蒸汽噴射制冷循環(huán)系統(tǒng)在目標(biāo)特征抑制方面的應(yīng)用

李潤(rùn)宸+王智忠

摘 要： 應(yīng)用蒸汽噴射制冷方式設(shè)計(jì)了一套蒸汽噴射制冷循環(huán)系統(tǒng)，選用性能優(yōu)良的傳熱工質(zhì)，對(duì)噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣廢熱，驅(qū)動(dòng)蒸汽噴射制冷系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙室進(jìn)行降溫。削弱整機(jī)設(shè)備在工作中的高溫特征，滿足了設(shè)備目標(biāo)特征抑制的要求。

關(guān)鍵詞： 發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣廢熱； 噴射制冷； 噴嘴； 目標(biāo)特征； 制冷系統(tǒng)； 傳熱工質(zhì)

中圖分類號(hào)： TN98?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）05?0129?03

Abstract： The steam jet refrigeration mode is used to design a set of steam jet refrigeration recycle system. The heat transfer medium with high performance is selected to perform the improvement design for the structure size of the jet nozzle. The exhaust heat of engine is adopted to drive the steam jet refrigeration system to cool the engine compartment， and weaken the high temperature feature of the device while working， which can meet the requirement of target feature suppression of the device.

Keywords： exhaust heat of engine； jet refrigeration； jet nozzle； target feature； refrigeration system； heat transfer medium

1 國(guó)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

動(dòng)力傳動(dòng)集成裝置目標(biāo)特征抑制技術(shù)研究旨在對(duì)裝甲部隊(duì)的車輛發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度以及發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放時(shí)的溫度進(jìn)行抑制，使溫度降低至規(guī)定范圍。

目前國(guó)內(nèi)外裝甲車發(fā)動(dòng)機(jī)主要有風(fēng)冷和水冷兩種形式。尾氣排放溫度多是依靠使用渦輪增壓設(shè)備回收發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的壓力廢能，用以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率和提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，同時(shí)降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放溫度。但此時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的溫度基本保持在400 ℃以上。

應(yīng)用低溫制冷劑作為傳熱介質(zhì)，通過(guò)設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管道上的換熱器，利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣廢熱將液體制冷劑在蒸汽發(fā)生器內(nèi)加熱至高溫高壓狀態(tài)，液體制冷劑作為氣體噴射器的工作蒸汽，使用噴射制冷的原理，由設(shè)置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的盤(pán)管蒸發(fā)器吸收發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的熱量，噴射器出來(lái)的混合蒸汽由冷凝器采用強(qiáng)制風(fēng)冷的方法將熱量排至外界環(huán)境大氣。制冷劑的流動(dòng)通過(guò)液體泵將冷凝器的液態(tài)制冷劑輸送至蒸汽發(fā)生器，冷凝器至蒸發(fā)器的制冷劑流動(dòng)靠?jī)烧咧g的壓力差驅(qū)動(dòng)。

本文所提出的蒸汽噴射制冷裝置具有裝機(jī)部件簡(jiǎn)單、重量輕、能有效地利用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的廢熱，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣壓力不進(jìn)行任何干擾，故使用該裝置不會(huì)影響發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率，可進(jìn)一步降低發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的排氣溫度，并對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行降溫，具有一定的應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。

2 研究目標(biāo)

針對(duì)裝甲運(yùn)輸車輛動(dòng)力傳動(dòng)集成裝置目標(biāo)特征抑制技術(shù)的需求，旨在有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)艙的溫度以及發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的排氣溫度。目前裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)的目標(biāo)特征抑制技術(shù)大多通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體的散熱進(jìn)行。本文通過(guò)使用發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣廢熱帶動(dòng)氣體噴射制冷裝置為發(fā)動(dòng)機(jī)艙進(jìn)行降溫。因此，本項(xiàng)目的研究目標(biāo)為：動(dòng)力艙內(nèi)環(huán)境溫度抑制技術(shù)；動(dòng)力傳動(dòng)裝置排氣溫度抑制技術(shù)。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率，噴射制冷裝置的換熱量暫定為8 kW，其性能可通過(guò)專用性能測(cè)試裝置進(jìn)行換熱能力測(cè)試，以考核噴射制冷裝置的性能。同時(shí)，由于蒸發(fā)發(fā)生器中產(chǎn)生制冷劑高壓蒸汽，吸收發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的熱量，相應(yīng)降低了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的排氣溫度，可使排氣溫度降低100 ℃，以滿足目標(biāo)特征抑制的要求。

