船用噴射制冷-轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)工質(zhì)選擇

趙晨旭，鄭超瑜，陳 武

(集美大學(xué)輪機工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

0 引言

船用噴射制冷-轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)是一種基于溫濕度解耦(獨立)控制策略的新型復(fù)合式空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)輪除濕子系統(tǒng)和噴射制冷子系統(tǒng)組成，采用船舶廢熱驅(qū)動。其中，轉(zhuǎn)輪除濕子系統(tǒng)承擔(dān)處理潛熱的任務(wù)，噴射制冷子系統(tǒng)和海水冷卻器共同承擔(dān)處理顯熱的任務(wù)，可實現(xiàn)對艙室內(nèi)的溫濕度解耦(獨立)控制，從而避免出現(xiàn)采用溫濕度耦合控制的各種弊端。

單獨的轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)[1]和噴射制冷系統(tǒng)[2]已經(jīng)有大量的研究，但是將兩者結(jié)合起來并考慮相互影響的研究還比較少。近年來，部分學(xué)者對其展開了初步研究，包括系統(tǒng)的構(gòu)架研究[3]以及系統(tǒng)性能的初步理論研究[4]。在制冷工質(zhì)方面，盡管國內(nèi)外已經(jīng)有大量文獻[5-8]對噴射制冷系統(tǒng)中所使用的制冷劑進行了深入研究，但是仍缺乏對船用噴射制冷-轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)工質(zhì)的研究。此外，目前大型商船的主機排氣溫度約為 250～350 ℃,輔機的排氣溫度為300～400 ℃,廢氣鍋爐也可產(chǎn)生大量高壓蒸氣(120～180 ℃),擁有豐富穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)熱源。這些優(yōu)質(zhì)熱源不僅在一定程度上提高了噴射制冷系統(tǒng)的性能,而且為高溫制冷劑的使用提供了可能。因此,有必要對船用噴射制冷-轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑選擇和分析開展相關(guān)研究。

本文針對船用噴射制冷-轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)工質(zhì)的選擇問題，對幾種環(huán)保制冷工質(zhì)(R134a，R245fa，R718，R717，R1234yf)進行綜合分析，以期為船用噴射制冷-轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)工質(zhì)的合理選擇提供參考。

1 船用噴射制冷-轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)系統(tǒng)

船用噴射制冷-轉(zhuǎn)輪除濕空調(diào)的系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

船舶艙室的一次回風(fēng)與外界新風(fēng)按照新風(fēng)比的要求混合送入系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)輪的除濕區(qū)1對空氣進行首次干燥處理，伴隨著除濕過程的進行，處理空氣的潛熱轉(zhuǎn)化為顯熱，使得空氣的溫度明顯增加。隨后空氣經(jīng)由中冷器1利用海水進行冷卻降溫，并經(jīng)過除濕區(qū)2再次進行除濕。此后將處理空氣通過中冷器2進行冷卻處理，然而由于海水溫度較高，冷卻后的處理空氣無法達到送風(fēng)要求，因此需要通過噴射制冷子系統(tǒng)的蒸發(fā)器對其進行降溫；同時，為了保證系統(tǒng)的連續(xù)運轉(zhuǎn)，艙室回風(fēng)經(jīng)廢熱加熱后送入轉(zhuǎn)輪再生區(qū)進行再生，使之恢復(fù)除濕能力。噴射制冷子系統(tǒng)由發(fā)生器、噴射器、冷凝器、儲液器、膨脹閥、循環(huán)泵等部件構(gòu)成，制冷工質(zhì)經(jīng)由船舶廢熱源驅(qū)動的發(fā)生器被加熱為高溫、高壓流體，并經(jīng)噴射器噴射變?yōu)楦咚倭鲃拥牧黧w，進而抽吸蒸發(fā)器中的工作流體，使之蒸發(fā)，從而實現(xiàn)對處理空氣的冷卻作用。

由于噴射制冷子系統(tǒng)不需要承擔(dān)除濕任務(wù)，不必采用過度冷卻的低溫露點除濕方式，因此，其蒸發(fā)溫度比需要承擔(dān)除濕任務(wù)的噴射制冷系統(tǒng)要高，較高的蒸發(fā)溫度可以提高噴射制冷子系統(tǒng)的工作效率，這可能會對噴射制冷子系統(tǒng)中制冷劑的選擇產(chǎn)生很大影響。

