2015工程热物理热力学文献明

1、中国工程热物理学会学术会议工程热力学与能源利用编号：船舶余热喷射式制冷实验研究，化鹏，（大连海事大学轮机(Tel:大连 116026）:dmudjm)摘要：本文设计搭建船舶余热蒸汽喷射式制冷实验台，通过模拟船舶余热和船舶热负荷，对船舶余热喷射式制冷进行了实验研究。结果表明系统工作过程中存在一临界冷凝，当冷凝大于该临界值小于该临界值时，系COP 随冷凝压则随发生温度的升高而统制冷性能系数(COP)不随冷凝的增大而发生变化，当冷凝力的增大而迅速降低直至为 0。系统COP 随发生温度的升高而降低，临界冷凝升高。系统COP 和临界冷凝都随着蒸发温度的升高而升高。：船舶余热；喷射式制冷；实验研究0 引言

2、航运业作为相对于其他行业较为、节能且环保的方式，承担了全球 90%的贸易，但随着航运业的不断发展，能源的消耗不断增大，温室气体排放量也逐年增加。节能减排是提高能源利用率，更加充分、有效、合理的利用能源并减少污染物排放的更佳方法，因而成为了协调发展与能源消费的主要途径。大部分船舶的余热除了用作油舱加热、制造淡水等，还有许多剩余热能没有得到充分利用。目前主要的研究集中在利用船舶余热进行发电和制冷两个方面，具有发展前景的船舶余热利用技术包括有机朗环发电、温差发电、吸收式制冷、吸附式制冷以及喷射式制冷。喷射式制冷系统利用低品位热能（余热、废热）加热发生器产生高温高压的工作流体， 工作流体通过喷射器拉伐

3、尔喷嘴后产生高速流体，并不断携带走蒸发器内的饱和蒸气使制冷剂蒸发，实现制冷。喷射器在喷射式制冷系统中的作用类似于传统压缩式制冷系统中的压缩机1。通过喷射器代替了压缩机，可以利用低品位热源作为驱动，减少了系统电能消耗2。喷射式制冷系统结构简单，易于制造，不含运动部件，易于维修，造价较低3；喷射式制冷系统中，制冷剂分别处于气态或液态，不存在结晶问题；喷射式制冷系统使用的制冷剂对大部分金属材料，尤其是常规金属材料，不具有腐蚀性，工作可靠，可有效延长设备的使用。本文通过对不同工况下下喷射制冷系统进行实验研究，探究了蒸发温度、发生温度等因素对系统 COP 和临界冷凝（PC*）的影响规律，为船舶余热喷射式

4、制冷系统的优化设计提供了基础。1 实验系统及装置1.1 船舶余热喷射式制冷系统设计图 1 为使用缸套水余热驱动的喷射式制冷系统应用方案。从柴油机中循环出来的缸套水通过三通阀导入喷射式制冷系统的发生器中，用来加热制冷剂工质，从而产生高温高压的工作蒸气。工作蒸气通过喷射器，引射来自蒸发器中低温低压的制冷剂，使蒸发器产生一定的真空度。工作流体和引射流体混合后的混合流体在喷射器扩压器中升压后，进入到冷凝器中被冷却为高压低温液态制冷剂，冷凝器中的制冷剂一部分通过膨胀阀节流降输送到蒸发器， 另一部分通过循环泵输送回发生器中，补偿发生器和蒸发器中产生蒸气消耗的制冷剂工质。图 2 为排烟余热驱动的喷射式制冷系

5、统应用方案。系统主要由锅炉、过热器、喷射器、冷凝器、蒸发器和循环泵组成。该系统以工质，增加装设过热器，用以避免发生器产生基金项目：自然科学基金(51409034)，辽宁省自然科学基金项目（2014025013），高校基本科研业务费资助（3132015205）的水蒸汽部分冷凝成为水汽混合物，影响喷射器的工作性能。需要注意的是，需要单独装设冷凝器而非直接使用锅炉系统的大气冷凝器。喷射器三通阀发生器蒸发器冷凝器缸套水泵循环泵图 1 缸套水余热利用方案示意图喷射器过热器蒸发器冷凝器循环泵图 2 排烟余热利用方案示意图1.2 船舶余热喷射式制冷实验装置本文所设计的船舶余热蒸汽喷射式制冷装置如图 3 所示

