英语原文共 13 页
国际冰箱期刊64（2016）80-92
客船船用制冷设备：低GWP制冷剂及降低环境影响的策略。
洛伦佐 皮卡尼;马克 博斯科洛；尼古拉 帕根布
意大利里雅斯特大学工程与建筑系，电话：A.Valerio.10.34127Fincantieri
水疗中心的系统和通风设计
Passeggio.santindrea6/A.34123Trieste.Italy
条信息
文章历史:2015年10月10日收到，2016年1月11日收到，2016年1月16日接受，2016年1月27日在线提供
关键字：船用制冷GWP低 能源效率TEWT
摘要
本文主要对低GWP制冷剂在邮轮船用给养装置中的应用进行了评价。我们介绍了当前制冷设备的技术现状，并确定氨(NH3)、二氧化碳(CO2)以及HFOs R1234yf和R1234ze(E)是最具发展前景的低GWP制冷剂，适用于本文所考虑的海洋制冷系统。对单级、两级和级联装置的结构进行了研究，并通过仿真对不同方案的性能进行了评价。对结果进行了分析，并与现有R407f系统的性能进行了比较:在比较中我们考虑了COP、容积容量、安全性和环境影响。我们的结论是，从目前的技术转向使用低gwp制冷剂的系统，至少会使所考虑的一个领域的性能恶化。此外，我们注意到，降低制冷剂的GWP值并不是减少所考虑的制冷系统的总环境影响的有效策略。
关键词:海洋寒冷;低GWP;能源效率;TEWI
远洋客船冷藏设施:低GWP冰箱和减少环境影响的策略
相应的作者：英国里雅斯特大学工程与建筑学院，瓦莱里奥10号，34127Trieste，意大利，电话：39: 3339899984。
电子邮件地址:lorenzo.pigani@gmail.com (L. Pigani)。
0140 - 7007年http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2016.01.016 /copy;2016
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命名法
E 年度能源消耗
h 比焓[kJ kg - 1]
L 制冷剂年泄漏率[kg - 1]
m 制冷剂总装填量[kg]
m 质量流率(公斤minus;1)
n 制冷系统的寿命(年)
p 压力(KW)
P 功率(千瓦)
Q 冷却能力(千瓦)
体积容量(MJ mminus;3)
压缩比
T 温度(°C或K)
Alpha; 制冷剂的回收因子
beta; 间接排放因子(kgCO2千瓦时minus;1)
压缩机等熵效率
LFL 可燃性下限(空气体积百分比)
UFL 可燃性上限(空气体积百分比)
HOC 燃烧热(MJ公斤minus;1)下标
下标
c 冷却
cond 冷凝
eco 生态节能器
ev 蒸发
f 冷冻
hp 高压回路
hvac HVAC冷水机组
lp 低压回路
sw 海水
1. 介绍
环境法对制冷剂液体的使用施加了越来越大的限制，以减少制冷剂液体排放到大气中所造成的环境影响。
首先要管制的制冷剂是那些在大气中排放导致臭氧层损耗的制冷剂。Molina and Rowland(1974)详细解释了这一现象。《蒙特利尔议定书》(1987年)(联合国(UN)， 1987年)和《联合国环境规划署(UNEP)， 2007年)规定逐步淘汰氯氟烃和氢氯氟烃等消耗臭氧层制冷剂。从1997年起，发达国家就禁止使用氯氟烃，从2020年起将禁止使用氢氯氟烃。
在这些限制之后，不消耗臭氧层的新型制冷剂，如氢氟碳化物，变得越来越普遍。后来的研究表明，许多氢氟碳化物是温室气体(GHG)，即它们在大气中的直接排放导致全球变暖。《京都议定书》(1997)(联合国(UN)， 1997)为减少温室气体的使用设定了目标。2014年，欧盟制定了一项计划(欧洲议会，2014)，将逐步减少2015年至2022年间全球变暖潜力(GWP)超过150的制冷剂的使用。美国的一些州和城市也提出了旨在减少温室气体排放的法规(Calm,2008)，比如加州的执法(California EnvironmentalProtectionAgency,2014)。美国和中国在2014年启动了一项旨在减少温室气体排放的联合项目(白宫新闻秘书办公室，2014年)，该项目致力于促进氢氟碳化合物的排放。此外，氢氟碳化合物的使用已经在许多欧洲国家和澳大利亚课以重税(McLinden et al.， 2014)。
