船用柴油机余热制冷方式比较研究[论文+开题+综述]

开题报告

轮机工程

船用柴油机余热制冷方式比较研究

一、选题的背景与意义：

当今世界，随着生产技术的发展，人类对能源的需求剧增，有限的能源正在日益枯竭，各个国家都面临着能源危机，节能与环保已经成为当今国际社会共同关注的一个热点问题。再加上氟利昂系列制冷剂的使用量在一些国家已开始受到控制，并将逐渐被禁止使用在世界制冷行业中，已开始把注意力转向蒸汽压缩式以外的其它制冷方式上去。

船舶主机作为船舶的动力和能源中心，仅有５０％左右的热量转换成有用功，其余的热量则以各种方式被带走，如果能对这些余热加以充分利用，就能提高船舶能源的利用率。目前热管式余热蒸汽锅炉和热水器在船舶上已得到成功应用。船用柴油机余热回收的吸收式和吸附式制冷具有很大的开发潜力。吸收式或吸附式制冷机都是是以热能为动力驱动的，并且利用的是低位热能，符合当今环保与节能要求。相较吸收式制冷，吸附式制冷适合应用于震动，倾斜或旋转等场合上。在理论上固体吸附式制冷是一种更适合于应用于船舶的柴油机余热制冷方式。吸附制冷技术由于能够利用低品位的太阳能和废热，且无环境污染问题，因此受到了国内外研究者的重视，该研究工作正在不断深入和发展。

由于目前吸附制冷技术理论与实际应用还有一定的距离，所以吸附制冷的主要研究方向是缩短循环的周期，提高系统单位时间内的制冷量，以及改进循环方式和利用数值模拟技术对吸附制冷技术的实用化进行更好的指导。

二、研究的基本内容与拟解决的主要问题：

基本内容：

1、吸收式与吸附式制冷方式基本工作原理分析。

2、吸收式与吸附式制冷方式优缺点比较。

3、固体吸附式制冷在船舶上应用的可行性。

4、固体吸附式制冷用于远洋船舶空调的具体方案。

拟解决的主要问题：

1、利用远洋船舶柴油机余热进行固体吸附制冷的可行性的研究。

5、船舶余热的固体吸附式制冷系统的设计方案。

6、船舶余热的固体吸附式制冷在系统应用中存在的问题。

三、研究的方法与技术路线：

在对船用柴油机余热吸收式与吸附式制冷方式相关的文献资料的阅读和借鉴，并通过对国内外的船用柴油机余热利用在船舶制冷系统中的应用实例的研究，对船用柴油机余热吸收式制冷、吸附式制冷的基本工作原理，在船上应用的优缺点进行比较，得出在船舶上利用主柴油机余热进行制冷应用的最佳方案。提出可行性研究与具体设计方案并对其在系统应用中存在的问题提出自己的看法。

四、研究的总体安排与进度：

2010．12．10下达毕业论文任务书，开始撰写文献综述，开题报告；2011．2．24上交开题报告，文献综述；

2011．3．5开始撰写论文；

2011．4．5上交毕业论文，完成毕业论文答辩；

2011．4．15~2010．5．30毕业实习；

五、主要参考文献：

［1］林陈敏，陈亚平，田莹。氨水吸收式制冷系统在渔船尾气中余热利用分析。

能源研究与利用。2008年第1期。

［2］徐震，梅宁，谢迎春。柴油机余热吸附式制冷系统的动力学实验研究。热科学与技术。第2 卷第1 期。2003 年3 月。

［3］甘念重，李格升。船舶空调利用余热制冷的热经济性分析。武汉理工大学学报（交通科学与工程版）。第３４卷第４期。２０１０年８月。

［4］周洪峰，张兴彪，王雪章，潘新祥。船舶余热固体吸附式制冷可行性分析和模拟实验系统设计。《节能技术》。第25 卷, 总第143 期。2007 年5 月, 第3 期。

