【畢業(yè)學位論文】（Word原稿）船舶制冷系統(tǒng)節(jié)能技術研究-航海學輪機工程

分類號 編號 學 畢 業(yè) 論 文 船舶制冷系統(tǒng)節(jié)能技術研究 請學位： 學士 院 系： 院 專 業(yè)： 輪機工程 姓 名： 學 號： 導老師： 學 摘要 隨著能源問題的日益突出，船舶制冷系統(tǒng)的節(jié)能研究受到越來越多的人的重視。進入 21世紀以來，不斷有新的節(jié)能方案日益涌現。而對船舶制冷系統(tǒng)的節(jié)能研究則顯得意義更加重大。這是因為船舶的空間有限，所能攜帶的日用品和能源亦是有限，因此，提高船舶制冷系統(tǒng)的節(jié)能效率是目前船舶制冷研究應首要解決的問題。 論文對船舶的節(jié)能作了深入分析。全文分四部分。分別對船舶制冷系統(tǒng)的現狀做了科學的理論的研究，從船舶制冷系統(tǒng)熱力學基礎入手，總結了幾個主要的制冷方式；對目前常用的節(jié)能方式作了分析；以船舶冷庫為例對船舶 制冷系統(tǒng)做出了節(jié)能設計了；得出了科學的結論。 論文是通過作者翻閱大量的資料，查出精確的數據的基礎上完成的。但限于作者的水平有限，論文內部尚有值得商榷和改進的地方。并且文中提出的方案尚無經過實踐的檢驗，而只是一次嘗試，有待進一步改進和完善。 關鍵詞： 船舶； 制冷；節(jié)能 - 2 - by s is of 1st s on it is is is s is to on of a to on up of on an of to as an of a by a of on of to s is to in is no an to be - 3 - 目 錄 緒 論 . 1 1 船舶制冷系統(tǒng)的綜合分析 . 2 汽壓縮式制冷 . 2 收式制冷 . 2 附式制冷 . 3 2 改進制冷裝置節(jié)能的 主要措施 . 4 船舶制冷裝置運行的改進 . 4 舶制冷系統(tǒng)運行參數的調整 . 4 冷裝置運行中的節(jié)能技術 . 6 舶制冷運行指標節(jié)能分析 . 7 冷的成本核算 . 7 冷運行指標的分析 . 8 體吸附式制冷系統(tǒng)的改進 . 8 型吸附工質對 . 8 化吸附床傳熱 . 8 用高級制冷循環(huán) . 9 理節(jié)能和科技進步節(jié)能 . 10 3 船舶制冷的節(jié)能優(yōu)化設計 . 11 冷裝置優(yōu)化設計的原則、要求與主要設計方法 . 11 冷裝置匹配含義 . 11 冷裝置優(yōu)化設計要求 . 11 冷裝置 優(yōu)化設計方法 . 11 化設計方法討論 . 12 庫節(jié)能優(yōu)化設計 . 12 冷系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設計 . 12 風機的節(jié)能設計與使用 . 13 凝器優(yōu)化配置 . 13 庫節(jié)能計算機輔助監(jiān)控管理 . 14 舶制冷系統(tǒng)的改進 . 15 汽管設計中流速的計算 . 16 汽管與蒸發(fā)器之間的聯接 . 16 交換器至壓縮機之間的聯接 . 16 結論 . 17 致謝 . 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻 . 18 1 緒 論 節(jié)能，已經成為 21 世紀的新主題。近幾年，尤其是美國對伊拉克發(fā)動戰(zhàn)爭以來，國際油價一路飆升。世界煤總儲量也只能夠人類使用 200 年了。能源問題已經成為人類面臨的大敵。 作為 19 世紀開始興起的制冷技術，現在應經和人們的生活密切相關。隨著制冷技術應用的日益廣泛，制冷裝置消耗的能源也在迅速增加。制冷是耗能量相當大的幾個行業(yè)之一。目前船舶上廣泛采用的蒸汽壓縮式制冷消耗大量的電能。因此，制冷裝置的節(jié)能是我國節(jié)能工作中重要的一環(huán)。特別是在各類船舶上有 限的空間內所攜帶的能源是有限的。因此，提高船舶制冷裝置的節(jié)能效率，對改善船舶環(huán)境、節(jié)省船舶空間等的意義十分重大。 本文主要介紹了船舶制冷系統(tǒng)的現狀，對各種制冷方式作了比較，從能源節(jié)約方面說明了船舶制冷系統(tǒng)為什么采用蒸汽壓縮式制冷；對船舶制冷的節(jié)能提出了改進意見；并以船舶冷庫為例對船舶制冷系統(tǒng)做了節(jié)能方面的設計；最后得出科學的結論。 