船用蒸汽噴射制冷機(jī)組試驗(yàn)研究

劉　巖，董友子，顧凡奇

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所無(wú)錫分部，江蘇無(wú)錫214151)

船用蒸汽噴射制冷機(jī)組試驗(yàn)研究

劉巖，董友子，顧凡奇

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七○三研究所無(wú)錫分部，江蘇無(wú)錫214151)

摘要:設(shè)計(jì)并搭建蒸汽噴射制冷機(jī)組性能研究試驗(yàn)臺(tái)，以低溫低壓蒸汽作為機(jī)組驅(qū)動(dòng)熱源，選用水作為制冷劑。主要研究工作蒸汽溫度、蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和壓力等工況條件對(duì)制冷機(jī)組制冷能力的影響，為改善和提高船用蒸汽噴射制冷機(jī)組的性能提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞:蒸汽噴射制冷機(jī)組;性能測(cè)試;試驗(yàn)研究

Experimental research of the marine steam jet refrigerator

LIU Yan，DONG You-zi，GU Fan-qi (Wuxi Branch，The 703 Research Institute of CSIC，Wuxi 214151，China)

Abstract:The article designs and builds the steam jet refrigeration system to study，which is driven low temperature and low pressure steam as the heat source and selects water as the working fluid．The effects of operating conditions including working steam temperature，evaporating temperature，condensing temperature and pressure on refrigerating capacity are investigated．The research provides reference to improve and enhance the performance of marine steam ejector refrigerator．

Key words:steam jet refrigerator; performance test;experimental research

0　引言

能源危機(jī)日益緊迫，節(jié)能減排已成為各行各業(yè)關(guān)注和研究的焦點(diǎn)，船舶節(jié)能已成為世界各國(guó)造船界和航運(yùn)界研究的重要課題。蒸汽噴射式制冷技術(shù)采用低品位熱能驅(qū)動(dòng)，可有效回收船舶運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的余熱、廢熱，并使用環(huán)保型工質(zhì)水作為制冷劑，機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用壽命長(zhǎng)且易于維修，具有較高的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景［1］。

1　蒸汽噴射制冷機(jī)組工作原理

蒸汽噴射制冷是采用蒸發(fā)制冷原理利用在同溫度下液體汽化需吸收大量汽化潛熱來(lái)實(shí)現(xiàn)冷效應(yīng)。

蒸汽噴射制冷機(jī)組工作原理圖如圖1所示，噴射器的吸入室與蒸發(fā)器相連，擴(kuò)壓室與冷凝器相連。工作蒸汽由蒸汽發(fā)生器(余熱鍋爐)產(chǎn)生，進(jìn)入主噴射器在拉瓦爾噴嘴中絕熱膨脹，形成高速汽流，在噴嘴出口處降壓，使蒸發(fā)器內(nèi)產(chǎn)生高度真空，為蒸發(fā)器內(nèi)水在低溫汽化創(chuàng)造條件。來(lái)自用戶的工作水循環(huán)進(jìn)入蒸發(fā)器，在此真空對(duì)應(yīng)的飽和溫度下部分汽化，吸收了大量汽化潛熱，使蒸發(fā)器內(nèi)未汽化的工作水溫度降至飽和水的溫度，產(chǎn)生冷量，供用戶使用。主噴射器工作過(guò)的蒸汽和在蒸發(fā)器內(nèi)被引射后汽化的冷劑水蒸氣在噴嘴出口處混合，一起進(jìn)入擴(kuò)壓室，在擴(kuò)壓室中由于流速減低而使壓力升高，后進(jìn)入冷凝器內(nèi)被弦外海水冷卻帶走熱量形成凝結(jié)水，凝結(jié)水一部分送回發(fā)生器，一部分節(jié)流降壓后回蒸發(fā)器補(bǔ)充工作水［2］。輔噴射器將冷凝器中的不凝性氣體兩級(jí)抽出排空，保持冷凝器內(nèi)一定的真空度。

2　測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文為某型船蒸汽噴射制冷機(jī)組設(shè)計(jì)并搭建了一套性能測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，模擬實(shí)船工況，用于分析和