［5］王树刚，王如竹。船舶余热回收现状及吸附制冷应用前景。中国修船。

2003年第3期。

［6］王学生，王如竹，吴静怡，许煌雄。发动机余热驱动的固体吸附式制冷技术应用研究半。现代化工。第24卷增刊（1）。2004年7月。

［7］明绍福，明天娇，明字生。复合化学介质ZGM 在柴油机废气余热制冷中的应用。哈尔滨科学技术大学学报。第20卷第2期。1996年4月。

［8］吴晓阳。舰艇主机排烟余热吸附式制冷技术研究。港航节能。2009 年第

02 期。

［9］徐士鸣，袁一。利用渔船柴油机排烟余热制冷保鲜的可行性分析。渔业机械仪器1995年第5期。

［10］周东一，石楚平，肖飚，袁文华。汽车发动机余热溴化锂吸收式制冷系统研究。制冷空调与电力机械。总第122期第29卷。

［11］李晓科，纪威。汽车余热溴化锂吸收式制冷研究。现代机械。2007年第6 期。

［12］齐朝晖，汤广发，李定宇，黄德珂。吸附制冷技术在余热回收中的应用。

中国能源。2001年第4期。

［13］赵惠忠，刘震炎，马晓东，张敏。余热冷管在渔船制冷系统的应用研究。

流体机械。2005年第33卷第1期。

［14］牛利民，郑群，董阜斌。余热制冷进气的回热燃气轮机循环数值计算和分析(上)。中国修船。1995年第2期。

［15］牛利民，郑群，董阜斌。余热制冷进气的回热燃气轮机循环数值计算和分析(下)。中国修船。1995年第3期。

［16］陈可。渔船烟气余热吸附制冷技术。《渔业现代化》。2007年第2期。

毕业论文文献综述

轮机工程

船用柴油机余热制冷方式比较研究

一、目前的研究现状

船舶主机作为船舶的动力和能源中心，仅有５０％左右的热量转换成有用功，其余的热量则以各种方式被带走，如果能对这些余热加以充分利用，就能提高船舶能源的利用率，目前常用的余热制冷方式主要有吸收式制冷与吸附式制冷。在船舶柴油机动力装置中，可供利用的主要余热热源有：（１）柴油机排气余热；（２）柴油机缸套冷却水余热；（３）柴油机增压空气冷却水余热吸收式制冷是利用吸收器中的稀溶液吸收来自蒸发器的制冷剂气体，在发生器中通过高温加热浓溶液，使制冷剂蒸发至冷凝器的一种循环制冷方式，其单级系统的效率较吸附式制冷的效率高，同时制冷剂也是环保的。

吸附式制冷是利用某些固体（吸附剂）能在低温下吸附气体（吸附质），而在高温下能解吸的特点，以热能为动力的制冷装置。与吸收式制冷相比，它适合应用于震动，倾斜或旋转等场合上。在理论上固体吸附式制冷是一种很有前途和发展潜力的新型制冷方式。

吸收和吸附式制冷都能利用船舶尾气余热驱动进行制冷，不降低船舶主机动力。同时两者的使用工质都不污染环境，符合当前能源、环境协调发展的总趋势，尤其现在国内紧张的能源危机和环保问题，使得两者越来越受到关注。相比之下，吸附式制冷由于其具有系统结构简单、运行费用低、无噪音、无运动部件，可靠性高，适合用于各种颠簸的环境等优点，更加适合应用于船舶空调中。而吸收式制冷由于其中的发生器与吸收器不太适合应用于颠簸的环境，在船舶空调中的使用就受到了一定的限制。只要对目前两者存在的一些问题加以解决，吸收和吸附式制冷设备在船舶中将有广泛的应用前景。

利用太阳能和利用渔船柴油机余热的固体吸附式制冷设备已取得实质性进展, 如湖南的定宇公司开发的吸附式渔船柴油机尾气制冰机, 150 匹马力柴油机尾气可日制冰800 kg, COP 为0. 3, 油耗增加1. 4%。而固体吸附式制冷在远洋船舶上的运用还是一个初步的设想

二、研究的目的和意义。

随着经济的发展, 海上运输业也随之快速增长,远洋船舶队伍的扩大对燃油的需求量越来越大，世界能源消费量的急剧增加和地球环境的日益恶化，酸雨、臭氧层破坏、温室效应、能源短缺等成为各国急需解决的头等大事，同时人们对环境保护和能源的有效利用的认识有了进一步的提高，推进了一系列节能环保新技术的开发和利用。利用发动机余热、太阳能等低品位热源驱动的制冷机和热泵正受到世界各国越来越多的重视。

为解决目前的环境与能源问题，对发动机余热、太阳能等低品位热源的利用成为目前研究课题的焦点。节能与环保成为了现代船舶主柴油机主要设计与制造方向。吸收式或吸附式制冷机是以热能为动力的，并且利用低位热能，使能源得到更有效地利用，吸收式或吸附式制冷机还具有环保、无公害等特点，便于集中供冷、供热，目前是船用柴油机余热制冷方式的主要研究对象。

三、未来的发展趋势。

目前，氟利昂系列制冷剂的使用量在一些国家已开始受到控制，并将逐渐被禁止使用在世界制冷行业中，已开始把注意力转向蒸汽压缩式以外的其它制冷方式上去另外．节能也越来超为人们所重视因此．如何利用直接排放到大气中击的余热进行制冷是当今环境保护和节能技术所研究的一个重要课题。

目前利用船舶余热的吸附式制冷的研究主要集中在渔船上, 对在远洋船舶上应用的研究还仅仅是初步设想。对利用远洋船舶柴油机余热进行固体吸附制冷的可行性的研究与船舶余热的固体吸附式制冷系统的设计方案的提出将是解决目前环境与能源问题的一个方向，将是在船舶余热利用与提高主柴油机热效率的重要研究课题。

四、主要参考文献：

［1］林陈敏，陈亚平，田莹。氨水吸收式制冷系统在渔船尾气中余热利用分析。

能源研究与利用。2008年第1期。

［2］徐震，梅宁，谢迎春。柴油机余热吸附式制冷系统的动力学实验研究。热科学与技术。第2 卷第1 期。2003 年3 月。

［3］甘念重，李格升。船舶空调利用余热制冷的热经济性分析。武汉理工大学学报（交通科学与工程版）。第３４卷第４期。２０１０年８月。

［4］周洪峰，张兴彪，王雪章，潘新祥。船舶余热固体吸附式制冷可行性分析和模拟实验系统设计。《节能技术》。第25 卷, 总第143 期。2007 年5 月, 第3 期。

