CN104279787B - 一种渔船废弃物驱动冷冻系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种渔船废弃物驱动冷冻系统，包括压缩制冷子系统、喷射制冷子系统、沼气燃烧驱动子系统，沼气燃烧驱动子系统包括：以渔船所捕鱼的内脏为主要原料产生沼气的沼气池、与沼气池连通的沼气预处理装置、以及与沼气预处理装置连通的燃气轮机；所述燃气轮机输出的机械功通过动力涡轮对压缩制冷子系统中的压缩机提供驱动能；所述燃气轮机产生的废气通过涡轮增压器对燃气轮机的空气进口的空气进行增压；所述压缩制冷子系统输出的制冷量用于渔船冻鱼。本发明利用海鱼内脏的生物质能和渔船柴油发动机废气的余热驱动渔船冻鱼系统的运行，可以提高系统运行效率，大幅减少渔船冻鱼制冷系统的柴油消耗。

Description

一种渔船废弃物驱动冷冻系统

技术领域

本发明属于低品位能量和生物质能的利用技术领域，具体是涉及一种渔船废弃物驱动的蒸汽喷射-蒸汽压缩复叠制冷的冷冻系统。

背景技术

渔船除了利用带冰对鱼类进行保鲜以外，也可以通过制冷机进行制冷保鲜。例如申请号为CN96236673.0的专利文献公开了一种渔船用制冷机，由热力膨胀阀、蒸发器、压缩机及其回气管、排气管、传动皮带、柴油机、传动皮带轮、过滤器、冷凝器、支架、电磁离合器等组成。柴油机通过皮带传动轮带动压缩机上的皮带轮一起旋转，在压缩机主轴上的电磁离合器通电后压缩机主轴便也开始旋转，压缩机开始工作。

现有渔船制冷系统主要以消耗燃油的方式驱动，每捕捞1吨远洋鱼货要消耗燃油(主要是柴油)1吨～1.5吨，燃油是构成远洋渔业的主要成本因素。制冷系统以蒸汽压缩制冷系统为主，冻鱼温度一般为-18℃。

有些渔船也会采用电力驱动，例如申请号为CN98112844.0的专利文献公开了一种双路多循环无冰水冷渔船保鲜方法，包括采用渔船，专用制冷压缩机组、蒸发器和喷淋循环系统。采用电力驱动时，电能大部分靠储能装置预先储存，渔船出海时间受到大幅度限制；如果采用海上直接风力发电，由于风力发电受季节影响较大，可靠性不高，同时发电设备投入成本较高。

目前远洋渔船捕鱼主要以整鱼冷冻为主，其中未处理的鱼内脏占整鱼质量的1/10，冷冻过程中会消耗大量的制冷能耗，而鱼内脏中含有丰富的蛋白质和脂肪，是产沼气的理想原料，生物质能未被利用。

通常柴油机只能将燃料全部能量的30％-40％转化为有用的机械能，其60％-70％都是以热量的形式排放掉，其主要排放形式有热水和废气，通常以废气形式排放的热量可以达到30％，排放温度为500℃，该部分余热需要被利用。

本发明利用海鱼内脏的生物质能和渔船柴油发动机废气的余热驱动渔船冻鱼系统的运行，可以提高系统运行效率，大幅减少渔船冻鱼制冷系统的柴油消耗。

发明内容

本发明提供了一种渔船废弃物驱动冷冻系统，减少渔船冻鱼系统的燃油消耗，降低了捕鱼成本。

一种渔船废弃物驱动冷冻系统，包括压缩制冷子系统、对压缩制冷子系统中冷凝器提供制冷量的喷射制冷子系统、以及沼气燃烧驱动子系统，沼气燃烧驱动子系统包括：以渔船所捕鱼的内脏为主要原料产生沼气的沼气池、与所述沼气池的出气口连通的沼气预处理装置、以及与所述沼气预处理装置的出口连通的燃气轮机；所述燃气轮机输出的机械功通过动力涡轮对压缩制冷子系统中的压缩机提供驱动能；所述燃气轮机产生的废气通过涡轮增压器对燃气轮机的空气进口的空气进行增压；所述压缩制冷子系统输出的制冷量用于渔船冻鱼。

