（载运工具运用工程专业论文）汽轮机抽汽驱动喷射式制冷系统.pdf

中文摘要 摘要 蒸汽喷射制冷机主要是以水为制冷剂，水和其他制冷工质一样，在某一状态 下其压力越低相应的沸点温度亦越低。蒸汽喷射制冷就是利用水的这一特性，通 过主喷射器使蒸发器内造成一定的真空，需要冷却的水被送入蒸发器后，在此真 空条件下，部分水即沸腾蒸发，吸收大量的汽化潜热，从而使另一部分未被蒸发 的水因失热而被冷却到与蒸发器内真空压力相对应的沸点温度。 本文首先介绍了研究的背景和意义，简要回顾了蒸汽喷射制冷系统的发展历 史和研究现状，阐述了蒸汽喷射制冷原理。根据蒸汽喷射制冷原理及瓦轴动力公 司热电站现场实际，论证了瓦轴动力公司热电站采用汽轮机抽汽驱动喷射式制冷 机可行性。 采用简化公式对主喷射器、辅助喷射器、蒸发器、冷凝器进行了计算。 根据具体情况设计了三种方案，综合瓦房店轴承动力有限责任公司热电站实 际情况选择可行方案。 根据系统方案设计计算出系统各项参数，并列表。根据系统各项参数，进行 汽轮机抽汽驱动喷射制冷机的工程图纸设计。 在瓦房店轴承动力有限责任公司热电站安装了上述蒸汽喷射制冷机，进行了 开停机调试，制订了开停机规程。 经过运行表明，汽轮机抽汽驱动的蒸气喷射式制冷机在瓦轴动力公司热电站 基本达到制冷要求。 最后是全文的总结。 关键词：蒸气喷射式制冷机；热电站；抽汽透平 英文摘要 a b s t r a c t s t e a mj e tr e f r i g e r a t o rm a k eu s eo fw a t e ra sr e f r i g e r a n t a so t h e rr e f r i g e r a n t s ，w a t e r i nas t a t et h el o w e rt h ep r e s s u r et h eb o i l i n gp o i n tt e m p e r a t u r ei sa l s ol o w e r s t e a mj e t r e f r i g e r a t i o ni st ou s et h ep r o p e r t i e so fw a t e r , ac e r t a i nd e g r e eo fv a c u u mi ne v a p o r a t o r c a nb em a d eb yt h em a i n j e td r i v e nb ys t e a m ，a tt h em e a nt i m e ，p a r t so fb o i l i n gw a t e r e v a p o r a t i o nc a u s er e m a i n i n gw a t e rt ob ec o o l e db ya b s o r p t i o nal o to fl a t e n th e a to f v a p o r i z a t i o n i nt h i st h e s i s ，f i r s t l yt h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c hi si n t r o d u c e d ， t h e nab r i e fr e v i e wo ft h es t e a mj e tr e f r i g e r a t i o ns y s t e ma n dt h eh i s t o r yo fd e v e l o p m e n t o ft h er e s e a r c hs t a t u si sg i v e n ，a n dt h ep r i n c i p l eo fs t e a mj e tr e f r i g e r a t i o ni sa l s o e x p o u n d e d a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fs t e a m - j e tc o o l i n ga n da c t u a lc o n d i t i o n so ft h e t h e r m a lp o w e rp l a n to fz w z ，f e a s i b i l i t yo ft h eu s eo fs t e a mt u r b i n ee x t r a c t i o ns t e a mt o d r i v ej e tr e f r i g e r a t o ri sd e m o n s t r a t e d t h em a i ni n j e c t o r ，a u x i l i a r ye j e c t o r , e v a p o r a t o r , c o n d e n s e ra r ec a l c u l a t e db y s i m p l i f i e df o r m u l a 。