在完成本論文的過程中，作者進行了大量的調研和資料搜集工作，從各種有關制冷方面的書籍中得到了大量的準確的數據。在這里，作者對這些書的作者們表示衷心的感謝。 2 1 船舶制冷系統(tǒng)的綜合分 析 在現代制冷技術中，廣泛利用制冷劑 (液體 )在低壓下的氣化過程來制取冷量。利用這種原理的制冷方式可分為蒸汽壓縮式制冷、吸收式制冷和吸附式制冷。 汽壓縮式制冷 在蒸汽壓縮式制冷中，工質的蒸汽首先被壓縮到比較高的壓力，被外部冷卻介質冷卻而轉變?yōu)橐后w，再經節(jié)流，使壓力和溫度同時降低，利用低壓力下工質液體的氣化即可吸熱制冷。氣化后的蒸汽再由壓縮機吸人壓縮，不斷循環(huán)。圖 1-1 a)所示即為蒸氣壓縮式制冷流程，圖 1-1 b)和 c)為該循環(huán)的 圖 1汽壓縮式制冷 a）單級壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng) b） c） 收式制冷 吸收式制冷特點是以熱能為動力，利用溶液的特性來完成工作循環(huán)。圖 1 吸收器中的濃氨水由溶液泵升壓后送入發(fā)生器。濃氨水在發(fā)生器內被加熱，產生較高壓縮機 蒸發(fā)器 冷 凝 器 節(jié)流閥 1 2 3 4 a） b) c) T x=0 x=1 0 q0 x=0 x=1 q0 lg p s 1 2 4 5 7 1 h 4 5 p0 pk a b 4 1 2 3 5 7 1 2 3 3 溫度和較高壓力的氨蒸氣，這些氨氣進入冷凝器被凝結為液體氨。液氨經過膨脹閥節(jié)流，降溫降壓后進入蒸發(fā)器，從通過蒸發(fā)器的冷凍水中吸取熱量而蒸發(fā)，冷凍水即可作為冷源使用。發(fā)生器中剩余的稀氨水經減壓閥降壓后，送入吸收器進行噴淋，稀氨水在噴淋過程中吸收從蒸發(fā)器引來的低壓氨蒸氣，成為濃氨水，然后繼續(xù)循環(huán)。 吸收式制冷需要專門的溶液分離設備，構造復雜，造價高，不適用于顛簸震動的場合。但制冷效率高，適用于大熱量的余熱回收。 附式制冷 吸附式制冷是通過吸附劑在較低的溫度下（一般為當地氣溫）吸附制冷劑，在較高的溫度下脫附制冷劑，通過吸附脫附循環(huán)來實現。通常是固體對氣體的吸附，它的主要裝置由吸附器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥等組成 , 見圖 1 吸附式制冷的 工質對大致可分為沸石分子篩系、硅膠系、活性炭系等。 沸石分子篩系由于它的脫附溫度較高 , 通常在 280 300，所以，一般用于高溫余熱回收。 硅膠系的脫附溫度較低 , 一般從 50左右開始脫附至 120，可以完全脫水，但不耐高溫（不超過 120）。因此，硅膠系很適合以低品位熱源為動力的吸附式制冷。 活性炭系能夠吸附水、甲醇、乙醇等許多制冷劑蒸汽，活性炭 水在 0以下很難使用，且會結冰；活性炭 甲醇有劇毒，能導致失明。因次，從安全和實用角度考慮，活性炭 乙醇比較適宜在低品位熱能中的應用。 吸附式制冷結構 簡單，無噪音，無污染，但制冷效率低，適用于顛簸震蕩場合，如汽車，船舶等，更適用于小熱量回收。如果我們能有效地提高吸附式制冷的循環(huán)效率，它將在制冷技術中有廣闊的開發(fā)應。 以上三種制冷方式都是現代船舶上常用的制冷方式，各有優(yōu)缺點。但三種制冷方式都有很大地開發(fā)潛力，值得人們進一步去研究。本文就是對這三種不同的制冷方式提出各自對應的節(jié)能措施。 吸附 發(fā)生器 冷凝器 蒸發(fā)器 脫附 吸附 圖 1附式制冷原理圖 4 2 改進制冷裝置節(jié)能的主要措施 船舶制冷裝置運行的改進 舶制冷系統(tǒng)運行參數的調整 蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力 蒸發(fā)溫度的高低是根據食品加工工藝或用冷場合所需的溫 度來確定的。例如在冷庫制冷系統(tǒng)的設計中，冷卻和制冰常用 15；冷藏 28或 30；凍結 33或 40。 在實際運行中，蒸發(fā)溫度的變化與被冷卻對象的熱負荷、蒸發(fā)器的傳熱面積和壓縮機的容量有關。這三個條件中某一個發(fā)生變動時，制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力相溫度必然發(fā)生相應的變化。