船用蒸汽噴射制冷空調的應用

李國誠

（武警海警學院 機電管理系，浙江寧波 315801）

0 引言

一直以來，石化燃料是經濟發展的引擎。經濟的不斷增長，也帶來能源的過度消耗、能源不能充分利用等問題，導致能源危機的不斷加劇。能源危機已成為各國面臨的難題。解決的方法是研發清潔能源或提高現有能源的利用率。海運行業擔負著全世界85%以上的貿易量。遠洋船舶運輸是高耗能、高排放的生產過程，每年都消耗了大量的石化燃料。根據近幾年相關數據進行預測，2020 年船舶運輸行業的燃油消耗至少高達四億噸且將會逐年增加[1]。船舶所排放的廢氣含有大量的廢氣余熱。目前，廢氣余熱再利用主要是通過廢氣渦輪增壓技術和廢氣鍋爐技術來實現，然后直接排入大氣。然而，經過渦輪增壓器和廢氣鍋爐吸收余熱后，廢氣的溫度高于300 ℃，含有可觀的二次余熱。如果這些二次余熱沒有被再次利用，會導致能源浪費，降低能源的原有價值。回收和利用柴油機二次余熱用于船舶空調制冷，對解決船舶節能減排、實現“綠色航運”、解決能源危機等問題具有重大意義。

1 蒸汽噴射制冷空調原理和組成

蒸汽噴射式制冷的本質是通過水在一定條件下汽化來產生制冷量。蒸汽噴射制冷系統所采用制冷劑和冷媒均為淡水。蒸汽噴射制冷系統的主要部件包括蒸汽發生器、噴射器、冷凝器、循環泵、節流閥和蒸發器。噴射器的內部結構，如圖2 所示。船用蒸汽噴射制冷空調的工作循環，如圖1 所示。柴油機二次余熱被蒸汽發生器再次利用，蒸汽發生器內的淡水受熱蒸發，產生大量高溫高壓的水蒸汽。高溫高壓水蒸汽流經噴嘴,壓力能轉化為速度能，在噴嘴出口處變成超音速的蒸汽，超音速的蒸汽流經擴壓管后，快速膨脹降壓，在噴射器出口處和進入混合室之前的形成一個低壓區域。噴射器吸入口與蒸發器是相連通的，會使蒸發器內形成極高的真空度。由于噴射器出口與蒸發器內存在壓力差，噴射器主動吸入來自蒸發器的引射冷劑水。蒸發器內冷媒水由于處在極高真空環境，會在低溫條件在汽化。來自艙室空調的循環冷媒水進入蒸發器，以此真空度下所對應的飽和溫度為條件，循環冷媒水部分汽化，吸收汽化潛熱，同時使蒸發器內未汽化的冷媒水溫度降至該真空度下所對應的飽和水的溫度，產生冷量，以供空調內的下一個循環使用。工作過的高溫高壓水蒸汽和汽化后的引射冷劑水混合后，經擴壓器流入冷凝器。在冷凝器內被舷外的海水冷卻形成冷凝水。一部分冷凝水通過循環泵泵送到蒸汽發生器，另一部分經節流閥降壓后補充成引射冷劑水。

圖1 蒸汽噴射制冷空調工作循環

2 蒸汽噴射制冷和傳統壓縮制冷的對比

2.1 蒸汽噴射制冷的特點

2.1.1 綠色節能

柴油機排放廢氣經過渦輪增壓器和廢氣鍋爐吸收余熱后，廢氣的溫度高達300 ℃以上，含有可觀的熱能，屬于二次余熱。蒸汽壓縮制冷循環動力來源于二次余熱，對二次余熱的再利用可提高船舶燃料的利用率，有利于船舶的節能減排[2]。因此，蒸汽噴射制冷循環是一種“綠色循環”。

2.1.2 環保可靠

蒸汽汽噴射制循環具有結構簡單、運行可靠、加工方便、操作簡便和維修費用低等優點[3]。蒸汽噴射制冷循環中的冷劑和冷媒介質都是淡水，化學性能穩定、易保存、成本低、蒸發潛熱大、對海洋環境無害。蒸汽發生器和噴射器無運動部件，結構簡單、無需潤滑、易維護保養且性能可靠。

2.1.3 制冷效率較低

利用水作為冷媒也具有一些缺點，水低于0 ℃就會結冰，因此系統制冷溫度不能低于0 ℃，一般為5 ℃～15 ℃，較高的制冷溫度會導致制冷效率的較低[4]。水蒸汽的汽化潛熱大，水蒸氣的比體積相對較大，為減少管路的壓降損失，系統內汽相的制冷劑管路直徑也相對較大[5]。但是，這個問題可通過在管路加裝抽氣裝置來解決。

