船舶廢熱驅動的噴射式制冷系統的高等分析

李富娟 羅文華 鄭超瑜 陳武

摘要：為提升船舶廢熱驅動的噴射式制冷系統的能源利用率，基于系統實驗樣機的運行性能數據，對船舶廢熱驅動的噴射式制冷系統進行高等

分析，全面考察分析系統各部件的外源和內源損失以及可避免和不可避免損失。結果表明，系統部件的優化順序依次為蒸發器、噴射器、冷凝器、發生器、節流閥、工質泵，蒸發器具有最大的優化潛能。與傳統分析結果的比較表明，高等分析能夠為船舶廢熱驅動的噴射式制冷系統的優化提供更加明確的指導。

關鍵詞：

船舶廢熱回收; 噴射式制冷系統; 高等分析

中圖分類號：? U664.5; TK11+5

文獻標志碼：? A

Advanced exergy analysis of ejector refrigeration system

driven by ship waste heat

LI Fujuan1， LUO Wenhua1， ZHENG Chaoyu2， CHEN Wu1

（1.Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China;

2.Marine Engineering Institute， Jimei University， Xiamen 361021， Fujian， China）

Abstract：

In order to improve the energy efficiency of the ejector refrigeration system driven by the ship waste heat， based on the operation performance data of the system experimental prototype， the advanced exergy analysis of the ejector refrigeration system driven by the ship waste heat is carried out. The analysis comprehensively examines the exogenous and endogenous exergy loss， the avoidable and unavoidable exergy loss of each component in the system. The results show that， the sequence of optimization of system components is the evaporator，? the ejector， the condenser， the generator， the throttle， and the working fluid pump. The evaporator is of the greatest optimization potential. Compared with the results of the traditional exergy analysis， it indicates that the advanced exergy analysis can provide clearer guidance for the optimization of the ejector refrigeration system driven by the ship waste heat.

Key words：

ship waste heat recovery; ejector? refrigeration system; advanced exergy analysis

0 引 言

推進船舶節能已成為航運業界的共識。作為船舶主動力裝置的傳統柴油機熱效率僅約50%，運行中產生大量的廢熱，加強船舶廢熱的回收利用是推動船舶節能的重要途徑。熱驅動噴射式制冷系統在廢熱回收領域具有良好的應用前景[1-2]。為提升熱驅動噴射式制冷系統的性能，近年來開展了大量的研究。BAI等[3]指出在回收低溫廢熱時，噴射式制冷系統可采用環保型工質R134ze，系統的循環性能系數可達到0.38。KUMAR等[4]提出利用壓縮機產生的高溫CO2來驅動蒸汽噴射式制冷系統，可使系統的冷卻能力提高10%～50%。田蕾[5]針對回收船舶余熱的噴射式制冷系統提出一種潛熱回收方案，可節約28%的加熱量。周秋麗[6]研究回熱對兩級噴射式制冷系統的影響。鄧婕[7]設計出一種兩級噴射器，大大提高了噴射器的升壓能力。董景明等[8]對噴射器的4種波瓣形噴嘴形狀開展比較研究，實驗結果表明當采用六波瓣形噴嘴時，系統的循環性能系數可得到有效提升。

高等分析有別于傳統分析，傳統分析僅分析系統的總損失，高等分析在傳統分析的基礎上從系統各部件相互作用角度和目前技術條件限制角度將損失進一步分為內源和外源損失，以及可避免和不可避免損失。近年來高等分析在各類熱力系統研究領域的應用受到了重視，其結果對各類熱力系統的優化具有更明確的指導作用。TSATSARONIS[9]對傳統損失分析進行改進，在2008年首次提出一種新的分析方法即高等分析，并隨后確定出5種劃分高等損失的方法[10]。MOROSUK等[11]運用高等分析首次對蒸汽壓縮制冷系統中工質的影響開展研究。

COLORADO-GARRIDO[12]通過對壓縮吸收復疊制冷系統的高等分析指出，蒸發器具有最大的優化潛能。

本文通過對船舶廢熱驅動的噴射式制冷系統在不同工況下的運行性能數據進行傳統分析和高等分析，并指出系統優化改進的具體方向。

1 系統實驗樣機的構成及工作原理

船舶廢熱驅動的噴射式制冷系統的結構組成見圖1。該系統由噴射器、冷凝器、儲液箱、蒸發器、工質泵、發生器和節流閥組成。該系統循環過程的溫度-熵（T-s）圖見圖2。完整的循環過程如下：發生器回收利用船舶廢熱產生高溫高壓蒸汽，產生的高溫高壓蒸汽作為噴射器的工作流體流經噴射器噴嘴，從壓力Pg升壓至Pe（狀態1→2）;抽吸來自蒸發器的引射流體（狀態2→4）并與蒸汽在噴射器混合室中進行混合（狀態3→4）;混合流體流經噴射器擴壓室升壓至Pc（狀態4→5）;升壓后的混合流體流經冷凝器被舷外海水冷卻（狀態5→6）;冷卻后的混合流體隨后被分成兩路。其中一路經節流閥降壓到Pe（狀態6→9），節流后工質在蒸發器內蒸發吸熱（狀態9→3）;另一路經工質泵進行升壓（狀態6→7），升壓后流返到發生器中（狀態7→8），被進一步加熱汽化成工作蒸汽（狀態8→1）。