［5］王树刚，王如竹。船舶余热回收现状及吸附制冷应用前景。中国修船。

2003年第3期。

［6］王学生，王如竹，吴静怡，许煌雄。发动机余热驱动的固体吸附式制冷技术应用研究半。现代化工。第24卷增刊（1）。2004年7月。

［7］明绍福，明天娇，明字生。复合化学介质ZGM 在柴油机废气余热制冷中的应用。哈尔滨科学技术大学学报。第20卷第2期。1996年4月。

［8］吴晓阳。舰艇主机排烟余热吸附式制冷技术研究。港航节能。2009 年第

02 期。

［9］徐士鸣，袁一。利用渔船柴油机排烟余热制冷保鲜的可行性分析。渔业机械仪器1995年第5期。

［10］周东一，石楚平，肖飚，袁文华。汽车发动机余热溴化锂吸收式制冷系统研究。制冷空调与电力机械。总第122期第29卷。

［11］李晓科，纪威。汽车余热溴化锂吸收式制冷研究。现代机械。2007年第6 期。

［12］齐朝晖，汤广发，李定宇，黄德珂。吸附制冷技术在余热回收中的应用。

中国能源。2001年第4期。

［13］赵惠忠，刘震炎，马晓东，张敏。余热冷管在渔船制冷系统的应用研究。

流体机械。2005年第33卷第1期。

［14］牛利民，郑群，董阜斌。余热制冷进气的回热燃气轮机循环数值计算和分析(上)。中国修船。1995年第2期。

［15］牛利民，郑群，董阜斌。余热制冷进气的回热燃气轮机循环数值计算和分析(下)。中国修船。1995年第3期。

［16］陈可。渔船烟气余热吸附制冷技术。《渔业现代化》。2007年第2期。

本科毕业论文

（20 届）

船用柴油机余热制冷方式比较研究

目录

目录 (1)

1引言 (1)

1.1选题的背景及意义 (1)

1.2余热制冷相关技术的研究现状分析 (1)

2吸收式与吸附式制冷方式基本工作原理分析 (2)

2.1吸收式制冷方式基本工作原理的概述 (2)

2.2吸附式制冷方式基本工作原理的概述 (3)

3吸收式与吸附式制冷方式技术比较与应用选择 (4)

3.1吸收式与吸附式制冷方式的技术特点 (4)

3.1.1原理与结构比较 (4)

3.1.2循环方式比较 (4)

3.1.3制冷工质比较 (5)

3.1.4抗震性与运行的安全性比较 (5)

3.2船舶余热制冷应用方式选择 (5)

3.2.1吸收式制冷与吸附式制冷优势对比 (5)

3.2.2吸附式制冷于船舶应用的优势 (6)

4固体吸附式制冷在船舶上应用的可行性分析 (7)

4.1固体吸附式制冷的余热资源 (7)

4.2固体吸附式制冷用于远洋船舶的可行性分析 (7)

5固体吸附式制冷用于远洋船舶空调的设想方案 (9)

5.1固体吸附式制冷工质对的选择 (9)

5.1.1沸石分子筛—水 (9)

5.1.2活性碳—甲醇 (9)

5.1.3活性碳—氨 (9)

5.2吸附制冷循环方式的选择 (9)

5.2.1简单间歇循环 (9)

5.2.2连续回热循环 (9)

5.2.3连续回质循环 (10)

5.2.4多效复叠循环 (10)

5.2.5热波循环 (10)

5.2.6对流热波循环 (10)

5.3船用吸附式空调系统的设计 (10)

5.3.1吸附床的设计 (10)

5.3.2连续吸附式制冷系统设计 (10)

6固体吸附式制冷技术应用的发展前景 (12)

6.1固体吸附式制冷技术应用存在的问题 (12)

6.2固体吸附式制冷技术的发展趋势 (12)

7结论 (13)

致谢 (14)

参考文献 (15)

摘要：利用船舶余热进行制冷是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人们更多的关注。本文阐述了柴油机余热吸收制冷、吸附制冷的基本工作原理及基本特性，并对两种余热制冷方式的技术特点以及在远洋船舶上应用的优缺点进行了比较研究，得出固体吸附式制冷是更适用于远洋船舶的制冷方式。探讨了固体吸附式制冷在船上的应用可行性，提出了利用船用柴油机余热固体吸附式制冷的方案。最后指出了船用柴油机吸附制冷存在的问题并对其应用前景进行了展望。

关键词：船舶余热制冷；吸收式制冷；吸附式制冷

Abstract:Marine diesel engine utilizing waste heat for refrigeration is used as an effective refrigeration technique using low grade energy and being environmental benign, which caused it received wider attention. This article demonstrates the basic operation principles of diesel engine utilizing waste heat for absorption refrigeration ,adsorption refrigeration and fundamental properties; makes a comparison of both types on their technique characteristic, and the advantages and disadvantages of the application of ocean-going vessels; draw a conclusion that solid adsorption refrigeration is more applicable for refrigeration of ocean-going ships and discusses the application feasibility of solid adsorption refrigeration used in the ship, and then puts forward a proposal of solid adsorption refrigeration utilizing waste heat for marine diesel engine. At last pointed the problems existed in refrigeration utilizing waste heat for marine diesel engine and look forward to the prospect of its application.