3 研究?jī)?nèi)容

3.1 工作原理

蒸氣噴射式制冷的基本系統(tǒng)如圖1所示。其組成部件包括：噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥和泵。噴射器由噴嘴、吸入室、擴(kuò)壓器三部分組成。噴射器的吸入室與蒸發(fā)器相連；擴(kuò)壓器出口與冷凝器相連。

用蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生高溫高壓工作蒸氣，工作蒸氣進(jìn)入噴嘴，在噴嘴中膨脹并高速流動(dòng)（流速可達(dá)1 000 m/s以上），于是，在噴嘴出口處造成很低的壓力，使蒸發(fā)器中的制冷劑在低溫下蒸發(fā)。由于汽化時(shí)需從未汽化的制冷劑中吸收潛熱，因而使未汽化的制冷劑溫度降低。這部分低溫制冷劑便可用于吸收發(fā)動(dòng)機(jī)艙的熱量。蒸發(fā)器中產(chǎn)生的制冷劑蒸氣與工作蒸氣在噴嘴出口處混合，一起進(jìn)入擴(kuò)壓器；在擴(kuò)壓器中流動(dòng)的蒸氣流速逐漸降低，壓力逐漸升高，以較高壓力進(jìn)入冷凝器，被外部冷卻空氣冷卻變成液態(tài)制冷劑。從冷凝器流出的液態(tài)制冷劑分為兩路：一路經(jīng)節(jié)流降壓后送回蒸發(fā)器，繼續(xù)蒸發(fā)制冷；另一路用泵提高壓力送回蒸汽發(fā)生器，重新加熱產(chǎn)生工作蒸氣。

圖2為蒸氣噴射式制冷機(jī)的理論工作循環(huán)過(guò)程。圖中1?2表示工作蒸氣在噴嘴內(nèi)部的膨脹過(guò)程。工作蒸氣（狀態(tài)2）與制冷劑水蒸氣（狀態(tài)3）混合后的狀態(tài)是4。4?5表示混合蒸氣在擴(kuò)壓器中流動(dòng)升壓的過(guò)程。5?6表示冷凝器中氣體的凝結(jié)過(guò)程。凝結(jié)終了的狀態(tài)為6。冷凝液體分為兩部分：一部分經(jīng)過(guò)節(jié)流，進(jìn)入蒸發(fā)器，產(chǎn)生制冷作用，用過(guò)程線6?7?3表示；另一部分用泵送入蒸汽發(fā)生器，產(chǎn)生工作（驅(qū)動(dòng)）蒸氣，用過(guò)程線6?9?1表示。

參照?qǐng)D2進(jìn)行循環(huán)的熱力分析。

式中：為被引射蒸氣的質(zhì)量流量，單位為kg/s；為制冷劑蒸氣出蒸發(fā)器時(shí)的比焓，單位為kJ/kg；為凝結(jié)水出冷凝器時(shí)的比焓，單位為kJ/kg。endprint

式中：為工作蒸氣的質(zhì)量流量，單位為kg/s；為工作蒸氣出鍋爐時(shí)的比焓，單位為kJ/kg。

式中為混合蒸氣進(jìn)冷凝器時(shí)的比焓，單位為kJ/kg。

在蒸氣噴射式制冷機(jī)中用噴射系數(shù)作為評(píng)定噴射器性能的參數(shù)。它定義為每單位質(zhì)量工作蒸氣所能引射的制冷劑蒸氣量，即：

理論情況下，噴射系數(shù)的值通過(guò)噴射器的熱平衡式求得：

因而：

3.2 傳熱工質(zhì)的選型

在傳熱工質(zhì)的選擇中需綜合考慮以下條件，確定所選傳熱工質(zhì)。

1） 傳熱工質(zhì)化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不會(huì)因高溫高壓作用而分解、爆炸；

