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1、船舶轴带制冷压缩机暖冰蓄冷空调方案研究交通运输工程硕士论文11引言随着我国经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，船舶航运业、 电力工业也得到了迅速发展，由此带来的能源供应紧张和环境污染问题也 日益严重，严重制约了工农业生产的增长和投资环境的改善，也出现了电 力供应的峰谷差不断加大。为此，节约能源、环境保护及电力资源的优化 配制等研究成为国家扶持的热门课题。近年来空调负荷在城市中迅猛增长， 一些大中城市的空调用电量已占其高峰用量的30%以上，加剧了电力高峰 不足而低谷过剩的矛盾。因此，有显著移峰填谷、节能、环保功能的蓄冷 空调系统的研究成为一个主要研究方向。船舶电力网作为向全船供电的独 立系统
2、,其负荷也存在着明显的峰谷差，且其空调负荷所占比例很高，一些 大、中型客船的空调负荷占到供电总负荷的50%以上，但船舶中央空调对 船舶电力网的影响及优化电力资源配制的研究目前还未引起重视，也无相 关的文献报道。船舶电站装机容量为满足高峰用电的需要，必须配置较大 容量的发电机组，因而大多数时间处于部分负荷下工作，造成船舶电站资 源的浪费。因此，将空调蓄冷技术应用到船舶中可减小船舶电站装机容量， 均衡发电机组供电负荷，提高发电机组的运行效率，降低单位功率的耗油， 减少有害废气的排放等有重要的意义。1.1蓄冷发展的历史蓄冷空调技术的应用在国外始于二十世纪30年代的教堂。70年代由于 能源危机的爆发及
3、中央空调的使用，蓄冷空调技术在发达国家重新受到重 视，90年代冰蓄冷空调技术在美国、日本等发达国家得到快速发展。如日 本1990年只有228个冰蓄冷系统，而到1999年已发展到7000多个冰蓄冷 系统。美国蓄能协会则预测到2010年全国空调采用蓄能技术的将达到95% 以上。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。我国自90年代初开始引进和自制蓄冷空调设备，到2001年已有冰蓄 冷空调工程100多个，转移电荷约10万KW但还仅相当于美国的1/50或 日本的1/30，离国家提出的今后5年内采用蓄冷空调移峰填谷300-500 万KW的要求相距甚远。可以说，我国蓄冷空调技术的应用尚刚刚起步。随 着电网移峰填谷的要求越来
4、越迫切和政府推行峰谷电价的力度越来越大，注：本文为宁波市科技攻关项目课题 蓄冷空调即将在中国掀起一个迅猛发展的高潮。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。从技术上看，目前国内外正在实际应用的空调蓄冷方式主要是第一代 的水蓄冷和第二代的冰蓄冷。水蓄冷是利用水的显热蓄冷，系统简单、技 术要求低、维修方便、投资少，且夏可蓄冷、冬可蓄热，主要问题是蓄能 密度小，蓄冷池容积大，故只适用于空间条件许可的场合。冰蓄冷是目前 应用最多的一种蓄冷方式。冰蓄冷有多种形式，如冰盘管式、冰板式、制 冰落冰式、冰球式、冰泥式等。各类蓄冰形式各有特色，适用于不同要求 的场合。冰相变潜热大、无污染，且可结合低温送风，但制冰要求载冷剂 温度
5、低于-5 C,比常规空调冷水机组出水7C低很多，导致制冷量降低约 3040%,电耗约增加20%。此外，制冰蓄冷速度和融冰释冷速度受冰层厚 度影响很大，为解决这一问题，一些新的冰蓄冷方式正在开发。如日本正 在进行油水乳化冰浆的蓄冷与输冷研究1。上海理工大学正在研究直接接 触式冰蓄冷，它是以制冷剂R123 （兼作载冷剂）与水在蓄冷罐内直接接触 换热制取冰晶，以冰水混合物储冷和输冷2。针对第一代水蓄冷蓄冷密度 小和第二代冰蓄冷相变温度低进而COP低的不足，相变温度高于0 C的第 三代蓄冷技术应运而生。第三代高温相变蓄冷介质分优态共晶盐、醇酸等 低凝固点有机物和气体水合物三类。前二类蓄冷密度一般介于水
