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【摘 要】文章介绍了利用船舶主机余热进行吸附式空调制冷的基本原理及在远洋船舶上应用系统，并运用主机热平衡分析方法对一条具体远洋船舶主机进行热平衡分析和排气余热量计算，就目前远洋船舶利用主机余热进行吸附式空调制冷可行性进行分析论证，为吸附式制冷技术在远洋船舶上的应用和推广提供数据参考。
【关键词】远洋船舶；吸附式制冷；余热；主机
1、固体吸附式制冷技术
1.1吸附式制冷基本原理
某些固态物质在一定的温度及压力下能吸收气体或水蒸气，在另一种温度及压力下又能把它释放出来，这种吸附、解吸的过程将导致压力的变化，从而起到了压缩机的作用。通常吸附过程是放热过程，而脱附过程是吸热过程，固体吸附式制冷便是利用这一现象来达到制冷目的。图1是吸附式制冷基本原理图。1中充满吸附式，当它被加热时，已被吸附的吸附质获得能量，克服吸附剂的吸引力从吸附剂表面脱出（即脱附），系统内的压力逐渐升高，使得C1导通C2截止。当系统中压力达到2中温度所对应的饱和和压力时，吸附质便凝结并在3中聚集，脱附过程结束，1从热源处获得Q1的热量。而当1被冷却时，向外界放出Q2的热量，温度下降时，吸附剂又开始吸附吸附质，系统压力下降，C1截止，C2导通（即吸附），3中的液态吸附质因压力下降而蒸发，吸收环境中的热量Q3（即制冷作用）后流回1中，从而完成一个间歇式循环，从而达到制冷的目的。循环中不考虑能量损失，则Q1+Q3=Q2+Q4，Q3为一循环的制冷量。
1.2利用柴油机余热吸附式制冷系统
利用吸附式制冷基本原理，以柴油机的余热作为动力，通过在封闭系统中吸附剂对吸附质的吸附、解吸循环便可实现吸附式制冷。图2为利用柴油机余热吸附式制冷系统示意图。该系统采用两个吸附床、一个蒸发器、一个冷凝器及一个节流阀。由柴油机排出的废气经阀3a加热吸附床2a，解吸出的吸附质（水蒸气）则经单向阀5a进入冷凝器7中冷凝后，经节流阀节流降压降温后进入蒸发器9中蒸发吸热制冷；同时，吸附床2b内的分子筛被海水冷却不断吸附蒸发器中的吸附质。在a床解吸，b床吸附完毕后，阀3b、4a打开，阀3a、4b、6b关闭，相应地将依次打开阀5b、6a，又开始a床吸附，b解吸的循环，如此交替工作，以实现制冷。
1.3吸附式制冷技术的应用意义
目前，远洋船舶上的空调制冷大都采用蒸汽压缩式制冷技术，蒸汽压缩式制冷技术存在两大缺陷：压缩机耗能比较大；使用氟利昂制冷剂，不够环保。以沸石分子筛-水工质对为例，在通常工况下，吸附床适宜的加热解析温度为150～170度，正好可以利用排气余热。吸附式制冷技术可以节能（利用船舶柴油机余热）以及环保（制冷剂可以为水），作为一种环境友好型的制冷技术在远洋船舶上的应用将是一个必然的发展趋势。
2、柴油机热平衡分析及排气余热计算
以香港某货柜有限公司一条远洋集装箱船为例，对船舶柴油机进行热平衡分析并就排气余热进行计算。
货轮主要度量如下：总长241.00m，型宽32.20m，型深21.10m，结构吃水12.5265m，夏季干弦2.000m，净吨位23885t，总吨位40978t，总载总量44433t，空船排水量59179t，服务速度（15%的海上裕度）22.4kn，船员额度24人。
船舶主机相关参数如下：主机型号Sulzer9TRA76（R1），最大持续功率33120ps，最大持续转速98rpm，正常持续功率29810ps，正常持续转速95rpm，缸数9，缸径760mm，行程2200mm，主机单缸排量998L。
主机运行参数记录，此工况下主机负荷80.95%，主机功率Pe=26809ps，航速21.30kn，主机转速93.44rpm，主机燃油消耗91.24t/d，扫气总管温度51℃，机舱温度36℃，海水温度28℃，汽缸冷却水进机温度64℃，汽缸冷却水出机温度85℃，主机滑油进机温度40℃，滑油出机平均温度44℃，燃油进机温度136℃，增压空气温度170℃，增压器废气进气平均温度484℃，增压器廢气排气平均温度347℃。
2.1柴油机的热平衡分析
柴油机的热平衡方程可表示为：
Qf=Qe+Qex+Qcw+Qco+Qr
