多級噴射器在船舶冷庫節能中的應用

籍 偉，俞夢琪，董景明，楊宗橋，高嘉銘

（1. 浙江富興海運有限公司，浙江 杭州 310000；2. 大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026）

0 引 言

船舶冷庫是船上一個非常重要的部分，隨著船舶貨運量的不斷增加，對冷庫的冷藏保鮮要求越來越高。船上早期采用的機械制冷式冷庫是只能控制1種蒸發溫度的單級冷庫[1]，隨著人們生活水平的不斷提高，這種單級冷庫逐漸無法滿足日益增長的冷藏需求，在此情況下，多機多庫系統開始出現。多機多庫系統是指根據船舶對不同制冷溫度的需求設計不同蒸發溫度的冷庫，分別配以不同的壓縮機組進行控制的系統。該系統造價高，占地面積大，且會增加船舶的質量，不利于船舶運貨，因此很快就被一機多庫系統[2]取代。一機多庫系統是指僅用1臺制冷壓縮機實現對不同蒸發溫度冷庫的控制的系統，圖1為典型的船舶一機多庫系統，只配置有1臺制冷壓縮機，不僅能節約投資成本，而且可節省機艙空間。但是，該系統存在一定的缺陷，例如高溫庫與中溫庫和低溫庫的蒸發溫度和蒸發壓力不同，三者共用一條回氣總管會造成回氣壓力不均勻，進而對壓縮機的工作性能造成較大的影響。因此，分別在高溫庫和中溫庫的回氣管上加裝一個壓力調節閥，使高溫庫和中溫庫的回氣壓力減小，最終與低溫庫的回氣壓力相等。一機多庫系統中壓縮機的回氣壓力的大小取決于低溫庫的庫溫對應的蒸發壓力的大小，這會使制冷壓縮機的壓縮比較高，工作性能較差。

圖1 典型的船舶一機多庫系統

為提高船舶冷庫中制冷系統的能效，采用噴射器代替原制冷系統中的壓力調節閥，其工作原理是：利用高溫庫蒸發器產生的高溫高壓氣態制冷劑作為噴射器的工作流體，用其引射低溫庫蒸發器產生的氣態制冷劑，二者混合之后形成的氣態冷劑的壓力介于高溫庫蒸發壓力與低溫庫蒸發壓力之間，因此可有效提高壓縮機的回氣壓力，從而降低壓縮機的功耗。KOMHAUSER[3]和TOMASEK[4]嘗試用噴射器代替制冷系統中的壓力調節閥，研究發現噴射器可有效提高壓縮機的回氣壓力。WANG[5]研究汽-液兩相噴射器在多級冷庫中的應用，發現冷庫工況和噴射器尺寸對制冷系統的性能有較大的影響。LI[6]設計一種可調節噴嘴喉部面積的噴射器并將其應用于多級冷庫中，通過試驗發現該噴射器可較好地滿足變工況的要求。KAIROUAN[7]采用理論建模的方法對比兩級噴射器系統與傳統一機多庫系統的性能，發現在給定的工況下，R141b的工作性能更好。毛小兵等[8]將噴射器引入船舶高溫冷庫和低溫冷庫中，并對新循環進行理論和試驗研究。本文采用多級噴射器代替一機多庫系統中高溫冷庫和中溫冷庫出口的壓力調節閥，并設計2種系統方案。對比不同環保工質對系統COP（Coefficient of Performance）（下文用COP表示）和壓縮機功耗的影響。在此基礎上，研究不同冷庫的蒸發溫度對系統COP和制冷量的影響。

1 多級噴射器的冷庫系統設計

圖2為方案一中帶噴射器的一機多庫系統，其中蒸發器①、蒸發器②和蒸發器③分別對應船舶高溫冷庫、中溫冷庫和低溫冷庫。從高溫冷庫蒸發器出來的高溫高壓氣態冷劑10作為噴射器Ⅰ的工作流體，在噴嘴13出口膨脹降壓，形成一個低壓區來引射中溫冷庫中的氣態冷劑11。工作流體與引射流體在混合室內充分混合形成的混合流體14經過擴壓室之后將動能轉化為壓力能形成高壓氣體15，這部分高壓氣體作為噴射器Ⅱ的工作流體，在噴嘴16出口膨脹降壓，引射低溫冷庫的氣態冷劑12。工作流體與引射流體在混合室內交換能量，形成的混合流體17通過擴壓室將動能轉化為壓力能，通過兩級噴射器增壓之后形成的混合流體1的壓力介于中溫冷庫的蒸發壓力與低溫冷庫的蒸發壓力之間，即壓縮機的回氣壓力得到提升。壓縮機進一步將增壓之后的氣態冷劑壓縮為高溫高壓的過熱氣體2，并將其送入冷凝器中冷卻為高溫高壓的液態冷劑3。從冷凝器出來的液態冷劑3分別進入高溫冷庫、中溫冷庫和低溫冷庫的蒸發器。各冷庫的蒸發壓力分別通過對應的膨脹閥來控制。