t h r e ep l a n sa r ed e s i g n e d i na c c o r d a n c ew i t ht h e s p e c i f i c c i r c u m s t a n c e so ft h et h e r m a lp o w e rp l a n to fz w z ，a n da na v a i l a b l ep l a ni sc h o o s e b a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o n s y s t e md e s i g np a r a m e t e r sa r ec a l c u l a t e da n dl i s t e d ，b a s e do nt h e s et h ee n g i n e e r i n g d r a w i n g so f t h ee x t r a c t i o ns t e a mt u r b i n e - d r i v e nj e t r e f r i g e r a t o ra r ed e s i g n e d t h ea b o v e m e n t i o n e ds t e a m - j e tr e f r i g e r a t o ri si n s t a l l e da n dd e b u g g e da tt h e t h e r m a lp o w e rp l a n to fz w z ，ag u i d eb o o ki sa l s op r e p a r e df o ro p e r a t i o n a f t e r o p e r a t i o n ，i ti ss h o w e dt h a tt h ee x t r a c t i o ns t e a mt u r b i n e d r i v e ns t e a mj e tr e f r i g e r a t o rh a s b a s i c a l l yr e a c h e dt h ec o o l i n gr e q u i r e m e n t s f i n a l l y , as u m m a r yo ft h ef u l lt h e s i si sg i v e n k e yw o r d s ：s t e a mj e tr e f r i g e r a t o r ；t h e r m a lp o w e rs t a t i o n ；e x t r a c t i o ns t e a m t u r b i n e 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文“遗丝扭地遗塑麴噬盟式剑硷丕统= = 。除论文中已经注明引 用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公 开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：a z 鱼! 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文 全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出 版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于： 保密口在年解密后适用本授权书。 不保密口( 请在以上方框内打“4 ”) 论文作者签名：u 加导师签名：声1 日期：年月日 汽轮机抽汽驱动喷汽式制冷系统 第1 章综述 瓦房店轴承动力有限责任公司热电站( 以下简称瓦轴动力公司热电站) 属于 瓦轴集团公司白备热电站，担负为集团公司生产供汽和冬季供暖任务。配有2 台 3 5 t h 锅炉和2 台抽凝c 3 及1 台背压n 3 共3 台汽轮发电机组，采暖期2 炉2 机运行，非 采暖期1 炉1 机( 抽凝机) 运行，属于热电联产企业。夏季运行时约有3 0 0 m 2 运行操 作室和办公室需要制冷空调设施。本文介绍了热电站夏季运行时利用抽凝汽轮机 抽汽蒸汽喷射式制冷机系统的制冷原理、参数计算、设计和蒸汽喷射制冷机组的 开停机。本章介绍了本文的研究背景。 1 1 蒸汽喷射制冷原理 蒸汽喷射制冷机以蒸汽作为动力和工作介质，利用两组主喷射器使蒸发器内 产生高度真空，从用户来的工作水被喷入蒸发器，在此真空对应的饱和温度下蒸发， 吸收汽化潜热，导致装置内未蒸发的工作水温度降至饱和水的温度，然后再送往用 户。 最早的蒸汽喷射式制冷系统可以追溯至l j l 9 0 1 年，是由德国的l e b l a n c e 和英 国的p a r s o n 设计。由于其具有结构简单，操作方便，可靠性高等优势，因此在工业 上得到广泛应用。但是由于其制冷效率低、体积庞大而逐渐被后来的压缩制冷机 所取代。今天，随着能源的日益紧张和环境的严重污染，提高能源的利用率和保护 环境已经变得越来越重要。