多級噴射器在船舶冷庫節(jié)能中的應(yīng)用

籍 偉，俞夢琪，董景明，楊宗橋，高嘉銘

（1. 浙江富興海運(yùn)有限公司，浙江 杭州 310000；2. 大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026）

0 引 言

船舶冷庫是船上一個非常重要的部分，隨著船舶貨運(yùn)量的不斷增加，對冷庫的冷藏保鮮要求越來越高。船上早期采用的機(jī)械制冷式冷庫是只能控制1種蒸發(fā)溫度的單級冷庫[1]，隨著人們生活水平的不斷提高，這種單級冷庫逐漸無法滿足日益增長的冷藏需求，在此情況下，多機(jī)多庫系統(tǒng)開始出現(xiàn)。多機(jī)多庫系統(tǒng)是指根據(jù)船舶對不同制冷溫度的需求設(shè)計不同蒸發(fā)溫度的冷庫，分別配以不同的壓縮機(jī)組進(jìn)行控制的系統(tǒng)。該系統(tǒng)造價高，占地面積大，且會增加船舶的質(zhì)量，不利于船舶運(yùn)貨，因此很快就被一機(jī)多庫系統(tǒng)[2]取代。一機(jī)多庫系統(tǒng)是指僅用1臺制冷壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)對不同蒸發(fā)溫度冷庫的控制的系統(tǒng)，圖1為典型的船舶一機(jī)多庫系統(tǒng)，只配置有1臺制冷壓縮機(jī)，不僅能節(jié)約投資成本，而且可節(jié)省機(jī)艙空間。但是，該系統(tǒng)存在一定的缺陷，例如高溫庫與中溫庫和低溫庫的蒸發(fā)溫度和蒸發(fā)壓力不同，三者共用一條回氣總管會造成回氣壓力不均勻，進(jìn)而對壓縮機(jī)的工作性能造成較大的影響。因此，分別在高溫庫和中溫庫的回氣管上加裝一個壓力調(diào)節(jié)閥，使高溫庫和中溫庫的回氣壓力減小，最終與低溫庫的回氣壓力相等。一機(jī)多庫系統(tǒng)中壓縮機(jī)的回氣壓力的大小取決于低溫庫的庫溫對應(yīng)的蒸發(fā)壓力的大小，這會使制冷壓縮機(jī)的壓縮比較高，工作性能較差。

圖1 典型的船舶一機(jī)多庫系統(tǒng)

為提高船舶冷庫中制冷系統(tǒng)的能效，采用噴射器代替原制冷系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)閥，其工作原理是：利用高溫庫蒸發(fā)器產(chǎn)生的高溫高壓氣態(tài)制冷劑作為噴射器的工作流體，用其引射低溫庫蒸發(fā)器產(chǎn)生的氣態(tài)制冷劑，二者混合之后形成的氣態(tài)冷劑的壓力介于高溫庫蒸發(fā)壓力與低溫庫蒸發(fā)壓力之間，因此可有效提高壓縮機(jī)的回氣壓力，從而降低壓縮機(jī)的功耗。KOMHAUSER[3]和TOMASEK[4]嘗試用噴射器代替制冷系統(tǒng)中的壓力調(diào)節(jié)閥，研究發(fā)現(xiàn)噴射器可有效提高壓縮機(jī)的回氣壓力。WANG[5]研究汽-液兩相噴射器在多級冷庫中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)冷庫工況和噴射器尺寸對制冷系統(tǒng)的性能有較大的影響。LI[6]設(shè)計一種可調(diào)節(jié)噴嘴喉部面積的噴射器并將其應(yīng)用于多級冷庫中，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該噴射器可較好地滿足變工況的要求。KAIROUAN[7]采用理論建模的方法對比兩級噴射器系統(tǒng)與傳統(tǒng)一機(jī)多庫系統(tǒng)的性能，發(fā)現(xiàn)在給定的工況下，R141b的工作性能更好。毛小兵等[8]將噴射器引入船舶高溫冷庫和低溫冷庫中，并對新循環(huán)進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究。本文采用多級噴射器代替一機(jī)多庫系統(tǒng)中高溫冷庫和中溫冷庫出口的壓力調(diào)節(jié)閥，并設(shè)計2種系統(tǒng)方案。對比不同環(huán)保工質(zhì)對系統(tǒng)COP（Coefficient of Performance）（下文用COP表示）和壓縮機(jī)功耗的影響。在此基礎(chǔ)上，研究不同冷庫的蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)COP和制冷量的影響。

