船舶廢熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)的高等分析

李富娟 羅文華 鄭超瑜 陳武

摘要：為提升船舶廢熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)的能源利用率，基于系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的運(yùn)行性能數(shù)據(jù)，對船舶廢熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)進(jìn)行高等

分析，全面考察分析系統(tǒng)各部件的外源和內(nèi)源損失以及可避免和不可避免損失。結(jié)果表明，系統(tǒng)部件的優(yōu)化順序依次為蒸發(fā)器、噴射器、冷凝器、發(fā)生器、節(jié)流閥、工質(zhì)泵，蒸發(fā)器具有最大的優(yōu)化潛能。與傳統(tǒng)分析結(jié)果的比較表明，高等分析能夠?yàn)榇皬U熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)的優(yōu)化提供更加明確的指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：

船舶廢熱回收; 噴射式制冷系統(tǒng); 高等分析

中圖分類號：? U664.5; TK11+5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? A

Advanced exergy analysis of ejector refrigeration system

driven by ship waste heat

LI Fujuan1， LUO Wenhua1， ZHENG Chaoyu2， CHEN Wu1

（1.Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China;

2.Marine Engineering Institute， Jimei University， Xiamen 361021， Fujian， China）

Abstract：

In order to improve the energy efficiency of the ejector refrigeration system driven by the ship waste heat， based on the operation performance data of the system experimental prototype， the advanced exergy analysis of the ejector refrigeration system driven by the ship waste heat is carried out. The analysis comprehensively examines the exogenous and endogenous exergy loss， the avoidable and unavoidable exergy loss of each component in the system. The results show that， the sequence of optimization of system components is the evaporator，? the ejector， the condenser， the generator， the throttle， and the working fluid pump. The evaporator is of the greatest optimization potential. Compared with the results of the traditional exergy analysis， it indicates that the advanced exergy analysis can provide clearer guidance for the optimization of the ejector refrigeration system driven by the ship waste heat.

Key words：

ship waste heat recovery; ejector? refrigeration system; advanced exergy analysis

0 引 言

推進(jìn)船舶節(jié)能已成為航運(yùn)業(yè)界的共識。作為船舶主動(dòng)力裝置的傳統(tǒng)柴油機(jī)熱效率僅約50%，運(yùn)行中產(chǎn)生大量的廢熱，加強(qiáng)船舶廢熱的回收利用是推動(dòng)船舶節(jié)能的重要途徑。熱驅(qū)動(dòng)噴射式制冷系統(tǒng)在廢熱回收領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[1-2]。為提升熱驅(qū)動(dòng)噴射式制冷系統(tǒng)的性能，近年來開展了大量的研究。BAI等[3]指出在回收低溫廢熱時(shí)，噴射式制冷系統(tǒng)可采用環(huán)保型工質(zhì)R134ze，系統(tǒng)的循環(huán)性能系數(shù)可達(dá)到0.38。KUMAR等[4]提出利用壓縮機(jī)產(chǎn)生的高溫CO2來驅(qū)動(dòng)蒸汽噴射式制冷系統(tǒng)，可使系統(tǒng)的冷卻能力提高10%～50%。田蕾[5]針對回收船舶余熱的噴射式制冷系統(tǒng)提出一種潛熱回收方案，可節(jié)約28%的加熱量。周秋麗[6]研究回?zé)釋杉墖娚涫街评湎到y(tǒng)的影響。鄧婕[7]設(shè)計(jì)出一種兩級噴射器，大大提高了噴射器的升壓能力。董景明等[8]對噴射器的4種波瓣形噴嘴形狀開展比較研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)采用六波瓣形噴嘴時(shí)，系統(tǒng)的循環(huán)性能系數(shù)可得到有效提升。

高等分析有別于傳統(tǒng)分析，傳統(tǒng)分析僅分析系統(tǒng)的總損失，高等分析在傳統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上從系統(tǒng)各部件相互作用角度和目前技術(shù)條件限制角度將損失進(jìn)一步分為內(nèi)源和外源損失，以及可避免和不可避免損失。近年來高等分析在各類熱力系統(tǒng)研究領(lǐng)域的應(yīng)用受到了重視，其結(jié)果對各類熱力系統(tǒng)的優(yōu)化具有更明確的指導(dǎo)作用。TSATSARONIS[9]對傳統(tǒng)損失分析進(jìn)行改進(jìn)，在2008年首次提出一種新的分析方法即高等分析，并隨后確定出5種劃分高等損失的方法[10]。MOROSUK等[11]運(yùn)用高等分析首次對蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)中工質(zhì)的影響開展研究。

