船用制冷系统的经济性分析

　　近年来，我国船舶工业在世界范围内迅速崛起，船用制冷技术也得到了较快的发展。但随着世界能源价格的上涨，燃油成本占船舶运营成本的比例越来越大，促使船用节能型制冷技术及相关的制冷机组得到空前的重视。
　　目前，船用制冷大多采用蒸汽压缩式制冷技术，其驱动力主要由承担船舶动力装置的柴油发电机提供，受船舶远航条件及船体空间和承载条件的限制，过度消耗动力燃料无疑将会大大增加运营成本。为了提高船舶综合能源利用效率、降低运行成本，国内外研究者针对船舶余热资源丰富的特点，开展了利用船舶柴油机余热驱动的制冷空调新技术研究，该方面的研究主要集中于吸收式制冷技术和固体吸附式制冷技术。
　　本文分别对船用蒸汽压缩式制冷系统、吸收式余热回收制冷系统、固体吸附式余热回收制冷系统在一次能源利用效率上进行了经济性比较与评价。
　　1船用制冷系统1.1蒸汽压缩式制冷系统蒸汽压缩式制冷是船用制冷系统中应用最为广泛的技术，该制冷技术具有冷冻效果好，工作效率高等优点。蒸汽压缩式制冷机组一般是军用舰船和民用商船必备的辅助设备。但其依靠柴油发电机产生的电能来驱动，使得船舶燃油消耗量增加，运行费用较高，而许多小型船舶因柴油发电机功率较小无法安装制冷机组；另一方面由于小型船舶颠簸比较剧烈，易造成压缩机油泵吸空、油压失衡，以致机组损坏，也影响了蒸汽压缩式制冷机组在船舶上的可靠使用。
　　同时，船用蒸汽压缩式制冷系统所用的传统CF-Cs制冷剂因存在破坏大气臭氧层和产生温室效应等环境问题，已逐渐退出历史舞台，环保型制冷剂的应用已成为整个船舶制冷行业的发展趋势。在许多船舶上，R134a、R404A和R407C已逐渐替代R22.以自然工质二氧化碳为制冷剂的跨临界船用制冷循环技术在许多国家得到了重视，在二氧化碳制冷压缩机设计、换热器结构设计、跨临界循环特性研究等方面进行了有益探讨。所有这些技术进步，还未改变船用蒸汽压缩式制冷系统的固有特性。
　　1.2吸收式余热回收制冷系统随着能源消耗量的急剧增加和环境污染的日益严重，人们对环境保护和能源利用的认识有了进一步的提高。利用热能作为基本动力的吸收式制冷技术又得到了关注。特别是以溴化锂-水为工质的吸收式制冷技术已在陆用制冷空调领域得到了广泛的应用，在许多场合已逐渐成为蒸汽压缩式制冷技术的强有力竞争对手，特别是一些具有余热的工业场所已取代蒸汽压缩式制冷技术。
　　与蒸汽压缩式制冷不同，吸收式制冷是靠消耗热能来完成热量从低温物体向高温物体转移的非自发过程。船用吸收式制冷系统利用船舶余热进行驱动，随着船舶承载吨位的增加，船用柴油机功率也随之不断增大，其尾气排放中可以利用的余热也越来越多，且尾气温度高达200C-500°C，具有非常高的利用价值，因此，近年来吸收式制冷替代压缩式制冷的相关研究发展迅速。相对传统压缩式制冷，吸收式制冷有诸多优点：能减小船舶柴油发电机的耗能，在制取相同温度的等量冷媒水时，只需消耗少量电能，在降低船舶运营成本的同时避免船舶电站负荷紧张；工质对性能稳定，不会分解产生有害物质，环保性能好；机组振动小、噪声低，运行平稳可靠，操作简单。因具有以上优势，美国、日本和俄罗斯等国都在积极致力于船用吸收式制冷技术余热回收的开发和实船推广。
　　但吸收式制冷系统用于船舶制冷时也存在很大的不足，发生器、冷凝器、蒸发器和吸收器运行时的自由水平面，不适宜船体的颠簸运动，特别是当船舶大幅度摇摆或倾斜时，溶液容易从发生器进入冷凝器或从吸收器进入蒸发器，从而污染制冷剂以致系统不能正常运行；另外，溴化锂吸收制冷机组中以水作为制冷剂，仅适合空调工况，无法实现船舶冷库冷藏保鲜，因此，船用吸收式制冷系统中工质对偶配的问题有待进一步深入研究，否则直接影响到吸收式制冷的实船应用步伐。