所以，只要調節(jié)改變這些條件，使它們相互適應，就可以控制和調節(jié)制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度。 1、熱負荷的變化 當熱負荷增大，蒸發(fā)器中制冷劑的蒸發(fā)量就會大于壓縮機的吸氣量，因而蒸發(fā)壓力和溫度將上升。相反，如制冷劑的蒸發(fā)量小于壓縮機的吸氣量，蒸發(fā)壓力與 溫度就逐漸下降。 2、傳熱面積發(fā)生變化 當被冷卻對象的熱負荷及壓縮機容量不變，如蒸發(fā)器的傳熱面積減少，則制冷劑的蒸發(fā)量將隨之減少，即蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度降低。反之，如傳熱面積增大，則蒸發(fā)溫度升高。對于現役制冷裝置，其蒸發(fā)器的傳熱面積表而上看似乎是固定不變的。但實際上只有與液態(tài)或氣液混合狀態(tài)的制冷劑接觸的面積，才是有效的傳熱面積。換言之，當蒸發(fā)器中沒有制冷劑或只有氣態(tài)制冷劑時，其傳熱面積等于零。因此，通過調節(jié)蒸發(fā)器的制冷劑供液量，就可以調節(jié)實際的蒸發(fā)面積，進面調節(jié)蒸發(fā)壓力。 3、壓縮機容量的變化 制冷壓縮機的容 量應該與被冷卻對象的熱負荷相適應。如果熱負荷不變，壓縮機的容量增大時，就會使系統(tǒng)蒸發(fā)溫度降低，甚至使壓縮機產生濕行程。反之，如果熱負荷不變，壓縮機的容量減小，由于壓縮機不能及時吸回蒸發(fā)器內形成的制冷劑蒸氣，就會使蒸發(fā)壓力 (溫度 )升高。在制冷裝置的設計中，蒸發(fā)溫度是根據制冷工藝的要求，通過技術經濟分析，綜合考慮后確定的。實際運行的蒸發(fā)溫度是變化的。蒸發(fā)溫度偏離設計要求過高或過低都是不利的。 蒸發(fā)溫度降低，運行經濟性差的主要原因是，蒸發(fā)壓力降低時，氣體的比體積增大，單位容積制冷量減少，壓縮機吸入的制冷劑質量減少 ，因此壓縮機的制冷量減少。另一方而，蒸發(fā)溫度降低時，壓縮每公斤制冷劑蒸氣的功耗增加。隨著蒸發(fā)溫度降低，壓縮機的制冷量減少，能耗增大。因此，在制冷裝置的操作調節(jié)中，一般應將蒸發(fā)溫度穩(wěn)定在設計的溫度、避免蒸發(fā)溫度不必要地過低。造成蒸發(fā)溫度過低的具體原因有如下幾方面： 1)壓縮機的制冷量大于蒸發(fā)器在同一時間內的蒸發(fā)量。 2)被冷卻對象的熱負荷減少。 3)蒸發(fā)器內油污增加，或表面霜層太厚，使蒸發(fā)器制冷能力降低。 5 4)蒸發(fā)器中制冷劑不足，使有效傳熱面積減少。 在操作中應針對蒸發(fā)溫度過低的具體原因，采取相應的措施。如除 霜、減少運轉壓縮機的缸數或臺數等，使蒸發(fā)溫度處于正常。 根據上面分析可知，蒸發(fā)溫度升高對節(jié)能是有利的。因此，在滿足制冷工藝要求的前提下，適當地提高蒸發(fā)溫度是合理并有利于降低運行費用。當然，蒸發(fā)溫度過高也有不利的一面，它會對壓縮機軸封工作帶來不利，還會使壓縮機軸功率接近最大值，嚴重時可能使電動機過載。在實際運行調節(jié)中，最主要的限制是制冷工藝的要求，蒸發(fā)溫度過高將無法滿足被冷卻對象的低溫要求。 冷凝溫度和冷凝壓力 冷凝溫度與許多因素有關，在設計制冷裝置時，冷凝溫度是通過技術經濟分析，綜合考慮確定的。冷凝溫度過高 ，將引起壓縮機排氣壓力過高，排氣溫度升高，這對壓縮機的安全運行十分不利，容易造成事故。另一方面，將使制冷裝置效率降低，能耗增加。從節(jié)能角度來說，在設計時適當地選取較高的冷凝溫度，即配置較大的冷凝器換熱面積，達到節(jié)能運行的目的。 從操作調節(jié)的角度，應控制制冷裝置在盡可能低的冷凝溫度下運行，以提高制冷效率，降低運行費。 對于水冷式冷凝器，冷凝溫度決定于冷卻水的水溫、水量、水的流速、冷凝面積、壓縮機的排氣量以及空氣、油污、水垢等影響冷凝器傳熱效率的各種因素。一般情況下，水冷式冷凝器的冷凝溫度比冷卻水出口溫度高 4 風冷式冷凝器的冷凝溫度主要決定于空氣溫度、空氣流速、冷凝面積、壓縮機排氣量，以及影響冷凝器傳熱效率的其它因素。風冷式冷凝器的冷凝溫度一般比空氣溫度高8 蒸發(fā)式冷凝器和淋激式冷凝器的冷凝溫度，除了以上各種影響因素外，還與空氣的相對濕度等影響水的蒸發(fā)效率的因素有關。一般蒸發(fā)式冷凝器的冷凝溫度，控制在比夏季室外空氣濕球溫度高 5 綜上可見，冷凝溫度受到許多因素的影響。