1 多級噴射器的冷庫系統(tǒng)設(shè)計

圖2為方案一中帶噴射器的一機(jī)多庫系統(tǒng)，其中蒸發(fā)器①、蒸發(fā)器②和蒸發(fā)器③分別對應(yīng)船舶高溫冷庫、中溫冷庫和低溫冷庫。從高溫冷庫蒸發(fā)器出來的高溫高壓氣態(tài)冷劑10作為噴射器Ⅰ的工作流體，在噴嘴13出口膨脹降壓，形成一個低壓區(qū)來引射中溫冷庫中的氣態(tài)冷劑11。工作流體與引射流體在混合室內(nèi)充分混合形成的混合流體14經(jīng)過擴(kuò)壓室之后將動能轉(zhuǎn)化為壓力能形成高壓氣體15，這部分高壓氣體作為噴射器Ⅱ的工作流體，在噴嘴16出口膨脹降壓，引射低溫冷庫的氣態(tài)冷劑12。工作流體與引射流體在混合室內(nèi)交換能量，形成的混合流體17通過擴(kuò)壓室將動能轉(zhuǎn)化為壓力能，通過兩級噴射器增壓之后形成的混合流體1的壓力介于中溫冷庫的蒸發(fā)壓力與低溫冷庫的蒸發(fā)壓力之間，即壓縮機(jī)的回氣壓力得到提升。壓縮機(jī)進(jìn)一步將增壓之后的氣態(tài)冷劑壓縮為高溫高壓的過熱氣體2，并將其送入冷凝器中冷卻為高溫高壓的液態(tài)冷劑3。從冷凝器出來的液態(tài)冷劑3分別進(jìn)入高溫冷庫、中溫冷庫和低溫冷庫的蒸發(fā)器。各冷庫的蒸發(fā)壓力分別通過對應(yīng)的膨脹閥來控制。

圖2 方案一中帶噴射器的一機(jī)多庫系統(tǒng)

圖3為方案二中帶噴射器的一機(jī)多庫系統(tǒng)。與方案一相比，該方案調(diào)整了多級噴射器與冷庫之間的連接方式：中溫冷庫出口的氣態(tài)冷劑11′作為噴射器Ⅱ的工作流體引射低溫冷庫的氣態(tài)冷劑12′，混合之后氣態(tài)冷劑15′作為引射流體被噴射器Ⅰ引射，噴射器Ⅰ的工作流體為高溫冷庫出口的高溫高壓氣態(tài)冷劑10′。

圖3 方案二中帶噴射器的一機(jī)多庫系統(tǒng)

2 冷庫系統(tǒng)模型

針對上述帶噴射器的冷庫系統(tǒng)，采用熱力學(xué)方法進(jìn)行建模分析。為簡化計算，做以下假設(shè)：

1) 制冷劑在冷庫中吸收熱量變?yōu)檫^熱氣體，過熱度為5℃；

2) 制冷劑在冷凝器中被冷卻為飽和液體；

3) 忽略系統(tǒng)中的輻射、對流等熱交換，以及管道的壓力損失和摩擦損失；

4) 系統(tǒng)中的流體均為理想流體，整個工作過程中比熱不變；

5) 噴射器入口速度為零，混合過程是絕熱定熵的，噴嘴效率ηn=0.85，擴(kuò)壓室效率ηd=0.85；

6) 節(jié)流閥前后焓值不變。

2.1 冷庫

在方案一和方案二中，高溫冷庫、中溫冷庫和低溫冷庫的熱負(fù)荷分別為

2.2 噴射器

1) 在方案一中，噴射器Ⅰ和噴射器Ⅱ的引射比分別表示為

2) 在方案二中，噴射器Ⅰ和噴射器Ⅱ的引射比分別表示為

式(4)～式(7)中：u1和u2為噴射器的引射比，即引射流體質(zhì)量流量與工作流體質(zhì)量流量的比值。

2.3 壓縮機(jī)

在方案一和方案二中，壓縮機(jī)的功耗與吸氣壓力和冷凝壓力有關(guān)，假設(shè)1-2是一個等熵壓縮的過程，即，通過冷凝壓力P2和s2可查得壓縮機(jī)出口的焓值h2，再引入一個絕熱系數(shù)η，可得壓縮機(jī)的功耗為