Keywords: Marine refrigeration using waste heat;absorption refrigeration;adsorption refrigeration

1引言

1.1选题的背景及意义

当今世界，随着生产技术的发展，人类对能源的需求剧增，有限的能源正在日益枯竭，各个国家都面临着能源危机，节能与环保已经成为当今国际社会共同关注的一个热点问题。再加上氟利昂系列制冷剂的使用量在一些国家已开始受到控制，并将逐渐被禁止使用在世界制冷行业中，已开始把注意力转向蒸汽压缩式以外的其它制冷方式上去。

船舶主机作为船舶的动力和能源中心，仅有５０％左右的热量转换成有用功，其余的热量则以各种方式被带走，如果能对这些余热加以充分利用，就能提高船舶能源的利用率。目前热管式余热蒸汽锅炉和热水器在船舶上已得到成功应用【4】。而用于船舶余热回收的吸收式和吸附式空调、制冷系统应用还很少，还有很宽的研究和开发余地。吸收式或吸附式制冷机都是是以热能为动力驱动的，并且利用的是低位热能，符合当今环保与节能要求。因此船用柴油机余热回收的吸收式和吸附式制冷系统具有很大的开发潜力。相较吸收式制冷，吸附式制冷适合应用于震动，倾斜或旋转等场合上。在理论上固体吸附式制冷是一种更适合于应用于船舶的柴油机余热制冷方式。吸附制冷技术由于能够利用低品位的太阳能和废热，且无环境污染问题，因此受到了国内外研究者的重视，该研究工作正在不断深入和发展。

1.2余热制冷相关技术的研究现状分析

吸收和吸附式制冷都能利用船舶尾气余热驱动进行制冷，不降低船舶主机动力。同时两者的使用工质都不污染环境，符合当前能源、环境协调发展的总趋势，尤其现在国内紧张的能源危机和环保问题，使得两者越来越受到关注。相比之下，吸附式制冷由于其具有系统结构简单、运行费用低、无噪音、无运动部件，可靠性高，适合用于各种颠簸的环境等优点，更加适合应用于船舶空调中【12】。而吸收式制冷由于其中的发生器与吸收器不太适合应用于颠簸的环境，在船舶空调中的使用就受到了一定的限制。只要对目前两者存在的一些问题加以解决，吸收和吸附式制冷设备在船舶中将有广泛的应用前景。

利用太阳能和利用渔船柴油机余热的固体吸附式制冷设备已取得实质性进展，如湖南的定宇公司开发的吸附式渔船柴油机尾气制冰机，150匹马力柴油机尾气可日制冰800kg，COP 为0.3，油耗增加1.4%【5】。而固体吸附式制冷在远洋船舶上的运用还是一个初步的设想【12】。

吸附式制冷在节能、环保等方面具有突出的优势，目前已成为国内外制冷界研究的热点。今后主要研究内容包括强化吸附器传热传质，提高系统效率，简化系统结构，提高运行稳定和可靠性，拓宽产品的应用领域。我国余热资源非常丰富，余热回收的潜力很大，大部分低品位的余热资源，如太阳能等可再生能源和余热特别是汽车、火车、船舶的余热都可以用不同的固体吸附式制冷系统进行回收。这些领域既是吸附制冷技术优势之所在，同时又是其社会及经济意义之所在。上海交通大学的王如竹教授在固体吸附制冷关键技术的研究工作中取得了重大进展，先后成功开发了应用于内燃机车司机室空调、渔船制冰、重载卡车空调等余热驱动的吸附式制冷系统【6】。这些成果预示着未来其应用在余热制冷方向上的广阔前景。

2吸收式与吸附式制冷方式基本工作原理分析

2.1吸收式制冷方式基本工作原理的概述

吸收式制冷是液体气化制冷的一种。它和蒸汽压缩式制冷一样是利用液态制冷剂在低温低压下汽化以达到制冷的目的。它的主要装置有；发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、泵等，组成如图1。

图1吸收式制冷工作原理

吸收式制冷是以热能为动力、利用溶液吸收和发生制冷剂蒸气的特性来完成循环的。吸收式制冷系统的主要部件组成如图2-1所示。如果将它与压缩式制冷系统相比较，不难看出，图中的冷凝器，膨胀阀、蒸发器的作用与压缩式制冷系统中的相应部件一一对应。而压缩机则由图中的吸收器、发生器、溶液泵、膨胀阀及溶液回路所取代。设该系统如使用氨-水溶液为工作物质，则吸收器中充有氨水稀溶液，用它吸收氨蒸气。溶液吸收氨蒸气的过程是放热过程。因此，必须对吸收器进行冷却，否则随着温度的升高，吸收器将丧失吸收能力。吸收器中形成的氨水浓溶液用溶液泵提高压力后送入发生器。在发生器中，浓溶液被加热至沸腾。产生的蒸气先经过精馏，得到几乎是纯氨的蒸气，然后进入冷凝器。在发生器中形成的稀溶液通过热交换器返回吸收器。为了保持发生器和吸收器之间的压力差，在两者的连接管道上安装了节流阀。在这一系统中，水为吸收剂，氨为制冷剂。吸收式制冷的另外一种常见类型是以水为制冷剂，溴化锂水溶液为吸收剂的溴化锂吸收式制冷机，用于生产冷水，可供集中式空气调节使用，或者提供生产工艺需要的冷却用水。吸收式制冷机消耗热能，可用多种不同品位的热能驱动。通常用1MPa（表压力）以下的蒸气或燃气、燃油为驱动热源。也可以利用温度在75℃以上的热水、废气等低品位余热驱动；还可以利用太阳能、地热等能源【5】。因此，吸收式制冷易于实现能源的综合利用。