圖2 方案一中帶噴射器的一機多庫系統

圖3為方案二中帶噴射器的一機多庫系統。與方案一相比，該方案調整了多級噴射器與冷庫之間的連接方式：中溫冷庫出口的氣態冷劑11′作為噴射器Ⅱ的工作流體引射低溫冷庫的氣態冷劑12′，混合之后氣態冷劑15′作為引射流體被噴射器Ⅰ引射，噴射器Ⅰ的工作流體為高溫冷庫出口的高溫高壓氣態冷劑10′。

圖3 方案二中帶噴射器的一機多庫系統

2 冷庫系統模型

針對上述帶噴射器的冷庫系統，采用熱力學方法進行建模分析。為簡化計算，做以下假設：

1) 制冷劑在冷庫中吸收熱量變為過熱氣體，過熱度為5℃；

2) 制冷劑在冷凝器中被冷卻為飽和液體；

3) 忽略系統中的輻射、對流等熱交換，以及管道的壓力損失和摩擦損失；

4) 系統中的流體均為理想流體，整個工作過程中比熱不變；

5) 噴射器入口速度為零，混合過程是絕熱定熵的，噴嘴效率ηn=0.85，擴壓室效率ηd=0.85；

6) 節流閥前后焓值不變。

2.1 冷庫

在方案一和方案二中，高溫冷庫、中溫冷庫和低溫冷庫的熱負荷分別為

2.2 噴射器

1) 在方案一中，噴射器Ⅰ和噴射器Ⅱ的引射比分別表示為

2) 在方案二中，噴射器Ⅰ和噴射器Ⅱ的引射比分別表示為

式(4)～式(7)中：u1和u2為噴射器的引射比，即引射流體質量流量與工作流體質量流量的比值。

2.3 壓縮機

在方案一和方案二中，壓縮機的功耗與吸氣壓力和冷凝壓力有關，假設1-2是一個等熵壓縮的過程，即，通過冷凝壓力P2和s2可查得壓縮機出口的焓值h2，再引入一個絕熱系數η，可得壓縮機的功耗為

式(8)中絕熱系數η的計算式[9]可表示為

2.4 熱力膨脹閥

膨脹閥前后的焓值不變，即

2.5 系統COP

制冷系數COP為所有冷庫的制冷量和壓縮機功耗的比值。

1) 對于方案一，有

2) 對于方案二，有

3 結果與討論

假設高溫冷庫的制冷量為 1.75kW，中溫冷庫和低溫冷庫的制冷量通過計算噴射器的引射比和制冷劑的質量流量得到；同時，假設傳統一機多庫系統的總制冷量與噴射器系統相同。制冷劑在制冷系統中各位置的熱力學參數通過調用REFPROP軟件得到。

3.1 不同工質對制冷系統性能的影響

船用制冷劑的選擇受很多因素的影響，《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL公約）附則Ⅵ明確規定了船舶溫室氣體排放規則，并限制了 HCFCs類制冷劑的使用和淘汰年限。船用制冷劑的選擇應考慮以下因素[10]。

1) 經濟性能好：汽化潛熱高，功耗小，臨界溫度低，有良好的化學性和熱穩定性。

2) 無環境污染：破壞臭氧潛能值（Ozone-Destroying Potential, ODP）和全球變暖潛能值（Global Warming Potential, GWP）為零或很小。

3) 安全性能好：安全等級至少為A1，無毒、不易燃、不易爆；沒有刺激性氣體，便于輪機員管理和維護。

根據上述標準，本文選擇R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和R507A等6種環保型制冷劑作為冷卻系統的循環工質，其主要物性參數見表1。

表1 不同制冷劑的物性參數

表2為傳統一機多庫系統中不同制冷劑的COP、壓縮機回氣壓力P1和單位質量流量的功耗W，其中：高溫冷庫溫度Teva1=6℃；中溫冷庫溫度Teva2=-5℃；低溫冷庫溫度Teva3=-30℃；冷庫過熱度Tsup=5℃；冷凝溫度Tc=25℃。

表2 傳統一機多庫系統中不同制冷劑的COP、壓縮機回氣壓力P1和單位質量流量的功耗W

圖4為方案一的新舊系統性能對比。從圖4a中可看出，采用噴射器代替壓力調節閥可有效提高壓縮機的回氣壓力并減少壓縮機的功耗。在給定的工況下，使用R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和R507A等6種環保型制冷劑的新系統的壓縮機回氣壓力分別比原系統提高19.34%、25.05%、21.38%、21.56%、26.59%和22.24%，壓縮機的功耗分別比原系統減少10.84%、14.51%、11.59%、11.63%、14.65%和12.83%。