蒸汽喷射制冷可以利用废热、太阳能等低温热源，因此 人们对利用蒸汽喷射制冷技术的研究又掀起了高潮。 1 2 国外蒸汽喷射制冷的研究 s a t h a 与i a nw 【1 1 使用一种主喷嘴来研究蒸汽喷射器制冷机，主喷嘴可以在混 合室内轴向移动。通过调整喷嘴的位置来研究蒸汽喷射器的性能。实验表明，不 同的工作条件下，最佳喷嘴的位置也不同。喷嘴的位置对c o p 和冷却能力有着很 大的影响，当锅炉进口温度保持一定时，向混合室移动喷嘴将使c o p 和冷却能力 下降：相反，喷嘴从混合室缩回的话，将使c o p 和冷却能力升高。 第1 章综述 e a m e s 和a p h o m r a t a n a 2 】实验研究了蒸汽喷射器制冷机的性能。测试的锅炉温 度在1 2 0 1 4 0 c 范围内。实验表明发生在混合室内二次流噎塞对系统的性能影响很 大。对于形状固定的喷射器，冷却能力受到冷凝压力的限制。 k a n j a n a p o n 与s a t h a 3 】实验研究了喷射器压力分布曲线对喷射式制冷机的影 响。在实验中，使用一个3 k w 冷却能力的蒸汽喷射式制冷机。实验研究了工作条 件、主流体的过热度以及形状对制冷机的影响，测量并划出在各种不同条件下静 压力沿喷射器轴向的分布图。分析实验数据提出了3 个新的参数：扩张角、有效 位置和冲击位置。这三个参数可以很好的解释流动和混合的特征。 r a f e t 4 】实验研究了采用制冷剂r 1 2 3 的蒸汽喷射式制冷机的性能。作者使用热 水作为驱动流体，r 1 2 3 为工作流体。作者研究了主喷嘴最佳位置时操作温度对冷 却能力和c o p 的影响，得到蒸汽发生器温度为9 8 。c ，蒸发温度为i o 。c ，临界冷凝 温度为1 2 9 k p a 时的c o p 为0 3 9 。 s e l v a r a j u 5 】实验研究了蒸汽喷射式制冷系统的性能。系统采用r 1 3 4 a 作为工 作流体，额定冷却量为0 5 k w 。系统的研究了发生器、蒸发器以及冷凝器的温度对 系统性能的影响。这种系统可以采用低势热源做为驱动热源，例如太阳能，废热 等等。工作条件：发生器温度在3 3 8 k 和3 6 3 k 之间，冷凝温度在2 9 9 k 和3 1 0 5 k 之间，蒸发器温度在2 7 5 k 和2 8 5 5 k 之间。作者选取了六种不同尺寸结构的喷射 器研究参数对系统性能的影响。实验结果表明，对于特定的喷射器，在蒸发器和 发生器温度一定时，存在一个最佳的主蒸汽温度。 t s a n k a r l a l 【6 1 实验研究了采用氨为制冷剂的喷射式制冷系统；r y a p i c i t 8 】 等人对采用低势热能的喷射式制冷系统进行了实验研究；c l e m e n s 9 】等人实验研究 了以太阳能为驱动热源的喷射式制冷机的性能；g k a l e x i s 1 0 】等人在雅典地区对 以r 1 3 4 a 为制冷剂的太阳能喷射式制冷系统进行了实验研究。 j g u o i n 等人建立了太阳能驱动的喷射式制冷系统的模型。作者使用堆粒法来 研究以r 1 3 4 a 为制冷剂的太阳能驱动制冷系统( s e r s ) 的性能。为了使系统性能 分析准确作者采用了经典的随时户外温度与太阳能辐射模型来提供基础数据。结 果表明：在办公时间，例如9 ：o o 1 7 ：o o ，发生器温度为8 5 c ，蒸发器温度8 c ， 冷凝器温度随着环境温度的变化而变化时，平均c o p 为0 4 8 。与传统的压缩式制 汽轮机抽汽驱动喷汽式制冷系统 冷机相比，提供相同的冷量，该系统可以节约8 0 的电能。 n m k h a t t a b 1 2 】等人建立了详细的低压低温太阳能蒸汽喷射式制冷循环的模 型。该模型分析了循环性能与缩放喷管内超音速流动条件。数据结果表明：低压 低温太阳蒸汽喷射式制冷系统可以满足空冷的要求， h u m b e r t o 1 3 】等人建立太阳能喷射式制冷系统的模型，并使用t r n s y s 程序和 t m y ( t y p i c a lm e t e o r o l o g i c a ly e a r ) 文件进行模拟。采用r 1 4 1 b 作为工作流体， 在e e s ( e n g i n e e r i n ge q u a t i o ns o l v e r ) 中建立一维的喷射器模型。模拟结果表 明：最优的系统为平板面积为8 0 m 2 ，采集器倾角为2 2 。，4 m 3 的热水储存罐，以及 质量比为8 另外，y b a r t o s i e w i c z 1 4 1 等人使用c f d 的方法对喷射式制冷系统进行了数值 评估；y i n h a iz h u i s l 等人对设计高性能喷射器的尺寸参数进行了模拟；l e v y 1 6 】等 人对吸收式系统中的喷射器也进行了参数设计优化模拟：g k a l e x i s 1 7 】对采用甲 醇为工作流体的喷射式制冷系统的性能进行了分析；y a p i c i 1 3 】等建立常数面积喷 嘴流态模型来分析喷射式制冷细的性能。 1 3 国内研究发展现状 1 3 。