6、和冰之间， 后者蓄冷密度与冰相当，相变温度为5-12 C,故俗称暖冰，可与常规空 调同工况运行，被认为是最有前途的第三代蓄冷介质。气体水合物蓄冷研 究最早起始于20世纪80年代，美国橡树岭国家试验室首次以制冷剂R11、 R12为水合介质形成气体水合物蓄冷。1986年日本也开始该项研究，接着， 台湾、法国、泰国等陆续进行研究、开发和生产。1993年起，华南理工大 学、中科院广州能源研究所等也相继开展这项研究。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。1.2蓄冷空调国内外的发展现状目前，水合物蓄冷的研究主要包括以下两大方面：一是单元气体或多 元混合气体形成水合物的热力学条件和动力学问题，即研究水合物形成条 件、生成速
7、度及添加剂的作用。二是暖冰蓄冷系统的开发及其性能、传热 传质研究。对于第一方面问题，一些研究表明，制冷剂R11、R12、R22、 R141b、R142b、R134a、R152a、R31等单元气体及其二元或三元混合气的 水合物都有比较合适的相变温度、相变压力和相变潜热，可作为较理想的 蓄冷介质。研究还表明，醇类特别是碳链长度适中的异戊醇对R12水合物 的形成有很好促进作用3，次氯酸钙和苯磺酸钠对R141b水合物的形成也 显著效果4。对于第二方面问题，已研究开发的暖冰蓄冷系统主要有以下 4种形式:1）利用热管机理的在蓄冷罐气层和液层内分别设置蓄冷换热器 和释冷换热器的蓄冷方式5，利用水合介质的蒸发
8、和冷凝产生的自然循环 效应作为水合循环动力，故要求过冷度较大；2）美国加州储热能技术公司 开发的利用R11气体为水合介质的外置反应和换热的蓄冷方式6，蓄冷温 度为8.5 C,实际蓄冷密度为139.8MJ/m 3,但在整个蓄冷过程中，水合物 与过余水形成的冰浆在输送管道和换热器以及蓄冷槽中循环流动，故必须 保证其有足够的流动性，以免堵塞管道和换热器，从而限制了冰浆浓度和 蓄冷密度的提高。3）日本超级热泵计划开发的以R141b气体为水合介质的 内置式反应和热交换蓄冷方式7，蓄冷温度8.2 C,实际蓄冷密度为 117.2MJ/m 3，但内置搅拌器，功耗大，限制了蓄冷密度的提高。4）中科院 广州能源研
9、究所研究的以R134a/R141b和R151a/R141b二元混合气体为水 合介质的内置式换热/外置促晶蓄冷方式8，换热器置于蓄冷罐液体层中， 兼作蓄冷换热器和释冷换热器，从水层和水合介质液层中按比例抽取水和 水合介质液，经外置促晶器形成微小水合物晶核，并循环回到蓄冷罐。该 系统蓄冷密度可达161.1MJ/m 3，添加表面活性剂后甚至可达206.07MJ/m 3， 但一个蓄冷期内循环流过促晶器的流体量很大，粗略估计约为蓄冷罐容量 的100倍左右，此外，当暖冰达到一定浓度时，导热性差的暖冰将降低内 置换热器的换热速率，进而影响蓄冷速率和释冷速率。目前尚无有关船舶 使用蓄冷空调的报道。酽锕极額閉镇
10、桧猪訣锥。1.3研究蓄冷空调的目的意义我国目前的电力装机容量已达4.2亿KW位居世界第二，但电力需求 变化也出现了一些新的问题。其中之一是用电高峰负荷增长很快，电网负 荷率逐年下降，峰谷差逐年拉大，有的电网峰谷差达40%。如华东电网1999 年最咼负荷28.5GW，在27GW以上只有12天，而实际每天达到最咼负荷一一 般仅持续12小时。据不完全统计，1998年全国近20GW装机仅在负荷高 峰运行数百小时。2002年峰谷电差近400万KW比2001年净增100万KW 2003年由于持续的高温少雨水电量下降，高峰负荷造成全国范围内缺电 1000多万KW 其中浙江缺电200多万KW 宁波缺电30多万
11、KW 2004年， 据国家电力局有关负责人表示，夏季全国用电缺口达3000万KW左右，华 东电网缺口达1800万KW左右，江浙两省电力缺口在1500万KW以上，宁 波市的用电指标为175万KW 预计用电缺口在100万KW以 上，峰谷电差 额继续拉大，高峰时不得不实行拉闸限电，严重制约了工农业生产的增长 和投资环境的改善。加大电力投资规模，虽可解决远期的用电紧张状况， 但对于峰谷电差额的不断增大却无能为力，还将造成发电资源很大闲置， 表现在电网低谷时要停掉很多机组，机组的频繁启停不仅增加能耗，而且 影响机组寿命，是很不经济的运行方式。作为移峰填谷的主要技术 蓄 冷技术，即可提高电网的工作效率，达
