船用喷射制冷系统性能研究

张 琨，章秋平，张 博，权生林

(1.大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁大连116023;2.珠海格力电器股份有限公司商用技术开发部，广东珠海519070;3.大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连116024)

0 引言

船舶柴油机因具有较高的热效率、功率覆盖面大、启动迅速、经济性好等特点，在船舶动力装置中得到了广泛应用。尽管近年来船用柴油机技术发展迅速，但其排气余热仍占到燃料总热值的30%～35%左右，排气温度在350℃ ～400℃。如何尽可能地回收这部分余热，从而提高船舶主机的热效率，降低船舶运行成本，成为船舶领域研究的新热点［1］。

1 原理

1.1 蒸汽喷射制冷系统

1910年，Maurice Leblanc第一次将喷射器应用于制冷系统［2-3］。20世纪70年代，随着能源和环境问题的日益突出，利用和回收废/余热、可再生能源成为一个重要的课题，使用氟利昂制冷剂的喷射制冷系统重新成为了人们关注的热点。由于使用了比容小的氟利昂作制冷剂，降低了设备的体积，并且可以使用温度更低的热源，系统的效率也得到了改善［4-5］。

如图1所示，发生器产生的高温、高压蒸汽作为喷射器的工作流体，引射蒸发器中的气态制冷剂，二者充分混合后，在冷凝器中气态的制冷剂冷凝成液态，其中的一部分由泵输送回发生器，另一部分流经膨胀阀回到蒸发器。整个系统在发生器处输入能量;在冷凝器处由于制冷剂液化会放出热量，通常以热能的形式;在蒸发器处，由于液态制冷剂汽化从周围吸入大量的热，因而实现制冷的目的。

虽然喷射制冷系统的COP值不如压缩制冷大，但喷射制冷系统不需要使用电能，而多采用余热、太阳能等低品位能源，有良好的节能效果;系统可采用水等天然制冷剂，对环境不产生污染。

在船舶主机的排气管通道上安装余热锅炉来产生蒸汽或热水是回收船舶尾气余热的最简单、有效的方法［6］。该蒸汽可用于驱动船用喷射制冷系统运行，不仅能够充分利用船用柴油机的余热，实现能源高效利用，还能解决传统制冷剂CFCS和HCFCS的替代问题［7］。

1.2 喷射器

喷射制冷系统的核心是喷射器。喷射器模型是设计喷射制冷系统、模拟喷射制冷系统性能的基础，喷射系数直接影响制冷系统的COP。

图1 喷射式制冷系统示意图Fig.1 Schematic of an ejector refrigeration system

喷射器的基本原理在16世纪已被发现，到19世纪60年代德国学者G.Zeumen根据动量守恒定理，提出了喷射器设计的基本理论。1870年，他和M.Runkin进一步发展和完善了这个理论，但他们的理论还不能解决喷射器的计算问题。1950年，Keenan和Neuman［8］建立了比较完善的一维数学模型，提出了喷射器等压混合理论，成为过去几十年中喷射器设计的理论基础。

蒸汽喷射器没有转动部件，不需要额外能量输入，通常由喷嘴、吸入室、混合室和扩散室4个部分组成。

图2 喷射器示意图Fig.2 Schematic of ejector

在分析型喷射器性能时，采用Keenan等［5］提出的一维定压混合理论，做如下假定:

1)喷射器内流动是一维稳态的;

2)喷射器内压缩和膨胀过程是等熵过程;

3)喷射器内混合段的混合过程为定压过程，并且遵守能量守恒、动量守恒，其内壁绝热，无热量损失;

4)忽略工作流体和引射流体入口截面及混合流体出口截面的速度。

2 系统数学模型

喷射器内流动与混合遵循质量守恒、能量守恒和动量守恒定律。

质量守恒定律:

能量守恒定律:

动量守恒定律:

式中:G为质量流率，kg/s;t为温度，℃;h为焓，kJ/kg;ω为速度，m/s;p为压力，Pa;f为横截面积，m2;φ为速度系数。下脚标g表示发生器的工作流体，e表示蒸发器的引射流体，c表示冷凝器的混合流体。