所述喷射制冷子系统包括依次连成循环回路的发生器、喷射器、冷凝器、水泵；同时，冷凝器的出口同时依次与第一节流装置、蒸发器与喷射器的被引射流体入口形成循环回路。所述压缩制冷子系统包括依次连成循环回路的压缩机、蒸发器、节流装置、冷凝器；蒸发器对渔船冷冻鱼室提供制冷量。

渔船运行过程中，渔船发动机排出的气体为高温气体，为充分利用这部分热量，降低能耗，作为优选，所述喷射制冷子系统中的发生器的发生热量由渔船发动机的高温废气提供。

涡轮增压器产生的废气中同时携带一部分热量，为实现这部分热量的回收，作为优选，所述涡轮增压器产生的废气进一步对发生器提供发生热量。

为进一步利用海水中蕴含的巨大冷量，作为优选，所述喷射制冷子系统的冷凝器以海水或空气为冷源。

喷射制冷子系统中，主要的耗能部件为发生器和冷凝器，本发明采用利用渔船发动机废气热量和涡轮增压器费用热量对发生器提供发生热量，利用海水的冷量对冷凝器提供冷源。

为保证产生稳定的沼气，沼气池需要保持在一定的温度范围内，对沼气池的加热，一般采用外部热源，为降低这部分能耗，作为优选，所述涡轮增压器产生的废气对发生器加热后，最后对沼气池进行加热。

所述动力涡轮主要用于将燃气轮机输出的机械能按照预定的方向和速度传输给压缩机，满足压缩制冷子系统的工作需要。动力涡轮可选用多种结构，作为优选，所述动力涡轮包括输入涡轮、输出涡轮、以及将输入涡轮和输出涡轮连接固定的传动轴；所述输入涡轮与所述燃气轮机的输出端传动；所述输出涡轮与所述压缩机的输入端连接传动。

为降低设备投资，减少设备的占用空间，作为优选，所述压缩制冷子系统和喷射制冷子系统通过冷凝蒸发器进行热量交换，该冷凝蒸发器同时作为喷射制冷子系统的蒸发器和压缩制冷子系统的冷凝器使用。利用喷射制冷子系统得到的低品位冷量对压缩制冷子系统中冷凝器提供冷量，进一步提高了压缩制冷子系统的制冷性能。

所述的蒸汽喷射制冷子系统制冷剂为水或氟利昂等制冷工质的一种或多种；所述的蒸汽压缩制冷子系统制冷剂为氟利昂等制冷工质的一种或多种。

本发明首先将沼气池应用于渔船当中，以捕鱼后的鱼内脏作为原料进行发酵产沼气，通过燃气轮机将沼气的燃烧能输出为机械功，由动力涡轮转化直接带动蒸汽压缩制冷系统的压缩机做功。沼气池一般采用现有的设备结构，例如可包括发酵罐、储液罐、储气罐等。

本发明与传统的渔船冻鱼系统相比，不再使用燃油作为制冷系统的能量输入，具有以下有益效果：

1、本发明利用渔船所捕鱼的内脏以及船上生活垃圾产生沼气，进而利用沼气驱动冷冻系统的压缩制冷子系统来冰冻鱼肉，减少冻鱼所需冷负荷，实现了废弃物的再生利用，避免了物质与能量的浪费，减少了对海洋的污染。

2、本发明其次对制冷系统进行改进，将蒸汽压缩制冷与蒸汽喷射制冷复叠。蒸汽喷射制冷可依靠消耗热能工作，但是当所制取的低温必须在0℃以下时，效率很低。本发明采用蒸汽喷射-压缩制冷的复叠系统，可利用蒸汽喷射制冷子系统降低压缩制冷子系统的冷凝温度，从而提高压缩制冷子系统的COP，大幅降低压缩制冷子系统的能耗。

3、本发明利用渔船发动机高温废气余热驱动冷冻系统的喷射制冷子系统，降低了压缩制冷子系统的冷凝温度，从而大幅降低了冷冻系统总功耗，大幅减少渔船冻鱼制冷系统的柴油消耗。特别适用于具有海鱼加工能力的大中型远洋捕鱼渔船，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是渔船废弃物驱动冷冻系统示意图；