式(8)中絕熱系數(shù)η的計算式[9]可表示為

2.4 熱力膨脹閥

膨脹閥前后的焓值不變，即

2.5 系統(tǒng)COP

制冷系數(shù)COP為所有冷庫的制冷量和壓縮機(jī)功耗的比值。

1) 對于方案一，有

2) 對于方案二，有

3 結(jié)果與討論

假設(shè)高溫冷庫的制冷量為 1.75kW，中溫冷庫和低溫冷庫的制冷量通過計算噴射器的引射比和制冷劑的質(zhì)量流量得到；同時，假設(shè)傳統(tǒng)一機(jī)多庫系統(tǒng)的總制冷量與噴射器系統(tǒng)相同。制冷劑在制冷系統(tǒng)中各位置的熱力學(xué)參數(shù)通過調(diào)用REFPROP軟件得到。

3.1 不同工質(zhì)對制冷系統(tǒng)性能的影響

船用制冷劑的選擇受很多因素的影響，《國際防止船舶造成污染公約》（MARPOL公約）附則Ⅵ明確規(guī)定了船舶溫室氣體排放規(guī)則，并限制了 HCFCs類制冷劑的使用和淘汰年限。船用制冷劑的選擇應(yīng)考慮以下因素[10]。

1) 經(jīng)濟(jì)性能好：汽化潛熱高，功耗小，臨界溫度低，有良好的化學(xué)性和熱穩(wěn)定性。

2) 無環(huán)境污染：破壞臭氧潛能值（Ozone-Destroying Potential, ODP）和全球變暖潛能值（Global Warming Potential, GWP）為零或很小。

3) 安全性能好：安全等級至少為A1，無毒、不易燃、不易爆；沒有刺激性氣體，便于輪機(jī)員管理和維護(hù)。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，本文選擇R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和R507A等6種環(huán)保型制冷劑作為冷卻系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)，其主要物性參數(shù)見表1。

表1 不同制冷劑的物性參數(shù)

表2為傳統(tǒng)一機(jī)多庫系統(tǒng)中不同制冷劑的COP、壓縮機(jī)回氣壓力P1和單位質(zhì)量流量的功耗W，其中：高溫冷庫溫度Teva1=6℃；中溫冷庫溫度Teva2=-5℃；低溫冷庫溫度Teva3=-30℃；冷庫過熱度Tsup=5℃；冷凝溫度Tc=25℃。

表2 傳統(tǒng)一機(jī)多庫系統(tǒng)中不同制冷劑的COP、壓縮機(jī)回氣壓力P1和單位質(zhì)量流量的功耗W

圖4為方案一的新舊系統(tǒng)性能對比。從圖4a中可看出，采用噴射器代替壓力調(diào)節(jié)閥可有效提高壓縮機(jī)的回氣壓力并減少壓縮機(jī)的功耗。在給定的工況下，使用R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和R507A等6種環(huán)保型制冷劑的新系統(tǒng)的壓縮機(jī)回氣壓力分別比原系統(tǒng)提高19.34%、25.05%、21.38%、21.56%、26.59%和22.24%，壓縮機(jī)的功耗分別比原系統(tǒng)減少10.84%、14.51%、11.59%、11.63%、14.65%和12.83%。

壓縮機(jī)功耗減少是造成COP增大的主要原因。從圖4b中可看出，在給定的工況下，R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和R507A等6種制冷劑的COP分別為2.96、2.90、2.55、2.53、2.96和2.87，分別比原系統(tǒng)提高12.15%、16.97%、13.11%、13.17%、17.16%和14.72%，其中R410A系統(tǒng)的COP提高幅度最大。

圖4 方案一的新舊系統(tǒng)性能對比

圖5為方案二的新舊系統(tǒng)性能對比。從圖5a中可看出，在給定的工況下，使用R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和 R507A等 6種環(huán)保型制冷劑的新系統(tǒng)的壓縮機(jī)回氣壓力分別比原系統(tǒng)提高 59.17%、70.47%、65.00%、65.24%、73.45%和64.16%，壓縮機(jī)的功耗分別比原系統(tǒng)減少25.89%、32.29%、27.54%、27.83%、33.49%和30.24%。從圖5b中可看出，在給定的工況下，R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和R507A等6種環(huán)保型制冷劑的COP分別為3.66、3.81、3.21、3.20、3.89和3.74，分別比原系統(tǒng)提高34.95%、47.69%、38.02%、38.56%、50.37%和43.36%，其中R410A的性能最好。