（1）式中：Qf—柴油机燃料燃烧产生的总热量；Qe—转化为有效功的热量；Qex—排气带走的热量；Qcw—冷却水带走的热量；Qco—润滑油带走的热量；Qr—其他热量损失。
1）Qf的计算
Qf=Mf×Hu
（2）式中：Mf—燃油的消耗量，kg/h；Hu—燃油的低热值，kJ/kg。
该船主机所用燃油（重油）为：ρ=0.96×103kg/m3，其低发热值Hu=40780kJ/kg，记录该船24h的燃油消耗为G=91.24t，Mf=3802kg/h，则：Qf=Mf×Hu=40780×3802=155.05×106=43.07×103（kW）
2）Qe的计算：
Qe=3.6×103·Pe
（3）式中：Pe—柴油机输出功率，kW。
在本记录工况时，Pe=26809ps=19999kW，则：Qe=71.99×106kJ/h
3）Qex的计算：
Qex=Mex×cpex×（t1排-t1进）
（4）式中：Mex—表排气的质量流量，kg/h；Cpex—排气的平均比定压热容，kJ/（kg·℃）；t1进—主机进气温度，℃；t1排—主机排气温度，℃。
由于排气温度较高，常用流量计无法满足测量条件的需求，根据质量守恒定律，Mex可以用下面的等式代替，即：
Mex=Ma+Mf=0.001Pe×b+n×ρ×Vs×i×∮e×∮a×1（0.06/k） （5）式中：Ma—进气的质量流量，kg/h；Mf—燃油的质量流量，kg/h；Pe—柴油机的输出功率，kW；b—柴油机的燃油消耗率，g/（kW·h）；n—柴油机的额定转速，rpm；ρ—进气密度，kg/m3；Vs—柴油机单缸排量；i—柴油机气缸数；∮e—柴油机的充气效率；∮a—柴油机的过量空气系数；k—机型计算系数，二冲程机为1，四冲程机为2。
此工况条件下，Pe=26809ps，b=141.82g/（kW·h），n=93.44rpm，ρ=1.29kg/m3，Vs=998L，i=9，∮e=0.9，∮a=2.3，k=1（主机是二冲程直流扫气），将上述数据代入式（5）可得：
Mex=137303.81（kg/h）
取排气的平均比定压热容Cpex=1.05kJ/（kg·℃），t1排=484℃（取增压器前排气管中的温度），t1进=36℃（取机舱温度），将上述参数及计算出的Mex代入式（4）可得：
Qex=137303.81×1.05×（484-36）=64.58×106（kJ/h）
通过以上的热平衡分析计算，可得Qe/Qf=46.4%，Qex/Qf=41.7%，可知柴油机的发热量仅有46%左右的变成了有效功，而排气带走的热量约占到42%。
2.2柴油机的排气余热计算
该远洋船舶的排气余热利用是：缸内的高温排气先经过废气涡轮增压器，然后通过废气锅炉再从烟囱排出。
1）增压器利用的能量（Qex1）计算
Qex1=Mex×Cpex×（t4进-t4排）
（6）式中：Mex=137303.81kg/h，Cpex=1.05kJ/（kg·℃），t4进=484℃，t4排=347℃，则：
Qex1=137303.81×1.05×（484-347）=19.75×106 kJ/h
2）廢气锅炉利用的能量（Qex2）计算Qex2=Mex×Cpex×（t5进-t5排）
（7）式中：Mex=137303.81kg/h，Cpex=1.05kJ/（kg·℃），t5进=341℃（t5进比t4排低6℃，原因是考虑到管路的散热损失），t5排=175℃，则：Qex2=137303.81×1.05×（341-175）=24.10×106（kJ/h）
3）排气没有被利用能量（Qex3）的计算Qex3=Qex-Qex1-Qex2=（64.58-19.75-24.10）×106=20.73×106=5758.33（kW）
由上述分析计算可知，未被利用而随排烟带走的热量还有很多，且废气温度还在175℃以上，若利
用柴油机排气余热进行吸附式空调制冷设计，仅利用其中160～170℃的废热能量，估算可利用能量（QexR）：QexR=Mex×cpex×（t6进–t6排）
（8）式中：Mex=137303.81kg/h，Cpex=1.05kJ/（kg·℃），t6进=170℃（t6进比t5排低5℃，原因是考虑到管路的散热损失），t6排=160℃，则：
