2015工程熱物理熱力學(xué)文獻(xiàn)明

1、中國工程熱物理學(xué)會學(xué)術(shù)會議工程熱力學(xué)與能源利用編號：船舶余熱噴射式制冷實(shí)驗(yàn)研究，化鵬，（大連海事大學(xué)輪機(jī)(Tel:大連 116026）:dmudjm)摘要：本文設(shè)計(jì)搭建船舶余熱蒸汽噴射式制冷實(shí)驗(yàn)臺，通過模擬船舶余熱和船舶熱負(fù)荷，對船舶余熱噴射式制冷進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明系統(tǒng)工作過程中存在一臨界冷凝，當(dāng)冷凝大于該臨界值小于該臨界值時，系COP 隨冷凝壓則隨發(fā)生溫度的升高而統(tǒng)制冷性能系數(shù)(COP)不隨冷凝的增大而發(fā)生變化，當(dāng)冷凝力的增大而迅速降低直至為 0。系統(tǒng)COP 隨發(fā)生溫度的升高而降低，臨界冷凝升高。系統(tǒng)COP 和臨界冷凝都隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高。：船舶余熱；噴射式制冷；實(shí)驗(yàn)研究0 引言

2、航運(yùn)業(yè)作為相對于其他行業(yè)較為、節(jié)能且環(huán)保的方式，承擔(dān)了全球 90%的貿(mào)易，但隨著航運(yùn)業(yè)的不斷發(fā)展，能源的消耗不斷增大，溫室氣體排放量也逐年增加。節(jié)能減排是提高能源利用率，更加充分、有效、合理的利用能源并減少污染物排放的更佳方法，因而成為了協(xié)調(diào)發(fā)展與能源消費(fèi)的主要途徑。大部分船舶的余熱除了用作油艙加熱、制造淡水等，還有許多剩余熱能沒有得到充分利用。目前主要的研究集中在利用船舶余熱進(jìn)行發(fā)電和制冷兩個方面，具有發(fā)展前景的船舶余熱利用技術(shù)包括有機(jī)朗環(huán)發(fā)電、溫差發(fā)電、吸收式制冷、吸附式制冷以及噴射式制冷。噴射式制冷系統(tǒng)利用低品位熱能（余熱、廢熱）加熱發(fā)生器產(chǎn)生高溫高壓的工作流體， 工作流體通過噴射器拉伐

3、爾噴嘴后產(chǎn)生高速流體，并不斷攜帶走蒸發(fā)器內(nèi)的飽和蒸氣使制冷劑蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)制冷。噴射器在噴射式制冷系統(tǒng)中的作用類似于傳統(tǒng)壓縮式制冷系統(tǒng)中的壓縮機(jī)1。通過噴射器代替了壓縮機(jī)，可以利用低品位熱源作為驅(qū)動，減少了系統(tǒng)電能消耗2。噴射式制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，不含運(yùn)動部件，易于維修，造價(jià)較低3；噴射式制冷系統(tǒng)中，制冷劑分別處于氣態(tài)或液態(tài)，不存在結(jié)晶問題；噴射式制冷系統(tǒng)使用的制冷劑對大部分金屬材料，尤其是常規(guī)金屬材料，不具有腐蝕性，工作可靠，可有效延長設(shè)備的使用。本文通過對不同工況下下噴射制冷系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，探究了蒸發(fā)溫度、發(fā)生溫度等因素對系統(tǒng) COP 和臨界冷凝（PC*）的影響規(guī)律，為船舶余熱噴射式

