CN103104305A - 有机朗肯-朗肯循环渔船余热制冰设备 - Google Patents

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王令宝
李华山
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Abstract

本发明公开了一种高效利用渔船烟气和发动机冷却水余热进行制冰的有机郎肯-郎肯系统，该系统采用膨胀机和压缩机同轴的结构，膨胀机为径向轴流式，压缩机为离心式，采用低沸点的有机工质作为驱动膨胀机转动的介质。烟气通过余热锅炉回收热量后间接地加热发生器内的有机工质。发生器采用立式结构，换热管采用上下两层布置，余热锅炉的高温热水与上层换热管相连，发动机冷却水与下层换热管相连。进入发生器的热水采用逆流方式，上进下出，工质采用下进上出的方式。

Description

有机朗肯-朗肯循环渔船余热制冰设备
技术领域
本发明涉及余热制冰技术领域，特别涉及一种采用有机郎肯-郎肯循环利用渔船烟气和发动机冷却水余热进行制冰的系统。
背景技术
我国拥有众多的中小型渔船，这些渔船大部分都没有配置冷冻设备，为了鱼品冷藏保鲜，一般需带冰出海捕鱼,费用较高，很不经济。而这类渔船的柴油机燃烧所产生热量的30%~45%被排气带走而损失掉，并且尾气温度一般在400℃左右或更高。另外，发动机冷却水的温度一般也在80-100℃之间。如果能回收利用这部分热量进行制冰，可减少渔船带冰量，降低捕鱼成本，具有重要的意义。目前利用渔船余热制冰，主要是通过吸附和吸收的方式进行。吸附制冰系统能在渔船摇摆的状态下稳定工作，但是吸附制冰最核心的问题是缺乏同时具有高的传热和传质性能的吸附剂，导致系统体积庞大，性能系数低。氨水吸收式制冰系统的循环效率比吸附式的高，但是制冷剂氨和吸收剂水的标准沸点差只有133.4℃，发生器的蒸汽中会含有少量水蒸气，为此需要设置精馏器，致使系统设备庞大。近来，余热驱动的有机朗肯-朗肯循环（又叫有机朗肯-蒸汽压缩循环）备受关注，所谓有机朗肯-朗肯循环主要包括膨胀机系统和压缩机系统，膨胀机系统采用低沸点的有机工质作为循环介质，利用热能加热有机工质驱动膨胀机输出动力；压缩机系统采用压缩机和膨胀机同轴，膨胀机直接带动压缩机转动。由于朗肯-朗肯循环采用同轴结构，系统效率高，而且能够利用工业余热，地热和太阳能等中低温热源，受到各国学者的青睐。
发明内容
针对目前渔船余热没有充分利用的现状，以及现有的余热制冰设备存在体积庞大性能较低的问题，本发明提出了一种高效利用渔船余热进行制冰的系统，即有机郎肯郎肯系统。
为实现以上目的，本发明采取了以下的技术方案：有机朗肯-朗肯循环渔船余热制冰设备，包括依次构成回路的发生器、膨胀机、动力侧冷凝器、工质泵、发生器；依次构成回路的压缩机、制冰侧冷凝器、节流阀、制冰机、压缩机；还包括通过余热锅炉循环泵与发生器连接的余热锅炉，余热锅炉与发动机排烟口和烟气排放口连接，所述发生器还和发动机冷却水回水口和发动机冷却水出水相连。
所述膨胀机和压缩机采用同轴连接，膨胀机为径向轴流式结构，压缩机为离心式结构。
所述发生器采用立式结构，发生器内的换热管采用上下两层布置，上层换热管内通入余热锅炉的高温热水，下层换热管通入发动机冷却水，进入发生器的热水采用逆流方式，即采用上进下出的方式，工质采用下进上出的方式。
为提高系统效率，所述系统膨胀机侧采用R245fa作为循环工质，压缩机侧采用R245fa或者R134a作为工质。
为防止烟气结垢，烟气不直接进入发生器G，而是采用余热锅炉E回收烟气的热量。为了系统的拆卸和维修方便，余热锅炉内采用水作为吸热工质，水吸收了烟气的热量后，通过循环泵F将热水泵入发生器加热有机工质。由于排烟的温度较高，达到400℃左右，余热锅炉内热水的温度一般高于发动机冷却水的温度，因此，在设计发生器时，采用立式结构，换热管采用上下两层布置，上层换热管内通入余热锅炉的高温热水，下层换热管通入发动机冷却水。由于进入发生器的HFC-245fa工质为过冷态，温度较低，为提高系统效率，进入发生器的热水采用逆流的方式，即采用上进下出的方式，工质采用下进上出的方式。膨胀机侧和压缩机侧的冷凝器可以采用风冷也可以采用水冷，在实际设计渔船余热制冰系统时，要权衡冷凝器的冷却方式，是采用风冷还是水冷，采用风冷的话，风扇功耗小，但是冷凝温度偏高，每吨热水制冰量小，采用水冷的话，水泵功耗相对较大，但是冷凝温度相对较低，每吨热水制冰量大。系统中膨胀机侧和压缩机侧的两个冷凝器可以做成一个共用也可以做成两个。冷凝器做成一个共用的话，结构简单，系统紧凑，但是经过冷凝器后，一路工质进入制冰机K，一路工质进入发生器G，实际运行时，工质流量的精确分配是个难题。冷凝器做成两个的话，结构复杂，但是工质流量的分配比较容易。渔船的运行工况决定了排烟和发动机冷却水的温度，也就决定了余热热源的温度。考虑到渔船运行工况的多变性，所设计的制冰系统应能适用热源多变的工况。因此，膨胀机采用径向轴流式的透平膨胀机，该机适用范围广，能在变负荷工况下稳定运行。压缩机采用离心压缩机，压缩机与膨胀机同轴，效率高。
本发明具体的工作原理为：首先利用余热锅炉回收烟气的热量，余热锅炉内的热水和发动机冷却水共同进入发生器，加热发生器内有机工质使其气化，气化后的工质进入膨胀机推动膨胀机转动对外输出功。从膨胀机出来的工质进入冷凝器冷却为液体，通过工质泵加压后，液体回到发生器，完成一个循环。压缩机和膨胀机同轴，膨胀机输出的功直接带动压缩机转动，将低压气体压缩到高压进入冷凝器，在冷凝器内冷却为液体，液体经过节流阀后进入制冰机蒸发器蒸发吸热进行制冰，蒸发后的气体被压缩机吸入，完成一个循环。
膨胀机侧采用R245fa作为介质，压缩机侧采用R245fa或者R134a作为介质。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：所述系统不仅可以制冰，而且可以用余热驱动来制冷。不仅可以利用渔船的余热，而且可以利用地热，太阳能和工业余热。
附图说明
图1为本发明设备结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
下述三个实施例中，膨胀机H和压缩机I采用同轴连接，膨胀机H为径向轴流式结构，压缩机I为离心式结构。为防止结垢，烟气不直接进入发生器G，而是采用余热锅炉E回收烟气的热量。余热锅炉E内采用水作为吸热工质，水吸收了烟气的热量后，通过余热锅炉循环泵F将热水泵入发生器G加热有机工质。发生器G采用立式结构，换热管采用上下两层布置，上层换热管内通入余热锅炉的高温热水，下层换热管通入发动机冷却水。进入发生器G的热水采用逆流方式，即采用上进下出的方式，工质采用下进上出的方式。
实施例一
请参阅图1所示，有机朗肯-朗肯循环渔船余热制冰设备，包括依次构成回路的发生器G、膨胀机H、动力侧冷凝器J、工质泵N、发生器G；依次构成回路的压缩机I、制冰侧冷凝器L、节流阀M、制冰机K、压缩机I；还包括通过余热锅炉循环泵F与发生器G连接的余热锅炉E，余热锅炉E与发动机排烟口C和烟气排放口D连接，发生器G还和发动机冷却水回水口A和发动机冷却水出水B相连。
膨胀机H和压缩机I采用同轴连接，膨胀机H为径向轴流式结构，压缩机I为离心式结构。
发生器G采用立式结构，发生器G内的换热管采用上下两层布置，上层换热管内通入余热锅炉E的高温热水，下层换热管通入发动机冷却水，进入发生器G的热水采用逆流方式，即采用上进下出的方式，工质采用下进上出的方式。
系统膨胀机H侧采用R245fa作为循环工质，压缩机I侧采用R245fa或者R134a作为工质。
假设渔船发动机运行在低负荷工况下，此时烟气和发动机冷却水的温度较低，对应的余热温度和余热量也都在较低水平。假设余热热源温度为80℃，余热功率为100kW，冷凝温度为40℃，蒸发温度为-5℃，膨胀机H和压缩机I侧工质均为R245fa。余热热水加热R245fa使其气化推动膨胀机转动，膨胀机H带动压缩机I来制冰。利用余热每小时可制冰162kg，一吨80℃的热水能制冰34kg。
实施例二
假设渔船发动机运行在中负荷工况下，余热热源温度为120℃，余热功率为200kW，冷凝温度为40℃，蒸发温度为-5℃，膨胀机H和压缩机I侧工质均为R245fa。余热热水加热R245fa使其气化推动膨胀机转动，膨胀机H带动压缩机I来制冰。利用余热每小时可制冰566kg，一吨120℃的热水能制冰164.6kg。
实施例三
假设渔船发动机运行在高负荷工况下，余热热源温度为160℃，余热功率为300kW，冷凝温度为40℃，蒸发温度为-5℃，膨胀机H和压缩机I侧工质均为R245fa。余热热水加热R245fa使其气化推动膨胀机H转动，膨胀机H带动压缩机I来制冰。利用余热每小时可制冰1122kg，一吨160℃的热水能制冰408.1kg。
上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (4)

1.有机朗肯-朗肯循环渔船余热制冰设备，其特征在于：包括依次构成回路的发生器（G）、膨胀机（H）、动力侧冷凝器（J）、工质泵（N）、发生器（G）；依次构成回路的压缩机（I）、制冰侧冷凝器（L）、节流阀（M）、制冰机（K）、压缩机（I）；还包括通过余热锅炉循环泵（F）与发生器（G）连接的余热锅炉（E），余热锅炉（E）与发动机排烟口（C）和烟气排放口（D）连接，所述发生器（G）还和发动机冷却水回水口（A）和发动机冷却水出水（B）相连。
2.如权利要求1所述的有机朗肯-朗肯循环渔船余热制冰设备，其特征在于：所述膨胀机（H）和压缩机（I）采用同轴连接，膨胀机（H）为径向轴流式结构，压缩机（I）为离心式结构。
3.如权利要求1所述的新型的有机朗肯-朗肯循环渔船余热制冰设备，其特征在于：所述发生器（G）采用立式结构，发生器（G）内的换热管采用上下两层布置，上层换热管内通入余热锅炉（E）的高温热水，下层换热管通入发动机冷却水，进入发生器（G）的热水采用逆流方式，即采用上进下出的方式，工质采用下进上出的方式。
4.如权利要求1所述的有机朗肯-朗肯循环渔船余热制冰设备，其特征在于：所述系统膨胀机（H）侧采用R245fa作为循环工质，压缩机（I）侧采用R245fa或者R134a作为工质。
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