12、到节能、环保、又可延长发电机组 寿命，减少维修费用，提高运营的经济性。冷藏仓库采用蓄冷技术，既可 利用峰谷电价的差价提高经济性，还可加快降温速度，在停电时作为应急 冷源，确保货物不受损坏、冷藏运输过程中采用蓄冷技术，也可使制冷机 负荷保持稳定，提高其工作效率。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。1.4船舶轴带制冷压缩机暖冰蓄冷空调的应用前景近年来空调负荷在城市中迅猛增长，加剧了电力高峰不足而低谷过剩 的矛盾。因此我国政府和电力部门十分重视鼓励空调用户将低谷电能转移 到高峰期来用。国家电力部一位权威人士指出：各地政府应从提高电力资 源的优化配置，减少燃煤锅炉烟尘和CQ、SQ等有害物排放，保护环境的 立场出发，
13、制定并实施有利于引导用户减少或转移高峰需求，鼓励在电网 低谷时多用电的各种电价政策，要积极推广应用可减少或转移高峰电力的 蓄冷空调技术。国家经贸委办公厅颁发的经贸厅技1997298 号文，将蓄 冷空调作为今后重点发展项目。国务院国发199832 号文中更强调了加快 推广包括蓄冷空调在内的各种削峰填谷的技术措施。国家电力公司国电财 2003114 号文件明确要加快加大峰谷电价推行力度，特别指出有利于节 能和环保技术应用的用电，可制定相应的低谷电优惠电价及实行峰谷电价， 适当减免电力容量贴费，鼓励低谷蓄能用电。在此背景下，各省市纷纷制 定出峰、谷、平段供电价格，使低谷电价为高峰电价的1/21/6
14、，如华北 局98年就率先制定了白天电价是晚上谷电的4.525倍。削峰填谷政策的实 施对于能源的高效利用，延缓新机组和供配电设施建设，减少电力投入和 装机容量，提高电网负荷率，降低运行成本，节约能源消耗及对环境保护 都具有重要的意义。可以预见，随着蓄冷技术的成熟和蓄冷空调产品不断 开发，蓄冷空调替代现有空调产品是必然结果，发展前景广阔。謀养抟箧飆鐸 怼类蒋薔。随着蓄冷技术在陆地空调中应用的成熟，推广和普及，也将渗透到船 舶空调、冷藏运输、冷藏仓储等领域。也给船舶蓄冷空调发展提供强有力 的技术支持，船舶空调应用轴带压缩机暖冰蓄冷技术，可使空调系统负荷 脱离船舶电网，减小船舶电站负荷，从而减少发电机
15、组装机容量，同时发 电机组供电负荷也较稳定，提高了发电机组的运行效率，降低单位功率的 耗油，减少有害废气的排放。目前船舶主机的热效率远高于发电机组柴油 机的热效率，且船舶主机使用劣质燃油的成本远小于使用柴油的发电机组 柴油机的成本，因而船舶空调轴带压缩机暖冰蓄冷技术应用可大大降低空 调的运行成本，提高船舶运行的经济性。在靠码头时暖冰蓄冷系统可利用 岸电蓄冷，进一步降低船舶运行成本，减少船员的劳动强度。对于交通运 输链中的仓储、运输环节中，蔬菜、水果等物品也需要控温储存和运输， 蓄冷技术也有广泛的发展前景。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。2船舶蓄冷工质的要求和选择混合气体水合物蓄冷材料要求对大气臭氧无破坏
16、作用、无毒、安全、化 学及使用性能稳定，而且水合反应热较大，相变温度适中、压力和反应速 度等性能相互补偿，达到综合性能的优势。因而对适合船舶使用的相变材 料的气体水合物的性能测定和比较是选择优良性能蓄冷材料必须做好的工 作。测定气体水合物相平衡特性、确定水合物的相图及气体水合物的生成 过程中的水合过程的过冷度、生成速度、温度等特性是选择优良蓄冷材料 的关键。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。2.1船舶蓄冷工质的要求2.1.1船舶蓄冷工质的热力性质的要求a在常压下的气体水合物的相变温度在4 120C左右，使制冷系统有 较高的COP值，并满足送风温度和对空气降温除湿的要求。蓄冷柜在接近 常压下工作，减少制冷剂泄漏的可能性。鹅娅尽損鹤惨歷茏鴛賴。b蓄冷密度大，以减小蓄冷柜的体积，也有利于冷量的输送。c气体水合物中制冷剂在常温下的饱和压力要低，降低蓄冷柜制造成 本。d气体水合物换热特性好，蓄冷、释冷速度快，蓄冷、释冷过程中热 流量稳定。e气体水合物形成