其中：

1为沼气池、2为沼气预处理装置、3为燃气轮机、4为动力涡轮、5为涡轮增压器、6为发生器、7为水泵、8为冷凝器、9为喷射器、10为冷凝蒸发器、11为第一节流装置、12为压缩机、13为蒸发器、14为第二节流装置、15为冷冻鱼室；

1a为沼气池的出气口、1b为沼气池的加热管路入口、2a为沼气预处理装置的进口、2b为沼气预处理装置出口、3a为燃气轮机的燃气进口、3b为燃气轮机的空气进口、3c为燃气轮机的排气口、3d为燃气轮机的输出功侧、4a为动力涡轮的输入端、4b为动力涡轮的输出端、5a为涡轮增压器的空气侧出口、5b为涡轮增压器的驱动侧入口、5c为涡轮增压器的驱动侧出口、6a为发生器的第二加热管路入口、6b为发生器的第一加热管路入口、6c为发生器的工质入口、6d为发生器的第二加热管路出口、6e为发生器的第一加热管路出口、6f为发生器的蒸汽出口、7a为水泵的出口、7b为水泵的入口、8a为冷凝器的出口、8b为冷凝器的入口、9a为喷射器的出口、9b为喷射器的引射流体入口、9c为喷射器的被引射流体入口、10a为冷凝蒸发器的高温管路出口、10b为冷凝蒸发器的低温管路入口、10c为冷凝蒸发器的高温管路入口、10d为冷凝蒸发器的低温管路出口、11a为第一节流装置的入口、11b为第一节流装置的出口、12a为压缩机的出气口、12b为压缩机的进气口、12c为压缩机的机械功输入端口、13a为蒸发器的高温管路出口、13b为蒸发器的低温管路出口、13c为蒸发器的高温管路入口、13d为蒸发器的低温管路入口、14a第二节流装置的出口、14b第二节流装置的入口。

具体实施方式

如图1所示，一种渔船废弃物驱动冷冻系统，由沼气燃烧驱动子系统、喷射制冷子系统、压缩制冷子系统组成；

沼气燃烧驱动子系统由沼气池1、沼气预处理装置2、燃气轮机3、动力涡轮4、涡轮增压器5、发生器6组成；

喷射制冷子系统由发生器6、喷射器9、冷凝器8、水泵7、冷凝蒸发器10、第一节流装置11组成；

压缩制冷子系统由压缩机12、冷凝蒸发器10、节流装置14、蒸发器13组成。

上述各部件的连接关系如下：

沼气池1的出气口1a与沼气预处理装置2的进口2a相连，沼气预处理装置2的出口2b与燃气轮机3的燃气进口3a相连；燃气轮机3的输出功侧3d与动力涡轮4的输入端4a相连，燃气轮机3的排气口3c与涡轮增压器5的驱动侧入口5b相连；涡轮增压器5的空气侧出口5a与燃气轮机3的空气进口3b相连；涡轮增压器5的驱动侧出口5c与发生器6的第一加热管路入口6b相连；发生器6的第一加热管路出口6e与厌氧发酵1的罐底部的加热管路入口1b连接；渔船柴油发动机废气自发生器6的第二加热管路入口6a进入，从发生器6的第二加热管路出口6d排出；发生器6的蒸汽出口6f与喷射器9的引射流体入口9b相连；喷射器9的出口9a与冷凝器8的入口8b相连；喷射器9的被引射流体入口9c与冷凝蒸发器10的低温管路入口10b相连；冷凝蒸发器的低温管路出口10d与第一节流装置11的入口11a相连；第一节流装置11的出口11b与冷凝器8的第出口8a与水泵7的入口7b相连；水泵的出口7a与发生器6的工质入口6c相连。

压缩机12的机械功输入端口12c与动力涡轮4的输出端4b相连，压缩机12的出气口12a与冷凝蒸发器10的高温管路入口10c相连；冷凝蒸发器10的高温管路出口10a与第二节流装置14的入口14b相连；第二节流装置14的出口14a与蒸发器13的低温管路入口13d相连；蒸发器13的低温管路出口13b与压缩机12的进气口12b相连；蒸发器13的高温管路出口13a向冷冻鱼室15输送冷量，自蒸发器13的高温管路入口13c回气。

