船用噴射制冷系統(tǒng)性能研究

張 琨，章秋平，張 博，權(quán)生林

(1.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧大連116023;2.珠海格力電器股份有限公司商用技術(shù)開發(fā)部，廣東珠海519070;3.大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，遼寧大連116024)

0 引言

船舶柴油機因具有較高的熱效率、功率覆蓋面大、啟動迅速、經(jīng)濟性好等特點，在船舶動力裝置中得到了廣泛應(yīng)用。盡管近年來船用柴油機技術(shù)發(fā)展迅速，但其排氣余熱仍占到燃料總熱值的30%～35%左右，排氣溫度在350℃ ～400℃。如何盡可能地回收這部分余熱，從而提高船舶主機的熱效率，降低船舶運行成本，成為船舶領(lǐng)域研究的新熱點［1］。

1 原理

1.1 蒸汽噴射制冷系統(tǒng)

1910年，Maurice Leblanc第一次將噴射器應(yīng)用于制冷系統(tǒng)［2-3］。20世紀70年代，隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，利用和回收廢/余熱、可再生能源成為一個重要的課題，使用氟利昂制冷劑的噴射制冷系統(tǒng)重新成為了人們關(guān)注的熱點。由于使用了比容小的氟利昂作制冷劑，降低了設(shè)備的體積，并且可以使用溫度更低的熱源，系統(tǒng)的效率也得到了改善［4-5］。

如圖1所示，發(fā)生器產(chǎn)生的高溫、高壓蒸汽作為噴射器的工作流體，引射蒸發(fā)器中的氣態(tài)制冷劑，二者充分混合后，在冷凝器中氣態(tài)的制冷劑冷凝成液態(tài)，其中的一部分由泵輸送回發(fā)生器，另一部分流經(jīng)膨脹閥回到蒸發(fā)器。整個系統(tǒng)在發(fā)生器處輸入能量;在冷凝器處由于制冷劑液化會放出熱量，通常以熱能的形式;在蒸發(fā)器處，由于液態(tài)制冷劑汽化從周圍吸入大量的熱，因而實現(xiàn)制冷的目的。

雖然噴射制冷系統(tǒng)的COP值不如壓縮制冷大，但噴射制冷系統(tǒng)不需要使用電能，而多采用余熱、太陽能等低品位能源，有良好的節(jié)能效果;系統(tǒng)可采用水等天然制冷劑，對環(huán)境不產(chǎn)生污染。

在船舶主機的排氣管通道上安裝余熱鍋爐來產(chǎn)生蒸汽或熱水是回收船舶尾氣余熱的最簡單、有效的方法［6］。該蒸汽可用于驅(qū)動船用噴射制冷系統(tǒng)運行，不僅能夠充分利用船用柴油機的余熱，實現(xiàn)能源高效利用，還能解決傳統(tǒng)制冷劑CFCS和HCFCS的替代問題［7］。

1.2 噴射器

噴射制冷系統(tǒng)的核心是噴射器。噴射器模型是設(shè)計噴射制冷系統(tǒng)、模擬噴射制冷系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)，噴射系數(shù)直接影響制冷系統(tǒng)的COP。

圖1 噴射式制冷系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of an ejector refrigeration system

噴射器的基本原理在16世紀已被發(fā)現(xiàn)，到19世紀60年代德國學(xué)者G.Zeumen根據(jù)動量守恒定理，提出了噴射器設(shè)計的基本理論。1870年，他和M.Runkin進一步發(fā)展和完善了這個理論，但他們的理論還不能解決噴射器的計算問題。1950年，Keenan和Neuman［8］建立了比較完善的一維數(shù)學(xué)模型，提出了噴射器等壓混合理論，成為過去幾十年中噴射器設(shè)計的理論基礎(chǔ)。

蒸汽噴射器沒有轉(zhuǎn)動部件，不需要額外能量輸入，通常由噴嘴、吸入室、混合室和擴散室4個部分組成。

圖2 噴射器示意圖Fig.2 Schematic of ejector

在分析型噴射器性能時，采用Keenan等［5］提出的一維定壓混合理論，做如下假定:

1)噴射器內(nèi)流動是一維穩(wěn)態(tài)的;

2)噴射器內(nèi)壓縮和膨脹過程是等熵過程;

3)噴射器內(nèi)混合段的混合過程為定壓過程，并且遵守能量守恒、動量守恒，其內(nèi)壁絕熱，無熱量損失;

4)忽略工作流體和引射流體入口截面及混合流體出口截面的速度。

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

噴射器內(nèi)流動與混合遵循質(zhì)量守恒、能量守恒和動量守恒定律。

質(zhì)量守恒定律:

能量守恒定律:

動量守恒定律:

