李國誠

（武警海警學(xué)院 機(jī)電管理系，浙江寧波 315801）

0 引言

一直以來，石化燃料是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的引擎。經(jīng)濟(jì)的不斷增長，也帶來能源的過度消耗、能源不能充分利用等問題，導(dǎo)致能源危機(jī)的不斷加劇。能源危機(jī)已成為各國面臨的難題。解決的方法是研發(fā)清潔能源或提高現(xiàn)有能源的利用率。海運(yùn)行業(yè)擔(dān)負(fù)著全世界85%以上的貿(mào)易量。遠(yuǎn)洋船舶運(yùn)輸是高耗能、高排放的生產(chǎn)過程，每年都消耗了大量的石化燃料。根據(jù)近幾年相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，2020 年船舶運(yùn)輸行業(yè)的燃油消耗至少高達(dá)四億噸且將會逐年增加[1]。船舶所排放的廢氣含有大量的廢氣余熱。目前，廢氣余熱再利用主要是通過廢氣渦輪增壓技術(shù)和廢氣鍋爐技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，然后直接排入大氣。然而，經(jīng)過渦輪增壓器和廢氣鍋爐吸收余熱后，廢氣的溫度高于300 ℃，含有可觀的二次余熱。如果這些二次余熱沒有被再次利用，會導(dǎo)致能源浪費(fèi)，降低能源的原有價值。回收和利用柴油機(jī)二次余熱用于船舶空調(diào)制冷，對解決船舶節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)“綠色航運(yùn)”、解決能源危機(jī)等問題具有重大意義。

1 蒸汽噴射制冷空調(diào)原理和組成

蒸汽噴射式制冷的本質(zhì)是通過水在一定條件下汽化來產(chǎn)生制冷量。蒸汽噴射制冷系統(tǒng)所采用制冷劑和冷媒均為淡水。蒸汽噴射制冷系統(tǒng)的主要部件包括蒸汽發(fā)生器、噴射器、冷凝器、循環(huán)泵、節(jié)流閥和蒸發(fā)器。噴射器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。船用蒸汽噴射制冷空調(diào)的工作循環(huán)，如圖1 所示。柴油機(jī)二次余熱被蒸汽發(fā)生器再次利用，蒸汽發(fā)生器內(nèi)的淡水受熱蒸發(fā)，產(chǎn)生大量高溫高壓的水蒸汽。高溫高壓水蒸汽流經(jīng)噴嘴,壓力能轉(zhuǎn)化為速度能，在噴嘴出口處變成超音速的蒸汽，超音速的蒸汽流經(jīng)擴(kuò)壓管后，快速膨脹降壓，在噴射器出口處和進(jìn)入混合室之前的形成一個低壓區(qū)域。噴射器吸入口與蒸發(fā)器是相連通的，會使蒸發(fā)器內(nèi)形成極高的真空度。由于噴射器出口與蒸發(fā)器內(nèi)存在壓力差，噴射器主動吸入來自蒸發(fā)器的引射冷劑水。蒸發(fā)器內(nèi)冷媒水由于處在極高真空環(huán)境，會在低溫條件在汽化。來自艙室空調(diào)的循環(huán)冷媒水進(jìn)入蒸發(fā)器，以此真空度下所對應(yīng)的飽和溫度為條件，循環(huán)冷媒水部分汽化，吸收汽化潛熱，同時使蒸發(fā)器內(nèi)未汽化的冷媒水溫度降至該真空度下所對應(yīng)的飽和水的溫度，產(chǎn)生冷量，以供空調(diào)內(nèi)的下一個循環(huán)使用。工作過的高溫高壓水蒸汽和汽化后的引射冷劑水混合后，經(jīng)擴(kuò)壓器流入冷凝器。在冷凝器內(nèi)被舷外的海水冷卻形成冷凝水。一部分冷凝水通過循環(huán)泵泵送到蒸汽發(fā)生器，另一部分經(jīng)節(jié)流閥降壓后補(bǔ)充成引射冷劑水。

圖1 蒸汽噴射制冷空調(diào)工作循環(huán)

2 蒸汽噴射制冷和傳統(tǒng)壓縮制冷的對比

2.1 蒸汽噴射制冷的特點(diǎn)

2.1.1 綠色節(jié)能

柴油機(jī)排放廢氣經(jīng)過渦輪增壓器和廢氣鍋爐吸收余熱后，廢氣的溫度高達(dá)300 ℃以上，含有可觀的熱能，屬于二次余熱。蒸汽壓縮制冷循環(huán)動力來源于二次余熱，對二次余熱的再利用可提高船舶燃料的利用率，有利于船舶的節(jié)能減排[2]。因此，蒸汽噴射制冷循環(huán)是一種“綠色循環(huán)”。