2） 常溫下無(wú)毒、無(wú)異味；

3） 無(wú)強(qiáng)烈腐蝕性；

4） 傳熱工質(zhì)常壓下沸點(diǎn)接近50 ℃，以提高工質(zhì)的傳熱效率；

5） 傳熱工質(zhì)具有較大的氣化潛熱，可降低質(zhì)量流量，減少泵的輸入功率；

6） 傳熱工質(zhì)應(yīng)具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)，提高傳熱效率，減輕換熱器重量；

7） 氣態(tài)傳熱工質(zhì)應(yīng)具有良好的流動(dòng)特性，以降低過(guò)熱蒸汽的阻力損失；

8） 氣態(tài)傳熱工質(zhì)在工作溫度范圍，蒸汽壓力應(yīng)盡可能的低，以降低換熱器的設(shè)計(jì)壓力；

9） 優(yōu)先選擇單一成分的純工質(zhì)。

3.3 蒸汽發(fā)生器的設(shè)計(jì)

噴射制冷裝置的蒸汽發(fā)生器用于傳熱介質(zhì)與發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)行換熱，吸收發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放管道壁上的熱量，傳熱介質(zhì)在換熱器中受熱蒸發(fā)，成為高壓過(guò)熱蒸汽。在設(shè)計(jì)蒸汽發(fā)生器時(shí)應(yīng)滿足以下要求：

1） 傳熱介質(zhì)與發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)行換熱，不能影響尾氣排放的流動(dòng)；

2） 傳熱介質(zhì)與發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣進(jìn)行換熱的換熱器可采用外部安裝形式，或者與發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放管道設(shè)計(jì)成一體，用以提高換熱器效率；

3） 換熱器應(yīng)具有較高的承壓能力，以承受換熱器內(nèi)部高溫過(guò)熱工質(zhì)過(guò)高壓力的作用。

3.4 噴射器的設(shè)計(jì)

氣體噴射器也稱為氣體噴射式熱泵，如圖3所示，其工作原理是高壓的工作氣體以很快的速度（一般是超音速）從噴嘴中流出進(jìn)入接收室，在高速射流的卷吸作用下把其周圍的低壓氣體吸走，被吸的低壓氣體一般稱為引射氣體，工作氣體攜帶著引射氣體進(jìn)入混合室中進(jìn)行速度均衡與動(dòng)量傳遞。同時(shí)，伴隨著壓力的升高，混合氣體從混合室出來(lái)進(jìn)入擴(kuò)散器，壓力將繼續(xù)升高。在擴(kuò)散器出口處，混合氣體的壓力高于進(jìn)入接收室引射氣體的壓力，從而實(shí)現(xiàn)將引射氣體的壓力提升用于壓力較高的場(chǎng)所。

根據(jù)噴射器原理進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并通過(guò)匹配試驗(yàn)確定噴射器的結(jié)構(gòu)尺寸，噴射器材料優(yōu)先選用不銹鋼材料。

3.5 系統(tǒng)控制邏輯

控制器采用電子電路控制方式，主要由控制模塊、信息采集模塊、功率驅(qū)動(dòng)模塊、直流電源模塊等組成。信息采集模塊主要負(fù)責(zé)收集廢熱回收換熱器的溫度、壓力傳感器信號(hào)，將結(jié)果遞交模塊使用；直流電源模塊負(fù)責(zé)直流電源的濾波、轉(zhuǎn)換、分配、調(diào)理，為其模塊提供特性符合標(biāo)準(zhǔn)的直流電源；功率驅(qū)動(dòng)模塊將控制決策轉(zhuǎn)換為各個(gè)外設(shè)的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)，并對(duì)輸送泵的電壓電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。控制器具有停機(jī)、工作兩種工作模式，并自帶操作按扭，可在人工調(diào)試時(shí)進(jìn)行人工手動(dòng)操作。

3.6 換熱量測(cè)量系統(tǒng)