式中:G為質(zhì)量流率，kg/s;t為溫度，℃;h為焓，kJ/kg;ω為速度，m/s;p為壓力，Pa;f為橫截面積，m2;φ為速度系數(shù)。下腳標(biāo)g表示發(fā)生器的工作流體，e表示蒸發(fā)器的引射流體，c表示冷凝器的混合流體。

噴射式制冷系統(tǒng)性能系數(shù)的定義為:蒸發(fā)室產(chǎn)生的制冷量與發(fā)生室中的加熱量的比值，即

式中:Qe為蒸發(fā)室制冷量;Qg為發(fā)生室加熱量;u為噴射系數(shù);hv，evap和 hv，gene分別為蒸發(fā)室和發(fā)生室的工質(zhì)蒸汽焓;hf，con為冷凝室的工質(zhì)液體焓。

3 系統(tǒng)性能分析

本文針對船用噴射制冷系統(tǒng)，數(shù)值分析噴射器不同工況對制冷系統(tǒng)性能的影響。采用熱力學(xué)方法，考慮水蒸氣的真實物性，構(gòu)建噴射制冷系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，分別討論系統(tǒng)發(fā)生溫度、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度對噴射器的噴射系數(shù)及系統(tǒng)性能系數(shù) (COP)的變化關(guān)系，以期指導(dǎo)噴射器及系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與使用。

以水作為制冷劑，在工作流體溫度Tg=80℃ ～160℃，冷凝溫度Tc=20℃ ～50℃，蒸發(fā)溫度Te=3℃ ～17℃的工況下進行數(shù)值計算，各溫度參數(shù)對等壓混合模型影響的結(jié)果如下:

在冷凝溫度和蒸發(fā)溫度恒定的情況下，改變工作流體溫度，研究工作溫度對噴射式制冷系統(tǒng)COP和噴射系數(shù)的影響。在冷凝溫度Tc=35℃，蒸發(fā)溫度Te=15℃的工況下，計算結(jié)果如圖3所示。隨著工作溫度的升高，噴射式制冷系統(tǒng)的COP和噴射系數(shù)都隨之增大，變化趨勢較為平緩。

在工作溫度Tg=110℃，冷凝溫度Tc=35℃的工況下，蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP和噴射系數(shù)的影響如圖4所示。隨著蒸發(fā)溫度的升高，噴射式制冷系統(tǒng)的COP和噴射系數(shù)隨之近似線性升高，且斜率較圖3明顯增大，說明蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響比發(fā)生溫度大得多。

在工作溫度Tg=110℃，蒸發(fā)溫度Te=15℃的工況下，冷凝溫度對系統(tǒng)COP和噴射系數(shù)的影響如圖5所示。隨著冷凝溫度的升高，噴射式制冷系統(tǒng)的COP和噴射系數(shù)都隨之減小。其中系統(tǒng)性能初段隨冷凝溫度的升高下降斜率較大，中后段斜率變化趨緩，但過高的冷凝溫度對于系統(tǒng)性能的負面影響很大。

綜上發(fā)現(xiàn)，較高的發(fā)生溫度、蒸發(fā)溫度和較低的冷凝溫度對于系統(tǒng)性能的提升有積極幫助。

圖5 冷凝溫度對系統(tǒng)性能的影響Fig.5 Effect of condenser temperature on refrigeration system performance

4 結(jié)語

船舶是高能耗的運輸工具，燃油費用占船舶營運成本比例已達40%以上;高能耗還使船舶成為移動的污染源，帶來諸多環(huán)境問題。噴射制冷系統(tǒng)可有效地利用船上的低能位能源，能采用水等天然制冷劑，并且結(jié)構(gòu)緊湊，性能可靠，價格低廉，可有效減少船上動力設(shè)備投資以及燃料與管理費用，節(jié)約船艙寶貴的空間。因此，船用噴射制冷系統(tǒng)是一種綠色環(huán)保的制冷方式，符合我國節(jié)能減排的能源發(fā)展戰(zhàn)略，擁有廣闊的發(fā)展前景。

通過計算比較，系統(tǒng)的COP和噴射系數(shù)隨發(fā)生溫度和蒸發(fā)溫度的升高而增大，其中隨蒸發(fā)溫度升高而增大的斜率大于發(fā)生溫度，說明系統(tǒng)對于蒸發(fā)溫度更加敏感;系統(tǒng)COP和噴射系數(shù)隨冷凝溫度的升高下降明顯，系統(tǒng)在較高的冷凝溫度時性能明顯變差。因此，適當(dāng)?shù)靥岣甙l(fā)生溫度、蒸發(fā)溫度，降低冷凝溫度對于系統(tǒng)性能的提升有積極幫助。

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