1 蒸汽喷射制冷的理论研究 随着中国经济的高速发展，能源日趋紧张，在2 0 世纪9 0 年代以后，也掀起了 对蒸汽喷射制冷的广泛研究。 中国建筑学会梁作猷u 9 总结多年来应用蒸汽喷射器的工程实践，认为蒸汽喷 射制冷系统具有构造简单、造价低廉、运行可靠、操作方便、节省占地、节约能 源等优点。 大连海事大学李海军心0 1 等通过求解二维方程来模拟蒸汽喷射器内复杂的流 动混合过程，模拟时使用了蒸汽的真实物性公式与理想气体假设不同，真实物性 的带入，真实地反映了蒸汽经缩放喷嘴时，温度递减，喷嘴出口后温度场波动变 化的特征模拟时，通过对节点烩值的计算，得出了喷射器内发生相变的蒸汽的百 分含量，实现了相变现象的定量分析在激波捕捉方面，验证了喷射器内喷嘴出口 后，膨胀波压缩波经混合层反复折射、转化、衰减的过程，以及在扩压室入口会 第1 章综述 产生斜激波的理论预测。 辽宁工业大学刘斯明和廖国进眨对蒸汽喷射器内流体进行理论研究，推导出 了蒸汽喷射器的单级抽气数学模型，并给出了该模型与实际蒸汽喷射器实验值的 符合范围。 上海交通大学季建刚眨2 1 等采用改进热力学法，建立了应用于热压缩蒸馏海水 淡化系统的蒸汽喷射器的计算模型。结合水蒸汽物性子程序，编制了蒸汽喷射器计 算程序，计算和分析了压缩比、引射蒸汽压力和工作蒸汽压力等主要热力参数对喷 射器性能的影响，为蒸汽喷射器热力参数设计提供理论参考和有效的计算方法。 王晓东和巴德纯眈3 1 等对单级水蒸气喷射模型进行研究，对三种典型模型的计 算结构和试验数据进行比较，在对奥芳夫计算模型的进一步计算分析中发现计算 曲线存在非单调的情况，用回归软件进行回归处理后，得到计算曲线偏离实际部分 的修正式，修正后的计算模型可用于单级水蒸气喷射器的设计，为多级泵优化设计 提供理论基础。王晓东和廖国进配4 1 等在单级泵抽气理论适用性分析以及对其进行 修正的基础上，运用直接搜索法，以工作水蒸气耗量最小为设计目标，统筹考虑冷 凝器设置、冷凝水流量等因素，对压缩比分配进行优化设计，使能耗最小。 哈尔滨工业大学王宏伟和曲建俊晓5 1 等对蒸汽喷射器的结构进行优化，并采用v b 语言编写蒸汽喷射器系统优化软件，可以使喷射系数在约束条件下达到最大值。 1 3 2 蒸汽喷射制冷系统的改进 南京工业大学谢玉建和洪厚胜2 臼叙述了蒸汽喷射器射流场流动模型研究综 述，蒸汽喷射器是以蒸汽为工作流体的一种特殊喷射器，研究和改进已有的一维、 二维和三维模型，并使用计算机对一定尺寸和操作条件的喷射器进行数值求解，提 供更为准确的流场分析信息，对应用于各个行业复杂条件的蒸汽喷射器的设计 三维模型比较，真实流动是三维湍流的，借助于先进的计算网格技术，以三维模型 进行研究，会提供给人们更详细、更准确的流动情况，也能更好的为喷射器的设计 和应用服务。应用c f d 软件对二维和三维模型进行求解，分析设计尺寸和热力参数 对喷射器性能影响的研究将日趋活跃，对不同结构或更多串联级数的蒸汽喷射器 的研究将会有效展开。 汽轮机抽汽驱动喷汽式制冷系统 内蒙古自治区农牧业机械试验鉴定站张福胜、白英2 7 1 等叙述了蒸汽喷射器 的噪声控制方法研究，综合现场噪声测试结果，分析了蒸汽喷射器噪声的特点， 在理论分析的基础上，对其流场进行模拟。改进后的喷射器投入工程使用后，经 现场调试，降低噪声1 4 d b 。 上海理工大学动力学院低温研究所王金锋2 8 1 等叙述了蒸汽喷射器变工况性能 的c f d 探讨，利用二维轴对称，真实气体模型对喷射式制冷空调系统的喷射器进行 c f d 计算。真实气体模型占用较多的计算机资源，但它的计算结果更加真实。计算 的目的在于得到在变工况条件下喷射器性能的变化和制冷系统性能的变化情况。 根据c f d 计算结果的分析，可以得到一下几点结论：增加发生器的压力并不一定会 使喷射器性能优化，发生压力变化时喷射系数的改变主要是由于激波的形状的变 化造成的。在进一步的研究中可以对喷射器的结构给予一定的改进，确定出一定工 况对应的最优结构的喷射器。 西安交通大学陈华和任云锋眨9 1 等在分析影响喷射制冷效率的主要因素的基础 上对蒸汽喷射制冷循环加以改进，在喷射器和冷凝器之间增加一个射流泵，用来引 射从喷射器喷出的混合蒸汽，增加的射流泵可以降低背压，提高了制冷效率。 大连理工大学张博啪1 在p a s s a k o r ns r i s a s t r a 和s a t h aa p h o r n r a t a n a 的基 础上对蒸汽喷射制冷循环进行改进，提出了气一液喷射器代替循环泵的双喷射式制 冷系统，减小了制冷系统的体积，取得了很好的效果。 1 4 蒸汽喷射制冷的应用 李自强等d u 叙述了以太阳能为热源的蒸汽喷射制冷的原理，理论分析太阳能 蒸汽喷射式制冷系统性能改善的方法，并给出几种实用的方案，可大大提高系统的 工作性能。在此基础上预测太阳能喷射式制冷有着广阔的发展前景。 河北工业大学陶金亮和史晓平3 2 1 对变工况的情况加以讨论，阐述变工况会影 响蒸汽喷射器的效率，甚至会影响蒸汽喷射器的正常运行，提出了两级串联补偿喷 射的变工况调节方法，为解决蒸汽喷射器变工况调节的难题提供了新的途径。 