吸收式制冷机在船舶上应用的技术经济分析

现役船舶的制冷和空调大多采用压缩式制冷机，耗电量极大；另一方面氯氟烃类（CFC）对大气臭氧层具有破坏作用，同时引起温室效应，所带来的环境问题已为人们所认识和重视，由联合国环保署主持制定的《蒙特利尔议定书》已生效，发达国家自2000年完全停产禁用CFC类氟利昂制冷剂，发展中国家可推迟至2010年实施。远洋船舶航行于世界各地，无论是维修，还是备品（件）及制冷剂供应都必须与国际接轨。虽然CFC的替代工质已应用于工程实践，但仍处于不断完善阶段。以无公害的吸收式制冷设备作为替代值得重视。吸收技术近十几年来在效率、性能稳定性和小型化等方面都有了长足的进步，而且可以利用船舶的低温余热，完全可以弥补相对于电压缩制冷的某些弱势，达到保护环境节约能源的目的。在旧船制冷设备系统进行技术改造或在新船设计建造都值得考虑。

　　当今远洋船舶大多采用大功率中低速柴油机作为主机，柴油机功率多数在5~30MW范围，采用动力涡轮或轴带发电机回收柴油机多余废气能量的船舶还不很多，柴油机多余废气能量经废气锅炉稍加利用后就排入大气，既浪费能源又污染环境。柴油机冷却水除了少量用于制淡水外，大量排入大海，同样浪费能源污染环境。据估算这些被废弃的水和气所蕴含的可供利用的能量至少还有相当于柴油机燃料总发热值的20%以上，例如5万t级某轮主机功率为18MW，被废弃的水和气所蕴含的可供利用的能量至少还有3.6MW.船舶上可供利用的能量大量废弃，而船舶所必需冷库以及空调系统等设备却使用柴油发电做动力源消耗大量的燃油，增加船舶营运成本。

　　目前溴化锂吸收式制冷机主要用作空调系统的冷热源，常用机组主要有单效机、双效机、直燃机，在余热回收方面也常使用双级机。单效机一般用热水驱动或蒸气驱动，双效机主要为蒸气或烟气驱动，目前使用的直燃机主要是双效循环，使用的燃料有重油、轻油或燃气。氨-水吸收式制冷已有近50年历史，技术方面很成熟采用柴油机余热作氨-水吸收式制冷（冰）机热源已在渔船上实现。

　　1经济性分析bookmark2压缩式制冷一次能源利用系数计算模型如下：一次能源柴油量Q/ h发电机1.1性能系数通常评价吸收式制冷机性能的指标是热力系数夭它与压缩式制冷的制冷系数e相对应，有时也将热力系数和制冷系数e统称为性能系数。

　　循环制冷量循环中的耗热量-循环制冷量循环中的耗功量-性能系数，仅仅表明生产一定的制冷量所需消耗的功或热的数量，并不能反映过程的效率，也没有显示吸收式制冷机利用低品位热能的特点。

　　从热力学的观点来说，可以把吸收式制冷机看作在高温热源Th和环境温度rw的温度范围内工作的一台热力发动机产生功W去驱动一台在环境温度Tw和冷源温度T的温度范围工作的压缩式制冷机。它以在发生器中耗费了温度为Th的热量Qr为代价，获得了制冷温度为To的冷量0>.与此同时，总热量为Qac的热量被排放到周围环境中。

　　如热源和冷源的温度都保持恒定，则理想情况下整个系统的热力系数为：由式（3）可以看出卡诺循环吸收式制冷机的热力系数实际上是卡诺循环热效率n和卡诺逆循环的制冷系数e的乘积。因此，在比较吸收式制冷和压缩式制冷的性能系数时，应把压缩式制冷中电能发生和转换效率都考虑进去才合理。

