固体吸附式制冷在船舶上的应用研究

　　固体吸附式制冷在船舶上的应用研究孙永明及余热作为能源的固体吸附式制冷与常规制冷相比有着不可估量的发展前景。本文对大家介绍了国内外固体吸附式制冷技术的最新研究进展，探讨了在船舶制冷空调系统中应用该技术的可能性、发展前景及有待解决的问题。

　　CFC及HCFC因严重破坏大气臭氧层且温室效应指数较高而面临全面禁用。与CFC12（将被全面禁用）的热力参数非常相近的制冷剂HFC134a，因其无氯原子，不破坏臭氧层而被认为是目前最佳的替代物，已开始广泛生产使用。然而，越来越多的研究表明，HFC134a在10年内GWP值高达1 200，20年内GWP值高达3100；且HFC134a在对流层中经阳光照射后会分解出一种吸湿能力很强的腐蚀性液体三氟醋酸，可能在各种地方聚集对人体有害。因此，大量排放HFC134a将使地球面临这种液体的威胁，HFC134a已被越来越多的学者认为仅是一种过渡性的替代物。近年来，对天然制冷剂的研究及寻找新的制冷方式受到了人们的关注。其中作为非压缩制冷方式的固体吸附式制冷，因其使用水、甲醇、氨等无公害制冷剂，适合当前环境保护的要求，并且可直接利用低品位热源和可再生能源（如发动机废气、太阳能），另外，固体吸附式制冷系统具有结构简单、无运动部件、无噪音、抗震性能好、使用寿命长等一系列优点，无疑在船舶制冷空调中将具有广泛的发展前景和应用价值。

　　1、固体吸附式制冷固体吸附式制冷循环的工质对由具有良好吸附、解吸性能的固体微孔吸附剂（如沸石分孙永明（1962―），男，在读硕士，讲师，研究方向为低温工程及轮机工程。

　　子筛、硅胶、活性炭等）和作为制冷剂的吸附介质（蒸馏水、甲醇、氨等）组成，其中固体微孔吸附剂是不流动的，而吸附介质是循环流动的。吸附制冷循环由受热解吸和吸附制冷两个过程组成，在受热解吸过程中，当吸满制冷剂蒸汽的吸附剂被加热时，制冷剂从吸附剂中解吸出来，使系统中的蒸汽压力升高，直至制冷剂蒸汽在冷凝器中凝结，凝结液流到蒸发器中储存。在这个过程中，必须不断对吸附剂加热。当吸附剂解吸完毕后，对其进行冷却，吸附剂由于温度降低而重新吸附制冷剂蒸汽，系统中制冷剂汽的压力将会降低，从而引起蒸发器中的制冷剂蒸发吸热。在这个过程中，要不断对吸附剂进行冷却，原因是吸附剂在吸附制冷剂蒸汽过程中要放出吸附热。当这个吸附制冷过程完毕后，吸附制冷机就完成了一个制冷循环。这一制冷循环如所示，其热力过程分析如下。

　　该过程的加热量为：b―C加热解吸过程，该过程的加热量为：fT2 c―d显冷却过程，该过程的加热量为：d―a冷却吸附过程该过程的加热量为：/―e制冷剂液体冷却过程（从冷凝器到蒸发器）其热量为：蒸发过程，蒸发过程产生的冷量为：从以上分析可知：a―b和b―c两过程必须对吸附剂加热，其热源可利用船舶柴油机排气、气缸冷却水等余热；（2）c―d、d―a、b―/、/一e四过程必须对吸附剂冷却，其冷却源可利用海水或空气，放出的冷凝热经综合利用，可回收部分热量；（3）要让固体制冷能在船舶中得到应用，关键要提高制冷量，从公分析可发现，在基本不增加装置体积的情况下，应尽可能提高吸附剂崩注量选择合适工质对、简单的吸激循环是一个间歇过程而不tfe/Avw连续的。这给船用带来一定局限，因此必须把间歇过程改成连续过程，解决方法可采用两个吸附器，让其中一个处于受热解吸过程，另一个处于吸附制冷过程，则可实现连续制冷。美国ones提出采用3个甚至4个吸附器进行系统循环，充分利用其中一个吸附器排出的吸附热来加热另一个吸附器进行热解吸。多个吸附器形成能量梯级利用系统，能充分利用能量，大大提高系统效率，使固体制冷技术在船舶制冷空调中进行实际应用。

　　2、吸附工质对的选用吸附制冷的效果取决于吸附工质对吸附特性。由于应用范围和工作特性不同，吸附制冷采用的吸附工质对也各异。作为吸附工质对的制冷剂应满足如下条件：单位体积蒸发潜热大、良好的热稳定性、合适的冰点、适当的饱和蒸汽压、无毒、不燃烧等。目前常用的制冷剂有：水、甲醇、氨。其基本性质如表1.表1三种制冷剂的理化性能制冷剂自然沸点c汽化潜热k/水甲醇氨吸附剂的吸附量对温度变化要敏感，以期在同样的温度范围内得到尽可能大的AX（吸附量）吸附剂上的微孔直径越小，吸附热越大，解吸温度越高；另外，吸附与脱附的可逆性要好，能重复上千次仍能保持良好的吸附性能；导热性好可缩短循环时间，但这一点却与吸附性能的要求相矛盾，因为吸附性能越好，孔越多，导热就越差。目前常用的吸附剂有沸石分子筛、活性炭和硅胶。