吸收式制冷是利用制冷剂与吸收剂组成的二元溶液为工质对完成制冷循环的。可供考虑使用的制冷剂与吸收剂溶液很多，但较为常用的只有氨一水溶液、溴化锂一水溶液2种。由于氨具有刺激性臭味，且氨水吸收式制冷机热效率低、体积庞大，故一般用于工业工艺过程。目前，应用最为广泛的就是溴化锂吸收式机组。吸收式制冷所需的驱动能源是热能，可以为蒸汽、燃料的燃烧热、热水、工业或生活余热、太阳能、地热能等。随着吸收式制冷研究的发展、技术的不断进步与国家能源结构的调整，溴化锂吸收式机组的应用主要集中在热电冷

联产、直燃型吸收式冷热水机组、蒸汽型吸收式冷水机组、热水型吸收式冷水机组、太阳能吸收式机组等方面。

由于吸收式制冷技术具有可采用对环境无破坏作用的天然制冷剂、有效缓解电网高峰负荷和可利用低品位热源等优点，随之得到了科学界的高度认识和推广应用，并取得了较快发展。在未来20年中，我国要走“能源消耗最少，环境污染最小”的发展道路，就必须实行“节能优先、结构多元、环境友好、市场推动”的可持续能源发展战略。推广应用吸收式制冷技术能有效地起到调整能源结构和保护环境的作用。所以，如果再从节能角度加大研发力度，吸收式制冷技术的前景会更加广阔。

2.2吸附式制冷方式基本工作原理的概述

吸附式制冷是通过吸附剂在较低的温度下（一般为当地气温）吸跗制冷剂，在较高的温度下脱跗制冷剂，通过吸附脱附循环来实现。通常是固体对气体的吸附，它的主要装置由吸附器、冷凝器、蒸发器、节流阀等组成，见图2。

图2吸附式制冷工作原理

吸附式制冷的应用吸附制冷系统也是以热能为动力的能量转换系统，其机理是，一定的固体吸附剂对某种制冷剂气体具有吸附作用。周期性地加热和冷却吸附剂，使之交替吸附和解吸，解吸时，释放出制冷剂气体，并使之冷凝为液体；吸附时，制冷剂液体蒸发，产生制冷作用。吸附制冷的工作介质是吸附剂-制冷剂工质对。以沸石-水工质对为例，由吸附床、冷凝器、蒸发器和管道构成一个封闭系统，吸附床内充装了沸石，制冷剂液体（水）聚集在蒸发器中。吸附床被加热时，沸石温度升高，产生解吸作用，从沸石中脱附出水。此时，系统内的水压力上升，当达到与环境温度对应的饱和压力时，水在冷凝器中凝结，同时放出潜热，凝水贮存在蒸发器中。对吸附床冷却时，沸石温度逐渐降低，它吸附水的能力逐步提高，造成系统内气体压力降低，蒸发器中的水不断蒸发出来，用以补充沸石对水的吸附。蒸发过程吸热，达到制冷的目的【5】。

由吸附制冷的原理可知，太阳能、地热能、工业余热和内燃机系统的废热均可作为热源供给吸附制冷系统，实现制冷，从而提高能源的综合利用程度。早期的吸附制冷技术主要应用于太阳能制冷。但是由于太阳能的供给存在能量密度低、不稳定、间歇和循环周期长等特点，因而其发展受到制约。而余热（废热）资源却不存在这方面的限制，因而吸附制冷技术在余热回收中得到了广泛的研究与初步的应用。目前国内在这方面形成了几大领先的研究群体。这些群体的研究工作集中在以下领域：吸附剂—制冷剂工质对性能的研究；制冷循环的热力学性能研究；系统内的传热、传质研究。以上这些研究领域虽然也取得了重大的研究成果，但客观地说，目前大部分的吸附制冷系统尚处于实验室样机的研究阶段。

3吸收式与吸附式制冷方式技术比较与应用选择

3.1吸收式与吸附式制冷方式的技术特点

由于氯氟烃类制冷剂对大气臭氧层的破坏和温室效应，近年来，采用自然制冷工质的制冷系统已成为国际上研究的热点。吸收式制冷和吸附式制冷系统均以热能为能量补偿方式，具有突出的环保效益和节电能力，因此日益受到人们的重视。吸收式和吸附式制冷是两种在原理上十分近似的制冷方式。但是由于吸收式和吸附式制冷所用制冷工质对的物理化学性质不同，使两者又表现出各自不同的特性和技术上的局限性，对此进行全面的技术分析有助于在研究和应用中扬长避短。

3.1.1原理与结构比较

吸附式制冷与吸收式制冷是两个循环特性十分相近的制冷方式，其制冷原理为：制冷剂在低压(相对)下蒸发，从环境中吸热制冷，两者都是利用物质的吸附(吸收)作用，吸附(吸收)冷剂蒸汽，后者释放的吸附(吸收)热被冷却介质排除于系统之外，经加热后冷剂蒸汽重新从吸附(吸收)剂中解吸(发生)而出，经玲凝器凝结为冷剂液，并进入蒸发器蒸发，如此循环往复。即两者均遵循“解吸(发生)一冷凝一蒸发一吸附(吸收)”制冷循环。在吸附式制冷系统中，冷剂的解吸和吸附均由吸附器完成，其功能相当于蒸汽压缩式制冷循环中的压缩机。吸收式制冷系统中，类似的过程分别由发生器和吸收器完成。

吸收式制冷循环是一个连续的制冷过程，发生器与冷凝器、吸收器与蒸发器之间设置了挡液装置和汽液分离装置，其流通截面很大，对冷剂蒸汽的阻力很小，一般可以忽略不计，冷剂蒸汽在流动中的压力损失对发生器的发生过程和吸收器的吸收过程影响很小。