從操作調節(jié)的角度，要位冷凝溫度盡量低，主要從兩方面入手：一是保持換熱表面的清潔，消除影響熱交換的因素，即及時除垢、放油、排 除不凝性氣體；另一方面，就是控制冷卻介質的流量，保證冷卻介質均勻地流過換熱表面。因為冷卻介質的溫度受環(huán)境溫度的影響，通常是難以調節(jié)的。當冷卻介質為水時，除了保證流量和流速外，特別要注意水在冷凝器中分配的均勻性。 綜上所述，在對冷凝溫度的調節(jié)控制中，應保證冷卻介質有足夠的流量和流速，并且分布均勻；應保證冷凝器換熱表面潔凈，排除影響傳熱的各種因素。使制冷裝置在盡可能低的冷凝溫度下運行。對于集中式制冷系統(tǒng)，在部分負荷時，應特別注意調節(jié)冷卻介質系統(tǒng)的水泵或風機，避免無效的功耗。 壓縮機的吸氣溫度 壓縮機的吸氣溫 度通常由設于壓縮機吸氣端的溫度計測得。在氨制冷裝置中，吸氣過熱將使制冷系數下降，即能耗增大。另一方面，吸氣過熱將使壓縮機排氣溫度升高，直接影響壓縮機的正常運行。 6 對于 于過熱后制冷系數將增加或不變，故允許有較大的回氣過熱度。在國家標準 型活塞式單級制冷壓縮機型式與基本參數中，對采用22的中型壓縮機，考核工況的吸氣溫度采用 15。對低溫范圍的名義工況，這二種氟利昂的吸氣溫度規(guī)定為 5，中溫和高溫范圍的吸氣溫度則為 18。 除了影響制 冷系數外，壓縮機的最高吸氣溫度主要受到排氣溫度的限制。因此，壓縮機的吸氣溫度既是運行效率和能耗水平的標志，又是安全正常運行的標志。在實際操作中應保持密切的監(jiān)控，及時調節(jié)，使之維持在合理的范圍之內。 壓縮機的排氣溫度 壓縮機的排氣溫度可以通過壓縮機排氣閥處的溫度計進行測量。排氣溫度的高低取決于吸氣壓力、排出壓力、吸人氣體的過熱度和干度。在其它參數不變的情況下，壓縮機吸、排氣壓縮比越大，排氣溫度越高；吸氣的過熱度越大，排氣溫度越高；吸氣的含濕量越大，排氣溫度越低。 壓縮機的正常排氣溫度，可以用吸入狀態(tài)和排氣壓力 在制冷劑壓 壓縮機可以用下列概算公式計算： 單級氨壓縮機 排氣溫度 0 ( ) 2 . 4 kt t t 過 熱 雙級氨壓縮機 高壓級排溫 01 ( ) 2 . 4 kt t t 過 熱 低壓級排溫 0 1 0 ( ) 2 . 4 t t t 過 熱 式中 0t 蒸發(fā)溫度 ( )； 01t 中間溫度 ( )； 冷凝溫度 ( )； t過 熱 吸人氣體的過熱度 ( )。 兩級壓縮循環(huán)的中間溫度 兩級壓縮循環(huán)的中間溫度，是指中間壓力相應的飽和溫度，它可以由所測的中間壓力查表得到。中間壓力取決于低壓級的排氣量、中間冷卻器的蒸發(fā)量和高壓級的吸氣量。因此，中間溫度與蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、高壓與低壓壓縮機的容積比，以及影響中間冷卻器蒸發(fā)量的各因素有關。只要其中一個參數變化，中間溫度就會跟著變化。中間溫度直接影響雙級壓縮制冷循環(huán)的經濟 性。在實際運行調節(jié)中，應調節(jié)中間壓力盡可能接近最佳中間壓力，使運行的制冷系數最大，能耗最少。調整中間壓力一般采用增減壓縮機運轉臺數的方法，對螺桿壓縮機還可以利用滑閥來改變容積配比。此外，中間冷卻器供液不足、隔熱不良，積油過多，也會引起中間壓力及中間溫度不正常地升高，應注意排除。 冷裝置運行中的節(jié)能技術 1、適當提高冷凝壓力 一般在一特定的制冷系統(tǒng)巾，冷凝壓力升高，壓縮比增大，壓縮機的壓縮功增大，容積效率降低。在相同制冷星下，系統(tǒng)的耗電量增加。反之，冷凝壓力降低系統(tǒng)的耗電量減少。因此，制冷系統(tǒng)在 較低的冷凝壓力下運行，一般認為可以獲得節(jié)能的效果。 對于水冷式的冷凝器，冷凝壓力的高低取決于環(huán)境氣溫、冷凝熱負荷、冷凝器的傳熱面積、冷凝器的布水狀況和冷卻水的水量。對于一套現役制冷裝置，如假定上述各項條件均不變，顯然，冷凝壓力將與冷卻水的水量直接相關。冷卻水量減少，冷凝壓力將升高； 7 冷卻水量增大，冷凝壓力將降低。換言之，冷凝壓力降低固然可使壓縮功減少，但此時冷凝壓力的降低是以冷卻水量增加，即水泵耗功增加為代價的。 顯然，制冷裝置的總能耗包括壓縮機的能耗和水泵的能耗。在某些情況下，冷卻水量的增加對冷凝壓力影響不 大。例如在冷卻水量已經足夠的情況下，再增大水量對冷凝壓力幾乎沒有影響。因此，在一定的范圍內，可以減少冷卻水的水量，使冷凝壓力適當升高。由于減少了水泵的能耗，這時制冷系統(tǒng)的總能耗還可降低，獲得節(jié)能的效果。 