QexR=137303.81×1.05×（170-160）=1.44×106=400（kW）
3、结束语
综上计算分析可知，若吸附式制冷系统的COP值达到0.3时（目前研究该吸附式制冷系统COP值可达到0.6），其制冷量即为120kW，完全可满足船舶空调对制冷量的要求（该船夏季总热负荷为96.4kW）。
利用船舶柴油机余热固体吸附式制冷技术是一种环境友好型的制冷方式，在对现有船舶制冷空调研究现状分析的基础上，笔者认为使用环保型工质和节能是远洋船舶空调未来发展的必然趋势，而对吸附式制冷有关的研究现状分析可以看出在现有吸附式制冷研究的基础上发展的船舶余热驱动的吸附式制冷大都还停留在理论研究阶段，同时对远洋船舶主机排气的余热量也没有界定。本文以某远洋船舶为原型，运用热力学的分析计算方法，借助船舶柴油机在一定工况下工作时的记录参数，对主柴油机进行了热平衡分析计算，并在余热分析计算的基础上，对如何利用柴油机余热进行船舶空调设计提供部分数据参考。
可以预见，在环境和能源问题日益引起人们广泛重视的今天，在人们的不懈努力下，利用船舶余热进行吸附式制冷技术必将有着广阔的发展前景，也必将对社会的发展作出巨大的贡献。
参考文献：
[1]姜周曙，王如竹.柴油机余热驱动的渔轮吸附式冷藏系统的研究[J].新能源，2000（12）：19-23.
[2]王如竹.吸附式制冷[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3]韩宝琦，朱瑞琪.利用余热的沸石分子筛吸附制冷的实验研究[J].低温工程，1991（1）：77-80.
3结束语
综上所述，通过对前述压缩式制冷、喷射式制冷、吸收式制冷和吸附式制冷分析和论述可以看出，压缩式制冷的制冷系数最高，喷射式制冷的制冷系数次之，吸收式和吸附式制冷的制冷系数较低。废气涡轮同轴直接带动压缩机制冷能效高，虽然有运动部件、维修保养费用较高等不足，笔者认为采用柴油机废气涡轮同轴直接带动压缩机制冷更合适。
参考文献：
[1]任文江，施润华.船舶动力装置节能[M].上海：上海交通大学出版社，1991.145～147.
[2]船舶主机热平衡分析及其余热利用[J].船海工程，2008，37（2）：66～69.
[3]陈武，蔡振雄.船舶吸附式空调制冷系统研究[J].水运科技信息，1999，3：13～15.779
【关键词】远洋船舶；吸附式制冷；余热；主机
1、固体吸附式制冷技术
1.1吸附式制冷基本原理
某些固态物质在一定的温度及压力下能吸收气体或水蒸气，在另一种温度及压力下又能把它释放出来，这种吸附、解吸的过程将导致压力的变化，从而起到了压缩机的作用。通常吸附过程是放热过程，而脱附过程是吸热过程，固体吸附式制冷便是利用这一现象来达到制冷目的。图1是吸附式制冷基本原理图。1中充满吸附式，当它被加热时，已被吸附的吸附质获得能量，克服吸附剂的吸引力从吸附剂表面脱出（即脱附），系统内的压力逐渐升高，使得C1导通C2截止。当系统中压力达到2中温度所对应的饱和和压力时，吸附质便凝结并在3中聚集，脱附过程结束，1从热源处获得Q1的热量。而当1被冷却时，向外界放出Q2的热量，温度下降时，吸附剂又开始吸附吸附质，系统压力下降，C1截止，C2导通（即吸附），3中的液态吸附质因压力下降而蒸发，吸收环境中的热量Q3（即制冷作用）后流回1中，从而完成一个间歇式循环，从而达到制冷的目的。循环中不考虑能量损失，则Q1+Q3=Q2+Q4，Q3为一循环的制冷量。
1.2利用柴油机余热吸附式制冷系统
利用吸附式制冷基本原理，以柴油机的余热作为动力，通过在封闭系统中吸附剂对吸附质的吸附、解吸循环便可实现吸附式制冷。图2为利用柴油机余热吸附式制冷系统示意图。该系统采用两个吸附床、一个蒸发器、一个冷凝器及一个节流阀。由柴油机排出的废气经阀3a加热吸附床2a，解吸出的吸附质（水蒸气）则经单向阀5a进入冷凝器7中冷凝后，经节流阀节流降压降温后进入蒸发器9中蒸发吸热制冷；同时，吸附床2b内的分子筛被海水冷却不断吸附蒸发器中的吸附质。在a床解吸，b床吸附完毕后，阀3b、4a打开，阀3a、4b、6b关闭，相应地将依次打开阀5b、6a，又开始a床吸附，b解吸的循环，如此交替工作，以实现制冷。