政府制定更加严格的环境标准促使研究人员和制冷业研究新环保型制冷剂。BolajiandHuan(2013)，Calm(2008)， Mohanraj et al.(2009)和Sarbu(2014)等研究已经确定了低gwp制冷剂可作为卤代制冷剂的替代品。研究发现氢氟烃(HFOs)和天然制冷剂是目前替代HFCs的最佳选择，并指出监管要求对制冷剂的选择有严格的限制，导致系统性能的局限性(Mota-Babiloni et al.， 2015)。
低gwp制冷剂在工业和商业应用文献中得到了广泛的分析(Cecchinato and corradi,2011;Mota-Babilonietal.，2015;Sharmaetal.，2014)。HFOs的性能主要被分析为R134a的替代品(Mota-Babiloni et al.， 2016;Navarro-Esbri等，2013;(Yataganbaba et al.， 2015)，认为它们是有前途的替代品，主要缺点是轻度易燃。文献中大量的数值和实验研究考察了天然制冷剂作为HFCs替代物的特性(Bolaji and Huan, 2013)，特别是二氧化碳和氨(Perez-Garcia et al.， 2013;Rigola等，2005;Sanchez等，2014)作为卤代冷冻剂的替代品。因此，我们发现二氧化碳系统受到低效率的影响:使用内置热交换器的系统可以改善cop，尽管与氢氟碳化合物相比，其性能仍然很差，因为二氧化碳系统通常以超临界循环运行。氨系统是有效的;然而，工厂中大量的氨构成了系统安全的保障(ASHRAE, 2010)。使用氨和碳二氧化物的级联构型可以在有限氨量的情况下提供体积和自然制冷剂(Aminyavari et al.， 2014;Bingming et al.， 2009;Dopazo和Fernandez-Seara, 2011)，并达到类似于HFCs系统的效率(ASHRAE, 2010)。
其他研究侧重于确定新的物质作为制冷剂(McLinden et al.， 2014)，并从热力学的角度评估制冷剂的限制和权衡(Domanski et al.， 2014)。这些研究的结论是，在目前已知的化合物中，很少有具有成为新一代制冷剂的良好特性的物质。流体的热力学、环境和安全性能之间存在相关性，研究表明，在不同的要求之间总是存在权衡。
船舶制冷是一个非常特殊的研究领域，与民用和工业工厂相比，在安全、重量和尺寸方面的要求特别严格。因此，一些适合大陆应用的解决方案可能并不适合安装在船上的板载。
海洋植物的主要管理机构是国际海事组织和海军登记册。附件六的《国际刑警组织》(国际海事组织，1997年)禁止在海洋应用中使用消耗臭氧层的制冷剂。
目前，制冷剂的gwp不受船舶应用的强制性要求的限制。一些海军登记册建议自愿为低环境影响的制冷系统编入船级符号:劳氏船级社(LR)提出生态类符号,这限制了制冷剂的GWP最多1950(Lloyd的海军注册,2014),《Registro Navale Italiano (RINA)提出清洁类符号,这限制了制冷剂的GWP最多2000(Registro Nava leItaliano(RINA),2014),和法国船级社(BV)提出透明油品用的油船类符号,这限制了制冷剂的GWP最多为2000(法国船级社,2014)。
由于许多国际专著和国家法律都对温室气体作为高GWP制冷剂的使用进行了限制，因此我们有理由预计，未来海洋应用制冷剂的GWP将逐步受到限制，这与目前国内和民用工厂的有关规定是一致的。此外，高GWP制冷剂的使用已经要求复杂的回收操作，制冷剂的价格往往因环境税而提高。由于这些原因，船东公司对使用低GWP制冷剂感兴趣。
本文的创新之处在于分析了船用制冷装置改用低GWP制冷剂的问题，重点研究了为邮轮提供制冷系统。讨论了典型的系统结构，分析了几种设备布局和流体。在分析过程中，描述了海上应用的安全法规要求和技术限制，并将其视为限制因素。我们的目标是确定改用低GWP制冷剂对系统效率、容量和总环境影响的影响。
2. 考虑的流体和系统
在这一节中，我们将描述和分析当前的制冷设备。我们选择了一套适合海运应用的低GWP制冷剂。然后，我们提出了不同的设备布局，我们用来评估制冷剂的性能，并描述了所使用的数学模型。
2.1目前的邮轮制冷设备
目前客船制冷系统中使用的设备布置有几种。在本文中，我们将图1所示的系统原理图作为当前制冷装置性能的参考。该系统由两种不同的制冷设备组成，均配置单级螺杆压缩机和省煤器:
图1-当前制冷设备
-冷却装置是一种间接膨胀系统，具有卤水回路，产生总制冷量的75%，蒸发温度为=minus;14 5°c .
