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SHIP ENGI NEERI NG V o.l 31 Supplement 2009船 舶 工 程总第 31卷,2009年增刊 利用多种余热的复合热源型溴化锂制冷机组特性分析武 威,解国珍(北京建筑工程学院 环境与能源工程学院,北京 100044)摘 要:针对船舶动力系统运行时会产生大量多种形式的低品位余热,而这些余热恰好适合作为溴化锂吸收式制冷机的驱动热源,并利用动力系统余热实现船舶的空气调节.介绍了船舶柴油机动力系统所产生的几种余热形式,以及复合热源型溴化锂吸收式制冷机的热力性能、制冷循环效率和回收这些余热的可行性方案.并与电力驱动的压缩式制冷循环在经济性、安全性和能源利用效率等方面进行综合分析对比,论述了船舶节能和余热回收利用的可行性和必要性.关键词:溴化锂吸收式制冷机;复合热源;驱动热源;船舶动力装置;余热回收 中图分类号:TB651,U664.5+2 文献标识码:A 文章编号:1005-8354(2009)Z-0079-06Study on the characteristics of applying hybrid heat sourceLi Br absorption refrigerating unit by waste heatWU W ei1,XIE Guo-zhen1(Beijing University ofCivilEngineering and Architecture,SchoolofEnvironment and Energy Engineering,Beijing 100044,China)Abstract:According to abundant low-waste heat produced from Marine Power Plant,which is suitable for air-conditioning syste m of ship and be used asdriving heat source of the LiBrAbsorption refrigerator.Some for ms oflo w-waste heat produced from ship engine syste m and feasible schemes be used forHybrid heat sourceLiBrabsorp-tion refrigerator to recycle it be introduced.Ther mal perfor mance and refrigeration cycle efficiency also be dis-cussed in thispaper.M eanwhile,the Absorption refrigerator is compared with Compression refrigeratorwhich bedroved by electric power in econo my,safety and energy utilization efficiency.The necessity of energy-saving andwaste heat-recovering of ship isdiscussed in thispaper.K ey words:L i Br absorption refrigerator;hybrid heat source;driving heat source;marine power plant;Wasteheat recovery收稿日期:2009-07-06;修回日期:2009-08-06基金项目:北京市自然科学基金(项目编号 3082006)作者简介:武威(1982-),男,在读硕士研究生,研究方向:通风空调制冷技术与设备.0 前言臭氧层的破坏是一个全球性的环境问题,成为世界三大公害之一,已引起了世界各国的极大关注.1992年召开的蒙特利尔议定书第四次缔约国会议决定 CFCS从 1996年 1月 1日起禁用,HCFC(如 R22)类物质使用到 2020年减少 95%,2030年起禁用.