　　1.―次能源利用系数实际上，制冷所需的功和热量都来源于一次能源的消耗。所以，在生产一定的冷量时，考虑它最终消耗多少一次能源量是一种较为合理的评价方法，这个指标就是一次能源利用系数PER它表示消换为电能后得到的，而余热吸收式制冷直接利用余热和仅需少量电能进行制冷。其计算模型和一次能源利用系数PER计算方法如下：1.2.1压缩式制冷压缩式制冷一次能源利用系数PER计算公式为：及电动机效率1.2.2燃油锅炉蒸气吸收制冷燃油锅炉蒸气吸收制冷一次能源利用系数计算模型如下：次能源量Qf锅炉-2制冷利用燃油锅炉蒸气作为吸收制冷热源一次能源利用系数PER计算公式如下：1.2.3柴油机余热吸收制冷柴油机余热吸收制冷一次能源利用系数计算模型如下一次能源量Qf电能―溶液泵冷剂泵―制冷一>go利用柴油机余热作为吸收制冷热源一次能源利用系数per计算公式如下：柴油机余热吸收式制冷直接利用余热和极少量电能进行制冷，这里认为仅有溶液泵和冷剂泵消耗一次能源量Qf，是因为当今多数船舶除利用柴油主机部分排气废热产生蒸气供暧和加热燃油等用，利用部分冷却水余热制淡水，还有极个别采用动力涡轮系统外，其余都是当作废热白白排掉，所以其消耗的一次能源可不计在内。

　　1.3经济性比较由式⑶可知：吸收式制冷机的热力系数5实际上是卡诺正循环效率n和卡诺逆循环的制冷系数e的乘积，而n在实际工况中是永远小于1就目前技术水平而言，压缩式制冷机一次能源利用系数计算：n<5%ndn<i，这样，nnn<5%.一般船舶燃油蒸气锅炉压力p=热的吸收式制冷机中，仅有溶液泵和冷剂泵是消耗电能（一次能源），其一次能源消耗量qf相对于其它制冷方案是非常小的，故一次能源利用系数per（利用率）非常大。

　　源利用系数per n<q°即利用柴油机余热作为吸收制冷热源一次能源利用系数per最高，而压缩式制冷一次能源利用系数per最低。

　　2实例分析大型船用低速柴油机增压器涡轮出口温度在~450°C，柴油机冷却水可达70~80°C，而且数量都是相当可观的。可考虑采用废气锅炉或采用吸收式制冷机组（水-溴化锂或氨-水）回收废气余热，用热水型制冷机组回收冷却水余热。

　　例1某万吨轮空调装置为直流央空调系统，配有两台压缩式制冷机，单机功率为55kW，制冷剂为R12蒸发温度为5C冷凝温度为40C配4台集中式空调器，空调工况制冷量为256kW.如果改用蒸气型或烟气型吸收式制冷机组，制取8~12C的空调冷冻水，经估算大约只需620kg的低压蒸气，这在夏天本来蒸气就过剩的情况下，是完全可以实现的。如制取1160kW冷量，压缩式制冷机约耗电380kW，而可以利用柴油机排气作为热源的双效溴化锂吸收式制冷机耗电约30151.空调系统每年单燃料费一项就至少节省30万元，改造投资2~3a即可收回。

　　3结束语本文提出采用一次能源利用系数PER作为性能指标并给出其计算模型和方法，对压缩制冷和吸收式制冷进行一次能源利用水平分析，并对不同制冷方案进行成本核算吸收式制冷总耗电量仅为压缩式制冷的1八0左右，表明在船舶上采用吸收式制冷一次能源利用系数PER最高，经济性最好。

　　对不同制冷方式方案进行技术经济评价，无论从节能和环境保护的必要性，还是技术的可行性和经济性，在船舶上以吸收式制冷机逐步代替现有的压缩式制冷机，值得看好推广。

　　对现代化大型船舶，由于柴油机功率较大，增压器热效率较高，建议采用热电冷三联供的方案，即利用余热锅炉回收废气余热产生蒸气进行汽轮机发电，再用汽轮机乏汽和较高温冷却水进行制冷或供热，虽然初期投资较大，但是几年即可收回投资成本合理利用能源又有经济效益和社会效益。