6、，系统主要由发生器、蒸发器、喷射器、冷凝器、储液器及循环泵等装置组成，实验工质为超纯造水机所造的超纯水。喷射器NXP=0扩压器混合室调节杆-+TinTout喷嘴冷凝器蒸汽进口蒸发器(模拟热负荷)储液器发生器(模拟船舶余热)循环泵图 3 船舶余热蒸汽喷射式制冷系统装置示意图在发生器、蒸发器及储液器上设置有用于观察实验中水位变化情况的液位计。安装率循环泵用以将储液器中的工质输送回发生器及蒸发器中，尽可能减小泵的运行功率以减小对电能的消耗，以保证系统较高的余热能源利用率。在发生器的底部安装有用于模拟船舶余热的电加热器，在蒸发器底部安装有用于模拟热负荷的电加热器，两个电加热器功率均为膨胀阀锅炉膨胀阀柴

7、油机5kW，分别设置了两个调节器对电加热器的功率进行调节，以满足不同的实验要求。调节器1发生器底部电加热器，调节器 2蒸发器底部的电加热器。冷凝器的变化通过两台功率分别为 4300W 和 2500W 的循环冷却器（水浴），该冷凝器为壳管式冷凝器。采用National Instruments SCXI-1000。仪对传感器及温度传感器测得的数据进行为保证实验的准确性，避免室内温度对实验的影响，尽量减小实验误差，在发生器、蒸发器、喷射器、冷凝器及连接管路形成隔热层以减少系统与外界换热。均保温棉、橡塑海绵保温棉等隔热材料，2 实验结果与分析本实验设定发生温度分别为 100、110、120、130，并

8、在每一个发生温度下进行蒸发生温度分别为 5、10、15的实验，共 12 组实验，研究蒸汽喷射式制冷系统工况条件对系统性能的影响。本实验均在喷射器结构不改变的条件下进行，以研究工况条件的影响：喷射器喷嘴喉部直径 2mm，喷嘴出口直径 10mm，喷嘴出口距混合室50mm。2.1 冷凝的影响如图 4 所示，在发生温度 110，蒸发温度 10的条件下，冷凝对系统 COP 影响的实验结果。从图中可以看出，在系统 COP 随着冷凝PC 的升高而变化的过程中，存在COP 迅速下降，直至降低*一临界冷凝PC ，当冷凝*PC高于临界冷凝*PC为零，系统工作不稳定，甚至会出现回流现象；当冷凝COP 基本保持不变。

9、低于临界冷凝0.8Generator 110 Evaporator 10Unchoked Flow0.6Reversed FlowChoked Flow0.40.2Break Down PressureCritical Condenser Pressure2.62.83.03.23.4P (kPa)C3.63.8图 4 冷凝对系统COP 的影响实验结果与国内外诸多学者的研究1,4-7相吻合，他们以临界冷凝*PC （Criticalcondenser pressure）和系统工作破坏（Bread down pressure）为分界点将蒸汽喷射式制冷系统的工作区域分为三个区域：临界区（或壅塞区，C

10、hoked flow）、亚临界区（非壅塞区，Unchoked flow）、回流区（Reversed flow）。在临界区内，冷凝小于临界值，喷射器的喷射系数及吸入的引射蒸汽的流量不变，使得系统 COP 保持不变。这是由于在喷射器混合室中的蒸汽流体壅塞现象所导致的。工作蒸汽与引射蒸汽在喷射器中混合，混合蒸汽流体在混合室等截面段、速度保持不变，随后在等截面段后半段或扩压器的某一横断面发生激波现象，产生压缩效果，混合蒸汽流体压力增大，速度降至音速，并在扩压器中继续增大。此部分区域又被称为壅塞区或双壅塞区，即工作蒸汽与引射蒸汽同样发生壅塞现象。激波产生的位置随冷凝大小的改变而变COP化。冷凝减小，激波