在我国已经开始了 HCHC的替代工作.目前还没找到更适当替代冷媒的情况下采用溴化锂机组也是为环保做出贡献.对于大功率的船用柴油机,运行时的排气温度高达 400e 以上,柴油机缸套冷却水出口温度也高达 80e 90e.目前船舶装置的溴化锂制冷机(无论单效或双效)多为单一热源驱动型的机组,更全面地利用不同形式的余热成为目前改变船舶节能效果的关键所在.因此,本文提出采用复合热源型溴化锂吸收式制冷机组(即利用柴油机排放的烟气的热量和柴油机缸套冷却水的热量)来更全面地回收利用不同形式的余热,以满足船舶上生产生活所需的空调制冷和达到节能环保的要求,提高低品味能源的利用率.)79)1 船舶动力装置余热形式1.1 柴油机排放的烟气余热当船舶柴油机动力装置运行时,一般大型低速二冲程柴油机的排烟温度在 300e 400e 之间,四冲程增压柴油机的排烟温度则高达 400e 450e,属于中温余热,而且排量较大,排气量约为燃油重量的20 30倍.因此,利用排烟的余热,通过气-水换热器来加热废气锅炉,生产出可作为驱动溴化锂机组的热源蒸汽,废气锅炉可产生 0.3M Pa 0.5MPa的蒸汽.1.2 柴油机缸套冷却水余热大功率二冲程低速柴油机和四冲程中速柴油机的缸套冷却水温一般在 90e 左右,可以利用这部分冷却水余热对废气锅炉的给水进行预加热.1.3 增压器出口的排气余热高温 增压 空气通 过冷 却器 后可 产生 80e 100e 的热 水.同 时 增压 器出 口 的烟 气 温度 也 在120e 180e,可以利用气-水换热器来产生热源蒸汽或热水.以上的余热形式、温度及其来源见表 1和图 1表 1 船舶动力装置余热形式及温度余热热源余热类型温度/e柴油机排烟烟气余热300 450柴油机废气锅炉蒸汽余热120 200柴油机缸套冷却水冷却水余热80 90增压空气冷却水冷却水余热80 100增压器出口烟气热空气余热120 180图 1 船舶柴油机热力系统余热示意图2 复合热源型溴化锂吸收式制冷机2.1 溴化锂吸收式制冷机工作原理 1溴化锂吸收式制冷机以溴化锂-水作工质,水为制冷剂,溴化锂溶液为吸收剂,用来制取 0e 以上冷媒水作为空调系统的制冷剂.其工作过程如下:由发生器泵送来的温度较低的溴化锂稀溶液,经过热交换器升温进入发生器内,被发生器管簇内的蒸汽(或热水、废气)加热.由于水的沸点远低于溴化锂,溶液中的水分便不断蒸发,使剩余的溶液变浓.浓溶液在重力及压差作用下经过热交换器放出热量,然后进入吸收器并与其中的稀溶液混合成中间浓度溶液.而冷剂水蒸气经过挡水板分离去液滴后进入冷凝器中,被冷凝器管簇内的冷却水冷却,凝结成冷剂水.由于冷凝器内的压力较高,同时为了防止冷凝器中的蒸汽随同冷剂水一同进入蒸发器,因此让冷剂水先通过 U 形管(水封装置)节流降压后,再进入蒸发器的水盘内,并由循环泵(又称蒸发器泵)送往蒸发器的喷淋装置,均匀地喷淋在蒸发器管簇的外表面上.由于蒸发器内的压力较低,冷剂水便从管簇内的冷媒水吸热蒸发,同时使冷媒水的温度降低,从而制取了冷量.蒸发器中冷剂水汽化产生的水蒸汽经过挡水板分离去液滴后进入吸收器,被吸收器泵送来的正在喷淋的中间浓度溶液所吸收,吸收过程中放出的溶解热被吸收器管簇内的冷却水带走.中间浓度溶液吸收了水蒸汽后成为稀溶液,再由发生器泵经热交换器送入发生器中加热.如此不断循环以制取冷量.如图 2所示.