辽宁工业大学的廖国进跚1 和付传起斟1 等把蒸汽喷射器应用到炼油装置和石 油开采工程，提高了炼油和石油开采的效率，取得了很好的效果。 第1 章综述 徐海涛和桑芝富b 5 3 6 1 对蒸汽喷射器变工况的情况进行了分析，采用数值模拟 的方法，计算并分析了工作蒸汽压力和温度、引射蒸汽压力及混合蒸汽压力等热力 参数对喷射器操作性能的影响，同时他们对蒸汽喷射器的工作过程进行了深入分 析，从热力学参数的角度出发，建立了蒸汽喷射器喷射系数计算的理想模型、动量 守恒模型及动能守恒模型。 华南理工大学造纸与污染控制国家工程研究中心陈荣3 7 1 阐述了蒸汽喷射制冷 技术在造纸企业中的应用，利用企业背压式汽轮机发电后排汽( o 3 mpa 饱和蒸 汽) 作动力源，经蒸汽喷射制冷机制取7 - - 1 2 。c 冷冻水，供企业生产工艺、设备和 办公室降温，解决企业热、电、冷联供系统平衡。 沈阳远大集团陈亮和冯兴梅3 8 1 等叙述了基于蒸汽喷射制冷的汽车空调建模与 控制，以汽车尾气为热源，利用蒸汽喷射制冷技术代替传统的压缩制冷方式，建立 蒸汽喷射制冷循环的数学模型针对汽车空调系统的特点，设计了应用于汽车空调 的模糊自整定p i d 控制器，大大提高了能源的利用率。 杭州格林香料化学有限公司叶剑飞3 9 1 等叙述了新型蒸汽压缩一喷射制冷循 环，得出蒸汽压缩一喷射制冷环的热效率，比普通蒸汽压缩制冷循环大很多，节能 效果明显。由于在相同制冷量的情况下，压缩机的耗能降低很多，因此冷凝器的 热负荷也大幅下降，减少了此类制冷设备对环境的热污染。 华南理工大学刘强h 0 1 等在蒸汽喷射器的设计及其数值模拟一文中根据广州清 远核力环能生物工程技术有限公司的实际需要及生产特点，运用流体力学的基础 理论知识，从流体流动的总流伯努利方程、动量定理出发，设计出了一套适合本 公司的蒸汽喷射器。并用数值模拟的方法，分析和预测了蒸气流出时的速度，从 模拟计算结果上进步验记了设计的合理性蒸汽喷射器的使用给企业带来了可喜的 经济效益和社会效益。 1 5 蒸汽喷射制冷的发展 沈阳工业大学李树江、陈亮h 等提出了蒸汽喷射制冷发展趋势。以提高蒸汽 喷射制冷系统的效率为主要内容，通过进一步分析影响制冷系数的因素，建立更加 精确的动态数学模型，寻找更适合蒸汽喷射制冷的制冷剂，运用智能控制理论，采 汽轮机抽汽驱动喷汽式制冷系统 用高级控制策略，具有自适应、自学习功能的控制器来实现对制冷系统的控制，使 控制对象在变负荷的条件下也能在最优工作点运行。以蒸汽喷射制冷和其他制冷 方式的进一步有机结合，利用喷射制冷结构简单、操作方便、可靠性高的优点，将 喷射制冷与吸收制冷、压缩制冷等其他制冷方式相结合，充分利用蒸汽喷射制冷和 其他制冷方法的优点，提高整个制冷系统的效率。 采用蒸汽喷射制冷技术，充分利用低温热源。广泛开展利用太阳能、工业废热 等低温热源，运用蒸汽喷射制冷技术以减少电能或其他一次能源的消耗。在能源日 趋紧张的情况下，节能技术越来越受到人们的重视，蒸汽喷射制冷由于可以利用二 次蒸汽的余热，因而在制冷工业中具有相当可观的节能效益。 1 6 本文主要工作 瓦轴动力公司热电站夏季运行时，运行操作室( 主控室和锅炉、汽轮机操作 室) 环境温度较高，原采用柜式空调机常年在2 4 d , 时满负荷运行时，故障频繁， 不能满足制冷需要。综上所述，蒸汽喷射制冷机主要是以水为制冷剂，水和其他 制冷工质一样，在某一状态下其压力越低相应的沸点温度亦越低。由于其具有结 构简单，操作方便，可靠性高等优势，瓦轴动力公司热电站运行时具备运行条件和 充足的二次蒸汽的余热，为此，大连海事大学和瓦轴动力公司合作研发一台制冷 量3 0 千瓦汽轮机抽汽驱动喷射式制冷机，并投入实际应用。本文将研发工作进行 总结，主要工作如下： ( 1 ) 阐述蒸汽喷射制冷原理及系统设计。首先论证了瓦轴动力公司热电站采 用汽轮机抽汽驱动喷射式制冷机可行性，采用了许多半理论、半经验的简化公式 对主喷射器辅助蒸汽喷射器、蒸发器、冷凝器进行了 计算，蒸汽喷射制冷机组的关键部件是喷射器，其效率高低决定制冷机的工 作效率。本文从3 种设计方案中选择了最佳方案。 ( 2 ) 设计参数。根据系统设计，计算出系统各项参数，并列表。 ( 3 ) 设计图纸。根据系统各项参数，进行汽轮机驱动喷射制冷机的图纸设计。 ( 4 ) 汽轮机驱动喷射制冷机的开停机。汽轮机驱动喷射制冷机现场安装完成 后，进行了开停机调试，制订了开停机规程，总结经济运行经验。 第2 章蒸汽喷射制冷原理 第2 章蒸汽喷射制冷原理 蒸汽喷射制冷机主要是以水为制冷剂，水和其他制冷工质一样，在某一状态 下其压力越低相应的沸点温度亦越低。蒸汽喷射制冷就是利用水的这一特性，通 过主喷射器使蒸发器内造成一定的真空，需要冷却的水被送入蒸发器后，在此真 空条件下，部分水即沸腾蒸发，吸收大量的汽化潜热，从而使另一部分未被蒸发 的水因失热而被冷却到与蒸发器内真空压力相对应的沸点温度。 在蒸汽喷射制冷机中，设有主喷射器和辅助喷射器两种喷射器。主喷射器在 蒸汽喷射制冷循环中起着压缩机的作用。从蒸发器内蒸发的冷媒蒸汽经主喷射器 的压缩升压提高到冷凝压力后，排入主冷凝器中冷凝，从而在蒸发器内达到制冷 效果。