圖5 方案二的新舊系統(tǒng)性能對比

由上述結(jié)果可知，方案二的COP要遠(yuǎn)大于方案一。這是因?yàn)閲娚淦魈岣叩牧黧w壓力介于工作流體與引射流體之間。方案一的回氣壓力介于中溫冷庫的蒸發(fā)壓力與低溫冷庫的蒸發(fā)壓力之間；方案二將高溫冷庫作為第二級噴射器的工作流體，回氣壓力介于高溫冷庫的蒸發(fā)壓力與低溫冷庫的蒸發(fā)壓力之間，相比方案一有較大的提升。

3.2 冷庫不同工況對制冷系統(tǒng)性能的影響

以方案二的制冷系統(tǒng)為研究對象，以性能最好的R410A為工質(zhì)，研究不同冷庫溫度對制冷系統(tǒng)性能的影響。圖6a表示的是在高溫冷庫溫度Teva1=0～10℃、中溫冷庫溫度Teva2=-6℃、低溫冷庫溫度Teva3=-30℃和冷凝溫度Tc=25℃時，高溫冷庫溫度Teva1對系統(tǒng)COP、總制冷量Q和引射比u1及u2的影響。從圖6a中可看出：隨著高溫庫溫度的升高，系統(tǒng)COP逐漸增大，總制冷量Q逐漸增加。這是因?yàn)橹袦乩鋷炫c低溫冷庫的制冷量之和與高溫庫的制冷量和噴射器引射比有關(guān)。噴射器Ⅰ的引射比u1隨著高溫冷庫溫度的升高而增大。當(dāng)高溫冷庫的制冷量保持不變，即噴射器Ⅰ的工作流體質(zhì)量流量不變時，引射流體的質(zhì)量流量隨著引射比u1的增大而增加。因此，中溫冷庫的制冷量與低溫冷庫的制冷量之和升高。

圖6b表示的是在高溫冷庫溫度Teva1=5℃、中溫冷庫溫度Teva2=-10～-2℃、低溫冷庫溫度Teva3=-30℃和冷凝溫度Tc=25℃時，中溫冷庫溫度Teva2對系統(tǒng)COP、總制冷量Q和引射比u1及u2的影響。從圖6b中可看出：隨著中溫冷庫溫度的升高，系統(tǒng)COP逐漸增大，總制冷量逐漸減少。這是因?yàn)閲娚淦鳍竦囊浔萿1隨著中溫冷庫溫度的升高而減小，當(dāng)高溫冷庫的制冷量保持不變時，低溫冷庫的制冷量與中溫冷庫的制冷量之和隨著引射比u1的減小而減少。因此，總制冷量有所減少。

圖6c表示的是在高溫庫溫度Teva1=5℃、中溫庫溫度Teva2=-6℃、低溫庫溫度Teva3=-35～-27℃和冷凝溫度Tc=25℃時，低溫冷庫溫度Teva3對系統(tǒng)COP、總制冷量Q和引射比u1及u2的影響。從圖6c中可看出：隨著低溫冷庫溫度的升高，系統(tǒng)COP逐漸增大，而總制冷量有較大幅度的減少。這是因?yàn)橐患墖娚淦鞯囊浔萿1隨著低溫冷庫溫度的升高而減小，當(dāng)高溫冷庫的制冷量變化不大時，低溫冷庫的制冷量與高溫冷庫的制冷量之和隨著引射比u1的減小而減少。

圖6 冷庫溫度對制冷系統(tǒng)性能的影響

4 結(jié) 語

本文對噴射器在船舶冷庫節(jié)能方面的應(yīng)用進(jìn)行了理論研究，采用理論建模的方法對比了噴射器與船舶一機(jī)多庫系統(tǒng)不同連接方式的節(jié)能效果，主要得到以下結(jié)論：

1) 方案二相比方案一可進(jìn)一步提高壓縮機(jī)的回氣壓力，系統(tǒng)的性能更好；

2) R410A作為一種綠色環(huán)保型工質(zhì)，更適合帶有噴射器的冷庫系統(tǒng)采用；

3) 不同的冷庫溫度對制冷系統(tǒng)性能的影響較大，高溫冷庫的溫度升高會使系統(tǒng)COP增大，總制冷量增加；中溫冷庫的溫度升高會使系統(tǒng)COP增加、總制冷量減少；低溫冷庫的溫度升高會使系統(tǒng)COP增大、總制冷量減少。