為全面考核蒸汽噴射制冷裝置，設(shè)計(jì)一套模擬實(shí)際使用情況的試驗(yàn)測(cè)試裝置，該裝置主要包含兩部分：發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣高溫高壓氣體發(fā)生裝置、換熱量測(cè)量裝置。使用壓縮空氣模擬發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣，通過(guò)電加熱器將壓縮空氣加熱至500 ℃，通過(guò)管道排出，蒸汽發(fā)生器回收高溫壓縮機(jī)空氣的熱量。制作模擬發(fā)動(dòng)機(jī)艙，在模擬發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)使用電加熱進(jìn)行升溫，通過(guò)電加熱器平衡噴射制冷裝置的制冷量，通過(guò)計(jì)算對(duì)比電加熱功率的誤差，從而評(píng)價(jià)該裝置的性能。測(cè)量原理如圖5所示。

4 結(jié) 論

使用蒸汽噴射制冷技術(shù)吸收發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣廢熱，驅(qū)動(dòng)蒸汽流動(dòng)，有效地利用了發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱的剩余能量，使燃料的燃燒熱量得到了進(jìn)一步的利用，大大提高了生物燃料燃燒熱的利用率，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣的排放溫度，同時(shí)又使發(fā)動(dòng)機(jī)艙室的溫度得到降低。這樣，裝置在工作過(guò)程中的目標(biāo)特性得到有效抑制。

參考文獻(xiàn)

[1] 伊繼安，王學(xué)鋒，魏傳東，等.蒸汽噴射式熱泵技術(shù)的應(yīng)用[J].節(jié)能與環(huán)保，2002（1）：47?48.

YIN Jian， WANG Xuefeng， WEI Chuandong， et al. Application of steam jet heat pump technology [J]. Energy conservation and environmental protection， 2002（1）： 47?48.

[2] 索科洛夫，津格爾.噴射器[M].黃秋云，譯.北京：科學(xué)出版社，1977.

Е.Я.СОКОЛОВ， Н.М.ЗИНГеР. Injector [M]. Translated by HUANG Qiuyun. Beijing： Science Press， 1977.

[3] 李樹(shù)江，陳亮，桂珺，等.蒸汽噴射制冷的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].制冷與空調(diào)，2007（6）：6?10.

LI Shujiang， CHEN Liang， GUI Jun， et al. Development trend and current situation of steam ejector refrigeration [J]. Refrige?ration and air?conditioning， 2007（6）： 6?10.

[4] 韋紅旗.氣體噴射壓縮器變工況特性的理論研究[J].流體機(jī)械，2004，32（5）：20?24.

WEI Hongqi. Study of the variation characteristic of the gas ejector [J]. Fluid machinery， 2004， 32（5）： 20?24.endprint

[5] 楊世銘.傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1986.

YANG Shiming. Heat transfer [M]. Xian： Xian Jiaotong University Press， 1986.

[6] 王撲宣.工程傳熱傳質(zhì)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1998.

WANG Puxuan. Engineering heat and mass transfer [M]. Beijing： Science Press， 1998.

[7] 汪小憨，陳恩鑒.噴射器內(nèi)氣體動(dòng)力學(xué)參數(shù)的設(shè)計(jì)與計(jì)算[J].工業(yè)爐，2002，24（1）：49?51.

WANG Xiaohan， CHEN Enjian. Design and computation of gas dynamical parameter in ejectors [J]. Industrial furnace， 2002， 24（1）： 49?51.

[8] 吳業(yè)正.制冷原理及設(shè)備[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1987.

WU Yezheng. Principle and equipment of refrigeration [M]. Xian： Xian Jiaotong University， 1987.

[9] 陶文銓.傳熱學(xué)[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

TAO Wenquan. Heat transfer [M]. Xian： Northwest Polytechnical University Press， 2006.

[10] 勞動(dòng)和社會(huì)保障部教材辦公室，上海市職業(yè)培訓(xùn)指導(dǎo)中心.制冷與空調(diào)技術(shù)[M].北京：中國(guó)勞動(dòng)社會(huì)保障出版社，2006.

Teaching material Office of The Ministry of Labor and Equipment Security， Vocational Training Guidance Center in Shanghai. Refrigeration and air conditioning technology [M]. Beijing： China Labor Social Security Press， 2006.endprint