辅助喷射器的作用就是要连续不断的从制冷装置中排除空气，以维持各个 设备内所要求的真空度。另外，制冷装置的启动抽真空也是由辅助喷射器来完成 的。如果辅助喷射器的工作不能达到预期的效果。各设备内的真空度就不能得到 保证，从而整个制冷工作循环就要受到破坏。因此，主喷射器和辅助喷射器都是 蒸汽喷射制冷机中的主要装置。蒸汽喷射器设计的好与坏，将直接影响全套制冷 设备的制冷效果及经济消耗指标。 喷射器的结构虽然比较简单，但在设计过程中如采用理论公式计算却相当复 杂，特别是在计算过程中如采用的参数、系数很多，如果采用不当就达不到预期 的效果。因此，在计算过程中，经查阅资料我们采用了许多半理论、半经验的简 化公式。据文献介绍，采用这些简化公式或线解图进行蒸汽喷射器计算既迅速、 简便，又比较准确可靠。 2 1 可行性 工作蒸汽压力是设计喷射器的首要因素。在一定的压力范围内，工作蒸汽压 力越高单位制冷量工作蒸汽的消耗量也就愈少。一般对于抽气量较小的主喷射器， 工作蒸汽压力不宜过高，以免喷嘴喉部直径太小，容易堵塞。当喷嘴直径小于6 毫米时一般要在工作蒸汽入口处装设蒸汽过滤器，防止污物堵塞喷嘴。 主喷射器采用的最低蒸汽压力可以低达0 3 m p a ( 表压) ，辅助喷射器所用工 汽轮机抽汽驱动喷汽式制冷系统 作蒸汽压力的下限大约为0 3 5 m p a ( 表压) 。 瓦轴动力公司热电站夏季运行时约有3 0 0 m 2 运行操作室和办公室等生活间需 要制冷空调。非采暖期1 炉l 机( 抽凝机) 运行，锅炉运行蒸汽负荷为1 8 - 2 8 t h ， 汽轮机抽汽为l o - 2 0 t h ，抽汽压力0 3 5 0 4 5 m p a 。热电站所能提供的蒸汽压力不 低于以上两值，所以完全可作为工作蒸汽用于蒸汽喷射装置制冷。 因此汽轮机抽汽驱动蒸气喷射式制冷机在瓦轴动力公司热电站是可行的。 2 2 蒸汽喷射器级数 蒸汽喷射器的排出压力p p 和吸入压力p x 的比值称为压缩比，即 p 口= 卫 只 蒸汽喷射器的经济压缩比范围大约为1 6 ，最大压缩比约为8 左右。因此， 当喷射器的吸入压力较低时，就需要多级喷射器串联，才能使最后一级喷射器 的排出压力稍高于一个大气压力。其他各级喷射器的排出压力通常按每一级大 致相等的原则采取。在三级串联的蒸汽喷射制冷机中，第一级主喷射器的排气 压力，系根据主冷凝器的冷凝温度确定。第一辅助喷射器的排出压力p p 可按 下式计算： 0 = 4 e , z 式中 p x 一第一辅助喷射器的吸入压力，可取为与冷凝器的冷凝压力相等。 p t 一第二辅助喷射器的排出压力，选取稍高于一个大气压力。 2 3 主喷射器计算 蒸汽消耗量计算 工作蒸汽消耗量的计算有两种方法：喷射系数法和单位耗汽量法。 第一种计算法：喷射系数法 引射流体与被引射流体的重量比值称为喷射系数。对主喷射器而言， 第2 章蒸汽喷射制冷原理 = 罟 式中u 喷射系数； g x 被抽出的冷蒸汽量 g 工作蒸汽消耗量 喷射系数通常按下式计算 删邢5 压一- 式中m 工作蒸汽绝热膨胀焓差 鸲混合蒸汽的绝热压缩焓差 在计算焓差时需要查水蒸气的焓熵图，数值会有一些误差。在蒸发温度和冷 凝温度确定的条件下，若工作蒸汽压力在5 1 2 k g c m2 ( 绝对压力) 则可以直接查 表确定喷射系数，我们可以结合两种方法来确定喷射系数。 喷射系数确定后，计算出蒸发器内抽出的冷蒸汽量就可以算出工作蒸汽消耗 量。制冷量和蒸发温度已知时，从蒸发器中抽出的冷蒸汽量，可按下式计算： g y ：j 蔓一“0 9 5 r ：- i - o l - i - t 2 ) c 式中 q c 制冷量； r x - 蒸发温度下的蒸发潜热 t l 一蒸发温度 t 2 一蒸发器进水温度 c 一水的比热 工作蒸汽消耗量计算式为： g ：口鱼 弛 式中g 工作蒸汽消耗量 汽轮机抽汽驱动喷汽式制冷系统 g x 一被抽出的冷蒸汽量 一一喷射系数 a _ 考虑喷射系数计算误差而采取的安全系数，一般采取：1 0 5 - 1 1 5 。 第二种计算方法：单位耗气量法 主喷射器的工作蒸汽消耗量计算，可通过参考文献的单位工作蒸汽耗量图来查 取。 采取上述两种计算方法所求得的工作蒸汽消耗量是比较接近的，但是上述两种 计算方法，各自都存在着不同缺点，如第一种计算法所采用的安全系数a 值的范 围很大，采用不同的安全系数所求得的工作蒸汽消耗量也就相差很大；第二种计 算方法所采用的单位工作蒸汽耗量曲线图中的工作蒸汽压力线的间距很大，而且 又是不等距的，这样在计算时就很难找出所要求的工作蒸汽压力线的准确位置， 因此计算结果也就不可避免的产生一些误差。由于工作蒸汽消耗量是主喷射器设 计时的主要数据，因此，在设计时我们按两种方法予以计算然后对比采取中间值 作为喷射器设计工作蒸汽消耗量。 2 4 主喷射器的结构尺寸计算 2 4 1 喷嘴结构尺寸计算 喷嘴喉部截面积可按下式计算： f = 式中g 一工作蒸汽消耗量 p 工作蒸汽绝对压力 v ”一工作蒸汽的比容 b 一系数 对于饱和蒸汽b - - 19 9 ，对于过热蒸汽b = 2 0 9 经整理可以得出对于饱和蒸汽喷嘴喉径： m l 晦 一 第2 章蒸汽喷射制冷原理 小1 3 2 蕾 ( 2 ) 对于过热蒸汽： 三 妒1 3 0 等 ( 3 ) 6 p 二 ( 旁) 4 喷嘴出口直径的计算： 喷嘴的关键尺寸，除了喉部直径外，其出口截面也很重要。