2 噴射制冷子系統(tǒng)工質(zhì)選擇

工作介質(zhì)顯著影響噴射器的性能和制冷循環(huán)性能。本文以制冷劑的環(huán)保性能和發(fā)展趨勢為出發(fā)點，選擇5種制冷劑(R134a，R245fa，R718，R717，R1234yf)作為研究對象，其基本物理性質(zhì)如表1所示。由于臨界溫度和臨界壓力限定了制冷劑的工作范圍，因此在選擇制冷劑時，必須注意制冷劑有效工作范圍是否與工作條件相匹配。從表1中可看出：R718具有最高臨界溫度，隨后臨界溫度從高到低依次為R245fa，R717，R134a，R1234yf；臨界壓力從高到低依次為R718，R717，R134a，R245fa，R1234yf；ASHRAE安全級別用于衡量制冷劑的安全性能，A1代表無毒不可燃，A2代表無毒可燃，B1代表有毒不可燃，B2代表有毒可燃；ODP(ozone depletion potertial)和GWP(global warming potential)評價制冷劑對研究的影響程度，其值越小代表對環(huán)境影響越小。

表1 制冷劑的基本物性參數(shù)

2.1 制冷劑分析的基本條件

為了分析和選擇制冷劑，設(shè)定系統(tǒng)總制冷量Qt為3 kW，發(fā)生溫度Tg為90 ℃，由于該噴射制冷子系統(tǒng)僅承擔(dān)顯熱負荷，因此，為了滿足夏季艙室內(nèi)的室溫為設(shè)計參數(shù)溫度27℃,考慮換熱溫差以及流動過程中的傳熱效應(yīng)，蒸發(fā)溫度Te選定為10 ℃。由于舷外海水溫度會隨著外界環(huán)境溫度波動，因此，冷凝溫度Tc分別選取28，30，32，34，36，38，40，42，44 ℃這9組溫度進行分析。此外，由于科學(xué)界和制造業(yè)逐漸放棄鹵代烴類，開始轉(zhuǎn)向天然制冷劑和可再生的化石燃料[10]，而具有最佳環(huán)保特性的天然制冷劑R718系統(tǒng)不僅可以直接利用廢棄鍋爐產(chǎn)生的多余蒸氣，還可以和船舶的淡水系統(tǒng)進行聯(lián)合，這會與選用其他制冷工質(zhì)的系統(tǒng)架構(gòu)有所區(qū)別。同時，考慮到R718制冷劑的臨界溫度較高，可以適用于發(fā)生溫度較高的情況。因此，又對R718制冷劑在發(fā)生溫度高的情況，對其下性能進行了分析。

2.2 噴射制冷子系統(tǒng)的工作過程和性能指標

蒸氣噴射制冷理論循環(huán)過程如圖2所示。圖中：Tg為發(fā)生溫度；Pg為一次流體在發(fā)生溫度下對應(yīng)的飽和蒸氣壓力；Tc為冷凝溫度；Pc為冷凝壓力；Te為蒸發(fā)溫度；Pe為蒸發(fā)壓力。通過利用船舶廢熱驅(qū)動蒸氣發(fā)生器產(chǎn)生高溫、高壓蒸氣或直接利用廢棄鍋爐產(chǎn)生的蒸氣通向噴嘴，使蒸氣壓力從Pg膨脹至Pe(1→2)，隨之與蒸發(fā)器中的冷蒸氣進行混合(2→4，3→4)，混合后的蒸氣經(jīng)由擴壓管擴壓后壓力升高至Pc(4→5)，再利用舷外海水冷凝(5→6)成冷凝液后分為兩路，一路經(jīng)由節(jié)流閥節(jié)流后壓力降為Pe(線6→9)，并返回到蒸發(fā)器蒸發(fā)吸熱(線9→3)，另一路在循環(huán)泵的作用下壓力升高(6→7)，被打入蒸氣發(fā)生器中加熱(7→8)，并汽化(線8→1)，從而實現(xiàn)一個完整的循環(huán)。

噴射器的性能是通過引射系數(shù)(μ)來衡量的，μ=me/mp[9]。式中：me為二次流體質(zhì)量流量(kg/s)；mp為一次流體質(zhì)量流量(kg/s)。

系統(tǒng)性能通過COP來衡量，COP=Qe/(Qp+Wpump)。其中：Qp為蒸氣發(fā)生器消耗的功率(kW)；Qe為蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量(kW)；Wpump為循環(huán)泵消耗的功率(kW)。

對于一般循環(huán)而言，循環(huán)泵所消耗的功與蒸氣發(fā)生器消耗的功相比非常小，因此泵功可以忽略[10]。結(jié)合圖2，系統(tǒng)循環(huán)COP可表示為：

