海軍工程大學 船舶與動力學院 武漢 430033

目前船舶上使用的大多數(shù)制冷機是氟利昂壓縮制冷機。蒸汽噴射制冷機在船舶上使用還不廣泛，急需進行關鍵技術和理論研究[1-2]。與氟利昂制冷機相比該型制冷機安全環(huán)保、以蒸汽作動力、在高真空條件下使工作水蒸發(fā)吸熱制冷、無旋轉工作機械、可靠性高、壽命長、制冷能力強且可維修性好。由于是真空裝置，其制冷量與海水溫度的關系非常密切。

1 蒸汽噴射制冷機工作原理簡介

蒸汽噴射制冷機以蒸汽作為動力和工作介質，利用兩組主噴射器使蒸發(fā)器內產(chǎn)生高度真空，從用戶來的工作水被噴入蒸發(fā)器，在此真空對應的飽和溫度下蒸發(fā)，吸收汽化潛熱，導致裝置內未蒸發(fā)的工作水溫度降至飽和水的溫度，然后再送往用戶。主噴射器工作過的蒸汽和在蒸發(fā)器內被蒸發(fā)的蒸汽一同在主冷凝器內被舷外海水帶走熱量凝結成水，凝水排往凝水系統(tǒng)。系統(tǒng)內工作水缺少時可從凝水系統(tǒng)內補充，工作原理見圖1。

圖1 蒸汽噴射制冷機工作原理

海水溫度越低，在制冷量相同的情況下，投入的工作蒸汽量越少。因此，海水溫度是蒸汽噴射制冷機工作性能的主要影響因素之一。

2 制冷機工況性能的計算與分析

2.1 冷凝器換熱數(shù)學模型

冷凝器利用海水冷卻其中的蒸汽，海水溫度越低,與冷凝器內蒸汽間的溫差越大,則冷卻效果越好，冷凝器內的蒸汽越能得到充分的冷卻而轉化為同溫度下的飽和水,并使凝水溫度得到進一步冷卻而獲得低溫,使冷凝器內壓力也降低。相反,海水溫度越高,冷凝效果越差,冷凝器內的溫度、壓力也就越高。

由冷凝器熱負荷公式[3]得:

(1)

式中:tL——冷凝器內凝水溫度,℃；

QLq——冷凝器內的熱負荷,kW ；

KL——冷凝器內的傳熱系數(shù), kW/(m2℃)；

FL——冷凝器內的傳熱表面積,m2；

tHS——海水溫度,℃。

由(1)式可知，無論冷凝器的熱負荷怎樣變化,只要海水溫度變化,將直接反映到冷凝器內冷凝水的溫度上,且tHS每升高或降低1 ℃,凝水溫度也將增加或下降1 ℃。

制冷機設計工況規(guī)定,當tHS=30℃時,冷凝器內凝水溫度為tL=34.2℃,兩流體間的直接溫差為Δt=4.2℃,由此得：

tL=Δt+tHS=4.2+tHS

(2)

式(2)即為制冷機冷凝器在額定熱負荷時,冷凝器內溫度tL與海水溫度tHS之間的關系。

2.2 海水溫度對冷凝器性能的影響

凝水飽和壓力PL隨冷凝器內凝水溫度tL的變化而變化。據(jù)計算海水溫度在18～30 ℃范圍內,溫度每升高1 ℃,冷凝器內的凝水壓力將平均增加6%左右。表1即為在冷凝器額定熱負荷下,海水溫度tHS、凝水溫度tL與凝水壓力PL三者之間的關系。

表1 冷凝器壓力PL隨海水溫度tHS變化率

由式(2)可知:在冷凝器額定熱負荷下, Δt=4.2 ℃,但當熱負荷QLq變化后,Δt也將變化。所以在非額定熱負荷下,首先要求得熱負荷QLq，再求得Δt。

冷凝器熱負荷QLq來源于主噴射器擴壓器輸入的混合汽量Gw,混合汽流量Gw=G1+G2。其中G1為主噴射器的工作蒸汽量,它決定于工作蒸汽的品種和壓力Pz。對飽和蒸汽(上標為b)與過熱蒸汽量(上標為g)分別為:

(3)

(4)

G2為主噴射器從蒸發(fā)器中抽取的冷蒸汽量,而冷蒸汽量的多少又取決于當時制冷機的制冷量QL與蒸發(fā)器內沸騰溫度下水的汽化熱γt0。所以，沸騰溫度t0確定后,制冷量QL和水的汽化熱γt0也確定了,因為:

(5)