如果喷嘴出口截 面积太大，就会在在喷嘴内产生冲击波，使喷嘴效率显著降低；反之，喷嘴出1 2 1 截面积过小则从喷嘴出来的气流还要继续膨胀，也会造成能量损失。为此，喷嘴 出口截面积不宜过大。 喷嘴出口截面积的理论计算式比较复杂，通常计算采用喷嘴出口直径计算系 数，即： d 2 = c d ( 4 ) 式中d 广喷嘴出口直径 c - 一出口直径计算系数 。d 喷嘴喉径 喷嘴出口直径计算系数值，完全由膨胀比决定，对于不同工作蒸汽压力的喷嘴 其膨胀比相等喷嘴出口直径计算系数亦即相等，所以膨胀比值确定后喷嘴出口直 径系数值与工作蒸汽压力无关。当膨胀比确定后，从文献就可查出出口直径计算 系数然后计算出出口直径。 喷嘴喉部至出口长度： 在喷嘴喉部直径和出口直径已知的情况下，喷嘴出口段长度由扩张角口决定。 口愈小，喷嘴出口段长度就愈长。这不仅增加了气流的摩擦阻力损失，也增大了 喷嘴的加工工作量。但是，扩张角过大，容易产生气流与壁面的分离，亦影响喷 嘴的工作效率。一般采取1 5 - 2 0 度比较适宜。喷嘴出口段长度可按下式计算： 1 2 = 3 8 ( 以d i ) ( 5 ) 汽轮机抽汽驱动喷汽式制冷系统 喷嘴入口直径： 喷嘴入口直径d l 按工作蒸汽流速2 0 米秒左右计算。一般可采取： d t = 4 d - 6 d ( 6 ) 喷嘴出口至扩压器入口距离x ： 喷嘴出口至扩压器入口距离x ，对喷射器的工作特性有直接影响。特别是辅 助喷射器，x 值变化时，对其工作特性的影响极为显著。设计时如果x 值略大， 则喷射器的最高吸入真空度和最低放射真空度共同提高，这样就克服不了所设计 的背压；如果x 值过大则其工作不稳定，喷射器的吸入压力、排出压力都达不到 设计要求。如果x 值为负值( 即喷嘴出口伸入到扩压器入口以内) ，则喷射器的吸 气量显著降低。所以，x 值一般不应取负值。x 值可以通过理论计算求出，但是 不仅非常复杂而且结果也不十分理想。因此我们设计时采用了可移动喷嘴使其可 以根据工作状况予以调节。 2 4 2 喷射器器体各部尺寸计算 扩压器喉部直径： 扩压器喉部截面积与喷嘴喉部面积之比对喷射器的工作特性，有很大影响。 当比值偏大时，虽能增加抽气能力，但所能克服的背压降低，往往产生反气现象； 如果比值偏小，虽能提高压缩比，但其抽气量又往往满足不了设计要求。因此， 扩压器喉部直径是扩压器设计计算的关键尺寸。扩压器喉部直径确定后，扩压器 其他各部尺寸一般可根据扩压器喉部直径按比例确定。扩压器喉部直径可按下式 计算： 式中 d = 1 3 3 3 g n 通过扩压器的混合蒸汽量 e 一工作蒸汽量 g x 被抽出的冷蒸汽量 p r 冷凝压力( 绝对压力) ( 7 ) 第2 章蒸汽喷射制冷原理 v ：冷凝压力下相应的饱和蒸汽比容 矽根据压缩比决定的修正系数 扩压器喉径确定后，其他各部尺寸计算如下： 入口直径：d 1 = 2 1 d 出口直径： 1 9 2 = 2 d 扩压器入口段长度：l i = e d 变径段直径：d 3 = 竺挚d 变径段长度：l 3 = 4 0 7 ( d l d3 ) 扩压器喉部长度：l = 3 5 d 扩压器后段长度：l 2 = 7 1 5 d 喷射器吸入口直径： 喷射器吸入口截面积可按冷蒸汽在该截面的流速为4 0 , 4 5 0 米秒计算，便得喷 嘴吸入口直径 1 ， 皿= 1 8 8 1 ( 与0 5 ( 8 ) 2 5 辅助蒸汽喷射器计算 在蒸汽喷射制冷机中，辅助喷射器是用来排除系统中的不凝结气体，即空气 和伴随空气而被抽出的未凝结的水蒸气的混合物。 2 5 1 空气量计算 系统中的空气，主要是从冷冻水和冷却水( 采用混合式冷凝器时) 中放出的 空气gk l 以及从设各和管道的不严密处漏入的空气gl 【2 。水中所含的空气量在标准 大气压力下随水温的升高而减少。从设备和管道不严密处漏入的空气量一般可根 据真空设备、管道衬垫的接缝长度，按每米漏入的空气量约为o 0 5 o 0 7 公斤，j 、时 计算。也可根据真空系统设备和管道的总体积查相应的图表确定。 从系统中排出的计算空气量 g = g k l + 2 9 k 2 ( 9 ) 汽轮机抽汽驱动喷汽式制冷系统 2 5 2 被抽出的混合气体量计算 从真空设备中抽出的混合气体量按下式计算 g 馏= a g , ( 1 0 ) 式中gl 广从冷凝器中抽出的计算空气量 a 混合气体量计算系数，即被抽出的混合气体总量与计算空气量的 对比倍率。a 值仅由辅助喷射器进口处水蒸气温度t 。和喷射器吸入真空度h 所决 定。对于混合式冷凝器辅助喷射器进口处水蒸气温度可按下式计算： t ，= t w l + 4 + o 1 ( t w 2 一t w ! ) 式中t w l 冷却水初温， t 、i v 2 冷却水终温 对于蒸发式冷凝器t 。约较冷凝温度低3 - 4 ( 2 。 喷射器抽出的水蒸气量为： g 。= g 增一g 七 2 5 3 空气量换算 为了计算喷射器工作蒸汽消耗量，按前面公式求得的计算空气量gk 、水蒸气 量g 。