COP=μ(h3-h9)/(h1-h6)。

式中：h1為發(fā)生溫度下飽和蒸氣的焓(kJ/kg)；h3為蒸發(fā)溫度下飽和蒸氣的焓(kJ/kg)；h6為冷凝溫度下飽和液的焓(kJ/kg)；h9為膨脹閥出口流體的焓(kJ/kg)。

噴射器的結(jié)構(gòu)通常通過噴射器恒定喉管截面面積與噴嘴喉部橫截面積至比來表示，文中噴射器的面積比均為在給定工況下實現(xiàn)最大性能時的噴射器結(jié)構(gòu)。

2.3 制冷劑分析

2.3.1 安全性和環(huán)保性

由表1可知所選5種制冷劑的安全級別，R245fa和R717都具有毒性，因為大多數(shù)船艙相對封閉，選擇制冷劑時應(yīng)盡量避免選擇有毒制冷劑，所以這兩種制冷劑不具備可選性。R134a和R718的安全級別高，是這5種制冷劑中較為合理的選擇。從環(huán)保性能考慮，R718和R1234yf由于GWP較低，因此較為理想。

2.3.2 不同工作條件下的引射系數(shù)分析

為了分析所選制冷劑在不同工作條件下的性能情況，采用I.W.Eames[10]模型，根據(jù)等壓混合理論計算并分析了引射系數(shù)。圖3是發(fā)生溫度為90 ℃，蒸發(fā)溫度為10 ℃時，引射系數(shù)隨冷凝溫度的變化趨勢?？傮w而言，所選制冷劑的引射系數(shù)都隨著冷凝溫度的升高而降低，但相較于其他4種制冷劑，R1234yf具有最佳的引射系數(shù)，R134a和R717的引射系數(shù)相近但都低于R1234yf的，R718的引射系數(shù)則遠低于其他幾種制冷劑。當(dāng)冷凝溫度范圍在28～44 ℃時，冷凝溫度每上升1 ℃，R134a，R245fa，R717和R1234yf的引射系數(shù)分別平均降低0.056 25,0.050 63,0.054 38和0.05 500。當(dāng)冷凝溫度高于40 ℃時，由于背壓過高，引起工質(zhì)回流，致使R718制冷劑的引射系數(shù)下降為0。當(dāng)冷凝溫度范圍在28～40 ℃時，引射系數(shù)隨著冷凝溫度每升高1 ℃而平均下降0.056 67。盡管R718引射系數(shù)隨冷凝溫度的平均變化率相較于其他4種制冷劑而言略微敏感，但差別并不大。此外，當(dāng)冷凝溫度位于28～33 ℃時，盡管R717的引射系數(shù)比R134a略高，但當(dāng)冷凝溫度升高至33～44 ℃范圍內(nèi)時，R134a的引射系數(shù)反而要略高于R717，這意味著R134a相較于R717對于冷凝溫度更加敏感?？偠灾?，當(dāng)發(fā)生溫度為90 ℃，冷凝溫度在28～34 ℃時，從引射系數(shù)和對冷凝溫度敏感度方面考慮,選擇R1234yf更加理想。在相同條件下，R718表現(xiàn)欠佳。

2.3.3 不同工況下的理論循環(huán)COP

圖4是所選制冷劑對應(yīng)的噴射制冷系統(tǒng)的理論循環(huán)COP。顯然所選制冷劑的理論循環(huán)COP都隨著冷凝溫度的升高而下降，且制冷劑對應(yīng)的理論循環(huán)COP從大到小依次為：R717，R1234yf，R134a，R245fa，R718。其中：當(dāng)冷凝溫度低于30 ℃時，R134a的理論循環(huán)COP大于R1234yf的。當(dāng)冷凝溫度范圍在28～44 ℃內(nèi)，隨著冷凝溫度每升高1 ℃，R134a，R245fa，R717，R1234yf R718對應(yīng)的理論循環(huán)COP平均下降0.044 38，0.033 13，0.045 63，0.040 00，0.045 00。從理論循環(huán)COP角度而言，R717具有良好的表現(xiàn)，但安全因素限制了它的使用。

通過對比圖3和圖4發(fā)現(xiàn)，擁有最優(yōu)的引射系數(shù)并不意味著擁有最佳的理論循環(huán)COP，例如R1234yf在這5種制冷劑中具有最大的引射系數(shù)，但是其對應(yīng)的理論循環(huán)COP并非最佳。