2.2 船用蒸氣壓縮制冷特點

船用蒸氣壓縮制冷的動力來源于壓縮機。壓縮機類型按結構可分為活塞式壓縮機、螺桿式壓縮機和離心式壓縮機等，目前應用最廣泛的是活塞式壓縮機。活塞式壓縮機具有技術成熟、熱效率高、壓力適用范圍廣等優點；缺點是結構復雜、運動部件多、易損壞、故障較多、排氣脈動、振動大、噪聲大、維護量多。船用空調制冷介質主要有R717、R11、R22、R32、R134a、R410A 等。R717 單位制冷量高，消耗臭氧層潛值ODP＝0，但具有毒性。R11 和R22 技術成熟，在船舶上應用廣泛，ODP＞0，環保性低。R32 的ODP＝0，具有微毒性、微燃性、爆炸極限較廣的特點。R134a 的ODP＝0，無毒、不可燃，但吸水性強、滑油相容性差。R410A的ODP＝0，具有微毒，工作時壓力較高，對管路強度的要求高。這些制冷劑是船用活塞式壓縮制冷循環常用的幾種制冷工質，這些制冷劑均無法徹底規避“液擊”的風險。

2.3 對比結果

壓縮制冷具有制冷效率高、技術成熟等優點，在過去的幾十年，得到了廣泛的應用[6]。蒸汽噴射制冷的關鍵技術還未完全解決，受限于制冷效率較低，目前還沒有得到大規模的商業應用，在船舶上的應用也較少。蒸汽噴射制冷系統運行時，水制冷劑呈液態或汽態，不存在“液擊”和管路結晶的問題，且具有環保可靠、綠色節能、易維護保養等優點。蒸汽噴射制冷系統在可靠性、環保性、節能性上較傳統壓縮制冷技術系統更具有優勢。將蒸汽噴射制冷技術應用于船舶空調，這對提高船舶燃料的利用率具有重要意義，是“綠色船舶”、“綠色航運”的發展方向。

3 蒸汽噴射制冷技術的研究現狀

關于蒸汽噴射制冷研究正在進行，也取得了許多研究成果。張家豪通過對比仿真和實驗結果，表明蒸汽噴射器的結構和尺寸參數對噴射器性能和噴射器內的流場影響最大[6]。戴征舒[7]采用多種湍流模型對噴射器內不可逆損失進行數值模擬研究,指出不可逆損失越小,蒸汽噴射器的噴射效率越高。耿利紅[8]采用不同數值模擬的方法，探討噴射器結構尺寸和噴射器噴射效率之間的關系，并經試驗證明工作流體噴嘴入口壓力越大，工作流體的臨界質流密度越大。范昌明[9]分析船舶能源利用情況和傳統船用空調的缺點，指出利用船機余熱用于空調制暖是未來發展方向。化鵬基于實船數據為基礎，建立數學模型,將數值模擬結果和試驗數據進行對比，對船舶余熱噴射式制冷系統的影響因素進行研究，為未來該技術的實船應用提供了基礎的數據[1]。王菲[10]對比分析噴射制冷常用的幾種種工質，表明R152a具有更低的循環泵功和更大的性能系數且對環境影響較小。劉巖[11]以水為制冷工質，通過理論分析和試驗結果的對比，著重研究制冷機組性能的影響因素，指出冷凝溫度和蒸發溫度對制冷量影響較大。王曉冬[12]通過實驗分析，研究蒸汽背壓與引射系數的規律，結果表明，引射系數和背壓存在某一特定臨界值，背壓只要不超過臨界值，對引射系數較小，超過臨界值，會大大降低引射系數。王升龍[13]基于經驗公式設計了不同結構的噴射器，并采用正交試驗的方法進行驗證，結果證明該方法有效提高升壓式制冷循環的效果。康春錄[14]采用數值模擬和實驗研究對比方法對噴射器性能進行研究，提出了不同工況下最佳計算湍流模型的方案。董景明[15]通過數值模擬和實驗的對比方法，對所建立的噴射器理論模型進行驗證，結果表明該模型計算結果優于Eames 等人所提出的理論模型。

目前的研究領域大多集中于噴射器的性能、設計、流場及制冷的影響因素，也通過試驗驗證了一些噴射器設計的計算模型。但是這些計算模型只是滿足某一型或某一噸位船舶，缺乏通用性。噴射器內汽液雙相態流動十分復雜，涉及到湍流流動、多相流動、超音速流動等復雜情況。要設計出實用性強的噴射器，必須先掌握準確噴射器內部流場理論的運動模型，關于這方面的報道較少。由于缺乏通用的準確噴射器設計的計算模型，導致不同噸位、不同船型應用蒸汽噴射制冷技術時，需投入精力和成本去研制噴射器，這也增加了船舶使用蒸汽噴射制冷系統的阻力。蒸汽噴射制冷大多還處于數值模擬研究和實驗室試驗階段，關于實船的應用研究還較少。目前，蒸汽噴射制冷系統的研究還有欠缺，特別是噴射器的設計模型、噴射制冷效率模型等問題還需進一步研究，繼續提高噴射系統性能和制冷效率以滿足船舶上實際應用的需要。