在吸附式制冷系统中，由于工作的间歇性，往往需要进行管路切换，冷剂蒸汽管路阻力较大；对制冷量较大的机组，尤其如此。为减小冷剂蒸汽的流动阻力，有必要使用较大通径的阀门。吸附式制冷系统一般采用具有高气密性、耐高温、耐高压的气动(电动)电磁阀门，阀门的造价昂贵。

3.1.2循环方式比较

无论是吸附式制冷还是吸收式制冷，只有当冷剂蒸发时才能获得制冷效应。

在吸附式制冷系统中，冷剂(吸附质)的解吸和吸附均由吸附器完成。对于只有一个吸附器的基本循环而言，要使吸附器中的冷剂解吸，必须对吸附器进行加热；吸附器吸附时，冷

剂蒸汽由汽态变为液态，大量的凝结热需要排出吸附器，为了使吸附器具有持续的吸附能力，也必须对吸附器进行有效的冷却。因此，吸附器的加热解吸和冷却吸附过程交替进行。吸附式系统若实现连续制冷，至少必须设置两个以上吸附器，当一个吸附器处于加热解吸状态，另一个吸附器则处于冷却吸附状态，通过吸附器与冷凝器、蒸发器之间的管路切换，实现连续制冷。应当指出的是，系统连续制冷与连续向外释放冷量不是一回事，后者可以由间歇式基本循环加蓄冷装置组合完成。

在吸收式制冷系统中，冷剂的发生需要加热溶液；冷剂蒸汽进入浓溶液时，释放的大量潜热、溶解热等热量，需要由冷却介质(一般为水)排出系统，浓溶液的温度愈低、浓度愈高，其吸收能力愈强，为了使吸收器具有持续的吸收能力，同样必须对吸收器进行良好的冷却。即使对于一个单效吸收式制冷循环而言，由于冷剂的发生和吸收分别在发生器和吸收器中同时进行，与发生过程相对应的冷凝过程以及与蒸发过程相对应的吸收过程也同时进行。

3.1.3制冷工质比较

吸收式制冷的吸收剂一般为流动性良好的液体介质，便于输送，吸收式制冷常使用氨一水、溴化锂水溶液等制冷工质。

吸附式制冷的吸附剂一般为固体介质，吸附式制冷分物理吸附和化学吸附两类，物理吸附常使用分子筛—水、活性炭—甲醇、活性炭—氨等制冷工质对，化学吸附常使用氯化钙—氨、氯化镍—氨、金属氢化物等制冷工质对。

上述制冷工质都是天然工质，其中大部分工质对环境无害，属“绿色制冷工质”。一般根据制冷机的用途、吸附器(发生器)的热源加热温度及蒸发温度等因素，综合考虑制冷工质的选取。

3.1.4抗震性与运行的安全性比较

吸收式制冷机中溶液的液位往往与溶液的循环(量)倍率有关，如果系统发生震动或倾斜将会使液位渡动，发生器中的溶液可能溅人冷凝器中或吸收器中的溶液可能溅人蒸发器中而导致冷剂污染；也可能使蒸发器中的冷剂未经蒸发就直接进人吸收器中而导致冷剂水损失。对于采用淋盘淋激方式的机组而言，淋盘的震动和倾斜容易使淋激密度分布不均匀，严重影响制冷效果。

因吸附式制冷机采用固体吸附剂。一般吸附剂被紧密地填充或压制于一定的空间内，吸附器的震动和倾斜一般不会对系统造成影响。如果吸附剂被烧结或压制在传热管表面，同时又没有足够的强度，震动后吸附剂有可能碎裂。

在溴化锂吸收式制冷机中，若溶液温度低于其结晶饱和温度，溴化锂将从溶液中析出而发生结晶，从而堵塞系统管路或热交换器，使运行中断。在发生器和吸收器中，若溶液不慎溅人冷剂中，将引起冷剂污染，使吸收器冷剂蒸汽分压降低，传质推动力减小，蒸发温度升高，制冷量下降。

吸附式制冷中不存在溶液结晶和冷剂水污染等问题。

3.2船舶余热制冷应用方式选择

吸附式制冷和吸收式制冷均可利用热能作为能量补偿方式，既可以由热水、蒸汽、废气、太阳能等热源驱动，也可以由天然气、城市煤气及燃油(轻油、重油、渣油)燃烧后产生的高温烟气驱动。吸附式和吸收式制冷系统特别适用于低品位热能驱动。在自然界，有取之不尽的太阳能、地热能，工业生产过程中也有大量的余热(废热)可资利用，而制冷系统本身的耗电量极少，因此可以节省电能。吸附式和吸收式制冷为节能、节电提供了两种现实的技术手段。其在船舶柴油机余热回收方面的应用前景不可估量。

3.2.1吸收式制冷与吸附式制冷优势对比

吸收制冷与吸附制冷相比其最大长处是制冷效率高，其能效比（COP值）一般为0.5 以上，而吸附制冷的能效比（COP值）很少超过0.3。正是由于两者的制冷效率存在较大的差距，使得很多人将利用余（废）热的制冷技术定位在吸收式制冷上。但是，吸收式制冷技术在具体应用时存在以下几大缺陷：1、需要专用的溶液分离设备；2、构造复杂，造价较高，体积庞大；3、不适用于有颠簸和震动的场合。而吸附制冷技术在具体应用时则不受以上条件的限制。另外，对于制冷效率的比较，不能仅仅局限在其热效率上，而必须进行综合经济分析，着眼于整个制冷系统的经济效益的比较。通过综合经济分析，不难得出以下结论；吸收制冷适用于大热量的余（废）热，吸附制冷适用于小热量的余（废）热。而目前我国各行各业存在的大部分为小热量余热，而且很多余热存在于颠簸场合中，如汽车、船舶。因此，吸附制冷技术比吸收制冷技术更适合于余（废）热的回收【8】。

