為有效利用漁船煙氣和冷卻水的余熱，本文采用有機朗肯- 朗肯系統(tǒng)進行制冰，建立了系統(tǒng)的熱力學模型，研究了系統(tǒng)的性能參數(shù)和影響因素，評價了單位質量熱水以及單位功率熱源的制冰能力。結果表明：余熱溫度和冷凝溫度對系統(tǒng)性能有重要影響，而冷凝器的過冷溫度對系統(tǒng)性能的影響很小。在熱源溫度為100℃，冷凝溫度為40℃時，每噸熱水的制冰量為86.4kg/t，單位功率余熱每小時的制冰量為2.27kg/(kW·h) ，論證了有機朗肯- 朗肯循環(huán)系統(tǒng)用于漁船余熱制冰的可行性。

1、前言

　　我國擁有眾多的中小型漁船，這些漁船大部分都沒有配置冷凍設備，為了魚品冷藏保鮮，一般需帶冰出海捕魚，費用較高，很不經濟。而這類漁船柴油機燃燒所產生熱量的30%～45% 被排氣帶走而損失掉，并且尾氣溫度一般在400℃ 左右或更高。另外，發(fā)動機冷卻水的溫度一般也在60～100℃之間。如果能回收利用這部分熱量進行制冰，可減少漁船帶冰量，降低捕魚成本，具有重要意義。

　　國內外的學者已經開展了漁船余熱制冰的研究，主要是通過吸附和吸收的方式進行制冰。王如竹等陸續(xù)開展了漁船煙氣余熱吸附制冰的研究，并開發(fā)出了相關的樣機。倪錦等采用氨水吸收的方式利用漁船煙氣進行制冰。吸附制冰系統(tǒng)能在漁船搖擺的狀態(tài)下工作，但是吸附制冰最核心的問題是缺乏同時具有高的傳熱和傳質性能的吸附劑，導致系統(tǒng)體積龐大，性能系數(shù)低。氨水吸收式制冰系統(tǒng)的循環(huán)效率比吸附式的高，但是制冷劑氨和吸收劑水的標準沸點差只有133.4℃，發(fā)生器的蒸汽中會含有少量水蒸氣，為此需要設置精餾器，致使系統(tǒng)設備龐大。

　　近來，余熱驅動的有機朗肯- 朗肯循環(huán)( 又叫有機朗肯- 蒸汽壓縮循環(huán)) 備受關注，該循環(huán)主要包括膨脹機系統(tǒng)和壓縮機系統(tǒng)，膨脹機系統(tǒng)采用低沸點的有機工質作為循環(huán)介質，利用熱能加熱有機工質驅動膨脹機輸出動力; 壓縮機和膨脹機同軸，膨脹機直接帶動壓縮機轉動。由于朗肯-朗肯循環(huán)采用同軸結構，系統(tǒng)效率高，而且能夠利用工業(yè)余熱，地熱和太陽能等中低溫熱源，受到各國學者的青睞。

　　為有效利用漁船的余熱，本文以漁船的煙氣和發(fā)動機冷卻水作為熱源驅動有機朗肯- 朗肯系統(tǒng)進行制冰，主要研究系統(tǒng)的整體設計，熱力過程以及系統(tǒng)性能的影響參數(shù)，旨在分析朗肯- 朗肯循環(huán)利用漁船余熱制冰的可行性，并為下一步樣機的開發(fā)提供參考依據(jù)。

2、系統(tǒng)設計

　　余熱情況：漁船余熱主要包括發(fā)動機排煙余熱和發(fā)動機冷卻水余熱。以一臺發(fā)動機功率100kW 的小漁船為例，排煙溫度一般在400℃左右，排煙所帶走的熱量占燃油燃燒所產生熱量的30% ～45%。發(fā)動機冷卻水的溫度一般在60～100℃之間，發(fā)動機冷卻水排出的熱量約占燃油燃燒所產生熱量的30%左右。近似估算，發(fā)動機冷卻水和排煙帶走的熱量約為200kW。

