渔船余热朗肯－朗肯制冰系统研究

　　为有效利用渔船烟气和冷却水的余热，本文采用有机朗肯- 朗肯系统进行制冰，建立了系统的热力学模型，研究了系统的性能参数和影响因素，评价了单位质量热水以及单位功率热源的制冰能力。结果表明：余热温度和冷凝温度对系统性能有重要影响，而冷凝器的过冷温度对系统性能的影响很小。在热源温度为100℃，冷凝温度为40℃时，每吨热水的制冰量为86.4kg/t，单位功率余热每小时的制冰量为2.27kg/(kW·h) ，论证了有机朗肯- 朗肯循环系统用于渔船余热制冰的可行性。

1、前言

　　我国拥有众多的中小型渔船，这些渔船大部分都没有配置冷冻设备，为了鱼品冷藏保鲜，一般需带冰出海捕鱼，费用较高，很不经济。而这类渔船柴油机燃烧所产生热量的30%～45% 被排气带走而损失掉，并且尾气温度一般在400℃ 左右或更高。另外，发动机冷却水的温度一般也在60～100℃之间。如果能回收利用这部分热量进行制冰，可减少渔船带冰量，降低捕鱼成本，具有重要意义。

　　国内外的学者已经开展了渔船余热制冰的研究，主要是通过吸附和吸收的方式进行制冰。王如竹等陆续开展了渔船烟气余热吸附制冰的研究，并开发出了相关的样机。倪锦等采用氨水吸收的方式利用渔船烟气进行制冰。吸附制冰系统能在渔船摇摆的状态下工作，但是吸附制冰最核心的问题是缺乏同时具有高的传热和传质性能的吸附剂，导致系统体积庞大，性能系数低。氨水吸收式制冰系统的循环效率比吸附式的高，但是制冷剂氨和吸收剂水的标准沸点差只有133.4℃，发生器的蒸汽中会含有少量水蒸气，为此需要设置精馏器，致使系统设备庞大。

　　近来，余热驱动的有机朗肯- 朗肯循环( 又叫有机朗肯- 蒸汽压缩循环) 备受关注，该循环主要包括膨胀机系统和压缩机系统，膨胀机系统采用低沸点的有机工质作为循环介质，利用热能加热有机工质驱动膨胀机输出动力; 压缩机和膨胀机同轴，膨胀机直接带动压缩机转动。由于朗肯-朗肯循环采用同轴结构，系统效率高，而且能够利用工业余热，地热和太阳能等中低温热源，受到各国学者的青睐。

　　为有效利用渔船的余热，本文以渔船的烟气和发动机冷却水作为热源驱动有机朗肯- 朗肯系统进行制冰，主要研究系统的整体设计，热力过程以及系统性能的影响参数，旨在分析朗肯- 朗肯循环利用渔船余热制冰的可行性，并为下一步样机的开发提供参考依据。

2、系统设计

　　余热情况：渔船余热主要包括发动机排烟余热和发动机冷却水余热。以一台发动机功率100kW 的小渔船为例，排烟温度一般在400℃左右，排烟所带走的热量占燃油燃烧所产生热量的30% ～45%。发动机冷却水的温度一般在60～100℃之间，发动机冷却水排出的热量约占燃油燃烧所产生热量的30%左右。近似估算，发动机冷却水和排烟带走的热量约为200kW。

　　工质选择：HFC-245fa 对臭氧层没有破坏，温室效应较小，不可燃，不腐蚀。该工质在膨胀机出口侧仍为过热蒸汽，没有出现两相区，膨胀机运行较安全，而且膨胀机效率较高。参考了相关文献，本文选择HFC - 245fa 作为膨胀机系统的循环工质。考虑到膨胀机和压缩机主轴密封在长期运行过程中存在泄漏的可能，从安全稳定的角度考虑，压缩机系统也采用HFC-245fa 作为循环工质。

　　系统设计：整个系统的流程如图1 所示，在本文中膨胀机系统叫做动力侧，压缩机系统叫做制冰侧。为防止烟气结垢，烟气不直接进入发生器，而是采用余热锅炉回收烟气的热量。为拆卸和维修方便，余热锅炉内采用水作为吸热工质，通过循环泵将热水泵入发生器加热有机工质。由于排烟的温度较高，达到400℃左右，余热锅炉内热水的温度一般高于发动机冷却水的温度，因此，在设计发生器时，采用立式结构，换热管采用上下两层布置，上层换热管内通入余热锅炉的高温热水，下层换热管通入发动机冷却水。

　　由于进入发生器的HFC - 245fa工质为过冷态，温度较低，为提高系统效率，进入发生器的热水采用逆流的方式，即采用上进下出的方式，工质采用下进上出的方式。动侧和制冰侧的冷凝器可以采用风冷也可以采用水冷，本文选择风冷冷凝器。系统中动力侧和制冰侧的两个冷凝器可以做成一个共用也可以做成两个。冷凝器做成一个共用的话，结构简单，系统紧凑，但是经过冷凝器后，一路工质进入制冰机，另一路工质进入发生器，实际运行时，工质流量的精确分配是个难题。冷凝器若做成2个，结构复杂，但是工质流量的分配比较容易。本文选择2 个独立的冷凝器。渔船的运行工况决定了排烟和发动机冷却水的温度，考虑到渔船运行工况的多变性，所设计的制冰系统应能适用热源多变的工况。为此，膨胀机采用径向轴流式的透平膨胀机，该机适用范围广，能在变负荷工况下稳定运行。压缩机采用离心式，压缩机与膨胀机同轴。

图1 系统流程示意

结论

　　(1) 将有机朗肯- 朗肯循环系统用于渔船余热制冰是可行性的。在热源温度为100℃，冷凝温度为40℃时，每吨热水的制冰量为86.4kg/t，单位功率余热每小时的制冰量为2.27kg/(kW·h) 。此制冰量和制冰速率可以满足中小渔船的冰需求量;

　　(2) 余热热源温度和冷凝温度对系统性能有重要影响。当冷凝温度为40℃，热源温度分别为80、120和160℃时，单位功率的余热每小时可制冰量分别为1.62、2.83 和3.74kg/(kw·h) 。当热源温度为100℃，冷凝温度为30、40 和50℃时，单位功率的余热每小时的制冰量分别为3.56、2.27和1.46kg/(kW·h) 。在实际设计渔船余热制冰系统时，要以系统整体性能最佳为原则，综合权衡是采用风冷还是水冷冷凝器;

　　(3) 制冰侧冷凝器的过冷温度对系统性能的影响很小，在实际设计余热制冰系统时，过冷度的选择主要考虑系统的运行安全;

　　(4) 本文提出的有机朗肯- 朗肯循环制冰系统，不仅可以制冰，而且可以用余热驱动来制冷。同时可以利用渔船的余热，也可以利用地热，太阳能和工业余热，具有广泛的应用前景。