喷射式制冷系统性能系数的定义为:蒸发室产生的制冷量与发生室中的加热量的比值，即

式中:Qe为蒸发室制冷量;Qg为发生室加热量;u为喷射系数;hv，evap和 hv，gene分别为蒸发室和发生室的工质蒸汽焓;hf，con为冷凝室的工质液体焓。

3 系统性能分析

本文针对船用喷射制冷系统，数值分析喷射器不同工况对制冷系统性能的影响。采用热力学方法，考虑水蒸气的真实物性，构建喷射制冷系统的数学模型，分别讨论系统发生温度、蒸发温度、冷凝温度对喷射器的喷射系数及系统性能系数 (COP)的变化关系，以期指导喷射器及系统的优化设计与使用。

以水作为制冷剂，在工作流体温度Tg=80℃ ～160℃，冷凝温度Tc=20℃ ～50℃，蒸发温度Te=3℃ ～17℃的工况下进行数值计算，各温度参数对等压混合模型影响的结果如下:

在冷凝温度和蒸发温度恒定的情况下，改变工作流体温度，研究工作温度对喷射式制冷系统COP和喷射系数的影响。在冷凝温度Tc=35℃，蒸发温度Te=15℃的工况下，计算结果如图3所示。随着工作温度的升高，喷射式制冷系统的COP和喷射系数都随之增大，变化趋势较为平缓。

在工作温度Tg=110℃，冷凝温度Tc=35℃的工况下，蒸发温度对系统COP和喷射系数的影响如图4所示。随着蒸发温度的升高，喷射式制冷系统的COP和喷射系数随之近似线性升高，且斜率较图3明显增大，说明蒸发温度对系统性能的影响比发生温度大得多。

在工作温度Tg=110℃，蒸发温度Te=15℃的工况下，冷凝温度对系统COP和喷射系数的影响如图5所示。随着冷凝温度的升高，喷射式制冷系统的COP和喷射系数都随之减小。其中系统性能初段随冷凝温度的升高下降斜率较大，中后段斜率变化趋缓，但过高的冷凝温度对于系统性能的负面影响很大。

综上发现，较高的发生温度、蒸发温度和较低的冷凝温度对于系统性能的提升有积极帮助。

图5 冷凝温度对系统性能的影响Fig.5 Effect of condenser temperature on refrigeration system performance

4 结语

船舶是高能耗的运输工具，燃油费用占船舶营运成本比例已达40%以上;高能耗还使船舶成为移动的污染源，带来诸多环境问题。喷射制冷系统可有效地利用船上的低能位能源，能采用水等天然制冷剂，并且结构紧凑，性能可靠，价格低廉，可有效减少船上动力设备投资以及燃料与管理费用，节约船舱宝贵的空间。因此，船用喷射制冷系统是一种绿色环保的制冷方式，符合我国节能减排的能源发展战略，拥有广阔的发展前景。

通过计算比较，系统的COP和喷射系数随发生温度和蒸发温度的升高而增大，其中随蒸发温度升高而增大的斜率大于发生温度，说明系统对于蒸发温度更加敏感;系统COP和喷射系数随冷凝温度的升高下降明显，系统在较高的冷凝温度时性能明显变差。因此，适当地提高发生温度、蒸发温度，降低冷凝温度对于系统性能的提升有积极帮助。

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

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［6］王树刚，王如竹.船舶余热回收现状及吸附制冷应用前景［J］.中国修船，2003(3):24-26.WANG Shu-gang，WANG Ru-zhu.Status of ship waste heat recovery and application of absorption refrigeration［J］.China Shiprepair，2003(3):24-26.

［7］董景明，潘新祥，宋立国，等.喷射式制冷在船舶空调中的应用研究［J］.船舶工程，2011，33(1):29-32.DONG Jing-ming，PAN Xin-xiang，SONG Li-guo，et al.Study on the application of steam jet refrigeration in marine air-conditioning［J］.Ship Engineering，2011，33(1):29-32.

［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.