柴油机尾气余热驱动氨水吸收式冷冻机的实验研究
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T 烟气入口 T 烟气出口 T 精馏出口 T 冷凝 T 蒸发
图 5 系统运行的实时温度曲线
图 3 S 型小尺度换热管束
(a) 吸收端
(b) 分离端
图 4 氨水吸收冷冻机主体照片
图 6 制冰系统的实时制冷量和热力 COP
系统的制冷量随时间具有波动的变化趋势，冷 量输出在 25 kW 和 35 kW 之间，并没有随柴油机尾 气温度的剧烈变化而急剧变化，可以确保制冷量输 出的连续性和稳定性。制冷量的曲线呈波动状，每
0 引言
传统中小型渔船作业都是带冰出海，增加了船 舶的耗油量，降低了舱容，远洋捕捞困难[1]。如果 使用电压缩式的制冰系统会大大增加了船舶的耗 电量。渔船柴油机排放的尾气温度具有较高的热量 和品位。氨水吸收式制冷系统可以用柴油机尾气余 热驱动，可以在如–30 ℃的低蒸发温度应用，保证 了渔品的品质，也使得耗电量大大下降。天然制冷 剂的使用也不会对臭氧层破坏和温室效应有负面 作用。当前对氨水吸收制冷系统的研究集中于新工
（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）
[摘 要] 本文构建了应用于渔船的柴油机尾气余热驱动的氨水吸收式冷冻机，并进行实验研究。根据回 热优化循环采用了侧线冷却精馏和侧线加热发生的系统架构，使用紧凑小尺度换热器减小船舶摇摆和震动 对冷冻机稳定运行的影响。实验结果表明冷冻机能够平稳运行，不因发动机功率的剧烈变化而受到影响。 冷冻机在蒸发温度（–22~–16）℃，冷凝温度在（24~33）℃时，机组输出冷量在（25~31）kW 之间，热力 COP 在 0.49~0.56 之间。 [关键词] 氨水吸收；发动机尾气；余热利用；实验研究；热回收
1
第35卷第3期 2015年6月
制冷技术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.3 Jun. 2015
wenku.baidu.com
和排烟温度随着船舶航行、加速等情况会急剧变 化，这会急剧改变氨水吸收系统的输入热量，引起 系统的不稳定，因此需要可靠稳定的发生方式。
热量作为系统的输入热量，因此在柴油机尾气量和 温度上升的时候，只会提高已发生气体的温度，而 这部分热量是显热，不会剧烈影响系统的输入热量， 从而保证系统在柴油机功率急剧变化时的稳定性。
3）采用的侧线冷却精馏和侧线加热发生的方 式，使得两个过程的传热温差降低，能量得到梯级 有效利用。
4）预冷溶液循环喷淋冷却冷凝器和吸收器。循 环喷淋的结构，使得溶液的喷淋密度增大，强化了 冷凝器外表面的传热和吸收过程的传热传质。而且 这种结构使得系统的散热量完全在溶液预冷器中释 放，从而可以只对此换热器进行抗海水腐蚀处理。
柴油机尾气的温度变化比较大，然而这并没有 给冷冻机的运行带来剧烈的不稳定，精馏器出口氨 气的浓度可以保证，说明分流完全发生的方式在热 源急剧变化时具有良好的稳定性。图 6 显示了上述 运行工况下实时测得的制冷量和热力 COP。从图中 可以看出，系统在运行后约 3 分钟内便克服系统热 惰性，迅速实现冷量输出，这对于热驱动的吸收式 制冷系统而言是非常重要的。
1 氨水吸收式冷冻机的循环架构
吸收式制冷系统为了提高热力循环性能，会采 用一些内部热回收过程，采用 T-Q 图夹点分析方法 可以优化热力流程设计。根据作者在文献[12-13]中采 用的工况与回热问题的讨论，采用如图 1 所示的回 热优化循环来构架氨水吸收式冷冻机。
高系统的内部热集成[13]，增大系统的回热，提高系 统的性能。本文采用额定功率为 100 kW 的柴油发 电机的尾气作为热源，冷冻机设计制冷量为 30 kW。
质对的开发[2]、强化传热传质[3]和新循环[4-5]，然而 系统应用于船舶时要解决以下几个关键问题。（1） COP 不能过低。COP 过低将会增加系统的散热量， 冷却水泵和溶液泵的耗电量增加，系统节电、节能 效果不再明显。（2）吸收、发生和气体提纯过程需 要抗船舶摇摆。船舶在海上颠簸摇摆对吸收过程和 精馏过程影响很大[6]，液体会脱落管壁或填料，降 低了传热传质面积，从而降低了系统的性能。（3） 换热器紧凑耐腐蚀。由于船上可利用空间小，系统 需要紧凑；又由于海水作为冷却剂，换热器需要耐 海水腐蚀。（4）热源适应能力强。柴油机的排烟量
系统的热力 COP 的变化趋势与制冷量相似。 在初始时，制冷量的突然上升导致系统实测的热力 COP 迅速升高，之后随着制冷量的变化而变化，与 制冷量曲线具有同时的波峰与波谷。
氨水冷冻机的照片如图 4 所示。
3 实验结果与分析
一个完整的冷冻机开机至关机的温度曲线如 图 5 所示。
图中曲线从上至下依次表示烟气的入口温度、 烟气的出口温度、出精馏器的氨气温度、冷凝温度 和蒸发温度。图中显示了从开机到关机的一个较长 时间的运行工况。在 3 个多小时的运行过程中，冷 冻机运行平稳可靠。