11、位置沿喷射器轴向向下游移动；冷凝增大，激波位置沿喷射器轴向向上游移动。随着冷凝的增大，直至超过临界值进入亚临界区。在此区域，由于冷凝的增大使得激波向上游移动，从而影响工作蒸汽与引射蒸汽的混合过程，使得引射蒸汽流量及喷射器喷射系数迅速降低，引射蒸汽流体不再发生壅塞现象。同样，导致系统 COP 迅速降低。因而，此区域又被称为非壅塞区或工作流体壅塞区。冷凝系统不再的进一步增大，使得系统 COP 降为 0，系统进入回流区，即喷射器失去功效，。在回流区内，冷凝继续增大，但喷射器无法正常工作，不再引射蒸发器内的蒸汽，引射蒸汽流量为 0，喷射器喷射系数为 0，工作蒸汽将会回流至蒸发器，系统不再产生制冷效果，

12、工作蒸汽反而会加热蒸发器内工质。2.2 发生温度的影响如图 5、6、7 所示分别为蒸发温度分别设定为 5、10、15时，发生温度对系统性能影响的实验结果。从曲线变化可以看出，在任一恒定的蒸发温度下，改变发生温度，系统*COP 的变化情况：随着发生温度的升高，系统 COP 降低，临界冷凝PC 升高。这是由于发生温度的升高，工作流体喷嘴的压缩比（即喷嘴出口与工作流体随之升高，进入喷射器的工作流体流量增大。之比）基本保持不变，而进入喷嘴的工作流体升高时，喷嘴出口随之升高，引射流体与喷嘴出口差减小，工作流体对于引射流体的吸入驱动力减小，导致引射流体吸入量减少，从而使喷射器喷射系数随工作流体的升高而降低

13、，“有效面积”的位置沿喷射器轴向向上游移动，系统 COP 降低。发生温度升高，同时使得混合流体动量增大，喷射器内激波的发生位置沿喷射器轴向向下游移*动，从而使临界冷凝PC 随着发生温度的升高而升高。0.50.40.30.20.10.01.52.02.53.03.54.04.55.05.5PC（kPa）图 5 蒸发温度 5时发生温度对系统COP 影响COPGenerator temperature 100 Generator temperature 110 Generator temperature 120 Generator temperature 1300.80.60.40.20.02.02

14、.53.03.54.04.5P (kPa)C5.05.56.0图 6 蒸发温度 10时发生温度对系统COP 影响1.41.21.00.80.60.40.22.02.53.03.54.04.55.05.56.06.5P (kPa)C图 7 蒸发温度 10时发生温度对系统COP 影响有效面积(Effective area)，是指在工作流体与引射流体的混合过程中，引射流体达到音速并产生激波的某一截面。工作流体经过膨胀和后从喷嘴喷出，并未立刻与引射流体进行混合，而是以一定的膨胀角继续膨胀，以膨胀波的形式成扇形散开，形成渐扩形状的膨胀波管。膨胀波管与喷射器壁面为引射流体形成了一个渐缩通道，也被成为“引射

15、通道”（Entrained duct），引射流体在引射通道内不断减压增速，直至达到音速并产生激波。而工作流体与引射流体的有效混合是在引射流体发生激波时开始的。在喷射器的有效截面上，工作流体与引射流体达到一致，开始混合，工作流体速度降低，引射流体速度增大，最终混为一股均匀的流体。图 8 工况条件对喷射器混合室内引射及混合过程的影响COPCOPGenerator temperature 100 Generator temperature 110 Generator temperature 120 Generator temperature 130Generator temperature 100