船舶廢熱驅動的噴射式制冷系統實驗樣機如圖3所示。實驗樣機的蒸發器采用閃蒸罐，其直徑為275 mm，高為600 mm，設計制冷量為3 kW;冷凝器采用板式換熱器，設計換熱量為16.8 kW;儲液器的長為45 cm，寬為45 cm，高為50cm。噴射器的噴嘴、混合室和擴壓室的結構尺寸見文獻[13]。

2 系統分析

利用船舶廢熱驅動的噴射式制冷系統的實驗樣機開展運行性能實驗，系統的運行性能數據見表1。根據系統的運行性能數據，對噴射式制冷系統進行分析。利用實驗樣機開展運行性能實驗的工況如下：蒸發溫度13.5 ℃，冷凝溫度30 ℃，冷卻水進口溫度 25 ℃，冷卻水出口溫度27 ℃，工作流體/蒸汽溫度140 ℃，環境溫度35 ℃。運行性能參數：制冷量1.36 kW，冷凝器換熱量12.6 kW，噴射器噴射系數0.3，系統COP值0.272。

是研究系統從任意狀態（具有一定的溫度、壓力與化學組成）達到與環境相平衡狀態的可逆過程中對外界做的功。在不計動能和勢能時，處于給定狀態下穩定物質流的計算公式為

Ex=qh-h0-T0（s-s0）

式中：q為所求狀態點處的質量流量，kg/h;h和h0分別為所求狀態點和參考狀態點的比焓，kJ/kg;s和s0分別是所求狀態點和參考狀態點的比熵，kJ/（kg·K）。

總外源損失占比為31.9%，說明系統各部件相互作用產生的損失較少，系統各部件的配置和布局較為合理;總內源損失占比為68.1%，說明部件內部產生的損失較大，部件自身結構優化潛能較大。由圖4可知：發生器、冷凝器和工質泵的外源損失占比分別為20.48%、33.50%和5.83%，說明系統其他部件對這3個部件的影響較小，故應從部件本身的結構入手對其進行優化;蒸發器和節流閥的外源損失占比分別為76.92%和 97.94%，說明系統其他部件對其影響較大，故應對系統其他部件的結構和配置進行優化;噴射器的內源損失和外源損失占比相近，說明系統其他部件與噴射器耦合作用產生的損失與噴射器內部產生的損失基本相等。

2.2.2 可避免損失和不可避免損失

為量化由目前技術條件限制所產生的損失，將系統的損失劃分為可避免損失和不可避免損失。不可避免損失指系統及其部件由于材料、成本、生產工藝等的影響而產生的損失，不可避免損失越大，能源利用率越低。部件k的可避免損失指部件k的總損失與其不可避免損失之差。分析得知，船舶廢熱驅動的噴射式制冷系統的總可避免和總不可避免損失占比分別為26.7%和73.3%，各部件可避免和不可避免損失占比見圖5。

系統總的不可避免損失占比為73.3%，說明系統由于技術條件限制而產生的損失較大;可避免損失僅占26.7%，說明系統的優化潛能相對較小。由圖5可知：發生器、冷凝器、工質泵和蒸發器的不可避免損失占比分別為80.61%、78.17%、94.72%、97.72%，說明這4個部件的優化潛能較低;而噴射器和節流閥的不可避免損失占比僅分別為1.35%和1.71%，說明噴射器和節流閥可通過改進技術條件提高系統的能源利用率。

在系統總損失中，外源可避免損失占比較大的部件具有較大的優化潛能。船舶廢熱驅動的噴射式制冷系統的各部件內源和外源可避免損失占比見圖6。由圖6可知：在所有部件中，蒸發器、噴射器、冷凝器、發生器的外源可避免損失占比分別達到76.9%、50.6%、33.5%、20.5%;節流閥的外源可避免損失占比最大，為97.9%;工質泵的最小，占比僅為5.8%。考慮到節流閥損失僅占系統總損失的0.52%，因此可以認為蒸發器應具有最大的優化潛能。船舶廢熱驅動的噴射式制冷系統實驗樣機的優化順序依次為：蒸發器、噴射器、冷凝器、發生器、節流閥、工質泵。

3 結 論

本文基于船舶廢熱驅動的噴射式制冷系統的運行性能數據，對系統分別進行傳統分析和高等分析。分析發現，當分別采用傳統分析和高等分析時，所指出的系統最具優化潛能的部件是不同的，給出的系統部件的優化順序會有明顯變化。當采用傳統分析時，系統的優化順序依次為冷凝器、發生器、噴射器、工質泵、節流閥、蒸發器。當采用高等分析時，系統的優化順序依次為蒸發器、噴射器、冷凝器、發生器、節流閥、工質泵，蒸發器具有最大的優化潛能，工質泵優化潛能最小;

蒸發器的內源損失和外源損失分別為23.08%和76.92%，表明由蒸發器自身以及系統其他部件與蒸發器耦合作用產生的損失占比

相差較大，因此應從其關聯部件方面

入手進行優化。高等分析能全面分析系統各部件相互作用以及由技術條件限制所產生的損失大小和分布，能夠為熱力學系統包括船舶廢熱驅動的噴射式制冷系統的優化提供更加明確的指導。

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（編輯 趙勉）

收稿日期： 2021-01-18

修回日期： 2021-03-23

基金項目： 國家自然科學基金（51679107）;福建省自然科學基金（2017J01705）

作者簡介：

李富娟（1993—），女，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向為噴射式制冷系統，（E-mail）2016327193@qq.com;

陳武（1973—），男，福建莆田人，教授，博導，博士，研究方向為船舶節能、船用冷藏及空調技術，（E-mail）chenwu@shmtu.edu.cn