　　1.3固体吸附式余热回收制冷系统固体吸附式制冷是一种以热能作为驱动力的新型绿色制冷技术，该制冷技术利用固体吸附剂在不同温度下对气体吸附质的吸附和解吸作用驱动制冷循环，其制冷原理是：固体吸附剂对某些制冷剂蒸汽具有吸附能力，加热吸附剂可使得吸附剂中的制冷剂解吸，解吸出的蒸汽在冷凝器中放出热量凝结成液体；冷却吸附剂可使得吸附剂重新恢复吸附能力，通过吸附作用使得蒸发器中的制冷剂液体蒸发，从而实现制冷。
　　相对蒸汽压缩式制冷和吸收式制冷，吸附式制冷发展历史较短，技术相对欠成熟，目前效率较低、单位体积制冷量小，若应用于船上，其机组几何尺寸直接影响到船舶机舱空间的有效利用。但是，目前在太阳能等新能源的开发和工业余热、废热等低品位能源利用领域，吸附式制冷已受到国内外研究者越来越多的关注，与传统蒸汽压缩式制冷相比，吸附式制冷可有效回收船舶余热，不改变船舶动力装置、能节约燃料费用、且运行费用低廉，特别适合中小型船舶制冷，此外，因系统采用环境友好型制冷剂作为工作介质（如水、氨、甲醇、乙醇、二氧化碳等），具有臭氧消耗系数（ODP）和温室效应系数（GWP）均为零的环保优点，符合当前的环保要求。
　　在余热利用方面，固体吸附式制冷技术与同样采用低品位热能驱动的吸收式制冷技术相比，具有以下优势：具有更大的温度范围从热量利用方面来讲，对于低温热源，吸附式制冷可实现50C的废热回收，而吸收式制冷即使采用双级循环其驱动热源温度最低也需在70C以上；对于高温热源，吸附式制冷可以在不降低废热品位的前提下，最高可实现近500C的废热回收，而吸收式制冷因考虑腐蚀问题，对于过高温热源只能在品位降低后才可安全使用。
　　具有更广泛的应用场所吸附式制冷系统无任何运动部件，抗振动性能好，能适应倾斜、旋转等场合，其应用几乎不受地点限制。该制冷系统对船舶摇摆、潮湿、曝晒等恶劣条件具有较强的适应能力，特别适合船舶尾气余热的回收利用，若采用常规的吸收式制冷系统，震动和颠簸会使吸收式制冷系统的液位波动，造成制冷剂的污染，严重时将致使机组不能正常运行，此外，从制冷温度来讲，吸附式制冷可以满足船舶冷冻、冷藏、空调、热泵等多工况需求。
　　吸附式制冷机组结构简单、运行可靠、维修费用低，无噪声、无污染，不需要吸收式制冷所必需的溶液泵或精馏装置，也不存在盐溶液的高温腐蚀和结晶等问题。然而，与吸收式制冷技术一样，腐蚀现象也是船用固体吸附式制冷技术必须要克服的问题。若直接利用船舶发电机高温尾气对吸附床加热解吸，用海水对吸附床冷却吸附均会产生严重的腐蚀现象，缩短机组的使用寿命。针对腐蚀问题，上海交通大学王如竹等人利用热管技术研制出了高效复合交变热管型吸附制冷机组，热管作为高效二次换热元件使得吸附床得到间接加热和冷却，避免了上述的腐蚀现象。吸附床加热解吸时，形成以尾气余热发生装置为热管加热端、以吸附床为热管冷却端的重力热管型加热回路；吸附床冷却吸附时，形成以吸附床为热管加热端、以海水冷却器为热管冷却端的重力热管型冷却回路。
　　2船用制冷系统经济性分析蒸汽压缩式制冷是以电能为补偿的制冷技术，而吸收和吸附式制冷是以热能为补偿的制冷技术，从热力学角度讲，后两种制冷机组可以看作在高温热源和环境温度范围内工作的热力发电机产生一定的功，去驱动在环境温度和冷源温度范围工作的压缩式制冷机组运行，以消耗一定高温热源为代价，获得所需低温冷量。无论何种制冷系统，制冷机组所需的功和热量都来自一次能源的消耗，因此，在对吸收、吸附式制冷和压缩式制冷工作性能进行比较时，需对一次能源利用水平进行分析比较。