COLORADO-GARRIDO[12]通過對壓縮吸收復(fù)疊制冷系統(tǒng)的高等分析指出，蒸發(fā)器具有最大的優(yōu)化潛能。

本文通過對船舶廢熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)在不同工況下的運(yùn)行性能數(shù)據(jù)進(jìn)行傳統(tǒng)分析和高等分析，并指出系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)的具體方向。

1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的構(gòu)成及工作原理

船舶廢熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成見圖1。該系統(tǒng)由噴射器、冷凝器、儲液箱、蒸發(fā)器、工質(zhì)泵、發(fā)生器和節(jié)流閥組成。該系統(tǒng)循環(huán)過程的溫度-熵（T-s）圖見圖2。完整的循環(huán)過程如下：發(fā)生器回收利用船舶廢熱產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽作為噴射器的工作流體流經(jīng)噴射器噴嘴，從壓力Pg升壓至Pe（狀態(tài)1→2）;抽吸來自蒸發(fā)器的引射流體（狀態(tài)2→4）并與蒸汽在噴射器混合室中進(jìn)行混合（狀態(tài)3→4）;混合流體流經(jīng)噴射器擴(kuò)壓室升壓至Pc（狀態(tài)4→5）;升壓后的混合流體流經(jīng)冷凝器被舷外海水冷卻（狀態(tài)5→6）;冷卻后的混合流體隨后被分成兩路。其中一路經(jīng)節(jié)流閥降壓到Pe（狀態(tài)6→9），節(jié)流后工質(zhì)在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱（狀態(tài)9→3）;另一路經(jīng)工質(zhì)泵進(jìn)行升壓（狀態(tài)6→7），升壓后流返到發(fā)生器中（狀態(tài)7→8），被進(jìn)一步加熱汽化成工作蒸汽（狀態(tài)8→1）。

船舶廢熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖3所示。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的蒸發(fā)器采用閃蒸罐，其直徑為275 mm，高為600 mm，設(shè)計(jì)制冷量為3 kW;冷凝器采用板式換熱器，設(shè)計(jì)換熱量為16.8 kW;儲液器的長為45 cm，寬為45 cm，高為50cm。噴射器的噴嘴、混合室和擴(kuò)壓室的結(jié)構(gòu)尺寸見文獻(xiàn)[13]。

2 系統(tǒng)分析

利用船舶廢熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)開展運(yùn)行性能實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)的運(yùn)行性能數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行性能數(shù)據(jù)，對噴射式制冷系統(tǒng)進(jìn)行分析。利用實(shí)驗(yàn)樣機(jī)開展運(yùn)行性能實(shí)驗(yàn)的工況如下：蒸發(fā)溫度13.5 ℃，冷凝溫度30 ℃，冷卻水進(jìn)口溫度 25 ℃，冷卻水出口溫度27 ℃，工作流體/蒸汽溫度140 ℃，環(huán)境溫度35 ℃。運(yùn)行性能參數(shù)：制冷量1.36 kW，冷凝器換熱量12.6 kW，噴射器噴射系數(shù)0.3，系統(tǒng)COP值0.272。

是研究系統(tǒng)從任意狀態(tài)（具有一定的溫度、壓力與化學(xué)組成）達(dá)到與環(huán)境相平衡狀態(tài)的可逆過程中對外界做的功。在不計(jì)動(dòng)能和勢能時(shí)，處于給定狀態(tài)下穩(wěn)定物質(zhì)流的計(jì)算公式為

Ex=qh-h0-T0（s-s0）

式中：q為所求狀態(tài)點(diǎn)處的質(zhì)量流量，kg/h;h和h0分別為所求狀態(tài)點(diǎn)和參考狀態(tài)點(diǎn)的比焓，kJ/kg;s和s0分別是所求狀態(tài)點(diǎn)和參考狀態(tài)點(diǎn)的比熵，kJ/（kg·K）。

總外源損失占比為31.9%，說明系統(tǒng)各部件相互作用產(chǎn)生的損失較少，系統(tǒng)各部件的配置和布局較為合理;總內(nèi)源損失占比為68.1%，說明部件內(nèi)部產(chǎn)生的損失較大，部件自身結(jié)構(gòu)優(yōu)化潛能較大。由圖4可知：發(fā)生器、冷凝器和工質(zhì)泵的外源損失占比分別為20.48%、33.50%和5.83%，說明系統(tǒng)其他部件對這3個(gè)部件的影響較小，故應(yīng)從部件本身的結(jié)構(gòu)入手對其進(jìn)行優(yōu)化;蒸發(fā)器和節(jié)流閥的外源損失占比分別為76.92%和 97.94%，說明系統(tǒng)其他部件對其影響較大，故應(yīng)對系統(tǒng)其他部件的結(jié)構(gòu)和配置進(jìn)行優(yōu)化;噴射器的內(nèi)源損失和外源損失占比相近，說明系統(tǒng)其他部件與噴射器耦合作用產(chǎn)生的損失與噴射器內(nèi)部產(chǎn)生的損失基本相等。