應該指出，這種節(jié)能措施具有十分容易貫徹落實的優(yōu)點。制冷裝置的技術管理人員可以根據本系統(tǒng)的具體情況，計算出各種冷凝壓力范圍內應投入的水泵臺數，交給操作人員。操作人員只需按規(guī)定執(zhí)行，不需增加調節(jié)的工作量，就可實現節(jié)能的效益。因此，這種節(jié)能措施不僅具有不需增加投資，不需增加操作調節(jié)工作量，容易貫徹落實的優(yōu)點，而且 還減少了水泵的磨損維修工作量，值得大力推廣應用。 2、采用較高的蒸發(fā)溫度實現節(jié)能 在一定的冷凝溫度下，提高蒸發(fā)溫度將使制冷系統(tǒng)的壓縮比減小、功耗減小，這對節(jié)能是十分有利的。問題是蒸發(fā)溫度取決于被冷卻對象，調高蒸發(fā)溫度往往影內到需冷卻對象的制冷工藝要求。因此，調整蒸發(fā)溫度必須以不影響被冷卻對象的工藝要求為前提。 以冷藏庫為例，從節(jié)能的角度，適當地提高一些庫溫是經濟合理的。例如，可以把庫溫提高到 至 計算表明，當用 庫溫代替 庫溫時，由于蒸發(fā)溫度升高，將節(jié)約電能達 國際 制冷學會 1986 年提出的“凍結臺品加工與貯運推薦條件” (第三版 )，對冷庫的貯藏溫度提出了具體的指導性意見。當選擇貯藏溫度時，必須考慮冷庫的用途。散裝貯藏的冷藏庫和生產性冷庫，最好應控制在 更低的庫溫，以盡量減少質量變化。分配性冷庫因為周轉量比較高，所以通?？蓪鞙乜刂圃?范圍。但如要保證產品的質量，推薦使用 庫溫。 在我國，凍結構冷藏間的溫度一般為 蒸發(fā)溫度采用 少數小型冷庫采用庫溫 在冷藏庫的實際營運中，可以根據貯存食品的品種、質量要 求和貯存期的長短，采用不同的蒸發(fā)溫度。對于貯存期較短，質量對低溫要求不太高的情況，可以適當提高蒸發(fā)溫度，達到節(jié)能的效果。 另外，在冷負荷較小時，采用較高的蒸發(fā)溫度運行進行節(jié)能。其原理是：一般制冷裝置都按滿負荷進行設計，而實際在滿負荷 (即設計負荷 )運行的時間并不長，大部分時間是在小于設計負荷的條件下運行。在部分負荷即耗冷量減少時，提高蒸發(fā)溫度，可以利用成小蒸發(fā)器的傳熱溫差，達到同樣的降溫效果。 舶制冷運行指標節(jié)能分析 冷的成本核算 制冷的成本主要由制冷裝置的耗能和折舊費用兩部分組成。對于廣 泛應用的壓縮式制冷，其消耗的能源是電能。根據制冷的用途不同，制冷的溫度不同，不同制冷裝置全年的利用率各不相同。因此，不同應用場合下制冷成本也各不相同。 一般來說，制冷的成本核算包括壓縮機車間所發(fā)生的一切費用，其成本項日如下： 1)動力用電 包括壓縮機用電，制冷劑泵和冷卻水泵用電。 8 2)輔助材料 包括制冷劑、冷凍油、氯化鈉或氯化鈣等。制冷劑消耗量按每月充注數計算至年度終了累計總數。冷凍油按耗用數減去尚能使用酌回收油計算。 3)固定資產折舊費 機器房房屋和壓縮機制冷設備的折舊費用及大修理費用。 4)車間經費 制冷裝置維修費用和其它管理費用。 由于各制冷系統(tǒng)的單位冷量耗電量不同，因此制冷成本應以與各產品耗用冷量相應的用電量按比例分配比較合理。 冷運行指標的分析 根據制冷裝置的用途不同，其部分技術經濟指標可能有所不同，但主要的運行技術經濟指標是一致的。通常進行分析的技術經濟指標有制冷量、耗冷量、單位冷量耗電星、單位產品耗電量等。 通過對各項運行技術經濟指標的列表分析，可以找出對能耗指標或成本等指標的影響因素。例如，冷庫中冷藏的成本比較穩(wěn)定，不因貯藏量的多寡有較大變化。因此，冷庫庫房利用率 高時，冷藏品單位成本下降，以單位成本計算的總成本也下降。 應該指出，制冷裝置的主要技術經濟指標的制定、核算和分析，是為了更有效地完成生產任務。各項指標之間往往是相互制約的，必須進行綜合平衡，以免影響整個經濟效果。例如不能單純?yōu)榱斯?jié)約用電，使制冷溫度升高。但是，力求節(jié)約用電，提高制冷裝置利用率和勞動生產率，是降低制冷裝置運行成本的關鍵。 節(jié)約用電主要決定于制冷機器與設備的先進性、完好程度、操作管理是否合理等因素。另外許多情況下還與制冷裝置的利用率有關。例如對于冷庫來說，因為由圍護結構傳入的熱量不因庫內貯存量的 多少而變化，充分利用庫房容量，不僅可以使分攤到每噸商品的折舊費減少，單位產品耗冷量、耗電量降低，還可以使冷藏品的干耗率減少。因為食品在同一貯藏期內的絕對干耗量，僅與庫外侵入并被食品吸收的熱量有關。 