船用噴射制冷系統性能研究

張 琨，章秋平，張 博，權生林

(1.大連海洋大學海洋與土木工程學院，遼寧大連116023;2.珠海格力電器股份有限公司商用技術開發部，廣東珠海519070;3.大連理工大學能源與動力學院，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、經濟性好等特點，在船舶動力裝置中得到了廣泛應用。盡管近年來船用柴油機技術發展迅速，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，成為船舶領域研究的新熱點［1］。

1 原理

1.1 蒸汽噴射制冷系統

1910年，Maurice Leblanc第一次將噴射器應用于制冷系統［2-3］。20世紀70年代，隨著能源和環境問題的日益突出，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重新成為了人們關注的熱點。由于使用了比容小的氟利昂作制冷劑，降低了設備的體積，并且可以使用溫度更低的熱源，系統的效率也得到了改善［4-5］。

如圖1所示，發生器產生的高溫、高壓蒸汽作為噴射器的工作流體，引射蒸發器中的氣態制冷劑，二者充分混合后，在冷凝器中氣態的制冷劑冷凝成液態，其中的一部分由泵輸送回發生器，另一部分流經膨脹閥回到蒸發器。整個系統在發生器處輸入能量;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;在蒸發器處，由于液態制冷劑汽化從周圍吸入大量的熱，因而實現制冷的目的。

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

在船舶主機的排氣管通道上安裝余熱鍋爐來產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］。該蒸汽可用于驅動船用噴射制冷系統運行，不僅能夠充分利用船用柴油機的余熱，實現能源高效利用，還能解決傳統制冷劑CFCS和HCFCS的替代問題［7］。

1.2 噴射器

噴射制冷系統的核心是噴射器。噴射器模型是設計噴射制冷系統、模擬噴射制冷系統性能的基礎，噴射系數直接影響制冷系統的COP。

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

噴射器的基本原理在16世紀已被發現，到19世紀60年代德國學者G.Zeumen根據動量守恒定理，提出了噴射器設計的基本理論。1870年，他和M.Runkin進一步發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學模型，提出了噴射器等壓混合理論，成為過去幾十年中噴射器設計的理論基礎。

蒸汽噴射器沒有轉動部件，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)噴射器內流動是一維穩態的;

2)噴射器內壓縮和膨脹過程是等熵過程;

3)噴射器內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 系統數學模型

噴射器內流動與混合遵循質量守恒、能量守恒和動量守恒定律。

質量守恒定律:

能量守恒定律:

動量守恒定律:

式中:G為質量流率，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。下腳標g表示發生器的工作流體，e表示蒸發器的引射流體，c表示冷凝器的混合流體。

噴射式制冷系統性能系數的定義為:蒸發室產生的制冷量與發生室中的加熱量的比值，即

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

3 系統性能分析

本文針對船用噴射制冷系統，數值分析噴射器不同工況對制冷系統性能的影響。采用熱力學方法，考慮水蒸氣的真實物性，構建噴射制冷系統的數學模型，分別討論系統發生溫度、蒸發溫度、冷凝溫度對噴射器的噴射系數及系統性能系數 (COP)的變化關系，以期指導噴射器及系統的優化設計與使用。

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

在冷凝溫度和蒸發溫度恒定的情況下，改變工作流體溫度，研究工作溫度對噴射式制冷系統COP和噴射系數的影響。在冷凝溫度Tc=35℃，蒸發溫度Te=15℃的工況下，計算結果如圖3所示。隨著工作溫度的升高，噴射式制冷系統的COP和噴射系數都隨之增大，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，蒸發溫度對系統COP和噴射系數的影響如圖4所示。隨著蒸發溫度的升高，噴射式制冷系統的COP和噴射系數隨之近似線性升高，且斜率較圖3明顯增大，說明蒸發溫度對系統性能的影響比發生溫度大得多。

在工作溫度Tg=110℃，蒸發溫度Te=15℃的工況下，冷凝溫度對系統COP和噴射系數的影響如圖5所示。隨著冷凝溫度的升高，噴射式制冷系統的COP和噴射系數都隨之減小。其中系統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性能的負面影響很大。

綜上發現，較高的發生溫度、蒸發溫度和較低的冷凝溫度對于系統性能的提升有積極幫助。

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

4 結語

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，帶來諸多環境問題。噴射制冷系統可有效地利用船上的低能位能源，能采用水等天然制冷劑，并且結構緊湊，性能可靠，價格低廉，可有效減少船上動力設備投資以及燃料與管理費用，節約船艙寶貴的空間。因此，船用噴射制冷系統是一種綠色環保的制冷方式，符合我國節能減排的能源發展戰略，擁有廣闊的發展前景。

通過計算比較，系統的COP和噴射系數隨發生溫度和蒸發溫度的升高而增大，其中隨蒸發溫度升高而增大的斜率大于發生溫度，說明系統對于蒸發溫度更加敏感;系統COP和噴射系數隨冷凝溫度的升高下降明顯，系統在較高的冷凝溫度時性能明顯變差。因此，適當地提高發生溫度、蒸發溫度，降低冷凝溫度對于系統性能的提升有積極幫助。

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［8］KEENAN J H，NEUMANN E P，LUSTWERK F.An investigation of ejector design by analysis and experiment［J］.ASME Journal of Applied Mechanics Transactions，1950，72:299-309.