4、制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置1.1 船舶余熱噴射式制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖 1 為使用缸套水余熱驅(qū)動的噴射式制冷系統(tǒng)應(yīng)用方案。從柴油機(jī)中循環(huán)出來的缸套水通過三通閥導(dǎo)入噴射式制冷系統(tǒng)的發(fā)生器中，用來加熱制冷劑工質(zhì)，從而產(chǎn)生高溫高壓的工作蒸氣。工作蒸氣通過噴射器，引射來自蒸發(fā)器中低溫低壓的制冷劑，使蒸發(fā)器產(chǎn)生一定的真空度。工作流體和引射流體混合后的混合流體在噴射器擴(kuò)壓器中升壓后，進(jìn)入到冷凝器中被冷卻為高壓低溫液態(tài)制冷劑，冷凝器中的制冷劑一部分通過膨脹閥節(jié)流降輸送到蒸發(fā)器， 另一部分通過循環(huán)泵輸送回發(fā)生器中，補(bǔ)償發(fā)生器和蒸發(fā)器中產(chǎn)生蒸氣消耗的制冷劑工質(zhì)。圖 2 為排煙余熱驅(qū)動的噴射式制冷系

5、統(tǒng)應(yīng)用方案。系統(tǒng)主要由鍋爐、過熱器、噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器和循環(huán)泵組成。該系統(tǒng)以工質(zhì)，增加裝設(shè)過熱器，用以避免發(fā)生器產(chǎn)生基金項(xiàng)目：自然科學(xué)基金(51409034)，遼寧省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014025013），高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)資助（3132015205）的水蒸汽部分冷凝成為水汽混合物，影響噴射器的工作性能。需要注意的是，需要單獨(dú)裝設(shè)冷凝器而非直接使用鍋爐系統(tǒng)的大氣冷凝器。噴射器三通閥發(fā)生器蒸發(fā)器冷凝器缸套水泵循環(huán)泵圖 1 缸套水余熱利用方案示意圖噴射器過熱器蒸發(fā)器冷凝器循環(huán)泵圖 2 排煙余熱利用方案示意圖1.2 船舶余熱噴射式制冷實(shí)驗(yàn)裝置本文所設(shè)計(jì)的船舶余熱蒸汽噴射式制冷裝置如圖 3 所示

6、，系統(tǒng)主要由發(fā)生器、蒸發(fā)器、噴射器、冷凝器、儲液器及循環(huán)泵等裝置組成，實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為超純造水機(jī)所造的超純水。噴射器NXP=0擴(kuò)壓器混合室調(diào)節(jié)桿-+TinTout噴嘴冷凝器蒸汽進(jìn)口蒸發(fā)器(模擬熱負(fù)荷)儲液器發(fā)生器(模擬船舶余熱)循環(huán)泵圖 3 船舶余熱蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)裝置示意圖在發(fā)生器、蒸發(fā)器及儲液器上設(shè)置有用于觀察實(shí)驗(yàn)中水位變化情況的液位計(jì)。安裝率循環(huán)泵用以將儲液器中的工質(zhì)輸送回發(fā)生器及蒸發(fā)器中，盡可能減小泵的運(yùn)行功率以減小對電能的消耗，以保證系統(tǒng)較高的余熱能源利用率。在發(fā)生器的底部安裝有用于模擬船舶余熱的電加熱器，在蒸發(fā)器底部安裝有用于模擬熱負(fù)荷的電加熱器，兩個電加熱器功率均為膨脹閥鍋爐膨脹閥柴

7、油機(jī)5kW，分別設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器對電加熱器的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，以滿足不同的實(shí)驗(yàn)要求。調(diào)節(jié)器1發(fā)生器底部電加熱器，調(diào)節(jié)器 2蒸發(fā)器底部的電加熱器。冷凝器的變化通過兩臺功率分別為 4300W 和 2500W 的循環(huán)冷卻器（水?。?，該冷凝器為殼管式冷凝器。采用National Instruments SCXI-1000。儀對傳感器及溫度傳感器測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行為保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，避免室內(nèi)溫度對實(shí)驗(yàn)的影響，盡量減小實(shí)驗(yàn)誤差，在發(fā)生器、蒸發(fā)器、噴射器、冷凝器及連接管路形成隔熱層以減少系統(tǒng)與外界換熱。均保溫棉、橡塑海綿保溫棉等隔熱材料，2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析本實(shí)驗(yàn)設(shè)定發(fā)生溫度分別為 100、110、120、130，并