體吸附式制冷系統(tǒng)的改進 對吸附式制冷系統(tǒng)的研究基本內容包括吸附劑 統(tǒng)內的傳熱、傳質和各種循環(huán)的熱力學性質等方面。 型吸附工質對 已研究的吸附工質對主要有：活性炭 氨、沸石 膠 屬氫化物 理吸附）和氯化鈣 學吸附）等，目前應用較多的是前兩者。 活性炭纖維是一種新型的吸附劑。采用活性炭纖維作吸附劑可使吸附 /解吸時間縮短為活性炭系統(tǒng)的 1/10，因而可使循環(huán)周期大大縮短，這對吸附式制冷系統(tǒng)做得緊湊意義很大。另外其制冷性能系數（ 比活性炭系統(tǒng)有 15%以上的提高。 化吸附床傳熱 吸附床中熱傳遞的強化可提高吸附 /解吸速率，縮短循環(huán)周期。這可以從改善吸附介質的傳熱性能和采用先進的吸附床結構兩方面來考慮。 可將顆粒大小不同的兩種吸附劑混合起來以減少吸附床的松散性，或在吸附床中加入導熱性好的金屬物質或石墨等，都可以提高吸附床的導熱性能，但這些方 法效果不顯著。 另一種途徑是將吸附劑加工成圓片或圓柱等塊狀結構。這既有利于減少吸附劑與換熱壁面的接觸熱阻，也改善了吸附床的傳熱性能，并增加吸附劑的填充量。研究表明，以塊 9 狀吸附床代替顆粒吸附床是一種行之有效的方法，但是如何在滿足熱導率要求時保持其傳質率是一個值得注意的問題，對于以水或甲醇等為制冷劑的真空系統(tǒng)尤其應予以重視。壓力系統(tǒng)制冷劑（如氨等）由于吸附劑內外存在較大壓差，使其傳質性能遠比真空系統(tǒng)（如水、甲醇等）好得多。 而對于吸附床的結構，一個有效的增加吸附床傳熱的方法是減少吸附床厚度，并增大和外界的換熱面 。這通過在吸附床中插入金屬肋片或金屬管實現，肋片很薄，不到 1互間的間隔也只有幾毫米。還有一種設計是將片狀吸附劑與金屬片粘貼，從而大大減少接觸熱阻，但問題在于金屬與黏接劑的熱膨脹系數不同，如何保證在多次加熱與冷卻循環(huán)后粘貼的牢靠還有待進一步研究。為增大吸附床的換熱面積，已設計出多種吸附床結構，用得較多的是翅片管式，此外還有板式、板翅式、螺旋板式等。在增大換熱面的同時，也使系統(tǒng)的金屬比熱容大為增加，因此需采用回熱循環(huán)才能達到較高的效率。 用高級制冷循環(huán) 吸附制冷的基本型循環(huán)采用 1個吸附器， 在吸附過程中產生冷效應，吸附結束后必須有一個解吸過程使吸附劑狀態(tài)還原，這時將停止制冷，這限制了其應用。然而若采用太陽能驅動，則這種間隙式制冷與太陽能高度匹配。這種太陽能制冷系統(tǒng)的特點是：白天加熱解吸對應制冷劑冷凝，晚上冷卻吸附對應制冷劑蒸發(fā)制冷。為了連續(xù)制冷，可以采用 2個或多個吸附器交替工作。這在余熱回收利用中具有重要意義。 當前最常用的高級制冷循環(huán)有連續(xù)回熱循環(huán)、熱波循環(huán)、對流熱波循環(huán)和雙效復疊式循環(huán)四種。在連續(xù)回熱循環(huán)裝置中， 2 個吸附器交替運行時，其中 1 臺吸附器在吸附時可通過流體將一部分顯熱和吸附熱傳給 另一臺正在解吸的吸附器以實現回熱，因此可節(jié)省一部分熱量，提高了循環(huán)的效率。對活性炭 蒸發(fā)溫度、吸附溫度和冷凝溫度分別為 30的工況下，采用連續(xù)回熱循環(huán)可使 0%左右。在熱波循環(huán)中吸附床設計成沿流體流程存在很大的溫度梯度，可以看作由一系列能獨立進行熱交換的小吸附床組成，兩個吸附床反相運行，各自只有一小部分進行熱交換，另一部分保持其溫度，這樣能最大限度地利用吸附過程放出的熱量，更充分地回熱。研究表明，熱波循環(huán)在現有系統(tǒng)中實現起來很困難，為了獲得較高 的 循環(huán)流體的流速必須很小，相應系統(tǒng)能量密度將很低，增加吸附床的熱導將使系統(tǒng)性能有一定改善，但難度很大。而對流熱波循環(huán)是一種吸附床內強迫對流以改善吸附床傳熱、傳質性能的循環(huán)方式，即利用制冷劑氣體和吸附劑間的強制對流，使用循環(huán)泵將氨等高壓制冷劑蒸氣直接加熱、冷卻吸附劑而獲得較高的熱流密度，因床內的傳熱條件良好，在較短的時間內即可將吸附床加熱或冷卻到預定溫度。雙效復疊式循環(huán)是利用兩個工作在不同溫度范圍內的循環(huán)來提高吸附熱的利用率，如用以沸石 甲醇為工質對的低溫循環(huán)。采 用分子篩 水分別作為兩級循環(huán)的工質對以及兩級循環(huán)都采用分子篩 水在 100 220溫區(qū)工作，低溫級分子篩 水在 30 100溫區(qū)工作，其中 100為中間溫度。