4 實船廣泛應用需解決的主要問題

4.1 船用蒸汽噴射器設計的計算模型

噴射器由噴嘴、吸入室、混合室和擴壓管組成，其整體結構如圖2 所示。噴嘴平面草圖如圖3 所示，g 為喉部直徑，h 為出口直徑。混合室和擴壓管平面草圖如圖4 所示，a 為噴嘴進口直徑，b 為混合室和擴壓管的直徑，e 為長度，f 為擴散角。整套蒸汽噴射制冷系統抽汽效率的影響因素主要包括該系統的引射系數和擴壓器的背壓。引射系數的值等于引射流體質量流量與工作流體質量流量的比值。引射系數大說明抽汽效率高，反之，抽氣效率低。引射系數大小直接與噴射器的結構和尺寸大直接相關。其中，對引射系數的影響最大的是噴嘴出口處與混合室入口處之間距離[1]。抽氣效率還受背壓的影響，背壓大小取決于擴壓器進口直徑、出口直徑、混合室的長度、擴壓器的擴散角，其中，擴壓器出口的直徑對背壓影響最大。所以，噴射器設計重點是結構設計、尺寸參數的大小及背壓。蒸汽在噴射器的內部流動十分復雜，目前常用的理論設計方法主要有氣動動力學函數法、經典熱力學法和經驗系數法，這些方法能應用的范圍還不夠廣泛[16]。如果后續研究者提出一種可應用于實船的噴射器設計的數學模型，提高噴射器的效率，將會大大加快蒸汽噴射制冷空調在船舶上應用的步伐。

圖2 噴射器整體結構圖

圖3 噴嘴平面草圖

圖4 混合室和擴壓管結構草圖

4.2 船舶有效二次余熱的計算模型

二次余熱是指船舶廢氣熱量經廢氣渦輪增壓器和廢氣鍋爐吸收后還存在的能量。通過二次余熱的計算可為下一步制冷量計算和噴射器設計提供基礎數據。不同類型船舶二次余熱也不一樣，主要影響因素有主機的功率、工況、每小時廢氣排量、廢氣溫度等。二次余熱計算理論計算公式如式（1）所示。

于是他蹲坐在她的對面，小心地啃著，動作很紳士，幾乎不留下一點碎屑，吃完后又伸出他的小爪子，在嘴上輕輕按了兩下，抬起頭來見她在望他，就不好意思又歡喜地笑了一笑，她突然發現他的嘴巴是那么小巧精致，呈一個完美的倒三角形狀，多么可愛，她心里頓時爬著一股癢癢的欣然。那一刻她記了好多年。

式中：Qy為二次余熱總量，kJ；Cy為廢氣平均定壓比熱，kJ/(kg·℃)；My為每小時排煙量；T2為經鍋爐吸收后的溫度，℃；T1為廢氣排入大氣的溫度，℃。理論計算公式只能提供一些基礎的數據，實船應用中無法將理論計算所得的二次余熱100%全部用于系統循環。因此，船舶可用于制冷的余熱還須通過實船進行大量試驗，以探討船舶有效余熱的計算模型。

4.3 最佳運行參數的計算模型

冷凝溫度、冷凝器壓力、蒸發溫度、冷媒水溫度和背壓等參數都會影響蒸汽噴射的制冷效果。冷凝溫度和冷媒水溫度低，則制冷量大，但是水在在0℃時會結冰，所以冷媒水溫度不能低于0°。冷凝器壓力過大會導致背壓高，背壓噴射器引射系數小，制冷效率差。實船應用時，系統的冷凝溫度、冷凝器壓力、蒸發溫度、冷媒水溫度、背壓等任何一個運行參數發生變化，都會影響制冷的效果，所以各個運行參數應在一個合適的范圍。目前，對運行參數的研究大多停留在實驗研究，實船試驗研究相對較少。為確定合適的參數范圍，可以采用“四步”研究法。

1）對運行參數進行數學建模和數值模擬，探討理論應用規律。

2）構建實驗平臺，對理論應用規律進行修正。

3）將蒸汽噴射制冷設備進行實際船舶試驗，以確定該型最佳的運行參數范圍。

4）進行多型多噸位的各類船舶的試驗，建立起各個參數與制冷效率之間的數學模型。

5 結論

1）研究重點即提高蒸汽噴射制冷的效率，建立精確的制冷運行參數計算模型、準確的能廣泛應用于各類船型的船用蒸汽噴射器設計數學模型和有效二次余熱的計算模型。

2）蒸汽噴射制冷的熱源除了來自主機的二次余熱以外，還有可以吸收太陽能、缸套余熱等。

3）建立起蒸汽噴射制冷空調和其他制冷方式聯合機制，充分發揮各種的優點，以便船舶二次余熱不足時，也能提供有效的空氣調節。