图 2 单一热源驱动型溴化锂吸收式制冷系统及原理示意图2.2 可利用的驱动热源类型 6由图 3所示,某型船用柴油机燃料发热量的大约45%用于动力输出,约 55%的热量以余热的形式被排放掉,其中排气约占 30%,冷却水约占 15%,可见柴油机排气和缸套冷却水是余热损失的主要形式,并且由图 1和表 1可知,排气和冷却水的热物性参数及其热品质均能够满足作为溴化锂吸收式制冷机组驱动热源的需要,是船用溴化锂机组很好的驱动热源.图 3 船用柴油机余热比例示意图2.3 复合热源型溴化锂吸收式机组为了能够同时利用柴油机排气和缸套冷却水的)80)余热,考虑采用复合热源型溴化锂吸收式制冷机组.如图 4所示,复合热源驱动的溴化锂吸收式制冷机有 2个驱动热源:柴油机排出的烟气和柴油机的缸套冷却水.烟气先进入高压发生器加热溴化锂溶液发生蒸汽,高压发生器中产生的蒸汽再进入低压发生器作为驱动热源发生蒸汽;而缸套冷却水则因为温度较低而用来加热低压发生器.因此其实质是一个烟气驱动的双效吸收式制冷系统和一个缸套冷却水驱动的单效吸收式制冷系统的组合.1、高压发生器;2、低压发生器;3、冷凝器;4、冷却塔;5、空调用冷盘;6、冷冻水泵;7、冷却水泵;8蒸发器;9、冷剂水泵;10、吸收器;11、溶液泵;12、低温热交换器;13、高温热交换器图 4 复合热源驱动的溴化锂制冷系统示意图3 复合热源驱动吸收式制冷循环的性能指标及循环效率分析3.1 复合热源驱动吸收式制冷循环热力系数分析 2,3热力系数是吸收式制冷机制冷量 Qo与消耗的热量 Qg之比,是衡量吸收式制冷机性能的一个重要指标,反映了从驱动热源输出的热负荷与制冷机制冷量之间的关系,用于评价制冷机的经济性,也称 COP值.COP=Qo/Qg(1)式中,Qo为制冷机制取的冷量,kW;Qg为制冷机消耗的热量,kW.设复合热源型吸收式制冷循环是可逆的,高压发生器中烟气驱动热源温度为 Tg1,低压发生器中的高温冷却水驱动热源温度为 Tg 2,蒸发器中冷媒水温度为 To,冷凝器中冷却水温度为 Tk,吸收器中冷却水温度为 Ta.吸收式制冷系统单位时间内引起外界的熵的变化为:对于高压发生器热媒是$Sg1=-Qg1/Tg1;对于低压发生器热媒是$Sg 2=-Qg 2/Tg 2;对于蒸发器中被冷却物质是$So=-Qo/To;对于冷凝器中冷却水是$Sk=Qk/Tk;对于吸收器中的冷却水是$Sa=Qa/Ta.由热力学第一定律可知:Qg+Qo+P=Qa+Qk(2)由热力学第二定律可知,若泵的功率忽略不计,可逆循环系统引起外界总熵的变化应等于零,即:E$S=$Sg1+$Sg2+$So+$Se=0其中,$Se=$Sa+$Sk.得:E$S=Qg1Tg1+Qg 2Tg2+QoTo-QeTe=Qg1Tg1+Qg2Tg2+QoTo-QaTa-QkTk=0(3)设:Qg1+Qg2=Qg;K=Qg1/Qg2其中,K 为柴油机排气驱动耗热量与缸套冷却水驱动耗热量的比值.由以上两式可得:Qg1=KQgK+1;Qg2=QgK+1将以上两式代入(3)式可得:复合热源驱动的吸收式机组的热力系数COP=QoQg=ToBQg-ToA 或 COP=AQoToBTo-Qo(4)其中,A=KTg2+Tg1(K+1)Tg1Tg2;B=QaTa+QkTk.讨论:1)当单独利用烟气余热作为发生器驱动热源时,Qg2=0,Qg=Qg1,Ky,此 时A1=lm iK y KTg 2+Tg 1(K+1)Tg1Tg2=1Tg1;B1=QaTa+QkTk=Qg 1Tg1+QoTo.