2.1.2 環(huán)?？煽?/p>

蒸汽汽噴射制循環(huán)具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、加工方便、操作簡便和維修費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[3]。蒸汽噴射制冷循環(huán)中的冷劑和冷媒介質(zhì)都是淡水，化學(xué)性能穩(wěn)定、易保存、成本低、蒸發(fā)潛熱大、對海洋環(huán)境無害。蒸汽發(fā)生器和噴射器無運(yùn)動部件，結(jié)構(gòu)簡單、無需潤滑、易維護(hù)保養(yǎng)且性能可靠。

2.1.3 制冷效率較低

利用水作為冷媒也具有一些缺點(diǎn)，水低于0 ℃就會結(jié)冰，因此系統(tǒng)制冷溫度不能低于0 ℃，一般為5 ℃～15 ℃，較高的制冷溫度會導(dǎo)致制冷效率的較低[4]。水蒸汽的汽化潛熱大，水蒸氣的比體積相對較大，為減少管路的壓降損失，系統(tǒng)內(nèi)汽相的制冷劑管路直徑也相對較大[5]。但是，這個問題可通過在管路加裝抽氣裝置來解決。

2.2 船用蒸氣壓縮制冷特點(diǎn)

船用蒸氣壓縮制冷的動力來源于壓縮機(jī)。壓縮機(jī)類型按結(jié)構(gòu)可分為活塞式壓縮機(jī)、螺桿式壓縮機(jī)和離心式壓縮機(jī)等，目前應(yīng)用最廣泛的是活塞式壓縮機(jī)?；钊綁嚎s機(jī)具有技術(shù)成熟、熱效率高、壓力適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)動部件多、易損壞、故障較多、排氣脈動、振動大、噪聲大、維護(hù)量多。船用空調(diào)制冷介質(zhì)主要有R717、R11、R22、R32、R134a、R410A 等。R717 單位制冷量高，消耗臭氧層潛值ODP＝0，但具有毒性。R11 和R22 技術(shù)成熟，在船舶上應(yīng)用廣泛，ODP＞0，環(huán)保性低。R32 的ODP＝0，具有微毒性、微燃性、爆炸極限較廣的特點(diǎn)。R134a 的ODP＝0，無毒、不可燃，但吸水性強(qiáng)、滑油相容性差。R410A的ODP＝0，具有微毒，工作時壓力較高，對管路強(qiáng)度的要求高。這些制冷劑是船用活塞式壓縮制冷循環(huán)常用的幾種制冷工質(zhì)，這些制冷劑均無法徹底規(guī)避“液擊”的風(fēng)險。

2.3 對比結(jié)果

壓縮制冷具有制冷效率高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，在過去的幾十年，得到了廣泛的應(yīng)用[6]。蒸汽噴射制冷的關(guān)鍵技術(shù)還未完全解決，受限于制冷效率較低，目前還沒有得到大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用，在船舶上的應(yīng)用也較少。蒸汽噴射制冷系統(tǒng)運(yùn)行時，水制冷劑呈液態(tài)或汽態(tài)，不存在“液擊”和管路結(jié)晶的問題，且具有環(huán)?？煽俊⒕G色節(jié)能、易維護(hù)保養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。蒸汽噴射制冷系統(tǒng)在可靠性、環(huán)保性、節(jié)能性上較傳統(tǒng)壓縮制冷技術(shù)系統(tǒng)更具有優(yōu)勢。將蒸汽噴射制冷技術(shù)應(yīng)用于船舶空調(diào)，這對提高船舶燃料的利用率具有重要意義，是“綠色船舶”、“綠色航運(yùn)”的發(fā)展方向。

3 蒸汽噴射制冷技術(shù)的研究現(xiàn)狀

關(guān)于蒸汽噴射制冷研究正在進(jìn)行，也取得了許多研究成果。張家豪通過對比仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，表明蒸汽噴射器的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)對噴射器性能和噴射器內(nèi)的流場影響最大[6]。戴征舒[7]采用多種湍流模型對噴射器內(nèi)不可逆損失進(jìn)行數(shù)值模擬研究,指出不可逆損失越小,蒸汽噴射器的噴射效率越高。耿利紅[8]采用不同數(shù)值模擬的方法，探討噴射器結(jié)構(gòu)尺寸和噴射器噴射效率之間的關(guān)系，并經(jīng)試驗(yàn)證明工作流體噴嘴入口壓力越大，工作流體的臨界質(zhì)流密度越大。范昌明[9]分析船舶能源利用情況和傳統(tǒng)船用空調(diào)的缺點(diǎn)，指出利用船機(jī)余熱用于空調(diào)制暖是未來發(fā)展方向?；i基于實(shí)船數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)模型,將數(shù)值模擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，對船舶余熱噴射式制冷系統(tǒng)的影響因素進(jìn)行研究，為未來該技術(shù)的實(shí)船應(yīng)用提供了基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)[1]。王菲[10]對比分析噴射制冷常用的幾種種工質(zhì)，表明R152a具有更低的循環(huán)泵功和更大的性能系數(shù)且對環(huán)境影響較小。劉巖[11]以水為制冷工質(zhì)，通過理論分析和試驗(yàn)結(jié)果的對比，著重研究制冷機(jī)組性能的影響因素，指出冷凝溫度和蒸發(fā)溫度對制冷量影響較大。王曉冬[12]通過實(shí)驗(yàn)分析，研究蒸汽背壓與引射系數(shù)的規(guī)律，結(jié)果表明，引射系數(shù)和背壓存在某一特定臨界值，背壓只要不超過臨界值，對引射系數(shù)較小，超過臨界值，會大大降低引射系數(shù)。王升龍[13]基于經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計了不同結(jié)構(gòu)的噴射器，并采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果證明該方法有效提高升壓式制冷循環(huán)的效果?？荡轰沎14]采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究對比方法對噴射器性能進(jìn)行研究，提出了不同工況下最佳計算湍流模型的方案。董景明[15]通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)的對比方法，對所建立的噴射器理論模型進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該模型計算結(jié)果優(yōu)于Eames 等人所提出的理論模型。

目前的研究領(lǐng)域大多集中于噴射器的性能、設(shè)計、流場及制冷的影響因素，也通過試驗(yàn)驗(yàn)證了一些噴射器設(shè)計的計算模型。但是這些計算模型只是滿足某一型或某一噸位船舶，缺乏通用性。噴射器內(nèi)汽液雙相態(tài)流動十分復(fù)雜，涉及到湍流流動、多相流動、超音速流動等復(fù)雜情況。要設(shè)計出實(shí)用性強(qiáng)的噴射器，必須先掌握準(zhǔn)確噴射器內(nèi)部流場理論的運(yùn)動模型，關(guān)于這方面的報道較少。由于缺乏通用的準(zhǔn)確噴射器設(shè)計的計算模型，導(dǎo)致不同噸位、不同船型應(yīng)用蒸汽噴射制冷技術(shù)時，需投入精力和成本去研制噴射器，這也增加了船舶使用蒸汽噴射制冷系統(tǒng)的阻力。蒸汽噴射制冷大多還處于數(shù)值模擬研究和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)階段，關(guān)于實(shí)船的應(yīng)用研究還較少。目前，蒸汽噴射制冷系統(tǒng)的研究還有欠缺，特別是噴射器的設(shè)計模型、噴射制冷效率模型等問題還需進(jìn)一步研究，繼續(xù)提高噴射系統(tǒng)性能和制冷效率以滿足船舶上實(shí)際應(yīng)用的需要。

4 實(shí)船廣泛應(yīng)用需解決的主要問題

4.1 船用蒸汽噴射器設(shè)計的計算模型

噴射器由噴嘴、吸入室、混合室和擴(kuò)壓管組成，其整體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。噴嘴平面草圖如圖3 所示，g 為喉部直徑，h 為出口直徑?；旌鲜液蛿U(kuò)壓管平面草圖如圖4 所示，a 為噴嘴進(jìn)口直徑，b 為混合室和擴(kuò)壓管的直徑，e 為長度，f 為擴(kuò)散角。整套蒸汽噴射制冷系統(tǒng)抽汽效率的影響因素主要包括該系統(tǒng)的引射系數(shù)和擴(kuò)壓器的背壓。引射系數(shù)的值等于引射流體質(zhì)量流量與工作流體質(zhì)量流量的比值。引射系數(shù)大說明抽汽效率高，反之，抽氣效率低。引射系數(shù)大小直接與噴射器的結(jié)構(gòu)和尺寸大直接相關(guān)。其中，對引射系數(shù)的影響最大的是噴嘴出口處與混合室入口處之間距離[1]。抽氣效率還受背壓的影響，背壓大小取決于擴(kuò)壓器進(jìn)口直徑、出口直徑、混合室的長度、擴(kuò)壓器的擴(kuò)散角，其中，擴(kuò)壓器出口的直徑對背壓影響最大。所以，噴射器設(shè)計重點(diǎn)是結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸參數(shù)的大小及背壓。蒸汽在噴射器的內(nèi)部流動十分復(fù)雜，目前常用的理論設(shè)計方法主要有氣動動力學(xué)函數(shù)法、經(jīng)典熱力學(xué)法和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法，這些方法能應(yīng)用的范圍還不夠廣泛[16]。如果后續(xù)研究者提出一種可應(yīng)用于實(shí)船的噴射器設(shè)計的數(shù)學(xué)模型，提高噴射器的效率，將會大大加快蒸汽噴射制冷空調(diào)在船舶上應(yīng)用的步伐。