8、在每一個發(fā)生溫度下進(jìn)行蒸發(fā)生溫度分別為 5、10、15的實(shí)驗(yàn)，共 12 組實(shí)驗(yàn)，研究蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)工況條件對系統(tǒng)性能的影響。本實(shí)驗(yàn)均在噴射器結(jié)構(gòu)不改變的條件下進(jìn)行，以研究工況條件的影響：噴射器噴嘴喉部直徑 2mm，噴嘴出口直徑 10mm，噴嘴出口距混合室50mm。2.1 冷凝的影響如圖 4 所示，在發(fā)生溫度 110，蒸發(fā)溫度 10的條件下，冷凝對系統(tǒng) COP 影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，在系統(tǒng) COP 隨著冷凝PC 的升高而變化的過程中，存在COP 迅速下降，直至降低*一臨界冷凝PC ，當(dāng)冷凝*PC高于臨界冷凝*PC為零，系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至?xí)霈F(xiàn)回流現(xiàn)象；當(dāng)冷凝COP 基本保持不變。

9、低于臨界冷凝0.8Generator 110 Evaporator 10Unchoked Flow0.6Reversed FlowChoked Flow0.40.2Break Down PressureCritical Condenser Pressure2.62.83.03.23.4P (kPa)C3.63.8圖 4 冷凝對系統(tǒng)COP 的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果與國內(nèi)外諸多學(xué)者的研究1,4-7相吻合，他們以臨界冷凝*PC （Criticalcondenser pressure）和系統(tǒng)工作破壞（Bread down pressure）為分界點(diǎn)將蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)的工作區(qū)域分為三個區(qū)域：臨界區(qū)（或壅塞區(qū)，C

10、hoked flow）、亞臨界區(qū)（非壅塞區(qū)，Unchoked flow）、回流區(qū)（Reversed flow）。在臨界區(qū)內(nèi)，冷凝小于臨界值，噴射器的噴射系數(shù)及吸入的引射蒸汽的流量不變，使得系統(tǒng) COP 保持不變。這是由于在噴射器混合室中的蒸汽流體壅塞現(xiàn)象所導(dǎo)致的。工作蒸汽與引射蒸汽在噴射器中混合，混合蒸汽流體在混合室等截面段、速度保持不變，隨后在等截面段后半段或擴(kuò)壓器的某一橫斷面發(fā)生激波現(xiàn)象，產(chǎn)生壓縮效果，混合蒸汽流體壓力增大，速度降至音速，并在擴(kuò)壓器中繼續(xù)增大。此部分區(qū)域又被稱為壅塞區(qū)或雙壅塞區(qū)，即工作蒸汽與引射蒸汽同樣發(fā)生壅塞現(xiàn)象。激波產(chǎn)生的位置隨冷凝大小的改變而變COP化。冷凝減小，激波

11、位置沿噴射器軸向向下游移動；冷凝增大，激波位置沿噴射器軸向向上游移動。隨著冷凝的增大，直至超過臨界值進(jìn)入亞臨界區(qū)。在此區(qū)域，由于冷凝的增大使得激波向上游移動，從而影響工作蒸汽與引射蒸汽的混合過程，使得引射蒸汽流量及噴射器噴射系數(shù)迅速降低，引射蒸汽流體不再發(fā)生壅塞現(xiàn)象。同樣，導(dǎo)致系統(tǒng) COP 迅速降低。因而，此區(qū)域又被稱為非壅塞區(qū)或工作流體壅塞區(qū)。冷凝系統(tǒng)不再的進(jìn)一步增大，使得系統(tǒng) COP 降為 0，系統(tǒng)進(jìn)入回流區(qū)，即噴射器失去功效，。在回流區(qū)內(nèi)，冷凝繼續(xù)增大，但噴射器無法正常工作，不再引射蒸發(fā)器內(nèi)的蒸汽，引射蒸汽流量為 0，噴射器噴射系數(shù)為 0，工作蒸汽將會回流至蒸發(fā)器，系統(tǒng)不再產(chǎn)生制冷效果，

