热水的来源也需要进行处理,其处理过程如图4所示 .图3航行期间热量回收示意图图4 在港期间加热水热量来源示意图由于船舶在航行期间其废热所产生的能量是源源不断的,此时没有必要考虑制冷系数的大小,但是当船舶在装卸货物的时候,此时的主机是停转的 ,因此 ,要考虑连续回热型循环,以提高制冷系数 .(4) 经改造后的船用空调吸附式制冷系统如图 5所示 .图5空调系统的改进工况的选择 :阀 5 三个两位两通气动阀用来控制是否采用连续回热型循环的选择阀,当不需要采用连续回热型循环时,阀 5 是不通的 . 当需要

14、采用连续回热型循环时,阀 5 是开启的 ,受主机启动按扭控制.当船舶在港或锚地停泊采用连续回热型循环时 ,图 5 中阀 5 三个阀在控制空气作用下保持通位 ,如果在冷剂出口冷剂达到某一温度(此温度是由实验得出的) ,则阀 8 在控制空气作用下下位通 ,加热水通过阀8 去做他用 ,同时阀 1、 2、 3、 4 在控制空气作用下动作,阀 1、 2、 3、 4、 8 的相应动作完成了连续回热型循环.图 5 中蒸汽加热器只在连续回热循环中才使用 ,其作用是使加热水进一步升温,通过调节蒸汽阀的开度来调节进入处于解吸状态吸附床加热水的温度 .2船用空调特点(1)船舶在航行中,接触的是海水这一天然冷却媒介

15、,而且其源源不断,所以船用空调的冷却问题不难解决.在现阶段大部分的船用空调的冷却水用的都是海水来间接冷却. 因此腐蚀问题也一直是人们关注的焦点.(2)世界各大洋间的温度变化比较大,船舶在航运途中,其在不同的航区面临不同工况,其工作参数需要不断调整. 相比较而言,船用空调在管理上比较复杂 .(3)将吸附式空调系统用于船用空调,一方面能利用缸套水及主机排气余热直接或间接对吸附器进行加温实现解吸,很好地利用了缸套的冷却31第 3 期 王雪章 ,等 :船用吸附式空调制冷系统可行性设计名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精

16、心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 热 ,并同时还可以回收柴油机排气的废热,实现了节能 .3 实用化存在的问题(1) 低温腐蚀由于船舶运行所需要的燃油当中或多或少地存在一些硫成分,燃油燃烧的产物中就会有二氧化硫和三氧化硫的存在,当船舶废气在达到二氧化硫与水蒸气和三氧化硫与水蒸气各自的露点温度时 ,其形成的亚硫酸和硫酸就会对金属壁面造成腐蚀作用 .(2) 部分负荷系统加热 冷却水的控制是靠时间继电器来间接控制的 .船舶在航行过程中,其速度是不断变化的 ,也就是说其功率输出是不固定的,其排气的温度也是不一样的,进而可知其制冷装置的循环周期

17、也不是一成不变的. 这样就出现了在不同航速下 ,需要不断地调节循环周期的时间,以提高制冷装置的制冷量. 从而对制冷装置的使用造成了一定的局限性.为解决此问题,可以通过锅炉来补充能量的不足.(3) 船上空间局限性船舶的设计是非常紧凑的,尤其机舱的空间利用率更高,吸附床的尺寸以及热传导性的优劣直接受机舱空间的影响.参 考 文 献 :1 王如竹,王丽伟.低品位热能驱动的绿色制冷技术:吸附式制冷J .科学通报,2005 ,50(2) :1012111.2 侯 轶,朱冬生.吸附式制冷技术在空调应用中的研究进展J .制冷,2002 ,21 (3) :18222.3 孙永明.固体吸附式制冷在船舶上的应用研究

18、J .上海海运学报,2000 ,21(2) :52255.4 崔 群,陶 刚,姚虎卿.固体吸附式制冷吸附剂的研究进展J .南京化工大学学报;1999 ,21(6) :1022107.5 李敏华,巫江虹.太阳能吸附式制冷关键技术的研究J .能源与研究,2004(2) :36239.6 王如竹,贾金平,滕 毅,等.一种有潜力的吸附式制冷工质对活性碳 2纤维J .太阳能学报,1997 ,18(2) :2222227.7 滕 毅,王如竹.连续回热活性炭甲醇吸附式制冷循环研究J .低温工程,1995(3) :48252.8 王如竹,许煜雄,吴静怡.连续回热型吸附制冷机的改进与运行试验J .工程热物理学报

19、,1998 ,19(3) :2752278.9 吴静怡,滕 毅,王如竹,等.回热型吸附式制冷系统的最优化运行研究J .上海交通大学学报,1997 ,31(2) :71275.Practical design of adsorptionrefrigerationon ship air conditioningWANG Xue2zhang, YANG Kun2peng, YANGJian , WANG Hai , PAN Xin2xiang(Marine Eng.College, Dalian Maritime Univ. , Dalian 116026, China)Abstract :This

20、 paperanalyzedthe practical applicationof ads orption refrigerationin the ship. Thepractical princi2ple of the ads orption refrigerationsystemwas describedandoptimized, which madethe cyclecloseto the ideal cy2cle. Controlling the caloric s ource and the working plan madeit possibleto switch the proc

21、esses of abs orption anddes orption automaticallywhichprovided a basefor automaticallycontrolling. Thepaperhasprovideda newwayforads orption refrigerationapplicationon boardship.Key words:ship ; air2conditionrefrigetationsystem; ads orption refrigeration; coefficientof performance ; purecycle41大 连 海 事 大 学 学 报 第 32 卷 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -