侯春枝，鐘根仔

（合肥通用機(jī)械研究院，安徽合肥 230088）

0 引言

蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)是一種以熱能為動力、以液體制冷劑在低壓下蒸發(fā)吸熱來制取冷量的制冷系統(tǒng)，主要用于方便獲取高壓蒸汽的特殊場合。該系統(tǒng)采用單一物質(zhì)作為循環(huán)工質(zhì)，目前通常采用水作為循環(huán)工質(zhì)，也稱為水噴射式制冷系統(tǒng)。在工業(yè)余汽場所使用能夠節(jié)約能源，而且運行可靠性高，使用壽命長，一般都不需備用設(shè)備。此外，蒸汽式噴射式制冷機(jī)作為一種利用低品位熱能驅(qū)動的綠色環(huán)保制冷裝置，還具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高和成本低等優(yōu)點[1-5]。將蒸汽噴射式制冷機(jī)應(yīng)用于船舶，不僅能夠解決傳統(tǒng)制冷劑CFCs和HCFCs的替代問題，而且還能夠充分利用船舶余熱。以一艘萬噸級遠(yuǎn)洋船舶為例，每天主機(jī)消耗重油15 t～25 t，發(fā)電機(jī)消耗柴油 1.5 t～2.5 t，其熱量的 40%用于輸出功率，10%用于驅(qū)動廢氣透平，15%被冷卻水帶走，30%～35%被排煙帶走。而冷卻水和煙氣中的余熱都可用于驅(qū)動蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)。然而，目前蒸汽噴射式制冷應(yīng)用于船舶空調(diào)的研究還處于起步階段[6-8]。此外，未來蒸汽式噴射制冷機(jī)的發(fā)展趨勢為蒸汽噴射式制冷與其他制冷方式的有機(jī)結(jié)合[9]。本文主要以一套330 kW的蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)為研究對象，分析了系統(tǒng)的兩種制冷模式，并討論了系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)和系統(tǒng)控制，以期能為今后蒸汽噴射式制冷機(jī)在船舶上的廣泛應(yīng)用提供參考[10]。

1 蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)基本組成

蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)和蒸汽壓縮式及吸收式一樣，都是通過液體氣化來實現(xiàn)制冷。其組成部件主要包括噴射器、冷凝器、蒸發(fā)器、截止閥和凝水泵等設(shè)備。其中噴射器又包括噴嘴、吸入腔和擴(kuò)壓器三個部分。制冷原理圖如圖1所示。

圖1 蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)原理圖

2 330 kW船用蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)設(shè)計

某海洋作業(yè)船采用蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)，為船上的電子設(shè)備艙和船員提供良好的工作環(huán)境，系統(tǒng)在設(shè)計工況的制冷量為330 kW。該系統(tǒng)以海水作為冷卻水，采用兩種制冷模式，即蒸汽噴射制冷和水-水換熱制冷。當(dāng)冷卻海水溫度高于某一設(shè)定值 Ts時，系統(tǒng)采用蒸汽噴射制冷模式；當(dāng)冷卻海水溫度低于某一設(shè)定值Ts時，為節(jié)約能源和更好地提高系統(tǒng)可靠性，采用冷卻海水與冷媒水在主冷凝器中直接換熱模式，降低冷媒水溫度。該系統(tǒng)流程見圖2。

圖2 船用蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)流程圖

2.1 系統(tǒng)工作過程分析

該船用噴射式制冷系統(tǒng)由兩個模式組成，即蒸汽噴射制冷模式和水-水換熱制冷模式。其工作過程分別如下。

2.1.1 蒸汽噴射制冷模式

1）冷媒水系統(tǒng)：來自用戶冷媒水通過冷媒水管路和截止閥1分別進(jìn)入蒸發(fā)器的兩個分節(jié)。在低壓狀態(tài)下的蒸發(fā)器中，冷媒水部分蒸發(fā)汽化，從未蒸發(fā)的冷媒水中吸收潛熱，使冷媒水溫度降低。降溫后的冷媒水經(jīng)1#、2#工作水泵升壓后通過單向閥1重新輸送給用戶。

2）工作蒸汽系統(tǒng)：工作蒸汽通過截止閥 2進(jìn)入減壓閥，在這里工作蒸汽壓力降低至要求值。接著通過截止閥3、經(jīng)過蒸汽管路和蒸汽閥1、2進(jìn)入在蒸發(fā)器中的主噴射器的噴嘴。經(jīng)過噴嘴后，蒸汽的壓力膨脹至蒸發(fā)壓力，因此獲得高速（1,300 m/s），在這種高速下進(jìn)入噴射器的擴(kuò)壓器。由于工作蒸汽的動能以及工作蒸汽與冷蒸汽的摩擦，將冷蒸汽帶至擴(kuò)壓器，在擴(kuò)壓器中工作蒸汽與冷蒸汽形成混合汽，并由于速度的降低而產(chǎn)生壓縮。壓縮后的混合蒸汽從擴(kuò)壓器出來后進(jìn)入主冷凝器。在主冷凝器中高壓的混合蒸汽被冷卻水冷凝，冷凝水積聚在冷凝器底部，經(jīng)過冷凝水管路1由凝水泵抽出，經(jīng)單向閥和電磁閥2送往冷凝水系統(tǒng)。

3）冷卻海水系統(tǒng)：冷卻水系統(tǒng)主要用于為主冷凝器和輔冷凝器提供冷卻水，冷卻高壓蒸汽。冷卻水經(jīng)冷卻水泵升壓后由冷卻水管路分別進(jìn)入主、輔冷凝器，在冷凝器進(jìn)行熱交換以后經(jīng)截止閥4和管路排出。

4）抽空系統(tǒng)：抽空系統(tǒng)主要有一臺輔冷凝器、兩臺空氣噴射器和管路等組成，在啟動前使系統(tǒng)達(dá)到規(guī)定的真空狀態(tài)并在系統(tǒng)運行過程中保持該真空狀態(tài)。冷凝器壓力與外界壓力相差甚大，從低壓向高壓排空氣，壓縮比較大（12～30），因此該抽空系統(tǒng)采用了兩級壓縮噴射。主冷凝器里的空氣經(jīng)抽空管路進(jìn)入一級空氣噴射器（空氣噴射器與水噴射器的工作過程相同），與工作蒸汽混合升壓后進(jìn)入一級冷凝器。在一級冷凝器中水蒸汽被冷凝，空氣則被抽入二級空氣噴射器進(jìn)一步升壓，升壓后進(jìn)入二級冷凝器。同理，在二級冷凝器中水蒸汽被冷凝，而空氣則可通過排放口排出，而冷凝水則通過冷凝水管路2和截止閥5進(jìn)入一級冷凝器，與一級冷凝器的冷凝水一起，通過冷凝水管路3流入主冷凝器，與主冷凝器的冷凝水一起排出。通過此過程不斷地將系統(tǒng)中的空氣抽出，保持系統(tǒng)要求的真空度，使整個系統(tǒng)能夠順利啟動并長期平穩(wěn)運行。

5）補水系統(tǒng)：蒸發(fā)器中冷媒水在低壓狀態(tài)下不斷蒸發(fā)，蒸汽不斷的被噴嘴出來的高速蒸汽帶走，為了補充該部分損失的冷媒水，系統(tǒng)設(shè)置補水管路，從凝水泵出口引一部分冷凝水進(jìn)入蒸發(fā)器。管路上設(shè)有電磁閥1、截止閥6和液位浮子調(diào)節(jié)器，通過液位浮子調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)進(jìn)入蒸發(fā)器水量，當(dāng)液位浮子調(diào)節(jié)器發(fā)生故障時，可以通過旁通支路以及截止閥7，以手動的方式控制進(jìn)入蒸發(fā)器水量。

2.1.2 水-水換熱制冷模式

當(dāng)冷卻海水溫度低于溫度設(shè)定值 Ts時，可以不開制冷蒸汽系統(tǒng)而直接利用冷卻水與冷媒水在主冷凝器中進(jìn)行對流換熱，實現(xiàn)制冷。其具體的工作過程如下：分別關(guān)閉截止閥1及閥8并打開截止閥10和閥9，來自用戶冷媒水則沿著冷媒水管路進(jìn)入主冷凝器，與主冷凝器中的冷卻水進(jìn)行熱交換，冷媒水溫度降低，降溫后的冷媒水沿著管路出冷凝器，經(jīng)1#、2#工作水泵升壓后通過單向閥1輸送給用戶。整個過程簡單易操作。

2.2 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)是利用水的汽化實現(xiàn)制冷，水在各個蒸發(fā)溫度點的蒸發(fā)潛熱如圖3所示[11]。

2.2.1 系統(tǒng)的設(shè)計工況

設(shè)計制冷量：Q0=330 kW，蒸發(fā)溫度T0=5 ℃，冷凝溫度Tk=40 ℃。

圖3為蒸發(fā)溫度T0與蒸發(fā)潛熱r0關(guān)系曲線。

由圖 3可知，蒸發(fā)溫度 T0為 5 ℃，飽和壓力P0為903.25 Pa，該狀態(tài)的汽化潛熱r0為2,490 kJ/kg；冷凝溫度為Tk=40 ℃，飽和壓力為Pk=7,375 Pa，該狀態(tài)的汽化潛熱rk為2,406 kJ/kg。

圖3 蒸發(fā)溫度T0與蒸發(fā)潛熱r0關(guān)系曲線

2.2.2 系統(tǒng)溫熵圖

系統(tǒng)溫熵圖如圖4所示。圖中，1-2表示高溫工作蒸汽在噴嘴內(nèi)部的膨脹過程。工作蒸汽（狀態(tài)點 2）與蒸發(fā)器中蒸發(fā)的低溫低壓冷劑水蒸汽（狀態(tài)點 3）混合后的狀態(tài)為點 4?；旌险羝跀U(kuò)壓器中流動升壓至狀態(tài)點 5，降速升壓后的混合蒸汽在主冷凝器中冷凝，釋放熱量，5-6表示主冷凝器中氣體的冷凝過程。狀態(tài)點6表示冷凝終了狀態(tài)點，冷凝后的水分成兩部分：經(jīng)過水泵升壓后，一部分補充到蒸發(fā)器中，補充蒸發(fā)器損失的冷媒水，圖中過程線6-7-3表示該過程；另一部分經(jīng)過凝結(jié)水系統(tǒng)進(jìn)入蒸汽發(fā)生器，該過程由過程線6-8-1表示。蒸汽發(fā)生器內(nèi)部是負(fù)壓狀態(tài)，比大氣壓力小，即小于 0.1 MPa，一般大于 0.08 MPa，因此本機(jī)設(shè)定T1=95 ℃。

圖4 系統(tǒng)溫-熵圖

2.2.3 系統(tǒng)熱力分析

制冷量[12-13]：

式中：

qm0——被引射蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s；

h3——制冷蒸汽出蒸發(fā)器時的焓kJ/kg；

h6——凝結(jié)水出主冷凝器時的焓值，kJ/kg。

冷媒水流量：

式中：

c1——設(shè)計工況下水的比熱容，kJ/(kg·℃)；

ρ1——設(shè)計工況下水的密度，kg/m3；

Δt1——冷媒水進(jìn)出水溫差℃。

產(chǎn)生工作蒸汽熱負(fù)荷：

式中：

qm1——工作蒸汽的質(zhì)量流量，kg/s；

h1——工作蒸汽出鍋爐時的焓值，kJ/kg。

主冷凝器熱負(fù)荷：

式中：

h5——混合蒸汽進(jìn)冷凝器時的焓值，kJ/kg。

主冷凝器冷卻水量：

式中：

c2——設(shè)計工況下水的比熱容，kJ/(kg·℃)；

ρ2——設(shè)計工況下水的密度，kg/m3；

Δt2——冷媒水進(jìn)出水溫差，℃。

主噴射器噴射系數(shù)：

2.2.4 系統(tǒng)控制

整個系統(tǒng)通過可編程控制器（PLC）進(jìn)行集中控制，并通過觸摸屏對各控制參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和顯示，可對各參數(shù)的設(shè)定值進(jìn)行重新設(shè)定，系統(tǒng)的主要控制參數(shù)如下。