12、工作蒸汽反而會加熱蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)。2.2 發(fā)生溫度的影響如圖 5、6、7 所示分別為蒸發(fā)溫度分別設(shè)定為 5、10、15時，發(fā)生溫度對系統(tǒng)性能影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從曲線變化可以看出，在任一恒定的蒸發(fā)溫度下，改變發(fā)生溫度，系統(tǒng)*COP 的變化情況：隨著發(fā)生溫度的升高，系統(tǒng) COP 降低，臨界冷凝PC 升高。這是由于發(fā)生溫度的升高，工作流體噴嘴的壓縮比（即噴嘴出口與工作流體隨之升高，進(jìn)入噴射器的工作流體流量增大。之比）基本保持不變，而進(jìn)入噴嘴的工作流體升高時，噴嘴出口隨之升高，引射流體與噴嘴出口差減小，工作流體對于引射流體的吸入驅(qū)動力減小，導(dǎo)致引射流體吸入量減少，從而使噴射器噴射系數(shù)隨工作流體的升高而降低

13、，“有效面積”的位置沿噴射器軸向向上游移動，系統(tǒng) COP 降低。發(fā)生溫度升高，同時使得混合流體動量增大，噴射器內(nèi)激波的發(fā)生位置沿噴射器軸向向下游移*動，從而使臨界冷凝PC 隨著發(fā)生溫度的升高而升高。0.50.40.30.20.10.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5PC（kPa）圖 5 蒸發(fā)溫度 5時發(fā)生溫度對系統(tǒng)COP 影響COPGenerator temperature 100 Generator temperature 110 Generator temperature 120 Generator temperature 1300.80.60.40.20.02.02

14、.53.03.54.04.5P (kPa)C5.05.56.0圖 6 蒸發(fā)溫度 10時發(fā)生溫度對系統(tǒng)COP 影響1.41.21.00.80.60.40.22.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5P (kPa)C圖 7 蒸發(fā)溫度 10時發(fā)生溫度對系統(tǒng)COP 影響有效面積(Effective area)，是指在工作流體與引射流體的混合過程中，引射流體達(dá)到音速并產(chǎn)生激波的某一截面。工作流體經(jīng)過膨脹和后從噴嘴噴出，并未立刻與引射流體進(jìn)行混合，而是以一定的膨脹角繼續(xù)膨脹，以膨脹波的形式成扇形散開，形成漸擴(kuò)形狀的膨脹波管。膨脹波管與噴射器壁面為引射流體形成了一個漸縮通道，也被成為“引射

15、通道”（Entrained duct），引射流體在引射通道內(nèi)不斷減壓增速，直至達(dá)到音速并產(chǎn)生激波。而工作流體與引射流體的有效混合是在引射流體發(fā)生激波時開始的。在噴射器的有效截面上，工作流體與引射流體達(dá)到一致，開始混合，工作流體速度降低，引射流體速度增大，最終混為一股均勻的流體。圖 8 工況條件對噴射器混合室內(nèi)引射及混合過程的影響COPCOPGenerator temperature 100 Generator temperature 110 Generator temperature 120 Generator temperature 130Generator temperature 100

16、Generator temperature 110 Generator temperature 120 Generator temperature 130如圖 8 所示，提高發(fā)生溫度，工作流體飽和上升，工作流體在噴嘴出口處的流量增大，工作流體速度同時增大，使得膨脹過程的動量增大，膨脹角度增大，膨脹波管變短，有效面積沿噴射器軸向向上有移動。相應(yīng)的，噴射器吸入的引射流體流量減小，噴射器噴射系數(shù)降低，系統(tǒng) COP 降低。提高系統(tǒng)的發(fā)生溫度，雖然降低了系統(tǒng)的性能，但提高了系統(tǒng)臨界冷凝，擴(kuò)大了系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作的范圍，有益于噴射式制冷循環(huán)的實(shí)際應(yīng)用。2.3 蒸發(fā)溫度的影響如圖 9、10、11、12 所示分

17、別為發(fā)生溫度恒定為 100、110、120、130時，蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1.61.41.21.00.80.60.40.21.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8P (kPa)C圖 9 發(fā)生溫度 100時蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP 影響1.21.00.80.60.40.22.22.42.62.83.03.23.43.63.84.0P (kPa)C圖 10 發(fā)生溫度 110時蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP 影響COPCOPEvaporator temperature 5 Evaporator temperature 10 Evaporator