喷射制冷子系统制冷剂为水或氟利昂等制冷工质的一种或多种；压缩制冷子系统制冷剂为氟利昂等制冷工质的一种或多种。

沼气池原料为鱼内脏为主的渔船废弃物；蒸汽喷射制冷子系统的发生器能量输入为渔船柴油发动机废气余热和燃气轮机废气余热。

第一节流装置和第二节流装置可选用多种常用部件，例如可采用节流阀、毛细管等。

鱼内脏等渔船废弃物经沼气池1(沼气池1可采用厌氧发酵罐，根据需要设置储气罐，储气罐上配置有控制阀，用于控制沼气流速)发酵产生沼气，经沼气预处理装置2(沼气预处理装置2可采用沼气净化器，根据需要设置脱硫器、集水器等，去除沼气中的硫、氨、氮、水与多元有害化学物质)处理后得到甲烷气体，甲烷气体进入燃气轮机3进行燃烧产生机械功经动力涡轮4转化成为压缩机12的输入功；动力涡轮4一般采用如下结构，包括输入涡轮、输出涡轮、以及将输入涡轮和输出涡轮传动连接的传动轴；输入涡轮作为输入端与燃气轮机3的输出功侧3d啮合传动，根据实际压缩机12的需要，调整输出方向；输出涡轮作为输出端根据压缩机12的需要设计涡轮结构，得到适当的转速。燃气轮机3产生的废气经涡轮增压器5给燃气轮机3的进口空气增压，之后经过发生器6进行一部分热交换后回到沼气池1的加热管路，对沼液进行加热，提高产气效率和产气率，换热后的废气排出。

渔船发动机产生的高温废气进入发生器6内，将引射流体水蒸汽加热到高压状态，在喷射器9中与来自冷凝蒸发器10的被引射流体混合，然后进入冷凝器8放热。放热之后的液体工质被分成两部分，一部分作为引射流体经过水泵7重新进入发生器6，另一部分作为被引射流体经过第一节流装置11进入冷凝蒸发器10，在冷凝蒸发器10中吸收压缩制冷子系统放出的热量，降低压缩制冷子系统的冷凝温度，可显著地提高压缩制冷子系统的COP，从而达到节能的效果。

制冷工质蒸汽经压缩机12增温增压后进入冷凝蒸发器10换热降温，再经过第二节流装置14成为低压低温湿蒸汽，最后在蒸发器13中相变吸热，产生冻鱼所需的冷量。

本实施方式中，通过投放合适的沼气菌和发酵原料，在一定时间和条件下进行发酵，可产生足够的沼气用于后续结构，最终实现制冷。渔船废弃物(主要是鱼内脏)经过加工处理后丢入沼气池产生沼气，沼气经过调节阀门均匀向燃气轮机-压缩机组送气。沼气在燃气轮机中燃烧产生的机械功直接提供给压缩制冷子系统的压缩机，从而实现了沼气能量的高效利用。沼气燃烧驱动子系统中的燃气轮机会产生大量高温废气，这些废气具有大量可用能。本实施方式中利用这些高温废气通过涡轮增压器给进入燃气轮机的空气进行增压，增大了进入燃气轮机的充气密度，提高了燃气轮机的功率。同时利用涡轮增压器出口的中温废气的热量对沼气池进行加热，使其保持在适宜的发酵温度范围内，提高产气效率。

性能分析：

以型号为DY841的41.98m钢质单拖网渔船为例，出海25天捕鱼200吨，设定日冷冻量为10吨，冻鱼温度为-18℃。喷射制冷子系统用水作为工质。压缩制冷子系统的运行工质为R404A。发动机废气进出发生器的温度为500℃和400℃，发生温度160℃，冷凝器用海水冷却，海水和海鱼的温度为30℃。

DY841型41.98m钢质单拖网渔船油耗为每次出海携带柴油75吨。假设每次渔船出海时间为25天，其中柴油机在额定功率下运行时间为25天，制冷系统运行时间为20天。油价以9200元/吨计算。设备初投资压缩制冷子系统以及喷射制冷子系统的供电设备初投资约为40600元，维护费用按初投资的10％计算，使用时间为10年。改造后燃气轮机、动力涡轮、压缩机、冷凝器、发生器、喷射器和循环泵参考市场价估算，假设建立沼气池及其附带的集气瓶等装置需要200000元，则设备的总投资约269100元。对改造前后的设备投资和耗油量进行对比，结果如表1：