将 A1、B1代入(4)式得热力系数为:COP1=ToQg1QaTa+QkTk-ToTg1=ToQg1Qg1Tg1+QoTo-ToTg1=QoQg1或 COP1=1Tg1QoToQaTa+QkTkTo-Qo=QoToTg1Qg1Tg1+QoToTo-Qo=QoQg1(5)2)当单独利用缸套冷却水余热作为发生器驱动热源 时,Qg 1=0,Qg=Qg2,K y 0,此 时 A2=lm iKy 0KTg2+Tg1(K+1)Tg1Tg2=1Tg2;B2=QaTa+QkTk=Qg1Tg1+QoTo.同理可证,将 A2、B2代入(4)式得热力系数为:COP2=Qo/Qg2(6)由(5)及(6)可知,公式(4)符合热力学的基本定理以及热力系数的定义,将其应用于复合热源型吸收式制冷机组热力系数的计算是切实可行的.3.2 复合热源驱动吸收式制冷循环实例分析 4-5已知某型号柴油机的排气进入发生器的温度为Tg=643.15K,离开发生器时的温度为 423.15K,缸套冷却水进入发生器的温度为 T*g=363.15K,出入口温)81)差$T=10K,燃油热值取 41860kJ/kg,烟气质量流量M1取 37.7t/h,缸套冷却水质量流量 M2取 200m3/h,油耗量 1.17t/h.利用一台可改造为复合热源型机组的双效溴化锂吸收式制冷机分别对单独利用烟气驱动、单独利用缸套冷却水驱动和两种热源同时驱动的三种不同情况根据以上推导出的公式进行热力计算.双效吸收式制冷循环如图 5所示.图 5 溴化锂双效吸收制冷循环的 h-N图 1)单独利用烟气余热的单效机组 机组冷却水进口温度 305.15K;机组冷却水出口温度 311.15K;冷媒水进口温度 285.15K;冷媒水出口温度 280.15K,机组冷却水循环量 420m3/h;蒸发温度To=280.15-2=278.15K 取冷却水总的温升为$Tw=8K,采用吸收器和冷凝器串联流动方式,根据单效机组吸收器和冷凝器热负荷之比一般为 1.3B1,取$Tw1=4.5K,$Tw2=3.5K放气 范 围(Nr-Na)由 Pk=9.6kPa,T4=374.15K,Pa=0.8KPa(6mmHg),T2=315.15K,查 h-N 图可 得 Nr=64.0%,Na=59.5%,Nr-Na=64.0%-59.5%=4.5%.循环倍率:f1=NrNr-Na=14.2(7)2)单独利用缸套冷却水余热的单效机组机组冷却水循环量 400m3/h;发生器出口浓溶液温度 T4=363.15-5=358.15K,Nr=59.2%;吸收器出口稀溶液温度 T2=315.15K,Na=55.7%循环倍率:f2=NrNr-Na=16.9(8)3)同时利用柴油机排气和缸套冷却水余热的复合热源型机组冷却水循环总量为 820m3/h.排气中可利用的单位热量:q1=C260p(Tg-Tk)(9)缸套冷却水可利用的单位热量:q2=CP$T(10)式中,C260p为排气进出口平均温度的定压比热,查表可 得 1.114(kJ/kg)#K;CP为 冷 却水 的 比 热,4.185(kJ/kg)#K;$T 为缸套冷却水进出口温差,10K.利用排气驱动发生器的耗热量:Qg1=q1M1=C260p(Tg-Tk)M1=2565.38(kW)(11)利用缸套冷却水驱动发生器的耗热量:Qg2=q2M2=CP$T M2=2325(kW)(12)由表 2可知:相同工况下烟气与冷却水复合驱动的吸收式制冷循环制冷量是单一烟气驱动的 1.79倍;是单一冷却水驱动的 2.56倍.复合热源驱动的制冷机组的热力系数大于单一缸套冷却水驱动机组的热力系数,较单一高温烟气驱表 2 利用推导公式所得三种不同驱动热源形式下的计算结果内容单独利用烟气余热单独利用缸套冷却水余热烟气、冷却水同时利用K 系数01.10A0.00190.00280.0022B12.5811.9124.56Tg1/K533.15)533.15Tg2/K)358.15385.15To/K278.15278.15278.15Ta/K309.15309.15309.15Tk/K312.15312.15312.15内容单独利用烟气余热单独利用缸套冷却水余热烟气、冷却水同时利用Qa/k W2197.22092.54289.3Qk/k W1708.81627.53336.4Qg1/k W2565.4)2565.4Qg2/k W)23252325Qg/k W2565.423254890.4Qo/k W2142.11502.03839.0COP0.8350.6460.785注:已知参数(所需相关参数可查 h-N图并计算得到)82)动机组的热力系数却较小.