　　研究表明，比较成功的吸附工质对主要有活性炭一甲醇、活性炭一氨、沸石分子筛一水等。

　　活性炭一甲醇：活性炭具有很好的吸附性能。甲醇能在0°c以下蒸发，分子直径小，易于吸附，且对温度变化敏感汽化潜热大，另外，它们的最高解吸温度不能在120°c以上，否则，甲醇将会分解。所以，该工质对比较适合于低温余热为动力源的制冷系统。

　　活性炭一氨：氨的ODP及GWP均为零，传热性能好，易于吸附，COP值高，蒸发温度低，泄漏时易被发现。而它的毒性和可燃性正被重新得到客观认识。当然由于氨的自然沸点为一34C所以，压力较高这一问题应引起足够重视。

　　沸石分子筛一水：沸石是一种含水架状结构硅铝酸矿物，对水的吸附力很强，它的解吸温度较高，可高达250°C~300°C，比较适合于以高温余热回收（柴油机废气）同时水汽化潜热大，价廉，无毒，不燃烧；当然水的蒸发压力低，蒸汽体积大，只能制取0C以上的冷水，但如果作为空调系统的工质对，沸石分子筛一水是理想的选择。

　　3、固体吸附式制冷在船舶空调中的应用船舶柴油机的热效率一般只有30%~40%，约占燃料发热量1/2的能量被柴油机的气缸冷却水及排气等带走。回收和利用这部分的余热来驱动以天然制冷剂为工质的制冷系统，无疑是当今加强环保和节省能源的最佳制冷方案。在船舶柴油机动力装置中，可供固体式制骑机开发利的主要热热源有柴油机气缸冷却在；2）柴油机排气；3）锅炉热排://ww气；（4）锅炉剩余蒸汽。其中柴油机冷却水温度约为60°C~ 85°C，所带走的热量约占燃料总发热量的25%而柴油机排气余热的特点是温度高，所带走的热量约占燃料总发热量的为了将吸附式制冷循环成功用于船舶，首先应强化吸附床传热，缩短循环时间。解决的方法可以采用新的吸附剂一活性炭纤维，与活性炭相比，单位活性炭纤维的制冷量可达到活性炭的2~3倍，采用活性炭纤维做吸附剂可使吸附/解吸时间缩短为活性炭系统的1/ 10，因而可使循环周期大大缩短。经不同方法处理制成的块状活性炭，可以有效地改善吸附床的传热性能，虽然块状吸附剂会减弱吸附性能，特别是真空系统的传质性能，但是，块状吸附剂有利于吸附床的设计，以改善和提高吸附床的传热和传质性能。比较成功的块状活性炭壳管式吸附床结构，整个吸附床的传热系统可以提高到粒状吸附剂吸附床的8倍以上，整个吸附系统的循环时间约为粒状系统的1/4，制冷效率和SCP（单位吸附剂制冷效率）也有显著的提高，约为粒状系统的3倍。

　　其次，在缩小吸附床尺寸、节省燃料和降低造价等方面，也应加以重视。较可行的方法是使用加热热源的温度为200°C~250°C左右的柴油机排气。研究表明：加热温度为150°C的沸石床充注量是加热温度为100的1/5，加热温度提高到200°C~250°C，其沸石量仅为加热温度150C时的50%~60%.目前利用柴油机排气的高温余热驱动沸石吸附制冷，以制取冷媒水方案，已在每个吸附循环产冷量为3400k的中试样机中获得成功。

　　最后，要将固体吸附式制冷的基本间歇循环改为连续制冷循环。在船舶制冷空调系统中的应用以连续回热型循环较为可行，当两个吸附器交替运行时，其中一台吸附器在吸附时可通过流体将一部分显热和吸附热传给另一台正在解吸的吸附器以实现回热，这样不仅可解决连续制冷问题，还可节省部分热量，提高循环效率。王如竹等人研制的连续回热型活性炭一甲醇吸附式空调/热泵在这方面已取得一定进展。

　　因此，用船舶柴油机高温排气和锅炉蒸汽组合加热，以沸石分子筛一水工质对的固体吸附制冷系统，能有效地提高制冷量，缩小装置尺寸，使此种制冷方式应用于船舶制冷空调系统成为可能。而采用活性炭一甲醇工质对的固体吸附制冷，一般用65C以上的余热。如果将船舶柴油机气缸冷却水再经排气余热回收器进一步加热，使水温升高至120°Q然后用来作为制冷系统的驱动热源，其效果更好。另外，因为吸附式制冷装置无运动部件，连接件少，泄漏的可能性小。同时，如采取适当的安全保护和防腐措施，可使天然制冷剂氨在船舶上的应用成为现实。