固体吸附式制冷在船舶上应用的可行性及前景

1固体吸附式制冷在船舶上应用的可行性及前景上海海运学院商船学院甘伟（200135）摘要：固体吸附式制冷技术是充分利用低品位能源的一种有效手段，本文介绍固体吸附式制冷技术的基本原理和工质的选择及针对船舶废气余热的特点探讨该技术在船舶上应用的可行性及发展前景。关键词：固体吸附式制冷、工质对、船舶、CFCs替代、应用前景。０前言：随着世界能源消费量的急剧上升及地球环境的日益恶化，使得人们对节约能源和全球环境保护的重要性逐步有了充分的认识，同时也迫使人们对能源的有效利用和减少环境破坏的新技术有了更深入的研究。固体吸附式制冷技术作为一种有效利用低品位能源和对环境无破坏的制冷技术受到更多的关注。目前，国际上由于1985年《维也纳保护臭氧层公约》、1987年《蒙特利尔议定书》、以及1992年的“哥本哈根修订案”等国际性公约、法规的限制，使得氯氟烃（CFCs）和氢氯氟烃（HCFCs）的替代问题日趋紧迫，特别是1990年6月伦敦会议上与会国对《蒙特利尔议定书》的修正，该修正案规定：从1993年1月1日起，对第一类控制物(CFCs)的年生产量和消费量将逐步递减，发达国家在2000年初将全部停止消费；发展中国家的控制进程可以推迟10年。对于航行于各国间的国际船舶也将逐步受到IMO“73/78防污公约”1997年议定（即“73/78”防污公约-附则Ⅵ，该附则规定所有船舶都应禁止使用含有消耗臭氧层物质的新设备）的约束，更为严肃的是根据《蒙特利尔议定书》的修正案,发达国家将于2000年停止使用CFCs，要先于发展中国家，因此要航行到发达国家的中国船舶必须执行发达国家的公约标准。此外，过去普遍认为对臭氧层破坏较小的R22、R134a等替代物质由于其GWP较大，温室效应明显而前途暗淡。正由于以上综合因素，当前广泛应用于船舶上的氯氟烃类物质的替代问题将更加严峻。固体吸附式制冷因其对环境无破坏、节约能源、无运动部件的优点而成为解决船舶CFCs替代问题的一种较好方法。国外于六七十年代就开始了对吸附式循环的研究。国内的研究开始于八十年代初，严爱珍等人曾在1982年对吸附式制冷作过研究，使用的工质是沸石分子筛-水和沸石分子筛-乙醇。他们提出了根据不同的制冷要求选择不同的工质的方法（2）。朱瑞琪等利用发动机废气来驱动以分子筛-水为工质对的制冷机对渔船上的鱼虾进行保鲜，经实验，在3h的循环中制冷量达92KJ（5）。基于此，本文主要介绍固体吸附式制冷的基本原理和其在船舶上应用的可行性及前景。1．固体吸附式制冷1．1固体吸附式制冷的原理通常吸附过程是放热过程，而脱附过程是吸热过程，固体吸附式制冷便是利用这一现象来达到制冷目的的。图1—1是吸附式制冷系统的原理图。1中充满吸附剂，当它被加热时，已被吸附的吸附质获得能量，克服吸附剂的吸引力从吸附剂表面脱出（即脱附），右边管内吸附质增加，系统内的压力逐渐升高，使得C1导通，C2截止。当系统中压力达到2中温度所对应的饱和压力时，吸附质便凝结并在3中聚集，脱附过程结束，1从低品味热源处获得Q1的热量。而当1被冷却时，向外界放出Q2的热量，温度下降时，吸附剂又开始吸附吸附质，使左边管内吸附质减少，系统压力下降，C1截止，C2导通（即吸附），3中的液态吸附质因压力下降而蒸发，吸收环境中的热量Q3（即制冷作用）后流回1中，从而完成一个间歇式循环（即单床循环），达到制冷的目的。循环中不考虑能量损失，则Q1+Q3=Q2+Q4，Q32为一循环的制冷量。1.吸附筒（吸附床），2.冷凝器，3.蒸发器（贮液器），C1.C2.单向阀.由以上可知，单个吸附筒的循环制冷是间歇式的，若要达到连续制冷的目的，则应增加吸附筒（床）的数目，让其交错运行，则所得到的制冷循环就是连续的了。1.2工质的选择由以上固体吸附式制冷的原理可知，制冷循环的制冷量与脱附出来的吸附质的数量和吸附质汽化潜热有关。而吸附质的数量又与吸附剂的微孔体积相关。