混合蒸汽從擴壓器進入冷凝器后,將由冷凝器壓力PL下的蒸汽冷凝成同壓力下的飽和水,混合汽在冷凝器中釋放的熱量,即為冷凝器壓力下水的汽化熱γPL。已知冷凝器參數(shù)：

PL=5.55 kPa,tL=34.2 ℃,查得此壓力下

γPL=2 426.76 kJ/kg。所以在此額定工況下,冷凝器的熱負荷

=6 073.2×103kJ/h=1 681 kW

當tHS=30 ℃時, Δt=4.2 ℃，則冷凝器的KLFL值即為：

從而得出混合汽量為：

表2 兩組主噴射器同時工作時制冷機的技術參數(shù)及部分計算值

在此工況下冷凝器的熱負荷為：

由此得兩組主噴射器同時工作且工作蒸汽為過熱蒸汽時:

=0.002 5QLq

(6)

由式(1)可知，冷凝器內飽和溫度受冷凝器熱負荷QLq與海水溫度所決定。在此工況下,冷凝器內的飽和溫度僅受外界海水溫度影響。

2.3 制冷機制冷量的計算

制冷機的蒸發(fā)器與冷凝器通過主噴射器連接在一起,工作蒸汽通過噴射器噴嘴使蒸汽的熱能轉化為高速流動的動能,產(chǎn)生抽空能力,將蒸發(fā)器內的冷蒸汽抽入噴射器的混合室與工作蒸汽組成混合汽流,通過擴壓管壓縮,將混合汽壓力由蒸發(fā)器壓力P0提高到冷凝器壓力PL。冷凝器壓力下飽和水的溫度必須高于外界海水溫度，從而將混合汽冷卻凝結成水。冷凝器壓力對主噴射器的擴壓器而言,就是擴壓器的背壓。背壓變化偏離設計點,將直接影響到噴射器的抽空與壓縮能力。背壓升高,噴射器的抽空與壓縮能力將降低,這意味著蒸發(fā)器內的冷蒸汽不能完全被抽走,部分冷蒸汽將遺留在蒸發(fā)器內,因而導致蒸發(fā)器內壓力升高。相應地飽和溫度,即制冷工作水t0也升高。相反，當冷凝器壓力降低后,使噴射器的抽空、壓縮力將增加,蒸發(fā)器內的冷蒸汽被充分抽空,致使蒸發(fā)器內壓力、溫度降低。

由制冷機壓比定義可得：

ε=PL/P0

P0=PL/ε。

由上面分析可知:當PL增大,使擴壓器的實際壓比ε降低,小于額定e0,使P0大幅度增加。在PL減小時,擴壓器的實際壓縮比大于額定e0,使P0大幅度降低。如果通過調節(jié)工作蒸汽壓力來調節(jié)噴射器的抽空與壓縮能力就可保持工況的穩(wěn)定和原有的壓比ε0,消除因PL的變化對擴壓器壓比的影響,從而減小了對蒸發(fā)器壓力P0的影響作用。

海水溫度tHS對冷凝器內壓力PL、擴壓器壓縮能力和蒸發(fā)器壓力P0的影響以及工作蒸汽壓力的調節(jié)作用的計算結果列于表2。

3 結論

1) 冷卻水-海水溫度升高1℃,冷凝器內的壓力將同步升高近10%。

2) 主噴射器的抽空能力、擴壓管的壓比隨海水溫度升高而降低,為保證蒸發(fā)器內的真空，主噴射器的工作蒸汽壓力由0.8 MPa調整到1.4 MPa，而蒸發(fā)器內的壓力還是上升了20%。

3) 蒸發(fā)器的制冷工作水的出口溫度將隨著海水溫度升高而線性上升。當海水溫度超過30 ℃時，如不增加進入制冷機的工作蒸汽的壓力，制冷機的出口溫度將超出設計范圍。因此，海水溫度是蒸汽噴射制冷機工作過程、工況性能變化的重要影響因素之一。

4) 制冷機的制冷量隨海水的溫度升高而減少，冷凝器內的真空下降。給制冷機供入相等的蒸汽，其制冷量將下降。為了保證工作水的出口溫度，即必須增加蒸汽的供應量，以滿足用戶的需要。

[1] 周國義.船舶系統(tǒng)與輔助機械[M].武漢：海軍工程大學，2002：128-142．

[2] 陳林根，周國義，何文勝.船用蒸汽噴射制冷機關鍵技術與維修技術研究[R].武漢：海軍工程大學，2005：72-78．

[3] 馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌，等.鍋爐原理及計算[M].北京：科學出版社，2003：302-303．