3.2.2吸附式制冷于船舶应用的优势

1．吸附制冷作为一种直接利用热能的制冷技术，较适合于船舶余热的回收。

2．吸附式制冷系统中的运动部件少，甚至可以不含运动部件，而且抗震动和抗倾覆能力较强，从这点来说，它应用于船舶的可能性较大。

3．吸附式制冷系统中冷凝温度和吸附温度可以根据外部热源和吸附工质对的情况适当提高，因此可以在系统中安排风冷，而不必像吸收式制冷系统中那样担心结晶问

题。

通过以上比较可知，吸附式制冷较吸收式制冷应用于船舶更为适合。

4固体吸附式制冷在船舶上应用的可行性分析

4.1固体吸附式制冷的余热资源

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、运行时噪声低、维修方便寿命长以及能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。

目前，船舶上大多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℃～150℃左右，即使装有废气锅炉后，其最后排气温度也在150℃～210℃左右，余热资源十分丰富【4】。而且柴油机排烟温度高，不间断工作，余热来源持久、稳定。船舶主机的冷却水温度在80~95℃，发电机的冷却水出口温度在65~85℃，这一部分余热也可作为固体吸附制冷的热源。如果能够将这些余热用于固体吸附式制冷，满足船舶的制冷需求，这无论是对船舶节能，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。

4.2固体吸附式制冷用于远洋船舶的可行性分析

船舶上需要制冷的是空调和食品冷库，食品冷库用于储存、保鲜食品，自船舶投入运营开始，需要不间断工作，这就要求为食品冷库提供制冷的热源必须稳定、持久，船舶发电机除船舶坞修外，一直不间断工作，因此发电柴油机的排烟或冷却水中的余热适合用于食品冷库的固体吸附式制冷的热源。

船舶正常航行时发电机的功率200~350kW(以吨位2.8万t 的散货轮为例)，如取发电机的功率为400kW ，柴油机的有效功率fe q 占燃油燃油燃烧所放出的能量的50%，那么燃油在气缸中燃烧所释放的能量：

Qg=200/Pge=400kW

(1)

燃油燃烧所释放的能量Qg 的25%~40%为排气损失，如取30%为排气损失，则排烟中的热量为：

Qge=Qg ·30%=120kW

(2)

船舶食品冷库主要有三个库：干货库温度15℃左右，菜库温度在0~5℃，肉库温度-10~-15℃（短航线）或-18~-20℃（长航线）。以一艘远洋船舶的食品冷库为例，该船舶共5间库房菜库（343m ，2±1.5℃）、日用库（11. 33m ，2±1.5℃）、肉库（24.83m ,-23~-26℃）、鱼库(15. 33m ,-23~- 26℃)、缓冲间(18.53m , 5±1.5℃)，采用FA-2LSYF 制冷压缩机，制冷量Qf=5.3kW 。如取固体吸附式制冷系数COPsf=0.3(一般在0.3~0.6之间),则利用固体吸附式制冷时所需的热量为：

Qsf=Qf/COPsf=17.7kW

(3)

从计算看出Qge ≥Qsf 发电机的排烟中的热量能够满足固体吸附式制冷的需要， 同时经研究表明,利用柴油机的排烟的固体吸附式制冷的制冷量一般为柴油机功率的10%，当发电机的功率为200kW 时，利用固体吸附制冷的制冷量约为20kW ，完全可满足食品冷库的制冷量要求【4】。

船舶空调用于天热时船员生活区的降温调节。船舶需要用降温调节时，往往环境温度较高,这时燃油加热所需的蒸汽量很少，就会有大量的剩余蒸汽满足吸附制冷所需。压缩制冷的空调压缩机的负荷因航区和气温不同而不同，压缩机一般在40%~80%的额定负荷下工作，船舶空调压缩机的功率Pc 为30~45kW 左右，活塞式制冷(空调)的COPca 在2.9~3.4之间，那么船舶空调的热负荷Qa:

Qa=Pc ·COPca

(4)

取COPca=3.0，可求得Qa 在90~135kW 之间，而固体吸附制冷的COPsa 在0.3~0.6之间，如取最小值0.3，那么固体吸附式制冷吸附床需要输入的热量Qsa 应为:

Qsa=Qa/COPsa

(5)

Qsa在300~450kW之间。燃油气缸中所放出的热量大约40%~55%转化为有效功，其余的45%~60%的热量为各种形式损失。柴油机热平衡中各项热量的分配:有效功率qe=30%~55%；排气热损失qeE=25%~40%，冷却热损失qec=10%~30%。

船舶主机的功率P一般为8000~10000kW，如取qe=50%，qeE=30%，废气锅炉的效率最高为72%左右，若取较低值60%，则蒸汽的所能提供的热能Qs：

Qs=P/qz·qeE·η

(6)