通過選擇合適的加熱溫度和中間溫度及兩級冷凝壓力可使 到 10 理節(jié)能和科技進步節(jié)能 管理節(jié)能是通過各種管理手段，在不投資或少量投資的情況下，杜絕能源浪費，減少各種非正常的能源消耗，達到節(jié)能日的。這是一種最經濟的節(jié)能方式，尤其在管理落后的企業(yè)中，是效 益顯著的節(jié)能方法。 企業(yè)的能源消耗可以用下式表達： n b c s f s W W W W 式中 制冷裝置的綜合能耗量； 設備 (或產品 )標準能耗； 工人非正常操作浪費的能源； 因維護保養(yǎng)不善設備損壞造成的能耗； 運輸、保管及其它非正常消耗； 設備狀況個良，運行中浪貨的能源。 由上式可見，在構成制冷裝置能耗的各項因素中，除 外，其余均屬應當節(jié)省下來而浪費掉的能源。管理節(jié)能的主要任務，就在于用各種管理手段，減少這些能源的浪費，可見這種節(jié)能效益的獲得是最經濟的。管理節(jié)能確實可以在不投資或少量投資的情況下。獲得明顯節(jié)能效果。 另外應該說明，在設備和技術狀況一定的情況下、管理節(jié)能是有一定限 度的。由能源消耗表達式可見，當一切浪費的能源都得到了控制，剩下的僅有設備或產品的合理消耗，這時管理節(jié)能就達到了極限，要進一步提高節(jié)能水平，就只有靠科技進步節(jié)能。由于技術和工藝的改進，可能使能耗呈較大幅度的下降，從而根本改變設備和產品的耗能狀況，即改變了 技術或工藝的改進常?？墒盏绞置黠@的節(jié)能效益，因此科技進步是節(jié)能的根本出路。應該說明，在新設備、新工藝的條件下，又會產生新的非正常消耗。因此，管理節(jié)能又是長期的不斷發(fā)展的。 由此說明，制冷科技的進步與制冷 裝置的管理存在密切的關系。由于管理水平的提高，不斷取得管理節(jié)能效益，同時又發(fā)現和提出了需要解決的技術問題。通過科技進步，解決了生產中的技術問題，或提高了技術水平，又促進了管理水平的提高。 在船舶壓縮式制冷裝置中消耗的主要是電能。在船舶用電的總節(jié)電效益中，通過加強管理可收到的節(jié)電效益約占 30；通過改進工藝過程，實行一些基本不花錢的技術措施，可收到的節(jié)電效益約占 40，通過改造或增加設備且耗費較大的投資，可以收到的節(jié)電效益約占 30。這種估計雖然精確性不是分高，但從而也可認識到管理節(jié)能的重要性。 11 3 船舶制冷 的節(jié)能優(yōu)化設計 船舶制冷系統(tǒng)主要分為船舶冷庫和船舶空調系統(tǒng)。其中船舶冷庫又分為菜庫和肉庫。兩者要求的溫度不同：蔬菜和水果是是有生命的，因此在抑制細菌生長的同時還要盡量保鮮；而肉庫則盡量低溫，但是溫度也有限制。溫度過低則肉中細胞的水分全部凍結，不利于肉制品的長期放置。 冷裝置優(yōu)化設計的原則、要求與主要設計方法 冷裝置匹配含義 制冷裝置由多個部件組成，制冷裝置的匹配意味著其各部件必須在相同的流量下工作，工況才能穩(wěn)定。從各部件的靜態(tài)特性曲線上看，其匹配點就是各部件靜態(tài)特性曲線的交點，如要實現最 佳匹配，必須綜合考慮制冷裝置的效率、運行費用、設備的壽命及結構參數等因素。因此，制冷裝置的優(yōu)化設計是綜合性的課題。 冷裝置優(yōu)化設計要求 保證制冷裝置穩(wěn)定運行： 穩(wěn)定性是匹配的首要問題，匹配首先必須保證制冷裝置穩(wěn)定運行，以免制冷裝置在供液、壓力及溫度等方面出現不平衡，即產生振蕩。而制冷裝置匹配與否，必須在運行中驗證，所以，穩(wěn)定性問題又是動態(tài)問題。 保證制冷裝置效率與經濟性最高： 制冷裝置優(yōu)化設計除了保證穩(wěn)定運行外，還應根據優(yōu)化原則，找出制冷裝置及各部件均能滿足的參數條件，以使制冷裝置保持在最高效率 下運行，并獲得最佳經濟性。根據優(yōu)化理論，制冷裝置的優(yōu)化設計是在一定約束條件下實現規(guī)定目標函數的優(yōu)化問題，即保證制冷裝置穩(wěn)定運行條件下，尋求最高效率的條件。它一般由目標函數、優(yōu)化變量、約束條件和優(yōu)化算法四部分組成。對制冷裝置而言，必須綜合考慮設備的投資及運行費用，解決制冷裝置的結構參數和運行參數最優(yōu)化問題，從而滿足熱效率和經濟性的最優(yōu)化。 冷裝置優(yōu)化設計方法 1、靜態(tài)特性曲線法 靜態(tài)特性曲線法是工程上已在應用的一種方法，其運作時，匹配點雖能落在各部件靜態(tài)特性曲線的交點上，但該點不一定是最佳匹配點。 