[Abstract] The ammonia-water absorption refrigerator driven by waste heat of flue gas of a diesel engine was developed to apply on a fishing boat, and the experimental study on it was carried out. According to optimized heat recovery cycle, the system configuration of side cooling rectification and side heating generation was applied. And compact small scale heat exchanger was used to keep the stable operation of the refrigerator which could be influenced a lot by ship swaying and shaking. The results showed that the refrigerator was running smoothly and not influenced by the sharp variation of the diesel engine power. The refrigerator has cooling capacity of 25~31 kW and COP of 0.49~0.56 in the conditions of the evaporation temperature of–22~–16 oC and the condensation temperature of 24~33 oC. [Keywords] Ammonia-Water absorption; Flue gas of engine; Waste heat utilization; Experiment study; Heat recovery
2 冷冻机的系统架构
冷冻机的循环确定以后，需要考虑到抗摇摆、 抗腐蚀和小体积等进行系统架构，氨水吸收冷冻样 机的系统示意图如图 2 所示。
隔膜泵将吸收器中吸收终了的浓溶液泵送到 侧线溶液冷却精馏器，用于冷却精馏过程。而后分 为两股：一股进入溶液热交换器与稀溶液进行换 热，在泡点时进入侧线加热发生器加料；另一股继 续回收精馏热，而后由稀溶液进一步预热，进入到 发生器完全发生为气体作为系统的输入热量。混合 气体进入到侧线溶液加热发生器中向上流动在管 内冷凝，混合气体中氨的浓度逐渐提高，释放的热 量用于加热降落的溶液，使之发生。经过降温的气 体成为气液两相混合状态，在侧线加热发生器的管 束出口直接加料。这与循环架构不完全一致，然而 在能量目标上是一致的。而后发生的气体向上通过 侧线冷却精馏器被提纯。提纯后的氨气进入冷凝吸 收单元的冷凝器冷凝，冷凝热由循环的预冷浓溶液 带走，溶液由屏蔽泵循环喷淋。吸收过程在冷凝器 外表面和填料中完成，吸收热同样由预冷的浓溶液 带走，系统的所有散热量在预冷换热器中释放。冷 凝的液氨经过制冷剂热交换器后，节流进入蒸发 器。蒸发的氨气与冷凝的氨液换热后进入吸收单元 吸收。至此，冷冻机的循环封闭。
Experimental Study of Ammonia-Water Absorption Refrigerator Driven by Waste Heat of Flue Gas of Diesel Engine
DU Shuai1, WANG Ru-zhu*2, XIA Zai-zhong
(Institute of Refrigeration and Cryogenic, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)
2
图 2 氨水吸收冷冻机示意图
系统架构的特点如下。 1）分离端和吸收端分别布置，消除了冷冻水 管路的保温需求。 2）发生过程平稳可靠。浓溶液分流一部分全部 发生为气体进入侧线加热发生器管内冷凝，释放的
第35卷第3期 2015年6月
杜帅等：柴油机尾气余热驱动氨水吸收式冷冻机的实验研究
Vol.35, No.3 Jun. 2015
*杜帅（1986-），男，博士研究生。研究方向：吸收式制冷。研究方向：吸收式制冷。联系地址：上海市闵行区东川路 800 号，邮编：200240。联系电话：+8615618290835。E-mail：ds0108@sjtu.edu.cn。 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.51020105010）
第35卷第3期 2015年6月
制冷技术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.3 Jun. 2015
doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.101
柴油机尾气余热驱动氨水吸收式冷冻机的实验研究
杜帅，王如竹，夏再忠
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第35卷第3期 2015年6月
制冷技术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.3 Jun. 2015
一次峰值和谷值的波动，是因为制冷剂节流阀根据 冷凝器中液位高度进行了调节。波峰与波谷之间的 平均值能够代表峰谷时间内的平均输出制冷量。从 图中还可以发现，当调小制冷剂节流阀，制冷量下 降时，蒸发温度随之微降。这是因为节流阀调小后， 吸收器负荷减小，压力下降，从而蒸发压力降低， 蒸发温度随之降低。
研究者们对氨水吸收冷冻机应用于渔船的研 究大多停留在理论可行性和特性研究上[7-10]，也有 少量的实验研究[11]，但大多是陆上直接转船上使 用，专注于船舶余热的利用效果，却没有关注冷冻 机本身的高效性和稳定性。
为了有效利用渔船柴油机尾气的余热，满足低 温制冷的需要，实现渔船的节能减排，本文提出并 设计了柴油机尾气余热驱动的氨水吸收冷冻机，对 其进行实验研究。
5）S 型小尺度换热管束的使用。S 型小尺度换 热管束具有两个主要优点：一方面，小尺度传热是 强化传热传质非常有效的方法，加之小尺度换热管 束的比表面积大，两方面的原因可以大大减少系统 的体积；另一方面，船舶上氨水吸收系统的使用需 要抗摇摆和震动， S 型小尺度换热管束紧密有序， 叉流布置，使得吸收过程和气体提纯过程降落的溶 液不能脱离换热表面，保证了传热传质的面积。因 此系统可以适应船舶的摇摆和震动工况。S 型小尺 度换热管束如图 3 所示。
图 1 冷冻机的循环架构
图中，实线表示气体发生(3)、精馏(4)和冷凝(5) 过程；虚线表示稀溶液(1)，点线表示浓溶液(2、2'、 2'')。循环的特点是首先全部浓溶液回收部分精馏 热，而后分为两股，一股继续回收精馏热，另一股 进入溶液热交换器与稀溶液进行换热，两股浓溶液 最终被稀溶液加热至泡点进行加料，高温稀溶液的 热量用于发生过程。该循环架构没有利用吸收热， 因此图中吸收过程曲线省略。低于冷凝温度的过程 与传统循环一样，也在图中省略。当然，这样的循 环架构不是最优的，会以降低系统 COP 为代价， 然而这样的循环架构相比于传统循环仍然可以提
图 5 系统运行的实时温度曲线
图 3 S 型小尺度换热管束
(a) 吸收端
(b) 分离端
图 4 氨水吸收冷冻机主体照片
图 6 制冰系统的实时制冷量和热力 COP
系统的制冷量随时间具有波动的变化趋势，冷 量输出在 25 kW 和 35 kW 之间，并没有随柴油机尾 气温度的剧烈变化而急剧变化，可以确保制冷量输 出的连续性和稳定性。制冷量的曲线呈波动状，每
0 引言
传统中小型渔船作业都是带冰出海，增加了船 舶的耗油量，降低了舱容，远洋捕捞困难[1]。如果 使用电压缩式的制冰系统会大大增加了船舶的耗 电量。渔船柴油机排放的尾气温度具有较高的热量 和品位。氨水吸收式制冷系统可以用柴油机尾气余 热驱动，可以在如–30 ℃的低蒸发温度应用，保证 了渔品的品质，也使得耗电量大大下降。天然制冷 剂的使用也不会对臭氧层破坏和温室效应有负面 作用。当前对氨水吸收制冷系统的研究集中于新工
（上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240）
[摘 要] 本文构建了应用于渔船的柴油机尾气余热驱动的氨水吸收式冷冻机，并进行实验研究。根据回 热优化循环采用了侧线冷却精馏和侧线加热发生的系统架构，使用紧凑小尺度换热器减小船舶摇摆和震动 对冷冻机稳定运行的影响。实验结果表明冷冻机能够平稳运行，不因发动机功率的剧烈变化而受到影响。 冷冻机在蒸发温度（–22~–16）℃，冷凝温度在（24~33）℃时，机组输出冷量在（25~31）kW 之间，热力 COP 在 0.49~0.56 之间。 [关键词] 氨水吸收；发动机尾气；余热利用；实验研究；热回收
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第35卷第3期 2015年6月
制冷技术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.3 Jun. 2015
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和排烟温度随着船舶航行、加速等情况会急剧变 化，这会急剧改变氨水吸收系统的输入热量，引起 系统的不稳定，因此需要可靠稳定的发生方式。
热量作为系统的输入热量，因此在柴油机尾气量和 温度上升的时候，只会提高已发生气体的温度，而 这部分热量是显热，不会剧烈影响系统的输入热量， 从而保证系统在柴油机功率急剧变化时的稳定性。