-冷冻装置是一种直接膨胀系统,生成总冷却能力的25%,它的运作°c
两种系统都使用流体R407f作为制冷剂，R32、R125和R134a的混合物，质量百分比分别为30.0%、30.0%和40.0%。
低温淡水(LTFW)系统是一种淡水循环系统，在该系统中，淡水从冷凝装置和冷冻装置的冷凝器中减去热量，然后排入海水中。它是用来防止在冷却和冷冻装置的冷凝器中直接使用海水可能产生的腐蚀问题。设计了LTFW系统的布置和考虑的质量流量调节，使其保持恒定值
(1)
对于冷冻和冷冻的装备。目前采用的几种制冷系统的设计目的是使LTFW保持在恒温状态;为了提高系统在低海水温度下的效率，我们考虑了变温度LTFW系统。
无论是冷却装置还是冷冻装置都有100%的冗余，以保证高可靠性。
在本文中，我们研究了LTFW和盐水回路中泵的工作原理。采用公式(1)对LTFW装置进行建模，利用公式(1)计算给定海水条件下的冷凝温度。用于模拟冷冻和冷冻装备的模型在第2.3和2.5节中描述。
2.2液体的考虑
用于分析的流体是从ASHRAE 34 - 2013(美国加热制冷和空调工程师协会，2013)和ISO 817:2014 (ISO, 2014)中定义的制冷剂组中选择的。我们施加下列限制，以丢弃不适用于海洋制冷的液体:
--零臭氧耗竭潜力(ODP)和最大GWP为150。
--根据ASHRAE 34-2013标准，最高易燃等级2L。消防安全是海上应用的一个重要主题，海军登记册不鼓励使用易燃或有毒制冷剂(RegistroNavale Italiano (RINA)， 2014)。禁止使用易燃程度低于3.5%的乙烷、乙烯及其他易燃程度较低的制冷剂。在严格、准确的安全要求下，允许使用氨作为制冷剂(法国船级社，2014;2014年劳氏船级社;意大利船级社(RINA)， 2014)。
--我们排除了化学不稳定的流体和制冷剂，这些流体的化学或物理性质目前还没有从实验研究中得知，以及其物理性质不足以在考虑的系统所需的温度和压力下工作的流体。
分析选用的流体为氨(NH3)、二氧化碳(CO2)、R1234yfandR1234ze(E)。制冷剂的各项性能见表1。我们将流体R407f与当前的制冷技术进行比较。
氨是一种天然制冷剂，具有优良的物理、运输和环境性能。与考虑的其他流体相比，它具有较高的潜热和较低的比体积(见表1)。在海洋应用中使用氨的主要缺点是它的毒性。氨泄漏很容易识别，因为气体的气味很明显。在工业工厂，氨泄漏被认为是一种优势，但在客轮上，它构成了额外的风险，因为强烈的氨气味可能会引起乘客的恐慌。
二氧化碳是一种天然制冷剂，在考虑的低gwp流体中，它是唯一具有A1安全等级的。二氧化碳制冷系统在高压下工作，这比所考虑的其他制冷
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