因此，用靜態(tài)特性曲線法優(yōu)化設計時，需使其匹配點落在壓縮機最高效率點附近，通過對熱力膨脹閥與蒸發(fā)器匹配點的調整，使蒸發(fā)器蒸發(fā)面積利用率最大，制冷裝置的經濟性最高。 2、熱動力學法 熱動力學法是國內外制冷界深入研究和廣泛采用的方法。制冷裝置的優(yōu)化設計與運行涉及兩個問題，一是優(yōu)化目標函數與約束條件；二是需要一臺自適應多參數控制器配合工作。 基本思路與方法：首先應建立制冷裝置及各部件動態(tài)模型，然后聯立求解這些動態(tài)方程組。在此基礎上 ,選定某一目標函數，確定實現該目標函數的約束條件，保持制冷裝置 12 在某一基本工況下處于最佳 匹配狀態(tài)。例如，若選“蒸發(fā)器蒸發(fā)面積利用率最大”為目標函數，可令干度 x ( , t )在蒸發(fā)器出口處為 1，求出流量 G 并以此流量推算熱力膨脹閥、冷凝器及壓縮機的有關參數，但由于此時壓縮機不一定處于最佳工作點，故還需反復迭代修正，此外，制冷裝置運行時干度 x ( , t) = 1 點是運動的，因此 ,還應推出干度動態(tài)方程 x ( , t) 以求取 x ( , t) = 1 狀態(tài)點，并確定蒸發(fā)器中兩相區(qū)的分布，以便選擇最佳工況，使制冷裝置達到最佳匹配狀態(tài)。 制冷裝置參數的綜合控制：為使制冷裝置在外負荷干擾下能始終保持在 最佳匹配點，還需配置一臺計算機來綜合控制，其關鍵是應給出一個專用的控制程序，以蒸發(fā)器進出口溫差、壓縮機吸排汽壓力和冷間溫度為輸入信號，通過控制程序發(fā)出控制信號，就能對蒸發(fā)器供液閥及回汽閥進行調節(jié)，同時對壓縮機電機及冷凝器冷卻風機進行變頻調速。一旦實現了制冷裝置參數的綜合控制，就能適應各種工況，獲得任意工況下的最佳匹配。 化設計方法討論 靜態(tài)特性曲線法屬穩(wěn)態(tài)設計法，它是在制冷裝置達到穩(wěn)定狀態(tài)時分析各部件之間的靜態(tài)匹配關系，此法工作量較小，對于兩部件的靜態(tài)匹配較有實效，但對于多部件的匹配則有較大局限 性，而且，這種靜態(tài)匹配的觀點還會受到種種限制。例如，對蒸發(fā)器而言，負荷變化極易使其離開匹配點，如果蒸發(fā)器負荷增加后，制冷裝置產冷量不足，又無相應的調節(jié)措施，則其蒸發(fā)壓力和出口過熱度將增大。因此，制冷裝置的優(yōu)化設計不應只停留在靜態(tài)分析或經驗匹配上，而必須用制冷系統(tǒng)熱動力學的觀點，研究制冷裝置及各部件變工況時的動態(tài)特性，找出相關參數的定量關系，然后從技術經濟角度出發(fā)進行優(yōu)化設計，以實現制冷裝置結構參數和運行參數的最佳匹配。這樣，不僅實現了制冷裝置的穩(wěn)態(tài)最優(yōu)化，而且實現了動態(tài)最優(yōu)化。 庫節(jié)能優(yōu)化設計 冷系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設計 1、設計中的優(yōu)化目標 從節(jié)能角度來說，制冷系統(tǒng)的制冷系數愈大愈好，若以節(jié)能作為設計的優(yōu)化目標，則會得到所設計系統(tǒng)的熱交換設備愈大愈好的結論，這在實際上是不經濟的，因此，實際設計時，應把制冷系統(tǒng)的總費用作為系統(tǒng)設計的優(yōu)化設計目標函數 , 即： 11i R P t式中 : 制冷系統(tǒng)中第 i 個設備的成本費 (元 )； 第 i 個設備每年折舊費的百分比 (%)； n 制冷系統(tǒng)中設備數； t 制冷系統(tǒng)每年的運行時數； 從上式可以看出 , 采用較大 的熱交換設備和節(jié)能而較貴的壓縮機，則經常費用低，但初投資貴。因此，在一定條件下總可以找到總費用最低的設計參數。 2、設計變量及常量 設計變量及常量有：制冷劑循環(huán)效率、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、中間溫度、排氣溫度、吸氣溫度、制冷壓縮機、風機、水泵、工質泵型號、臺數、容量以及管路管徑等。實際優(yōu) 13 化設計時，應根據設計冷庫的實際情況先確定大部分參數作為常量，選用較少的參數作為變量。 風機的節(jié)能設計與使用 1、冷風機的蒸發(fā)面積 冷凍間一般選用冷風機為冷分