3）采用的侧线冷却精馏和侧线加热发生的方 式，使得两个过程的传热温差降低，能量得到梯级 有效利用。
4）预冷溶液循环喷淋冷却冷凝器和吸收器。循 环喷淋的结构，使得溶液的喷淋密度增大，强化了 冷凝器外表面的传热和吸收过程的传热传质。而且 这种结构使得系统的散热量完全在溶液预冷器中释 放，从而可以只对此换热器进行抗海水腐蚀处理。
柴油机尾气的温度变化比较大，然而这并没有 给冷冻机的运行带来剧烈的不稳定，精馏器出口氨 气的浓度可以保证，说明分流完全发生的方式在热 源急剧变化时具有良好的稳定性。图 6 显示了上述 运行工况下实时测得的制冷量和热力 COP。从图中 可以看出，系统在运行后约 3 分钟内便克服系统热 惰性，迅速实现冷量输出，这对于热驱动的吸收式 制冷系统而言是非常重要的。
1 氨水吸收式冷冻机的循环架构
吸收式制冷系统为了提高热力循环性能，会采 用一些内部热回收过程，采用 T-Q 图夹点分析方法 可以优化热力流程设计。根据作者在文献[12-13]中采 用的工况与回热问题的讨论，采用如图 1 所示的回 热优化循环来构架氨水吸收式冷冻机。
高系统的内部热集成[13]，增大系统的回热，提高系 统的性能。本文采用额定功率为 100 kW 的柴油发 电机的尾气作为热源，冷冻机设计制冷量为 30 kW。
质对的开发[2]、强化传热传质[3]和新循环[4-5]，然而 系统应用于船舶时要解决以下几个关键问题。（1） COP 不能过低。COP 过低将会增加系统的散热量， 冷却水泵和溶液泵的耗电量增加，系统节电、节能 效果不再明显。（2）吸收、发生和气体提纯过程需 要抗船舶摇摆。船舶在海上颠簸摇摆对吸收过程和 精馏过程影响很大[6]，液体会脱落管壁或填料，降 低了传热传质面积，从而降低了系统的性能。（3） 换热器紧凑耐腐蚀。由于船上可利用空间小，系统 需要紧凑；又由于海水作为冷却剂，换热器需要耐 海水腐蚀。（4）热源适应能力强。柴油机的排烟量
系统的热力 COP 的变化趋势与制冷量相似。 在初始时，制冷量的突然上升导致系统实测的热力 COP 迅速升高，之后随着制冷量的变化而变化，与 制冷量曲线具有同时的波峰与波谷。
氨水冷冻机的照片如图 4 所示。
3 实验结果与分析
一个完整的冷冻机开机至关机的温度曲线如 图 5 所示。
图中曲线从上至下依次表示烟气的入口温度、 烟气的出口温度、出精馏器的氨气温度、冷凝温度 和蒸发温度。图中显示了从开机到关机的一个较长 时间的运行工况。在 3 个多小时的运行过程中，冷 冻机运行平稳可靠。
[Abstract] The ammonia-water absorption refrigerator driven by waste heat of flue gas of a diesel engine was developed to apply on a fishing boat, and the experimental study on it was carried out. According to optimized heat recovery cycle, the system configuration of side cooling rectification and side heating generation was applied. And compact small scale heat exchanger was used to keep the stable operation of the refrigerator which could be influenced a lot by ship swaying and shaking. The results showed that the refrigerator was running smoothly and not influenced by the sharp variation of the diesel engine power. The refrigerator has cooling capacity of 25~31 kW and COP of 0.49~0.56 in the conditions of the evaporation temperature of–22~–16 oC and the condensation temperature of 24~33 oC. [Keywords] Ammonia-Water absorption; Flue gas of engine; Waste heat utilization; Experiment study; Heat recovery
2 冷冻机的系统架构
冷冻机的循环确定以后，需要考虑到抗摇摆、 抗腐蚀和小体积等进行系统架构，氨水吸收冷冻样 机的系统示意图如图 2 所示。