　　蒸汽压缩式制冷系统蒸汽压缩式制冷是通过一次能源转化成电能来驱动机组运行以实现制冷，其一次能源利用如所示：蒸汽压缩式制冷系统能源利用吸收式制冷系统能源利用固体吸附式制冷系统能源利用当，如所示。从可以看出，蒸汽压缩式制冷系统中压缩机耗能来自船舶柴油发电机功率，船舶制冷空调系统及冷库冷藏所需功率约占船舶发电机功率的20%及压缩机传动效率和机组运行效率，在系统制冷系数=3.0时，能产生0.3倍一次能源消耗量的冷量。而约占50%―次能源消耗量的柴油发电机余热却得不到合理回收利用。
　　在吸收式制冷系统中，溶液栗和制冷剂循环栗所耗功率很小，约占压缩式制冷系统所耗功率的10%12，因此其耗功率约占柴油发电机功率的2%，从可以看出，这部分功率转化成制冷量时，其一次能源的利用率很小，可以忽略不计。此系统主要是利用柴油发电机在一次能源转化过程中产生的余热加热发生器实现制冷，若在余热利用率为60%，系统制冷系数达到0.7时，系统能产生0.2倍一次能源消耗量的冷量。
　　吸附式制冷可以完全采用柴油发电机余热加热吸附床，解吸制冷剂实现制冷目的，船舶柴油发电机产生的电能可以100%用于船舶动力及其他用电，从看出，在余热利用率为60%，系统制冷系数达到0.4时，系统能产生0.12倍一次能源消耗量的冷量。
　　综上所述，从一次能源利用角度来讲，三种制冷系统对能源的利用是不同的，在消耗一定量的一次能源时，蒸汽压缩式制冷系统虽然获得较大的制冷量，但却是以消耗船舶电能为代价的，造成船舶电站负荷紧张；相对而言，吸收式和吸附式制冷系统制冷系数技术篇2011年第三斯较小，获得的制冷量也较少，但二者是利用发电机余热来实现制冷的，不需额外消耗船舶动力及其他用电，即节能又环保。
　　3经济性比较实例分析本文以2.8万吨的某散货船为例，正常航行时需柴油发电机功率为200350kW，取发电机功率为300kW，柴油机余热与输出功率相当，即余热也约为300kW.当余热利用率为60%时，船舶可利用余热为300x60%=180kW；船舶所需制冷量为60kW.压缩式制冷、吸收式制冷、吸附式制冷用于船舶制冷时的经济性比较如表1所示。
　　表1船舶制冷系统经济性比较船舶制制冷系数制冷所用压缩机所柴油机功一次能源可利用冷系统冷量（kW）余热（kW）耗功（kW）耗量（kW）余热（kW）压缩式制冷系统吸收式制冷系统吸附式制冷系统从表2可以看出，当达到船舶所需制冷量60kW时，压缩式制冷系统中压缩机所需功率为20kW，按发电效率50%折合一次能源消耗量为40kW.若考虑满足船舶航行所需功率300kW，则船舶柴油机总功率需320kW，一次能源总消耗量至少需要640kW，从而导致船舶耗油量增加，运行成本增大；在吸收和吸附式制冷系统中，达到相同的制冷量所需热量分别为85.7kW和150kW，均小于船舶可利用余热量180kW，不需额外增加一次能源消耗量，仅仅回收柴油发电机高温尾气余热就可满足船舶制冷要求，从而大大降低了船舶的运营成本。
　　5结论船用蒸汽压缩式制冷相对吸收式和吸附式制冷系统具工作效率高、操作使用方便等优点，但必须以电能为补偿，致使一次能源耗量较高；吸收式和吸附式制冷可有效利用船舶发电机高温尾气，在不增加柴油机任何油耗的情况下实现余热制冷，提高能源综合利用效率、降低船舶运营成本、具有节能和环保的优点。吸收式制冷相对吸附式制冷工作性能较高，但最大的不足是不适合船体的颠簸运动，易造成制冷剂污染。相对而言，吸附式制冷系统结构简单、不需溶液泵及分馏装置、无运动部件、抗振性能较好，更适用于船舶余热制冷。
　　当然，真正推广船舶余热制冷，还需进一步提高吸收式或吸附式制冷设备的体积比、操作的方便性和使用的可靠性。