热力系数并不是评价机组经济性的唯一指标,由于复合热源型机组同时利用柴油机排放的高温烟气的热量和柴油机缸套冷却水的热量,且烟气与冷却水的流量又很大,由此可知,可利用烟气的流量 M1和缸套冷却水流量 M2越大,以及驱动热源温度 Tg1和 Tg2越高,则制冷机组的制冷量 Qo就越大,相比单一利用冷却水或排气的单一热源驱动机组,其制冷量明显增大,机组对低品味热源的综合利用率明显提高.3.3 吸收式制冷理论循环效率分析 3图 6中,2-5为稀溶液预热过程;5-4为稀溶液在发生器内加热过程;3c-3为冷剂水蒸气在冷凝器内 Pk压力下除去过热凝结为饱和水的过程;3-1为冷剂湿蒸气在蒸发器内 Po压力下吸热至饱和水蒸气的过程;4-8为浓溶液在热交换器内预冷过程;8-6为浓溶液节流过程,将浓溶液由压力 Pk下的再冷液变为压力 Po下的湿蒸气;6-10为浓溶液在吸收器中的吸收过程.由图 6可知:决定吸收式制冷热力过程的外部条件是三个温度:热源温度 Th,冷却介质温度 Tw,被冷却介质温度 Tc.其中热源温度 Th决定了发生器内溶液的最高温度 T4,Pk和 T4又决定了浓溶液的浓度Ns,而溶液循环倍率的公式为 f=Ns/(Ns-Nw),循环倍率表示系统中每 1kg制冷剂所需要的 L i Br-H2O 工质对溶液的质量数(kg).采用复合热源驱动的吸收式机组较单一热源驱动的机组提高了发生器内溶液温度 T4,从而提高了浓溶液浓度 Ns,在稀溶液浓度 Nw不变的情况下理论上降低了循化倍率 f,在 LiBr-H2O 工质总量不变的情况下产生更多的冷剂水,从而使得制冷循环效率提高.图 6 理论吸收制冷循环在 h-N图上的表示4 复合热源型溴化锂吸收式制冷机组使用特点及可行性分析复合热源驱动型溴化锂吸收式制冷机组作为船舶空调系统的冷、热源之一,通过与船用压缩式制冷机组的对比分析,其优点更为清楚,有利于在具体的船舶系统工程中做出更为合理可靠的选择.分析比较见表 3.表 3 用于船舶的复合热源型溴化锂吸收式制冷机组与船用压缩式制冷机组的综合对比制冷机形式复合热源型溴化锂吸收式制冷船用氟利昂压缩式制冷初投资空调系统投资和电力负荷很小,只增加少量电力设备配制费和电力增容费除空调系统投资外,由于电力负荷大,需增加大量电力设备配置费和增容费运行管理振动小,噪音低,运行平稳,安全可靠只有三台功率很小的屏蔽泵用于溶液循环振动大,噪音大,靠强大电力驱动机械做功,运动部件多、复杂,对环境和人员造成一定影响.负荷调节能力当室内温度变化时,通过蒸汽调节阀,负荷可在 25%100%之间自动进行无级调节根据室内温度变化,负荷可在 25%,50%,70%,100%之间有级调节,也可通过水泵变频进行无级调节.能耗调节当负荷减少时,蒸汽耗量同步减少,达到最大限度节能当负荷减少时,能耗不能相应减少,浪费了能源机房及隔音要求因机组运转平稳,噪声小无震动,对机房无特殊要求,并不需考虑防震、隔音因机组震动大,噪声大,机房必须考虑机组基础和机房隔音.环境影响工质溴化锂溶液无毒、无味,不挥发,机组负压运行.工质氟利昂易挥发,破坏臭氧层,运行压力一般都高于大气压.