隔膜泵将吸收器中吸收终了的浓溶液泵送到 侧线溶液冷却精馏器，用于冷却精馏过程。而后分 为两股：一股进入溶液热交换器与稀溶液进行换 热，在泡点时进入侧线加热发生器加料；另一股继 续回收精馏热，而后由稀溶液进一步预热，进入到 发生器完全发生为气体作为系统的输入热量。混合 气体进入到侧线溶液加热发生器中向上流动在管 内冷凝，混合气体中氨的浓度逐渐提高，释放的热 量用于加热降落的溶液，使之发生。经过降温的气 体成为气液两相混合状态，在侧线加热发生器的管 束出口直接加料。这与循环架构不完全一致，然而 在能量目标上是一致的。而后发生的气体向上通过 侧线冷却精馏器被提纯。提纯后的氨气进入冷凝吸 收单元的冷凝器冷凝，冷凝热由循环的预冷浓溶液 带走，溶液由屏蔽泵循环喷淋。吸收过程在冷凝器 外表面和填料中完成，吸收热同样由预冷的浓溶液 带走，系统的所有散热量在预冷换热器中释放。冷 凝的液氨经过制冷剂热交换器后，节流进入蒸发 器。蒸发的氨气与冷凝的氨液换热后进入吸收单元 吸收。至此，冷冻机的循环封闭。
Experimental Study of Ammonia-Water Absorption Refrigerator Driven by Waste Heat of Flue Gas of Diesel Engine
DU Shuai1, WANG Ru-zhu*2, XIA Zai-zhong
(Institute of Refrigeration and Cryogenic, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)
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图 2 氨水吸收冷冻机示意图
系统架构的特点如下。 1）分离端和吸收端分别布置，消除了冷冻水 管路的保温需求。 2）发生过程平稳可靠。浓溶液分流一部分全部 发生为气体进入侧线加热发生器管内冷凝，释放的
第35卷第3期 2015年6月
杜帅等：柴油机尾气余热驱动氨水吸收式冷冻机的实验研究
Vol.35, No.3 Jun. 2015
*杜帅（1986-），男，博士研究生。研究方向：吸收式制冷。研究方向：吸收式制冷。联系地址：上海市闵行区东川路 800 号，邮编：200240。联系电话：+8615618290835。E-mail：ds0108@sjtu.edu.cn。 基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.51020105010）
第35卷第3期 2015年6月
制冷技术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.3 Jun. 2015
doi：10.3969/j.issn.2095-4468.2015.03.101
柴油机尾气余热驱动氨水吸收式冷冻机的实验研究
杜帅，王如竹，夏再忠
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第35卷第3期 2015年6月
制冷技术 Chinese Journal of Refrigeration Technology
Vol.35, No.3 Jun. 2015
一次峰值和谷值的波动，是因为制冷剂节流阀根据 冷凝器中液位高度进行了调节。波峰与波谷之间的 平均值能够代表峰谷时间内的平均输出制冷量。从 图中还可以发现，当调小制冷剂节流阀，制冷量下 降时，蒸发温度随之微降。这是因为节流阀调小后， 吸收器负荷减小，压力下降，从而蒸发压力降低， 蒸发温度随之降低。
研究者们对氨水吸收冷冻机应用于渔船的研 究大多停留在理论可行性和特性研究上[7-10]，也有 少量的实验研究[11]，但大多是陆上直接转船上使 用，专注于船舶余热的利用效果，却没有关注冷冻 机本身的高效性和稳定性。
为了有效利用渔船柴油机尾气的余热，满足低 温制冷的需要，实现渔船的节能减排，本文提出并 设计了柴油机尾气余热驱动的氨水吸收冷冻机，对 其进行实验研究。
5）S 型小尺度换热管束的使用。S 型小尺度换 热管束具有两个主要优点：一方面，小尺度传热是 强化传热传质非常有效的方法，加之小尺度换热管 束的比表面积大，两方面的原因可以大大减少系统 的体积；另一方面，船舶上氨水吸收系统的使用需 要抗摇摆和震动， S 型小尺度换热管束紧密有序， 叉流布置，使得吸收过程和气体提纯过程降落的溶 液不能脱离换热表面，保证了传热传质的面积。因 此系统可以适应船舶的摇摆和震动工况。S 型小尺 度换热管束如图 3 所示。
图 1 冷冻机的循环架构
图中，实线表示气体发生(3)、精馏(4)和冷凝(5) 过程；虚线表示稀溶液(1)，点线表示浓溶液(2、2'、 2'')。循环的特点是首先全部浓溶液回收部分精馏 热，而后分为两股，一股继续回收精馏热，另一股 进入溶液热交换器与稀溶液进行换热，两股浓溶液 最终被稀溶液加热至泡点进行加料，高温稀溶液的 热量用于发生过程。该循环架构没有利用吸收热， 因此图中吸收过程曲线省略。低于冷凝温度的过程 与传统循环一样，也在图中省略。当然，这样的循 环架构不是最优的，会以降低系统 COP 为代价， 然而这样的循环架构相比于传统循环仍然可以提