　　工質選擇：HFC-245fa 對臭氧層沒有破壞，溫室效應較小，不可燃，不腐蝕。該工質在膨脹機出口側仍為過熱蒸汽，沒有出現(xiàn)兩相區(qū)，膨脹機運行較安全，而且膨脹機效率較高。參考了相關文獻，本文選擇HFC - 245fa 作為膨脹機系統(tǒng)的循環(huán)工質�？紤]到膨脹機和壓縮機主軸密封在長期運行過程中存在泄漏的可能，從安全穩(wěn)定的角度考慮，壓縮機系統(tǒng)也采用HFC-245fa 作為循環(huán)工質。

　　系統(tǒng)設計：整個系統(tǒng)的流程如圖1 所示，在本文中膨脹機系統(tǒng)叫做動力側，壓縮機系統(tǒng)叫做制冰側。為防止煙氣結垢，煙氣不直接進入發(fā)生器，而是采用余熱鍋爐回收煙氣的熱量。為拆卸和維修方便，余熱鍋爐內采用水作為吸熱工質，通過循環(huán)泵將熱水泵入發(fā)生器加熱有機工質。由于排煙的溫度較高，達到400℃左右，余熱鍋爐內熱水的溫度一般高于發(fā)動機冷卻水的溫度，因此，在設計發(fā)生器時，采用立式結構，換熱管采用上下兩層布置，上層換熱管內通入余熱鍋爐的高溫熱水，下層換熱管通入發(fā)動機冷卻水。

　　由于進入發(fā)生器的HFC - 245fa工質為過冷態(tài)，溫度較低，為提高系統(tǒng)效率，進入發(fā)生器的熱水采用逆流的方式，即采用上進下出的方式，工質采用下進上出的方式。動側和制冰側的冷凝器可以采用風冷也可以采用水冷，本文選擇風冷冷凝器。系統(tǒng)中動力側和制冰側的兩個冷凝器可以做成一個共用也可以做成兩個。冷凝器做成一個共用的話，結構簡單，系統(tǒng)緊湊，但是經過冷凝器后，一路工質進入制冰機，另一路工質進入發(fā)生器，實際運行時，工質流量的精確分配是個難題。冷凝器若做成2個，結構復雜，但是工質流量的分配比較容易。本文選擇2 個獨立的冷凝器。漁船的運行工況決定了排煙和發(fā)動機冷卻水的溫度，考慮到漁船運行工況的多變性，所設計的制冰系統(tǒng)應能適用熱源多變的工況。為此，膨脹機采用徑向軸流式的透平膨脹機，該機適用范圍廣，能在變負荷工況下穩(wěn)定運行。壓縮機采用離心式，壓縮機與膨脹機同軸。

圖1 系統(tǒng)流程示意

結論

　　(1) 將有機朗肯- 朗肯循環(huán)系統(tǒng)用于漁船余熱制冰是可行性的。在熱源溫度為100℃，冷凝溫度為40℃時，每噸熱水的制冰量為86.4kg/t，單位功率余熱每小時的制冰量為2.27kg/(kW·h) 。此制冰量和制冰速率可以滿足中小漁船的冰需求量;

　　(2) 余熱熱源溫度和冷凝溫度對系統(tǒng)性能有重要影響。當冷凝溫度為40℃，熱源溫度分別為80、120和160℃時，單位功率的余熱每小時可制冰量分別為1.62、2.83 和3.74kg/(kw·h) 。當熱源溫度為100℃，冷凝溫度為30、40 和50℃時，單位功率的余熱每小時的制冰量分別為3.56、2.27和1.46kg/(kW·h) 。在實際設計漁船余熱制冰系統(tǒng)時，要以系統(tǒng)整體性能最佳為原則，綜合權衡是采用風冷還是水冷冷凝器;

　　(3) 制冰側冷凝器的過冷溫度對系統(tǒng)性能的影響很小，在實際設計余熱制冰系統(tǒng)時，過冷度的選擇主要考慮系統(tǒng)的運行安全;

　　(4) 本文提出的有機朗肯- 朗肯循環(huán)制冰系統(tǒng)，不僅可以制冰，而且可以用余熱驅動來制冷。同時可以利用漁船的余熱，也可以利用地熱，太陽能和工業(yè)余熱，具有廣泛的應用前景。