因此，在选择吸附对时应选择单位体积汽化潜热大的吸附质和微孔体积大、单位体积吸附剂能吸附较多吸附质的吸附剂，同时还应要求吸附对的吸附热较小，以便吸附剂能对温度的变化产生敏感的反应，提高制冷效果。另外，还要求吸附剂的传热性能好，但这将与要求吸附剂的微孔体积大相矛盾。因为要传热性能好势必造成微孔体积较小，而要微孔体积大势必造成传热性能较差，因此这两方面因素是相互矛盾的，在应用中应该综合加以考虑，选择适当方案。目前,已有所研究的吸附工质对主要有沸石分子筛-水、活性炭-甲醇/氨、硅胶-水、金属氢化物-氢、氯化钙-氨(属化学吸附)等，但应用较多的是前两种。它们的基本情况如下：（1）.沸石分子筛-水：水是一种较为理想的吸附质。它的汽化潜热大（2258kJ/kg），且价格便宜，来源广泛。但水也有一定的缺点，沸石分子筛对温度的变化不是很敏感，因而其在应用较低温热源的方面将受到一定的限制；其次，因为水在0℃以下时要结冰（标准大气压下），所以要制取0℃以下的温度时，系统内压力要低于0.6KPa，这将对装置的密封提出较高的要求。但相对而言，倘若在密封性方面采取有效而必要的措施，这种吸附对的优势将大于其劣势，并且将是能够满足各种常用制冷的需要的。（2）.活性炭-甲醇：活性炭对甲醇的吸附量大并且甲醇的凝固点低（-98℃），因而将会适用于各种低温制冷场合，利用低品味能源中温度较低的一部分热源。但相对于水而言，甲醇的汽化潜热低（1102kJ/kg），仅为水的50%左右，另外，在65℃以下时活性炭-甲醇将在负压下工作，由此也将对密封性有更高的要求。综合而言，以上两种吸附对相对其他工质对而言将较为有优势。选择沸石分子筛-水作为工质对的固体吸附制冷方式将能够满足常规的需要。但若要制取极低的温度，则应选择凝固点温度更低的吸附质，如采用氢、氮、氦等气体，利用沸石的吸附与脱附来实现。2.固体吸附式制冷在船舶上应用的可行性及前景固体吸附式制冷装置可以充分利用低品位能源且基本上无运动部件、运行时噪音小、维修方便、寿命长，同时满足节能和环保的要求，这些优点决定了这种新型制冷装置的应用前景将会非常乐观。船舶上有着丰富的废气余热资源，这将为固体吸附式制冷在船舶上的应用提供必要的前提条件。目前，船舶柴油机的热效率一般只有30-40%，图2-1及表2-1表示出了船舶柴油机的各种废气余热的组成及温度水平（7），由此可见，船舶上有着相当可观的废气余热和高温淡3柴油机种类废气余热种类温度（℃）低速二冲程机（扫气口式）排气~300低速二冲程机（排气阀式）排气~340中速四冲程机排气~400各机型通用增压空气120~180柴油机冷却水50~70辅助锅炉排气150~250表2-1.柴油机废气余热及温度水平水等低品位热源可供利用。如果能够以之用于固体吸附式制冷，满足船舶的制冷船舶的制冷需求，这无论是对于进行船舶节能，解决由于燃料不足和油价上涨而导致的营运成本上升问题，还是减少环境污染，达到“73/78公约”规定的要求以及符合港口国特别是发达国家港口的检查都是非常有利的。目前，船舶上普遍采用大型低速二冲程柴油机作为主机和中速四冲程柴油机作为辅机，其排气温度一般在350-450℃左右，即使在采用了废气锅炉后，其最后排气温度也在150-250℃左右，因此若将此时的废气用于固体吸附式制冷，以沸石分子筛-水作为工质对（若以之为例），将会取得不错的效果。因为在150℃左右的时候，沸石吸附制冷的效能将达到最高(5)，制冷系数最大。若温度继续升高，则可降低沸石的填充量，从而减少装置的体积，节省材料和费用。另外，就沸石分子筛-水的使用而言，由于沸石分子筛极易吸水，因此，在使用前必须注意其活化处理的方法。通常在常压下，活化处理的温度一般在400-500℃之间，如果温度过低，活化后残存的水量较多；而温度过高，沸石的晶格有可能遭到破坏，甚至丧失吸附性。