研究機(jī)組性能。

圖1　蒸汽噴射制冷機(jī)組工作原理圖Fig.1　The principle of steam marine jet refrigeration unit

2.1試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)原理及組成

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)考慮到機(jī)組自身冷熱平衡特點(diǎn)，充分利用蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量和冷凝器剩余的熱量相互抵消，減少外部能量的輸入，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)的高效節(jié)能運(yùn)行。

圖2　蒸汽噴射制冷機(jī)組試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.2　Schematic of the steam jet refrigerator

試驗(yàn)臺(tái)主要包括冷凍水回路、兌水回路、冷卻水回路和負(fù)載調(diào)節(jié)回路，如圖2所示。冷凍水回路與兌水回路通過(guò)換熱器串聯(lián)，利用兌水回路中調(diào)節(jié)閥控制熱水流量的大小，改變輸入冷凍水回路熱量的多少，實(shí)現(xiàn)冷凍水出水溫度(5±0.3℃，7± 0.3℃、9±0.3℃)的要求。冷卻水回路與兌水回路、負(fù)載調(diào)節(jié)回路共用1個(gè)調(diào)溫水箱，冷卻水進(jìn)水溫度由負(fù)載回路輸入調(diào)溫水箱冷量的多少來(lái)實(shí)現(xiàn)的，控制進(jìn)水溫度在36℃～15℃。負(fù)載調(diào)節(jié)回路是由2臺(tái)輔助冷水機(jī)組并聯(lián)作為系統(tǒng)冷源構(gòu)成，其制冷量大于輸入工作蒸汽的汽化潛熱，這是由系統(tǒng)的能量守恒決定的［3］。冷卻水流量和冷凍水流量均采用變頻流量控制。工作蒸汽由工業(yè)鍋爐產(chǎn)生，經(jīng)減溫減壓裝置節(jié)流降溫處理形成低溫低壓蒸汽，模擬實(shí)船廢汽。

2.2試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)，如圖3所示，整個(gè)控制結(jié)構(gòu)為閉環(huán)負(fù)反饋控制，其中執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象、測(cè)量變送裝置均為試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)中的硬件部分如電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、水泵變頻器等。

圖3　計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖Fig.3　Computer control system of organization diagram

測(cè)量裝置一般為數(shù)據(jù)采集模塊，每隔一定的采樣周期對(duì)被控對(duì)象的某個(gè)參數(shù)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集;控制器的輸入為給定值和實(shí)際值的偏差e，輸出值經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換后傳遞給執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相應(yīng)的控制量，目的為消除偏差e，使其趨向于0，從而達(dá)到系統(tǒng)自動(dòng)化穩(wěn)定控制的目的。

3　試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)臺(tái)工作蒸汽溫度控制在100℃～180℃，工作蒸汽壓力控制在1.0～1.4 MPa，蒸發(fā)溫度控制在3℃～17℃，冷凝溫度控制在15℃～40℃。測(cè)試研究各參數(shù)對(duì)蒸汽噴射制冷機(jī)組制冷量的影響。

3.1工作蒸汽溫度的影響

在蒸發(fā)溫度和冷凝溫度恒定的情況下，分析工作蒸汽溫度對(duì)制冷量的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，隨工作蒸汽溫度不斷升高，機(jī)組制冷量隨之增大，蒸汽耗量也逐漸正大［4］，變化趨勢(shì)較為平緩。

圖4　工作蒸汽溫度對(duì)機(jī)組性能影響Fig.4　Effect of steam temperature on refrigerator capacity

3.2蒸發(fā)溫度的影響

在工作蒸汽參數(shù)和冷凝溫度恒定的情況下，分析蒸發(fā)溫度對(duì)制冷量的影響。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，隨蒸發(fā)溫度不斷升高，機(jī)組制冷量隨之近似線性升高，且斜率明顯增大，說(shuō)明蒸發(fā)溫度對(duì)機(jī)組性能影響比工作蒸汽溫度要大得多［5］。

圖5　蒸發(fā)溫度對(duì)機(jī)組性能影響Fig.5　Effect of evaporator temperature on refrigerator capacity