18、temperature 15Evaporator temperature 5 Evaporator temperature 10 Evaporator temperature 151.00.80.60.40.20.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.0P (kPa)C圖 11 發(fā)生溫度 120時蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP 影響0.80.60.40.20.03.54.04.55.0P (kPa)C5.56.06.5圖 12 發(fā)生溫度 130時蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP 影響隨著蒸發(fā)溫度從5提高到15，系統(tǒng)COP 逐漸增大，且臨界冷凝這是由于發(fā)生溫度不變時，提高蒸發(fā)溫度（即引射流體溫度

19、），引射流體*PC 也隨之提高。升高，引射流體與噴嘴出口壓差增大，噴射器對于引射流體的吸入驅(qū)動力增大，使得引射流體吸入量增大， 噴射器噴射系數(shù)隨之升高。從另一方面來說，激波的發(fā)生位置隨著蒸發(fā)溫度的提高而沿噴射器軸向向下游移動，加長了引射通道，從而使得噴射器可以從蒸發(fā)器中引射出的引射流體即制冷劑蒸汽，系統(tǒng) COP 升高。同時，蒸發(fā)溫度升高，引射流體量增大，增強(qiáng)了對膨脹波的壓縮效果，增加了流體克服噴射器出口*射器可以在更高的臨界冷凝PC 下工作。雖然蒸發(fā)溫度的提高有助于壓縮比的提升，可以使系統(tǒng)在更大的冷凝 具有更良好的性能，但這是以降低冷凝溫度為前提的。同樣，引射流體射式制冷循環(huán)實(shí)際應(yīng)用過程中飽和

20、水的溫度。3 結(jié)論升高，混合流體動的能力，從而使得噴范圍內(nèi)穩(wěn)定工作并的提升受限于噴本文搭建了模擬船舶余熱的噴射式制冷系統(tǒng)，通過設(shè)定不同的工況，探究了冷凝發(fā)生溫度、蒸發(fā)溫度等因素對噴射式制冷性能的影響，得出如下結(jié)論：、COPCOPEvaporator temperature 5 Evaporator temperature 10 Evaporator temperature15Evaporator temperature 5 Evaporator temperature 10 Evaporator temperature 15COP 不隨1）系統(tǒng)工作過程中存在一臨界冷凝，當(dāng)冷凝小于該臨界值冷凝的

21、增大而發(fā)生變化，當(dāng)冷凝大于該臨界值COP 隨冷凝的增大而迅速降低直至為 0。在發(fā)生溫度為 110、蒸發(fā)溫度為 10工況下臨界冷凝增加到 3.42kPa 時COP 降為 0。為 3.08kPa，2）系統(tǒng) COP 隨著發(fā)生溫度的升高而降低，臨界冷凝高。在蒸發(fā)溫度為 10工況下，發(fā)生溫度為 100PC*則隨發(fā)生溫度的升高而升COP 為 0.725，臨界冷凝PC*為 2.49kPa；發(fā)生溫度為 110系統(tǒng) COP 為 0.598，臨界冷凝PC*為 3.08kPa；發(fā)生溫度為 120系統(tǒng) COP 為 0.465，臨界冷凝PC*為 4.19kPa；發(fā)生溫度為 130系統(tǒng) COP 為0.0.356，臨界冷凝PC*為 5.52kPa；。*3）系統(tǒng) COP 和臨界冷凝PC 都隨著蒸發(fā)溫度的升高而升高。在發(fā)生溫度為 100工況下，蒸發(fā)溫度為 5COP 為 0.396，臨界冷凝*PC 為 2.38kPa；蒸發(fā)溫度為 10*COP 為0.725，臨界冷凝PC 為2.49kPa；蒸發(fā)溫度為15*臨界冷凝PC 為 2.62kPa。參考文獻(xiàn)COP 達(dá)到1.121，1, 等. 蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究J. 大連海事大學(xué)學(xué)報(bào), 2013,(01):11912223,. 噴射器理