1) 冷媒水溫度控制

當(dāng)冷卻海水溫度低于溫度設(shè)定值Ts時，冷媒水設(shè)計工況時出水溫度為 7 ℃，通過蒸發(fā)器第Ⅰ、第Ⅱ級啟?？刂瞥鏊疁囟仍?2～9) ℃。當(dāng)冷媒水出水溫度高于 9 ℃時，機(jī)組蒸發(fā)器的第Ⅰ、第Ⅱ級同時開啟運行；當(dāng)冷媒水出水溫度降至 5 ℃時，蒸發(fā)器的第Ⅱ級停止運行，如果冷媒水溫度繼續(xù)下降，當(dāng)溫度降至+2 ℃時，蒸發(fā)器的第Ⅰ級也停止運行。整個冷媒水溫度控制通過蒸發(fā)器第Ⅰ、第Ⅱ級啟停來實現(xiàn)。系統(tǒng)還可以根據(jù)現(xiàn)場的實際運行情況，對溫度設(shè)定值進(jìn)行調(diào)整，使系統(tǒng)處于最佳的運行狀態(tài)。

當(dāng)冷卻海水溫度低于溫度設(shè)定值Ts時，蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)停止運行，系統(tǒng)切換為冷卻海水與冷媒水直接換熱。通過電動三通調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷卻海水進(jìn)水流量，將冷媒水溫度控制在(18±2) ℃。

2）主冷凝器壓力控制

系統(tǒng)制冷過程是一個水在低壓下循環(huán)蒸發(fā)和冷凝過程，因此機(jī)組在啟動和運行過程中要保持系統(tǒng)合適的真空度。因此在該系統(tǒng)中設(shè)置了一個由一臺輔助冷凝器和兩臺空氣噴射器組成的抽空系統(tǒng)，控制系統(tǒng)中的蒸汽壓力。在啟動和運行時，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力偏離規(guī)定的壓力范圍時，抽空系統(tǒng)將主冷凝器內(nèi)的空氣和水蒸汽的混合汽抽出，使系統(tǒng)內(nèi)壓力回到規(guī)定的壓力范圍內(nèi)。

3）蒸發(fā)器液位控制

蒸發(fā)器不斷蒸發(fā)消耗水量，為了機(jī)組能連續(xù)工作，必須及時補充所消耗的水量。本系統(tǒng)通過置于蒸發(fā)器中的液位浮子調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的液位。

3 結(jié)論

蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)與溴化鋰或氨吸收式制冷機(jī)以及螺桿或離心壓縮式制冷系統(tǒng)相比，既有其優(yōu)點，又有其不足之處。氨氣是有毒氣體，溴化鋰水溶液有腐蝕性，蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)使用水作為工質(zhì)，不會對人體造成傷害，也不會污染環(huán)境且無腐蝕性；結(jié)構(gòu)簡單，無運動部件，可靠性比較高，因此壽命也比較長。其不足之處在于工作蒸汽壓力比較高，噴射器流動損失比較大，效率相對較低。在一些特殊的能夠綜合利用廢棄蒸汽場合比較實用。例如在一些大型使用蒸汽輪機(jī)驅(qū)動的海洋作業(yè)船上，就可以充分利用蒸汽輪機(jī)廢汽，設(shè)計成上述的蒸汽噴射制冷系統(tǒng)附加水—水換熱制冷系統(tǒng)，既節(jié)約大量能源，又保證系統(tǒng)的高可靠性。

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