1.3吸附式制冷技术的应用意义
目前，远洋船舶上的空调制冷大都采用蒸汽压缩式制冷技术，蒸汽压缩式制冷技术存在两大缺陷：压缩机耗能比较大；使用氟利昂制冷剂，不够环保。以沸石分子筛-水工质对为例，在通常工况下，吸附床适宜的加热解析温度为150～170度，正好可以利用排气余热。吸附式制冷技术可以节能（利用船舶柴油机余热）以及环保（制冷剂可以为水），作为一种环境友好型的制冷技术在远洋船舶上的应用将是一个必然的发展趋势。
2、柴油机热平衡分析及排气余热计算
以香港某货柜有限公司一条远洋集装箱船为例，对船舶柴油机进行热平衡分析并就排气余热进行计算。
货轮主要度量如下：总长241.00m，型宽32.20m，型深21.10m，结构吃水12.5265m，夏季干弦2.000m，净吨位23885t，总吨位40978t，总载总量44433t，空船排水量59179t，服务速度（15%的海上裕度）22.4kn，船员额度24人。
船舶主机相关参数如下：主机型号Sulzer9TRA76（R1），最大持续功率33120ps，最大持续转速98rpm，正常持续功率29810ps，正常持续转速95rpm，缸数9，缸径760mm，行程2200mm，主机单缸排量998L。
主机运行参数记录，此工况下主机负荷80.95%，主机功率Pe=26809ps，航速21.30kn，主机转速93.44rpm，主机燃油消耗91.24t/d，扫气总管温度51℃，机舱温度36℃，海水温度28℃，汽缸冷却水进机温度64℃，汽缸冷却水出机温度85℃，主机滑油进机温度40℃，滑油出机平均温度44℃，燃油进机温度136℃，增压空气温度170℃，增压器废气进气平均温度484℃，增压器廢气排气平均温度347℃。
2.1柴油机的热平衡分析
柴油机的热平衡方程可表示为：
Qf=Qe+Qex+Qcw+Qco+Qr
（1）式中：Qf—柴油机燃料燃烧产生的总热量；Qe—转化为有效功的热量；Qex—排气带走的热量；Qcw—冷却水带走的热量；Qco—润滑油带走的热量；Qr—其他热量损失。
1）Qf的计算
Qf=Mf×Hu
（2）式中：Mf—燃油的消耗量，kg/h；Hu—燃油的低热值，kJ/kg。
该船主机所用燃油（重油）为：ρ=0.96×103kg/m3，其低发热值Hu=40780kJ/kg，记录该船24h的燃油消耗为G=91.24t，Mf=3802kg/h，则：Qf=Mf×Hu=40780×3802=155.05×106=43.07×103（kW）
2）Qe的计算：
Qe=3.6×103·Pe
（3）式中：Pe—柴油机输出功率，kW。
在本记录工况时，Pe=26809ps=19999kW，则：Qe=71.99×106kJ/h
3）Qex的计算：
Qex=Mex×cpex×（t1排-t1进）
（4）式中：Mex—表排气的质量流量，kg/h；Cpex—排气的平均比定压热容，kJ/（kg·℃）；t1进—主机进气温度，℃；t1排—主机排气温度，℃。
由于排气温度较高，常用流量计无法满足测量条件的需求，根据质量守恒定律，Mex可以用下面的等式代替，即：
Mex=Ma+Mf=0.001Pe×b+n×ρ×Vs×i×∮e×∮a×1（0.06/k） （5）式中：Ma—进气的质量流量，kg/h；Mf—燃油的质量流量，kg/h；Pe—柴油机的输出功率，kW；b—柴油机的燃油消耗率，g/（kW·h）；n—柴油机的额定转速，rpm；ρ—进气密度，kg/m3；Vs—柴油机单缸排量；i—柴油机气缸数；∮e—柴油机的充气效率；∮a—柴油机的过量空气系数；k—机型计算系数，二冲程机为1，四冲程机为2。
此工况条件下，Pe=26809ps，b=141.82g/（kW·h），n=93.44rpm，ρ=1.29kg/m3，Vs=998L，i=9，∮e=0.9，∮a=2.3，k=1（主机是二冲程直流扫气），将上述数据代入式（5）可得：
Mex=137303.81（kg/h）
取排气的平均比定压热容Cpex=1.05kJ/（kg·℃），t1排=484℃（取增压器前排气管中的温度），t1进=36℃（取机舱温度），将上述参数及计算出的Mex代入式（4）可得：