2.2.2 可避免損失和不可避免損失

為量化由目前技術(shù)條件限制所產(chǎn)生的損失，將系統(tǒng)的損失劃分為可避免損失和不可避免損失。不可避免損失指系統(tǒng)及其部件由于材料、成本、生產(chǎn)工藝等的影響而產(chǎn)生的損失，不可避免損失越大，能源利用率越低。部件k的可避免損失指部件k的總損失與其不可避免損失之差。分析得知，船舶廢熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)的總可避免和總不可避免損失占比分別為26.7%和73.3%，各部件可避免和不可避免損失占比見圖5。

系統(tǒng)總的不可避免損失占比為73.3%，說明系統(tǒng)由于技術(shù)條件限制而產(chǎn)生的損失較大;可避免損失僅占26.7%，說明系統(tǒng)的優(yōu)化潛能相對較小。由圖5可知：發(fā)生器、冷凝器、工質(zhì)泵和蒸發(fā)器的不可避免損失占比分別為80.61%、78.17%、94.72%、97.72%，說明這4個(gè)部件的優(yōu)化潛能較低;而噴射器和節(jié)流閥的不可避免損失占比僅分別為1.35%和1.71%，說明噴射器和節(jié)流閥可通過改進(jìn)技術(shù)條件提高系統(tǒng)的能源利用率。

在系統(tǒng)總損失中，外源可避免損失占比較大的部件具有較大的優(yōu)化潛能。船舶廢熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)的各部件內(nèi)源和外源可避免損失占比見圖6。由圖6可知：在所有部件中，蒸發(fā)器、噴射器、冷凝器、發(fā)生器的外源可避免損失占比分別達(dá)到76.9%、50.6%、33.5%、20.5%;節(jié)流閥的外源可避免損失占比最大，為97.9%;工質(zhì)泵的最小，占比僅為5.8%?？紤]到節(jié)流閥損失僅占系統(tǒng)總損失的0.52%，因此可以認(rèn)為蒸發(fā)器應(yīng)具有最大的優(yōu)化潛能。船舶廢熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的優(yōu)化順序依次為：蒸發(fā)器、噴射器、冷凝器、發(fā)生器、節(jié)流閥、工質(zhì)泵。

3 結(jié) 論

本文基于船舶廢熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)的運(yùn)行性能數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)分別進(jìn)行傳統(tǒng)分析和高等分析。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分別采用傳統(tǒng)分析和高等分析時(shí)，所指出的系統(tǒng)最具優(yōu)化潛能的部件是不同的，給出的系統(tǒng)部件的優(yōu)化順序會有明顯變化。當(dāng)采用傳統(tǒng)分析時(shí)，系統(tǒng)的優(yōu)化順序依次為冷凝器、發(fā)生器、噴射器、工質(zhì)泵、節(jié)流閥、蒸發(fā)器。當(dāng)采用高等分析時(shí)，系統(tǒng)的優(yōu)化順序依次為蒸發(fā)器、噴射器、冷凝器、發(fā)生器、節(jié)流閥、工質(zhì)泵，蒸發(fā)器具有最大的優(yōu)化潛能，工質(zhì)泵優(yōu)化潛能最小;

蒸發(fā)器的內(nèi)源損失和外源損失分別為23.08%和76.92%，表明由蒸發(fā)器自身以及系統(tǒng)其他部件與蒸發(fā)器耦合作用產(chǎn)生的損失占比

相差較大，因此應(yīng)從其關(guān)聯(lián)部件方面

入手進(jìn)行優(yōu)化。高等分析能全面分析系統(tǒng)各部件相互作用以及由技術(shù)條件限制所產(chǎn)生的損失大小和分布，能夠?yàn)闊崃W(xué)系統(tǒng)包括船舶廢熱驅(qū)動(dòng)的噴射式制冷系統(tǒng)的優(yōu)化提供更加明確的指導(dǎo)。

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（編輯 趙勉）

收稿日期： 2021-01-18

修回日期： 2021-03-23

基金項(xiàng)目： 國家自然科學(xué)基金（51679107）;福建省自然科學(xué)基金（2017J01705）

作者簡介：

李富娟（1993—），女，河南洛陽人，碩士研究生，研究方向?yàn)閲娚涫街评湎到y(tǒng)，（E-mail）2016327193@qq.com;

陳武（1973—），男，福建莆田人，教授，博導(dǎo)，博士，研究方向?yàn)榇肮?jié)能、船用冷藏及空調(diào)技術(shù)，（E-mail）chenwu@shmtu.edu.cn