壓縮機功耗減少是造成COP增大的主要原因。從圖4b中可看出，在給定的工況下，R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和R507A等6種制冷劑的COP分別為2.96、2.90、2.55、2.53、2.96和2.87，分別比原系統提高12.15%、16.97%、13.11%、13.17%、17.16%和14.72%，其中R410A系統的COP提高幅度最大。

圖4 方案一的新舊系統性能對比

圖5為方案二的新舊系統性能對比。從圖5a中可看出，在給定的工況下，使用R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和 R507A等 6種環保型制冷劑的新系統的壓縮機回氣壓力分別比原系統提高 59.17%、70.47%、65.00%、65.24%、73.45%和64.16%，壓縮機的功耗分別比原系統減少25.89%、32.29%、27.54%、27.83%、33.49%和30.24%。從圖5b中可看出，在給定的工況下，R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和R507A等6種環保型制冷劑的COP分別為3.66、3.81、3.21、3.20、3.89和3.74，分別比原系統提高34.95%、47.69%、38.02%、38.56%、50.37%和43.36%，其中R410A的性能最好。

圖5 方案二的新舊系統性能對比

由上述結果可知，方案二的COP要遠大于方案一。這是因為噴射器提高的流體壓力介于工作流體與引射流體之間。方案一的回氣壓力介于中溫冷庫的蒸發壓力與低溫冷庫的蒸發壓力之間；方案二將高溫冷庫作為第二級噴射器的工作流體，回氣壓力介于高溫冷庫的蒸發壓力與低溫冷庫的蒸發壓力之間，相比方案一有較大的提升。

3.2 冷庫不同工況對制冷系統性能的影響

以方案二的制冷系統為研究對象，以性能最好的R410A為工質，研究不同冷庫溫度對制冷系統性能的影響。圖6a表示的是在高溫冷庫溫度Teva1=0～10℃、中溫冷庫溫度Teva2=-6℃、低溫冷庫溫度Teva3=-30℃和冷凝溫度Tc=25℃時，高溫冷庫溫度Teva1對系統COP、總制冷量Q和引射比u1及u2的影響。從圖6a中可看出：隨著高溫庫溫度的升高，系統COP逐漸增大，總制冷量Q逐漸增加。這是因為中溫冷庫與低溫冷庫的制冷量之和與高溫庫的制冷量和噴射器引射比有關。噴射器Ⅰ的引射比u1隨著高溫冷庫溫度的升高而增大。當高溫冷庫的制冷量保持不變，即噴射器Ⅰ的工作流體質量流量不變時，引射流體的質量流量隨著引射比u1的增大而增加。因此，中溫冷庫的制冷量與低溫冷庫的制冷量之和升高。

圖6b表示的是在高溫冷庫溫度Teva1=5℃、中溫冷庫溫度Teva2=-10～-2℃、低溫冷庫溫度Teva3=-30℃和冷凝溫度Tc=25℃時，中溫冷庫溫度Teva2對系統COP、總制冷量Q和引射比u1及u2的影響。從圖6b中可看出：隨著中溫冷庫溫度的升高，系統COP逐漸增大，總制冷量逐漸減少。這是因為噴射器Ⅰ的引射比u1隨著中溫冷庫溫度的升高而減小，當高溫冷庫的制冷量保持不變時，低溫冷庫的制冷量與中溫冷庫的制冷量之和隨著引射比u1的減小而減少。因此，總制冷量有所減少。

圖6c表示的是在高溫庫溫度Teva1=5℃、中溫庫溫度Teva2=-6℃、低溫庫溫度Teva3=-35～-27℃和冷凝溫度Tc=25℃時，低溫冷庫溫度Teva3對系統COP、總制冷量Q和引射比u1及u2的影響。從圖6c中可看出：隨著低溫冷庫溫度的升高，系統COP逐漸增大，而總制冷量有較大幅度的減少。這是因為一級噴射器的引射比u1隨著低溫冷庫溫度的升高而減小，當高溫冷庫的制冷量變化不大時，低溫冷庫的制冷量與高溫冷庫的制冷量之和隨著引射比u1的減小而減少。

圖6 冷庫溫度對制冷系統性能的影響

4 結 語

本文對噴射器在船舶冷庫節能方面的應用進行了理論研究，采用理論建模的方法對比了噴射器與船舶一機多庫系統不同連接方式的節能效果，主要得到以下結論：

1) 方案二相比方案一可進一步提高壓縮機的回氣壓力，系統的性能更好；

2) R410A作為一種綠色環保型工質，更適合帶有噴射器的冷庫系統采用；

3) 不同的冷庫溫度對制冷系統性能的影響較大，高溫冷庫的溫度升高會使系統COP增大，總制冷量增加；中溫冷庫的溫度升高會使系統COP增加、總制冷量減少；低溫冷庫的溫度升高會使系統COP增大、總制冷量減少。