Qex=137303.81×1.05×（484-36）=64.58×106（kJ/h）
通过以上的热平衡分析计算，可得Qe/Qf=46.4%，Qex/Qf=41.7%，可知柴油机的发热量仅有46%左右的变成了有效功，而排气带走的热量约占到42%。
2.2柴油机的排气余热计算
该远洋船舶的排气余热利用是：缸内的高温排气先经过废气涡轮增压器，然后通过废气锅炉再从烟囱排出。
1）增压器利用的能量（Qex1）计算
Qex1=Mex×Cpex×（t4进-t4排）
（6）式中：Mex=137303.81kg/h，Cpex=1.05kJ/（kg·℃），t4进=484℃，t4排=347℃，则：
Qex1=137303.81×1.05×（484-347）=19.75×106 kJ/h
2）廢气锅炉利用的能量（Qex2）计算Qex2=Mex×Cpex×（t5进-t5排）
（7）式中：Mex=137303.81kg/h，Cpex=1.05kJ/（kg·℃），t5进=341℃（t5进比t4排低6℃，原因是考虑到管路的散热损失），t5排=175℃，则：Qex2=137303.81×1.05×（341-175）=24.10×106（kJ/h）
3）排气没有被利用能量（Qex3）的计算Qex3=Qex-Qex1-Qex2=（64.58-19.75-24.10）×106=20.73×106=5758.33（kW）
由上述分析计算可知，未被利用而随排烟带走的热量还有很多，且废气温度还在175℃以上，若利
用柴油机排气余热进行吸附式空调制冷设计，仅利用其中160～170℃的废热能量，估算可利用能量（QexR）：QexR=Mex×cpex×（t6进–t6排）
（8）式中：Mex=137303.81kg/h，Cpex=1.05kJ/（kg·℃），t6进=170℃（t6进比t5排低5℃，原因是考虑到管路的散热损失），t6排=160℃，则：
QexR=137303.81×1.05×（170-160）=1.44×106=400（kW）
3、结束语
综上计算分析可知，若吸附式制冷系统的COP值达到0.3时（目前研究该吸附式制冷系统COP值可达到0.6），其制冷量即为120kW，完全可满足船舶空调对制冷量的要求（该船夏季总热负荷为96.4kW）。
利用船舶柴油机余热固体吸附式制冷技术是一种环境友好型的制冷方式，在对现有船舶制冷空调研究现状分析的基础上，笔者认为使用环保型工质和节能是远洋船舶空调未来发展的必然趋势，而对吸附式制冷有关的研究现状分析可以看出在现有吸附式制冷研究的基础上发展的船舶余热驱动的吸附式制冷大都还停留在理论研究阶段，同时对远洋船舶主机排气的余热量也没有界定。本文以某远洋船舶为原型，运用热力学的分析计算方法，借助船舶柴油机在一定工况下工作时的记录参数，对主柴油机进行了热平衡分析计算，并在余热分析计算的基础上，对如何利用柴油机余热进行船舶空调设计提供部分数据参考。
可以预见，在环境和能源问题日益引起人们广泛重视的今天，在人们的不懈努力下，利用船舶余热进行吸附式制冷技术必将有着广阔的发展前景，也必将对社会的发展作出巨大的贡献。
参考文献：
[1]姜周曙，王如竹.柴油机余热驱动的渔轮吸附式冷藏系统的研究[J].新能源，2000（12）：19-23.
[2]王如竹.吸附式制冷[M].北京：机械工业出版社，2002.
[3]韩宝琦，朱瑞琪.利用余热的沸石分子筛吸附制冷的实验研究[J].低温工程，1991（1）：77-80.
3结束语
综上所述，通过对前述压缩式制冷、喷射式制冷、吸收式制冷和吸附式制冷分析和论述可以看出，压缩式制冷的制冷系数最高，喷射式制冷的制冷系数次之，吸收式和吸附式制冷的制冷系数较低。废气涡轮同轴直接带动压缩机制冷能效高，虽然有运动部件、维修保养费用较高等不足，笔者认为采用柴油机废气涡轮同轴直接带动压缩机制冷更合适。
参考文献：
[1]任文江，施润华.船舶动力装置节能[M].上海：上海交通大学出版社，1991.145～147.
[2]船舶主机热平衡分析及其余热利用[J].船海工程，2008，37（2）：66～69.
[3]陈武，蔡振雄.船舶吸附式空调制冷系统研究[J].水运科技信息，1999，3：13～15.779