计算得Qs为2880kW~3600kW，可见Qs?Qsa，因此船舶废气锅炉产生的蒸汽除加热外完全能满足吸附式制冷所需的热量【4】。

通过以上比较分析可知，固体吸附式制冷应用于远洋船舶是可行的，能满足远洋船舶日常工作和生活的制冷要求。

5固体吸附式制冷用于远洋船舶空调的设想方案

5.1固体吸附式制冷工质对的选择

固体吸附式制冷工质对的选择是研究吸附式制冷系统的重要内容之一，其性能的好坏将决定系统的性能和结构。

吸附式制冷系统中所用的吸附剂一般为炭、分子筛、硅胶以及活性炭纤维。其吸附过程为物理吸附，对水、氨、甲醇等在常温下的吸附量可达0.3～0.4。这些吸附剂的原料比较充足,生产中的污染小，生产成本低，工业上已经形成了一定生产规模。

目前比较成熟的工质对有：沸石分子筛一水、活性碳一甲醇、活性碳一氨。

5.1.1沸石分子筛—水

沸石分子筛-水是使用比较广泛的吸附工质对，对沸石间歇地进行加热和冷却，使沸石产生脱附和吸附作用，就能达到制冷目的。使用该工质对的制冷系统的最大优点是其吸附等温线较为平坦，且水的汽化潜热大。实验研究表明：在通常工况下，吸附床适宜的加热解吸温度为150℃。在150℃以上，继续提高解吸温度，尽管系统的COP不再增加，但可减少沸石充装量，从而减小吸附床尺寸。因此该工质对较为适合废气锅炉蒸汽作为热源的吸附式制冷系统【6】。

5.1.2活性碳—甲醇

活性炭-甲醇系统的主要优点是：甲醇分子直径小，易于吸附，在活性炭上的吸附量较大；吸附量对温度变化比较敏感，解吸温度较低。同时，甲醇的汽化潜热较大（1173 kJ/kg），冰点低（-93.3℃），不腐蚀设备。其缺点是：不适合高温，在温度高于150℃时甲醇会分解；甲醇蒸汽有剧毒，如果泄露，极其危险；该系统为真空系统，工作可靠性比压力系统差。近年来，王如竹【6】等用活性炭纤维-甲醇为工质对进行吸附制冷系统性能研究，虽然缩短了循环时间，缩小设备尺寸。但尚没有关于活性炭纤维经反复吸附再生后的强度和稳定性的报道。此外，活性炭纤维的价格比活性炭高得多。因此，活性炭纤维-甲醇系统还需进一步研究【6】。

5.1.3活性碳—氨

活性炭-氨是吸附式制冷比较适合的工质对，其吸附性能已有一些理论和实验研究结果，其主要优点为：（1）压力系统中的轻微泄漏不会导致系统失灵，相对不怕振动；（2）压力有利于传热传质，可有效缩短循环周期；（3）氨的蒸发制冷量大；（4）可适应较高的热源温度。此外，陆泉【7】等人应用吸附平衡理论对AC35-NH3工质对的吸附制冷性能进行了预测，结果与活性炭-甲醇相当，是一种具有广泛使用前景的工质对【6】。

在这里，我们选用较常用的沸石分子筛-水作为系统工质对，该工质对较为适合作为船舶余热吸附式制冷系统。

5.2吸附制冷循环方式的选择

5.2.1简单间歇循环

即单一吸附床，并且只与单一的冷源及单一的热源发生能量交换。

5.2.2连续回热循环

连续回热循环。通常是两床或多床，其工作参数都是一样的，一般几个床工作时交替进行吸附、解吸，可以保持冷量连续输出。为了提高能量的利用效率，还采用了回热技术，大幅度提高了制冷系数。

5.2.3连续回质循环

通常也是两床或多床，以两床为例，在两床工作状态切换前，处于加热解吸状态的吸附床要比冷却吸附状态的吸附床具有更高的温度和压力。如果直接将两吸附床短路，会有一部分制冷剂因为压力差进入压力低、但吸附量比较大的吸附床。结果表明，这种循环方式可以提高循环吸附量。

5.2.4多效复叠循环

通常是两床或多床，但其工作参数是不完全一样的。整个系统利用中能量是逐级或经过了大量回热利用，因此循环的COP比较大，冷量也可以连续输出。

5.2.5热波循环

热波循环首先是由Shdmn S．V．提出的，Critoph R．E．也做了研究。采用两床的循环，当吸附器在轴向有较大的温差时，就形成一个温度的梯度波。反向运行时，在一个吸附床的高温段，对应另一个吸附床的低温段，两个吸附床可以有效地进行回热，可以大大提高回热效率。

5.2.6对流热波循环

对流热波循环中，解吸时一部分制冷剂进入冷凝器冷凝后制冷；一部分制冷剂进入加热系统后再次进入吸附器，用以提高加热的传热效果。吸附时亦然。

5.3船用吸附式空调系统的设计

5.3.1吸附床的设计

吸附床是吸附式制冷系统中的核心部件，其作用相当于制冷系统中的压缩机，它的性能好坏直接影响整个系统的功能。目前，吸附床最常用的形式主要有：翅片管式、平板式、螺旋板式及壳管式.吸附床作为船载设备在设计上应满足结构简单、使用和维护方便等要求。因此，采用壳管式结构较适合船舶应用【7】。其设计结构如图3所示意：

图3壳管式吸附床结构图

这种结构的特点是：（1）吸附床制冷剂进出口设有止回的单向阀；（2）传热流体通道