此外，还可以采用其他的工质对如活性炭-甲醇来利用柴油机气缸冷却淡水这一部分低温余热，为了让装置在正压状态下运行，则应该适当提高气缸冷却水的温度，但是此时必须解决气缸水套中由于水温升高可能形成的气阻而使柴油机有关的零部件局部过热，循环水泵的泄漏﹑和汽蚀等问题，此问题若不有效的加以解决势必增加船舶装置的维护管理难度，增加维护管理的工作量，甚至由于维护困难而导致的机损事故发生。因此，在应用活性炭-甲醇时必须考虑其对动力装置安全性的影响。另外，为了得到连续的制冷量，船舶上也可以采用多个吸附筒（床）即多床循环的制冷方式，使它们交错运行。为了达到能源的更有效利用，甚至可以采用更高级的循环——回热循环，但同时也得付出代价——增加系统的复杂性和初投资。当然，由此所得到的效益必将远远大于所付出的初投资。关于固体吸附式制冷在船舶上的试验性应用已经有了成功。西安交通大学的朱瑞琪和4韩宝琦等研究人员开展了固体吸附式制冷用于柴油机驱动的渔船上的制冷和供热研究，利用柴油机排出的高温废气作为吸附式热泵运行的能源，取得了良好的运行效果（5）。此外，由于节能的客观要求，吸附式制冷技术发展迅速。美国沸石动力公司近年正致力于高效能的吸附式制冷机和热泵的研究。对连续再生样机进行了10个月的经济分析表明，吸附式制冷机和热泵的运行费用（按燃烧天然气计算）比电动压缩式制冷机和热泵低得多（如图2-2所示），且前者的制造成本与后者不相上下。可见应用前景相当乐观。由此可见，固体吸附式制冷运用于船舶上无论是从理论上还是实际的基本条件上都是完全可行的。3.结束语：根据固体吸附式制冷的工作原理、对低品味能源的要求以及船舶运行工况下废气余热的组成特性、船舶制冷需求可知，固体吸附式制冷在船舶上应用完全是可行的。关键是应如何解决其在试验中所存在的问题。比如说：如何改进吸附剂的传热性能。因此，国内各方面应加大以下三方面的研究（4）：（1）.改善吸附剂的吸附性能，增大制冷量。（2）.强化传热，提高吸附剂的传热性能和单位吸附剂的制冷功率，缩短循环时间，提高热效率。（3）.改进循环，采用高效回热循环。同时，国内有关的航运企业也应支持并尽快加入这一技术的实用化研究工作，以期这一工作早日得以广泛的应用。随着世界能源危机的日益严峻和全球环境的日益恶化，而与之同时世界各国人民的节能和环保意识不断提高，在航行于各国间（特别是发达国家间）的国际船舶将面临受到港口国日趋严格检验的形势下，这种节约能源、降低营运成本并且有利于保护环境的新技术在理论、实验上必将有更大的突破和逐步实用化。将来，其在船舶上的应用必将日趋广泛。参考文献(1)NegibDoussandFEMeunier.”Adorptionheatpump,ActiveCarbon—MethanolPair”.LIMSICNRSBP30,91406,Orsay,France.(2)严爱珍等.沸石分子筛吸附式制冷.制冷学报，1983，（1），32-37.(3)RuiqiZhu,BaoqiHan,MeizhenLinandYongzhangYu.”Experimentalinvestigationonadsorptionsystemforproducingchilledwater”,IntJRefrig,1992,15(1),31-34(4)章学来、吴孟余.《固体吸附式制冷及其在船舶上的应用》.第三届全国海事技术研讨会文集.(5)朱瑞琪、韩宝琦等.《沸石—水的吸附特性及其制冷/热泵性能分析》.(6)韩宝琦等.《制冷空调原理及应用》.西安交通大学出版社.5(7)沈思介.《轮机节能》.上海海运学院99-16FEASIBILITYANDPROSPECTOFAPPLYINGSOLID-ADSORPTIONREFRIGERATIONONSHIPSGanWeiAbstractSolid-adsorptionrefrigerationisausefultechniquetoutilizelowerenergyresourcesefficiently.Thispaperintroducesthebasicperformingprincipleofsolid-adsorptionrefrigerationandthew