2.3.4 R718在發(fā)生溫度高時的性能

雖然R718制冷劑對應(yīng)的引射系數(shù)和理論循環(huán)COP以及可變工況的特性在發(fā)生溫度低的情況下表現(xiàn)較差，但是船上的高溫廢熱為R718的使用提供了有利條件。如圖5、圖6所示，在相同的蒸發(fā)溫度和冷凝溫度下，隨著發(fā)生溫度從90 ℃升高至150 ℃，R718的引射系數(shù)和理論循環(huán)COP顯著提高。當(dāng)引射系數(shù)大于0.5時，其發(fā)生溫度為90，120，150 ℃時所有對應(yīng)的冷凝溫度分別低于28，30，32 ℃，這表明在相同條件下，提高發(fā)生溫度可以提高冷凝溫度的上限以及引射系數(shù)。

發(fā)生溫度越高，冷凝溫度可取上限就越大，相應(yīng)的理論循環(huán)COP也就越高。圖4則表明R718的理論循環(huán)COP與R1234yf差異很小，特別是在低冷凝溫度時R718甚至有更優(yōu)的表現(xiàn)。顯然，發(fā)生溫度高有利于R718制冷劑的使用。

2.3.5 充注量

在實際情況中，系統(tǒng)充注的制冷劑量通常與其設(shè)備規(guī)模和經(jīng)濟性有關(guān)。由于不同制冷劑具有不同的潛熱值，獲取相同冷量時系統(tǒng)所需的充注量也不同。相比之下，由于R718具有較大的氣化潛熱值，因此獲取相同的制冷量所需的充注量可能會更少。但由于不用制冷劑的引射系數(shù)不同，因此不同的制冷劑充注量應(yīng)綜合考慮。噴射制冷系統(tǒng)的制冷劑充注量可以通過系統(tǒng)中的總質(zhì)量流量進行分析，制冷劑總質(zhì)量流量m=mp+me。其中：mp為一次流體質(zhì)量流量；me為二次流體質(zhì)量流量。

圖7是所選制冷劑在制冷量為3 kW時，制冷劑的質(zhì)量流量隨冷凝溫度的變化過程。可以看出，R134a，R245fa和R1234yf的質(zhì)量流量接近且相對較大；R717和R718的質(zhì)量流量則遠小于其他三種制冷劑，這是因為R717和R718都具有較大的潛熱值。另外，對于R718系統(tǒng)，當(dāng)冷凝溫度高于38 ℃時，由于R718的引射系數(shù)顯著下降，系統(tǒng)質(zhì)量流量會急劇增加，且系統(tǒng)的COP仍然很低，由于這種情況在應(yīng)用中已經(jīng)缺乏實際意義，因此圖7中并未畫出冷凝溫度高于38 ℃的曲線。從圖8中可看出，對于R718噴射制冷系統(tǒng)，當(dāng)其他條件保持不變時，在一定范圍內(nèi)提高發(fā)生溫度不僅可以減少制冷劑的質(zhì)量流量，而且顯著提高相應(yīng)的冷凝溫度。從充注量角度分析，R718和R717更具優(yōu)勢。此外，圖8也說明了在相同冷凝溫度情況下，隨著發(fā)生溫度的提高，系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的充注量進一步得到降低。

3 結(jié)語

1)從理論循環(huán)COP方面考慮，R717具有最高的理論循環(huán)COP和最小的充注量，但其ASHRAE安全等級僅為B2，這限制了該種制冷劑在船舶上的使用。

2)從環(huán)境角度考慮，R718具有最佳的環(huán)保性能，其不僅價格低廉，具有較大的潛熱值，而且化學(xué)性能穩(wěn)定。但由于該制冷劑在低發(fā)生溫度，高冷凝溫度下引射系數(shù)和系統(tǒng)循環(huán)COP都比較低，因此在發(fā)生溫度高的情況下該種制冷劑才有使用的可能。例如當(dāng)發(fā)生溫度達到150 ℃時，R718的引射系數(shù)和理論循環(huán)COP已經(jīng)達到R1234yf在發(fā)生溫度為90 ℃時的大小。因此，對于擁有豐富熱源的船用ERRD A/C系統(tǒng)，選擇R718可以充分利用高熱源和R718自身的優(yōu)勢。

3)從綜合性能方面考慮，R1234yf具有最佳的引射系數(shù)，且具有良好的環(huán)保性能，但其臨界溫度較低。在船用EERD A/C中，當(dāng)發(fā)生溫度相對較低時，例如發(fā)生溫度小于90 ℃時，R1234yf是一種較為合適的選擇。

4)總體而言，所選制冷劑都無法在各個方面都具有最佳的性能。對于船用ERRD A/C系統(tǒng)，選擇R1234yf或R718是一種相對較為合適的方案，其具體選擇主要取決于船舶廢熱的品質(zhì)。