操作维护可实现手动、自动、联动,操作人员少,运动部件很少,溴化锂工质不会挥发,故不用补充可实现手动、自动、联动,操作人员少,维修费用较高,维修量大,需定期补充润滑油,补充氟利昂,更换零件运行费用利用余热回收产生的蒸汽,运行成本低使用二次能源,增加燃料消耗)83)通过对复合热源驱动型溴化锂吸收式机组的对比分析,结其特点如下:1)经济效益高.制冷机以热能驱动,同时利用低品位废汽、废烟、废热水等余热制冷,仅需消耗少量的电能用于循环泵,这部分电能与电动压缩式制冷机相比很少.2)安全可靠.溴化锂水溶液为无毒、无臭、无爆炸危险的液体,安全可靠.目前的技术手段已经解决船舶的摇摆对吸收效果的影响 5.3)静音效果好.整台机组为各热交换器的组合体,除功率很小的循环泵外,无其它运动部件,振动小、噪声低.4)管理方便.能适应工况变化,负荷在 10%100%的范围内出冷量可无级调节.既可利用并不复杂的自控系统自动调节,也可手动操作.5)加工制造简便.只需对原有的双效机组高压和低压发生器进行局部改造.6)与压缩式制冷机相比,吸收式制冷机较为笨重,体积偏大,价格也高.但高效传热管的应用以及溴化锂溶液传热、传质效率的提高,使其体积和重量的减小成为可能.5 结论1)通过对复合热源型溴化锂制冷机组用于回收利用船舶柴油机排气和缸套冷却水时热力系数及循环效率分析表明,在船舶上利用复合热源驱动的溴化锂制冷机用于余热回收作为空调冷热源是实际可行的,并且具有明显的节能效果.2)通过与氟利昂压缩式制冷的综合对比分析发现,溴化锂吸收式制冷作为船舶冷、热源时由于溴化锂工质无毒、无臭,机组负压运行无爆炸危险,能够充分利用船舶动力系统产生的余热,所以相比压缩式制冷更加安全环保,节能效果和经济效益较高,尤其适合用于大型船舶.3)由于复合热源型溴化锂吸收式制冷能够更加高效地回收柴油机动力系统的余热,使得舰船的排烟温度及排放冷却水的温度明显降低,在一定程度上减弱了舰体的红外热辐射,降低了被红外制导反舰导弹发现的概率,同时机组运行时噪声很小,隐蔽性较好,提高了舰船生存率,因此溴化锂吸收式制冷机的这些特点对于军用舰船也有着重要的军事意义.参考文献:1 戴永庆.溴化锂吸收式制冷空调技术实用手册 M.北京:机械工业出版社,1996.2 吴业正,朱瑞琪,李 新中 等.制 冷与低 温技 术原 理M.北京:高等教育出版社,2004.3 彦启森.空气调节用制冷技术 M.第 2版.北京:中国建筑工业出版社,1985.4 吴伯才.船舶柴油机余热的利用 J.浙江海洋学院学报:自然科学版,2002,21(2):188-190.5 吴钢.船舶利用柴油机冷却水余热作吸收式制冷空调装置热源的研究 J.海军工程学院学报,1996,17(4):61-71.6 大圆俊朗,津岛孝雄,川本幸德.利用吸收式制冷机回收船用柴油机余热 J.日本船用機關学会誌,1980,15(7):561-568.(上接第 53页)图 7给出的是调整完成后高低参数下机组的静态特性曲线.高低参数下的稳态调速率在经过调整后基本接近,并达到 3%的要求.图 7 高低参数下稳态调速率特性曲线3 结论本文针对某孤立电站汽轮发电机组的静态特性调试原理及其调试过程进行了分析和试验研究,提出了稳态调速率调试的两种有效途径及其结合调试方法.试验结果表明:通过调整调压器弹簧垫片厚度和调整调整器刻度能够对稳态调速率进行精确定位.同时总结出的调整规律曲线及数据能够为今后变参数工况下汽轮发电机组稳态调速率性能调试提供高效、快捷的技术指导,减少机组性能调试的周期.参考文献:1 H.K.巴达什科夫著.汽轮机设备及运行 M.郑源书译.北京:水利电力出版社,1979.2 涡轮机教研室.蒸汽轮机 M.西安:西安交通大学出版社,1974.3 A.B.雪格里雅耶夫,C.T.斯密尔尼茨基.汽轮机调节M.上海:上海科学技术出版社,1965.4 中国动力工程学会主编.火力发电设备技术手册(第二卷):汽轮机 M.北京:机械工业出版社,2004.)84)