圖6　工況條件對(duì)噴射器內(nèi)流體引射和混合過(guò)程的影響Fig.6　Effect of operating condition on entrainment and mixing process in ejector

3.3冷凝溫度的影響

在工作蒸汽參數(shù)和蒸發(fā)溫度恒定的情況下，分析冷凝溫度對(duì)制冷量的影響［2］。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，隨著冷凝溫度的升高，機(jī)組制冷量隨之減小，其中初始段下降斜率較快，高溫區(qū)斜率變化趨緩。

圖7　冷凝溫度對(duì)機(jī)組性能影響Fig.7　Effect of condenser temperature on refrigerator capacity

3.4冷凝壓力的影響

在工作蒸汽參數(shù)和蒸發(fā)溫度恒定的情況下，改變冷卻水流量，使冷凝壓力不斷升高，分析其對(duì)制冷量的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，隨冷凝壓力不斷升高，機(jī)組制冷量先保持不變，當(dāng)達(dá)到某一臨界冷凝壓力時(shí)，制冷量急劇下降直至為0。

蒸汽噴射式制冷工作區(qū)域分為3部分:臨界區(qū)域、亞臨界區(qū)域和回流區(qū)域。在臨界區(qū)域由于引射流體在混合腔內(nèi)產(chǎn)生壅塞現(xiàn)象導(dǎo)致冷凝壓力升高而制冷量保持不變。在亞臨界區(qū)域隨著冷凝壓力的增大，工作蒸汽與引射流體混合而產(chǎn)生的激波向噴嘴側(cè)移動(dòng)，會(huì)干擾兩者混合，使引射流體流量迅速減少，制冷量迅速降低。當(dāng)冷凝壓力繼續(xù)增大，工作蒸汽不再引射蒸發(fā)器內(nèi)的低溫流體，引射流體流量為0，該區(qū)域即為回流區(qū)域，在該區(qū)域工作蒸汽相當(dāng)于加熱蒸發(fā)器內(nèi)的流體。

圖8　冷凝壓力對(duì)機(jī)組性能影響Fig.8　Effect of condensing pressure on refrigerator capacity

4　結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論分析表明，蒸汽噴射制冷機(jī)組制冷量隨工作蒸汽溫度的升高而增大;隨蒸發(fā)溫度的升高而增大，其效果明顯強(qiáng)于工作蒸汽溫度的影響;制冷量還隨冷凝溫度的升高而減少，并在冷凝壓力低于臨界壓力的情況下，保持制冷量基本不變，該性能在以犧牲機(jī)組性能為代價(jià)的前提下，能夠保證機(jī)組在較高的冷凝壓力下正常運(yùn)行。

參考文獻(xiàn):

［1］張琨，章秋平，張博．船用噴射制冷系統(tǒng)性能研究［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2013，35(1) :70－85．

［2］何文勝，周國(guó)義，陳林根．海水溫度對(duì)船用蒸汽噴射制冷機(jī)性能的影響［J］．船舶工程，2007，36(3) :68－70．

［3］楊瑞，陳威，孫禎．毛細(xì)泵循環(huán)蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)的研究［J］．制冷與空調(diào)，2010，10(3) :20－24．

［4］陳作舟，唐黎明，羅江玉，等．高冷凝溫度下兩級(jí)噴射式制冷系統(tǒng)研究［J］．流體機(jī)械，2014，42(8) :64－68．

［5］董景明，潘新祥，宋立國(guó)，等．噴射式制冷在船舶空調(diào)中的應(yīng)用研究［J］．船舶工程，2011，33(1) :29－32．

［6］CHUNNANOND K，APHORNRATANA S．Ejectors: applications in refrigeration technology［J］．Renewable and Sustainable Energy Reviews，2004，8(2) :129－155．

作者簡(jiǎn)介:劉巖(1982－)，男，碩士，工程師，從事艦船設(shè)備測(cè)試。

收稿日期:2014－12－10;修回日期: 2014－12－19

文章編號(hào):1672－7649(2015) 07－0046－03doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.011

中圖分類號(hào):U664．52

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A