需分别按参考文献中的图换算为相当于常温时的空气量，然后相加，即为喷 射器的计算抽气量 g _ ，= g 脚+ q 2 0 ( 1 1 ) 式中g k 2 0 _ 相当于2 0 c 时的空气量 g s 2 0 水蒸气折算为相当于2 0 c 的空气量 2 5 4 工作蒸汽消耗量计算 根据各级辅助喷射器的吸入、排出压力，按图1 3 求出排出每公斤常温空气消 耗的工作蒸汽量g ；根据工作蒸汽压力p ，按图1 3 的附图求出工作蒸汽压力修正值 m p ，则辅助喷射器的工作蒸汽消耗量，可按下式求得： g = g i g m p ( 1 2 ) 第2 章蒸汽喷射制冷原理 式中g i 辅助喷射器计算抽气量 r 排出一公斤常温空气所消耗的工作蒸汽量 m 广工作蒸汽压力修正系数 2 5 5 辅助喷射器的喷嘴 辅助蒸汽喷射器喷嘴的内部形状，可与主喷嘴样来计算各部尺寸。 2 5 6 辅助蒸汽喷射器结构尺寸 辅助蒸汽喷射器扩压器喉部直径 d = 1 6 式中m 一被抽出的混合气体中，不凝结性气体的分子量 g k 计算空气量 g n 不凝结气体量 g 一工作蒸汽消耗量 g s 吸入气体中水蒸气量 p p 喷射器的排出压力 扩压器进口直径：d i = i 4 1 4 d 扩压器出口直径：d 2 = 2 d 扩压器喉部长度：l = 4 d 扩压器进口至喉部长度： l 1 = 7 d 扩压器出口至喉部长度：l 2 ；1 0 d ( 1 3 ) 2 6 蒸发器 蒸喷制冷装置中，蒸发器性能的好坏，决定于冷媒水喷洒下落过程中自行蒸 发的情况和汽水分离的程度，这就必须使进入蒸发器中的水滴具有最大的蒸发表 面和足够的停留时间。为此冷媒水进蒸发器一般都通过配水槽、筛板或洒水管， 使冷媒水能分散成大小均匀的水滴或水柱，因此对配水槽、洒水管和筛板都有一 定要求。此外，在确定蒸发器结构尺寸时要着重计算两个尺寸：蒸发空间的容积 汽轮机抽汽驱动喷汽式制冷系统 和蒸汽的流通截面积。蒸汽流速的增加，有利于蒸汽和液滴之间的传热，但是流 速过大，往往不可避免地会将液滴带入喷射器中。因此蒸发器的空间距离以及蒸 汽的流速应最大限度地减少液滴被带入喷射器中，并保证液滴能充分蒸发。 2 6 1 蒸发器筒体截面积 蒸发器简体截面积可按下式计算： f o ：盟 ( 1 4 ) w o 式中v 卜冷蒸汽比容，取v 。= 0 9 5 v ：，其中v ：为蒸发温度下饱和蒸汽的 比容； w 0 冷蒸汽在蒸发器中心断面处的流速。 流速w o 应适当地进行选择，以防冷蒸汽被引射是夹带液滴。在蒸发器空间， 冷蒸汽流动时当作用于液滴上的力超过了液滴的重量时，液滴往往被带入喷射器。 液滴的直径愈大，蒸发器空间内冷蒸汽允许的流速就愈大。实际应用时，立式蒸 发器中心断面的流速可取8 1 2 米秒。 2 6 2 蒸发空间的容积 蒸发器内所需蒸发空间的容积，可根据不同的冷媒水温度按照文献上的图来查 取。蒸发器中液面的高低，直接影响蒸发空间的大小，从而影响机器的制冷量， 般情况下，蒸发器的液面不宜过高。 2 i6 3 冷媒水流量的计算 通过蒸发器的冷媒水，其中只有极少部分被蒸发，绝大部分被冷却，冷媒水的 流量可按下式计算 既：堕l ( 1 5 ) 1 ( f l - t 2 ) c ， 。 式中v 一冷媒水比容 c 。冷媒水比热 t 1 t 2 分别为冷媒水的进出口温度 第2 章蒸汽喷射制冷原理 2 _ 6 4 筛板孔数的计算 冷媒水在筛板上利用液面高度的静水头通过钻孔，自由流入蒸发器内，根据 冷媒水流量，所需的钻孔数按下式计算 ，z = 上 ( 1 6 ) 坷 3 2 曲 式中卜水自钻孔中自由流入的缩流稀疏，对萨水管钻孔取0 6 3 5 ，对筛 板钻孔取0 8 5 ： 卜_ 每个钻孔的面积 r 重力加速度 h 钻孔上液面高度 卜冷媒水流量 2 。6 5 蒸发器排水管高度 蒸喷制冷装置的内部，具有较高的真空度，为了使蒸发器内的冷媒水不断排 出，就需要克服蒸发器p 畸# l - 的压力差。蒸发器可采用高位安装也可采用低位安装： 高位安装就是将设备安装在l o 米以上的高度依靠大气压力使蒸发器的排水管中保 持一定水柱高度，形成水封以使蒸发器内保持所需的真空度；低位安装则是通过 在排水管路上安装吸入扬程和密封性较高的排水泵将冷媒水从蒸发器中排出。 2 7 冷凝器 蒸喷制冷装置中包括主冷凝器和辅助冷凝器二种。主冷凝器的作用是将通过 扩压器压缩至冷凝压力的混合蒸汽冷凝成液态。辅助冷凝器设置在第一，第二辅 助喷射器之后，使其排出的混合气体中的蒸汽冷凝。蒸喷制冷装置中采用的冷凝 器有表面式冷凝器、混合式冷凝器和蒸发式冷凝器三种。蒸发式冷凝器是降低蒸 喷制冷机汽水消耗量效果较好的一种冷凝器。混合式冷凝器的结构简单，造价低 廉，在蒸喷制冷机中应用最为广泛，但是冷却水耗量大，而且由于工作蒸汽凝结 后与冷却水相混合而被污染不能再回收。为了克服这些缺点，特别是缺水地区， 采用蒸发式冷凝器更为有利。 汽轮机抽汽驱动喷汽式制冷系统 2 7 1 冷凝器的热负荷 在蒸喷制冷装置中，蒸汽冷凝放出的热量包括工作蒸汽和吸入蒸汽冷凝成相 应于p k 下饱和水所放出的热量，可按下式计算 q 七( g o + g 1 ) 珞 ( 1 7 ) 式中q 卜冷凝