表1

	原制冷系统	新制冷系统
			柴油机功率(kW)	838	838
油耗(g/kWh)	205	205
			制冷量(kW)	44	44
制冷所需柴油机功率(kW)	75	75
			每次出海柴油机运行时间(天)	25	25
每次出海制冷系统运行时间(天)	20	20
			制冷油耗(t)	5.28	0
油价(元/t)	9200	9200
			制冷耗油费(元)	48711	0
总油费(元)	693000	644289
			设备购买(元)	40600	269100
设备维护(元/年)	4060	26910
			使用时间(年)	10	10
平均每次出海费用(元)	693406	646980

由表1可知，总成本增加：200000+28500＝228500(元)，出海一次收回成本：46426元；收回成本出海次数：5次。同时本发明利用鱼的内脏、渔船上的生活垃圾和排泄物等传统意义上的废弃物作为原料产生沼气，可节约柴油约5.28吨/次；采用喷射制冷和压缩制冷复叠，提高了冷冻鱼肉的效率，沼气冻鱼总性能系数可达1.81；利用发动机废气的余热提供喷射制冷的动力和沼气池热量节省了渔船柴油的消耗，同时，渔船废料产生的沼气对大气污染远远低于柴油，有效地起到了节能减排的效果。

Claims (9)

1.一种渔船废弃物驱动冷冻系统，其特征在于：包括压缩制冷子系统、对压缩制冷子系统中冷凝器提供制冷量的喷射制冷子系统、以及沼气燃烧驱动子系统，所述沼气燃烧驱动子系统包括：以渔船所捕鱼的内脏为主要原料产生沼气的沼气池（1）、与所述沼气池（1）的出气口连通的沼气预处理装置（2）、以及与所述沼气预处理装置（2）的出口连通的燃气轮机（3）；

所述燃气轮机（3）输出的机械功通过动力涡轮（4）对压缩制冷子系统中的压缩机（12）提供驱动能；所述燃气轮机（3）产生的废气通过涡轮增压器（5）对燃气轮机（3）的空气进口的空气进行增压；

所述压缩制冷子系统输出的制冷量用于渔船冻鱼。

2.根据权利要求1所述的渔船废弃物驱动冷冻系统，其特征在于：所述喷射制冷子系统中的发生器（6）的发生热量由渔船发动机的高温废气提供。

3.根据权利要求2所述的渔船废弃物驱动冷冻系统，其特征在于：所述涡轮增压器（5）产生的废气进一步对发生器（6）提供发生热量。

4.根据权利要求3所述的渔船废弃物驱动冷冻系统，其特征在于：所述涡轮增压器（5）产生的废气对发生器（6）加热后，最后对沼气池（1）进行加热。

5.根据权利要求1所述的渔船废弃物驱动冷冻系统，其特征在于：所述动力涡轮（4）包括输入涡轮、输出涡轮、以及将输入涡轮和输出涡轮连接固定的传动轴；所述输入涡轮与所述燃气轮机（3）的输出端传动；所述输出涡轮与所述压缩机（12）的输入端连接传动。

6.根据权利要求1所述的渔船废弃物驱动冷冻系统，其特征在于：所述喷射制冷子系统的冷凝器（8）以海水或空气为冷源。

7.根据权利要求1所述的渔船废弃物驱动冷冻系统，其特征在于：所述压缩制冷子系统和喷射制冷子系统通过冷凝蒸发器（10）进行热量交换，该冷凝蒸发器同时作为喷射制冷子系统的蒸发器和压缩制冷子系统的冷凝器使用。

8.根据权利要求1所述的渔船废弃物驱动冷冻系统，其特征在于：所述压缩制冷子系统的制冷剂为氟利昂中的一种或多种。

9.根据权利要求1所述的渔船废弃物驱动冷冻系统，其特征在于：所述喷射制冷子系统的制冷剂为水、氟利昂中的一种或多种。