圖2 噴射器整體結(jié)構(gòu)圖

圖3 噴嘴平面草圖

圖4 混合室和擴(kuò)壓管結(jié)構(gòu)草圖

4.2 船舶有效二次余熱的計算模型

二次余熱是指船舶廢氣熱量經(jīng)廢氣渦輪增壓器和廢氣鍋爐吸收后還存在的能量。通過二次余熱的計算可為下一步制冷量計算和噴射器設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。不同類型船舶二次余熱也不一樣，主要影響因素有主機(jī)的功率、工況、每小時廢氣排量、廢氣溫度等。二次余熱計算理論計算公式如式（1）所示。

于是他蹲坐在她的對面，小心地啃著，動作很紳士，幾乎不留下一點(diǎn)碎屑，吃完后又伸出他的小爪子，在嘴上輕輕按了兩下，抬起頭來見她在望他，就不好意思又歡喜地笑了一笑，她突然發(fā)現(xiàn)他的嘴巴是那么小巧精致，呈一個完美的倒三角形狀，多么可愛，她心里頓時爬著一股癢癢的欣然。那一刻她記了好多年。

式中：Qy為二次余熱總量，kJ；Cy為廢氣平均定壓比熱，kJ/(kg·℃)；My為每小時排煙量；T2為經(jīng)鍋爐吸收后的溫度，℃；T1為廢氣排入大氣的溫度，℃。理論計算公式只能提供一些基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)，實(shí)船應(yīng)用中無法將理論計算所得的二次余熱100%全部用于系統(tǒng)循環(huán)。因此，船舶可用于制冷的余熱還須通過實(shí)船進(jìn)行大量試驗(yàn)，以探討船舶有效余熱的計算模型。

4.3 最佳運(yùn)行參數(shù)的計算模型

冷凝溫度、冷凝器壓力、蒸發(fā)溫度、冷媒水溫度和背壓等參數(shù)都會影響蒸汽噴射的制冷效果。冷凝溫度和冷媒水溫度低，則制冷量大，但是水在在0℃時會結(jié)冰，所以冷媒水溫度不能低于0°。冷凝器壓力過大會導(dǎo)致背壓高，背壓噴射器引射系數(shù)小，制冷效率差。實(shí)船應(yīng)用時，系統(tǒng)的冷凝溫度、冷凝器壓力、蒸發(fā)溫度、冷媒水溫度、背壓等任何一個運(yùn)行參數(shù)發(fā)生變化，都會影響制冷的效果，所以各個運(yùn)行參數(shù)應(yīng)在一個合適的范圍。目前，對運(yùn)行參數(shù)的研究大多停留在實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)船試驗(yàn)研究相對較少。為確定合適的參數(shù)范圍，可以采用“四步”研究法。

1）對運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和數(shù)值模擬，探討理論應(yīng)用規(guī)律。

2）構(gòu)建實(shí)驗(yàn)平臺，對理論應(yīng)用規(guī)律進(jìn)行修正。

3）將蒸汽噴射制冷設(shè)備進(jìn)行實(shí)際船舶試驗(yàn)，以確定該型最佳的運(yùn)行參數(shù)范圍。

4）進(jìn)行多型多噸位的各類船舶的試驗(yàn)，建立起各個參數(shù)與制冷效率之間的數(shù)學(xué)模型。

5 結(jié)論

1）研究重點(diǎn)即提高蒸汽噴射制冷的效率，建立精確的制冷運(yùn)行參數(shù)計算模型、準(zhǔn)確的能廣泛應(yīng)用于各類船型的船用蒸汽噴射器設(shè)計數(shù)學(xué)模型和有效二次余熱的計算模型。

2）蒸汽噴射制冷的熱源除了來自主機(jī)的二次余熱以外，還有可以吸收太陽能、缸套余熱等。

3）建立起蒸汽噴射制冷空調(diào)和其他制冷方式聯(lián)合機(jī)制，充分發(fā)揮各種的優(yōu)點(diǎn)，以便船舶二次余熱不足時，也能提供有效的空氣調(diào)節(jié)。