船用蒸汽喷射制冷机组试验研究

2015-02-22董友子顾凡奇

舰船科学技术 2015年7期

关键词：性能测试试验研究

刘　岩，董友子，顾凡奇

(中国船舶重工集团公司第七○三研究所无锡分部，江苏无锡214151)

船用蒸汽喷射制冷机组试验研究

刘岩，董友子，顾凡奇

(中国船舶重工集团公司第七○三研究所无锡分部，江苏无锡214151)

摘要:设计并搭建蒸汽喷射制冷机组性能研究试验台，以低温低压蒸汽作为机组驱动热源，选用水作为制冷剂。主要研究工作蒸汽温度、蒸发温度、冷凝温度和压力等工况条件对制冷机组制冷能力的影响，为改善和提高船用蒸汽喷射制冷机组的性能提供参考依据。

关键词:蒸汽喷射制冷机组;性能测试;试验研究

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

能源危机日益紧迫，节能减排已成为各行各业关注和研究的焦点，船舶节能已成为世界各国造船界和航运界研究的重要课题。蒸汽喷射式制冷技术采用低品位热能驱动，可有效回收船舶运行过程中产生的余热、废热，并使用环保型工质水作为制冷剂，机组结构紧凑、工作可靠、使用寿命长且易于维修，具有较高的研究价值和广泛的应用前景［1］。

1　蒸汽喷射制冷机组工作原理

蒸汽喷射制冷是采用蒸发制冷原理利用在同温度下液体汽化需吸收大量汽化潜热来实现冷效应。

蒸汽喷射制冷机组工作原理图如图1所示，喷射器的吸入室与蒸发器相连，扩压室与冷凝器相连。工作蒸汽由蒸汽发生器(余热锅炉)产生，进入主喷射器在拉瓦尔喷嘴中绝热膨胀，形成高速汽流，在喷嘴出口处降压，使蒸发器内产生高度真空，为蒸发器内水在低温汽化创造条件。来自用户的工作水循环进入蒸发器，在此真空对应的饱和温度下部分汽化，吸收了大量汽化潜热，使蒸发器内未汽化的工作水温度降至饱和水的温度，产生冷量，供用户使用。主喷射器工作过的蒸汽和在蒸发器内被引射后汽化的冷剂水蒸气在喷嘴出口处混合，一起进入扩压室，在扩压室中由于流速减低而使压力升高，后进入冷凝器内被弦外海水冷却带走热量形成凝结水，凝结水一部分送回发生器，一部分节流降压后回蒸发器补充工作水［2］。辅喷射器将冷凝器中的不凝性气体两级抽出排空，保持冷凝器内一定的真空度。

2　测试系统设计

本文为某型船蒸汽喷射制冷机组设计并搭建了一套性能测试试验台，模拟实船工况，用于分析和

研究机组性能。

图1　蒸汽喷射制冷机组工作原理图Fig.1　The principle of steam marine jet refrigeration unit

2.1试验台设计原理及组成

试验台设计考虑到机组自身冷热平衡特点，充分利用蒸发器产生的冷量和冷凝器剩余的热量相互抵消，减少外部能量的输入，实现试验台的高效节能运行。

图2　蒸汽喷射制冷机组试验台示意图Fig.2　Schematic of the steam jet refrigerator

试验台主要包括冷冻水回路、兑水回路、冷却水回路和负载调节回路，如图2所示。冷冻水回路与兑水回路通过换热器串联，利用兑水回路中调节阀控制热水流量的大小，改变输入冷冻水回路热量的多少，实现冷冻水出水温度(5±0.3℃，7± 0.3℃、9±0.3℃)的要求。冷却水回路与兑水回路、负载调节回路共用1个调温水箱，冷却水进水温度由负载回路输入调温水箱冷量的多少来实现的，控制进水温度在36℃～15℃。负载调节回路是由2台辅助冷水机组并联作为系统冷源构成，其制冷量大于输入工作蒸汽的汽化潜热，这是由系统的能量守恒决定的［3］。冷却水流量和冷冻水流量均采用变频流量控制。工作蒸汽由工业锅炉产生，经减温减压装置节流降温处理形成低温低压蒸汽，模拟实船废汽。

2.2试验台控制系统

控制系统采用计算机实时控制技术，如图3所示，整个控制结构为闭环负反馈控制，其中执行机构、被控对象、测量变送装置均为试验台测试系统中的硬件部分如电动调节阀、水泵变频器等。

图3　计算机控制系统机构图Fig.3　Computer control system of organization diagram

测量装置一般为数据采集模块，每隔一定的采样周期对被控对象的某个参数进行一次数据采集;控制器的输入为给定值和实际值的偏差e，输出值经过相应的数/模转换后传递给执行机构执行相应的控制量，目的为消除偏差e，使其趋向于0，从而达到系统自动化稳定控制的目的。

3　试验结果与数据分析

试验台工作蒸汽温度控制在100℃～180℃，工作蒸汽压力控制在1.0～1.4 MPa，蒸发温度控制在3℃～17℃，冷凝温度控制在15℃～40℃。测试研究各参数对蒸汽喷射制冷机组制冷量的影响。

3.1工作蒸汽温度的影响

在蒸发温度和冷凝温度恒定的情况下，分析工作蒸汽温度对制冷量的影响。试验结果如图4所示，随工作蒸汽温度不断升高，机组制冷量随之增大，蒸汽耗量也逐渐正大［4］，变化趋势较为平缓。

图4　工作蒸汽温度对机组性能影响Fig.4　Effect of steam temperature on refrigerator capacity

3.2蒸发温度的影响

在工作蒸汽参数和冷凝温度恒定的情况下，分析蒸发温度对制冷量的影响。试验结果如图5所示，随蒸发温度不断升高，机组制冷量随之近似线性升高，且斜率明显增大，说明蒸发温度对机组性能影响比工作蒸汽温度要大得多［5］。

图5　蒸发温度对机组性能影响Fig.5　Effect of evaporator temperature on refrigerator capacity

图6　工况条件对喷射器内流体引射和混合过程的影响Fig.6　Effect of operating condition on entrainment and mixing process in ejector

3.3冷凝温度的影响

在工作蒸汽参数和蒸发温度恒定的情况下，分析冷凝温度对制冷量的影响［2］。试验结果如图7所示，随着冷凝温度的升高，机组制冷量随之减小，其中初始段下降斜率较快，高温区斜率变化趋缓。

图7　冷凝温度对机组性能影响Fig.7　Effect of condenser temperature on refrigerator capacity

3.4冷凝压力的影响

在工作蒸汽参数和蒸发温度恒定的情况下，改变冷却水流量，使冷凝压力不断升高，分析其对制冷量的变化规律。试验结果如图8所示，随冷凝压力不断升高，机组制冷量先保持不变，当达到某一临界冷凝压力时，制冷量急剧下降直至为0。

蒸汽喷射式制冷工作区域分为3部分:临界区域、亚临界区域和回流区域。在临界区域由于引射流体在混合腔内产生壅塞现象导致冷凝压力升高而制冷量保持不变。在亚临界区域随着冷凝压力的增大，工作蒸汽与引射流体混合而产生的激波向喷嘴侧移动，会干扰两者混合，使引射流体流量迅速减少，制冷量迅速降低。当冷凝压力继续增大，工作蒸汽不再引射蒸发器内的低温流体，引射流体流量为0，该区域即为回流区域，在该区域工作蒸汽相当于加热蒸发器内的流体。