16、Generator temperature 110 Generator temperature 120 Generator temperature 130如图 8 所示，提高发生温度，工作流体饱和上升，工作流体在喷嘴出口处的流量增大，工作流体速度同时增大，使得膨胀过程的动量增大，膨胀角度增大，膨胀波管变短，有效面积沿喷射器轴向向上有移动。相应的，喷射器吸入的引射流体流量减小，喷射器喷射系数降低，系统 COP 降低。提高系统的发生温度，虽然降低了系统的性能，但提高了系统临界冷凝，扩大了系统可以稳定工作的范围，有益于喷射式制冷循环的实际应用。2.3 蒸发温度的影响如图 9、10、11、12 所示分

17、别为发生温度恒定为 100、110、120、130时，蒸发温度对系统性能影响的实验结果。1.61.41.21.00.80.60.40.21.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8P (kPa)C图 9 发生温度 100时蒸发温度对系统COP 影响1.21.00.80.60.40.22.22.42.62.83.03.23.43.63.84.0P (kPa)C图 10 发生温度 110时蒸发温度对系统COP 影响COPCOPEvaporator temperature 5 Evaporator temperature 10 Evaporator

18、temperature 15Evaporator temperature 5 Evaporator temperature 10 Evaporator temperature 151.00.80.60.40.20.03.23.43.63.84.04.24.44.64.85.0P (kPa)C图 11 发生温度 120时蒸发温度对系统COP 影响0.80.60.40.20.03.54.04.55.0P (kPa)C5.56.06.5图 12 发生温度 130时蒸发温度对系统COP 影响随着蒸发温度从5提高到15，系统COP 逐渐增大，且临界冷凝这是由于发生温度不变时，提高蒸发温度（即引射流体温度

19、），引射流体*PC 也随之提高。升高，引射流体与喷嘴出口压差增大，喷射器对于引射流体的吸入驱动力增大，使得引射流体吸入量增大， 喷射器喷射系数随之升高。从另一方面来说，激波的发生位置随着蒸发温度的提高而沿喷射器轴向向下游移动，加长了引射通道，从而使得喷射器可以从蒸发器中引射出的引射流体即制冷剂蒸汽，系统 COP 升高。同时，蒸发温度升高，引射流体量增大，增强了对膨胀波的压缩效果，增加了流体克服喷射器出口*射器可以在更高的临界冷凝PC 下工作。虽然蒸发温度的提高有助于压缩比的提升，可以使系统在更大的冷凝 具有更良好的性能，但这是以降低冷凝温度为前提的。同样，引射流体射式制冷循环实际应用过程中饱和

20、水的温度。3 结论升高，混合流体动的能力，从而使得喷范围内稳定工作并的提升受限于喷本文搭建了模拟船舶余热的喷射式制冷系统，通过设定不同的工况，探究了冷凝发生温度、蒸发温度等因素对喷射式制冷性能的影响，得出如下结论：、COPCOPEvaporator temperature 5 Evaporator temperature 10 Evaporator temperature15Evaporator temperature 5 Evaporator temperature 10 Evaporator temperature 15COP 不随1）系统工作过程中存在一临界冷凝，当冷凝小于该临界值冷凝的

21、增大而发生变化，当冷凝大于该临界值COP 随冷凝的增大而迅速降低直至为 0。在发生温度为 110、蒸发温度为 10工况下临界冷凝增加到 3.42kPa 时COP 降为 0。为 3.08kPa，2）系统 COP 随着发生温度的升高而降低，临界冷凝高。在蒸发温度为 10工况下，发生温度为 100PC*则随发生温度的升高而升COP 为 0.725，临界冷凝PC*为 2.49kPa；发生温度为 110系统 COP 为 0.598，临界冷凝PC*为 3.08kPa；发生温度为 120系统 COP 为 0.465，临界冷凝PC*为 4.19kPa；发生温度为 130系统 COP 为0.0.356，临界冷凝PC*为 5.52kPa；。*3）系统 COP 和临界冷凝PC 都随着蒸发温度的升高而升高。在发生温度为 100工况下，蒸发温度为 5COP 为 0.396，临界冷凝*PC 为 2.38kPa；蒸发温度为 10*COP 为0.725，临界冷凝PC 为2.49kPa；蒸发温度为15*临界冷凝PC 为 2.62kPa。参考文献COP 达到1.121，1, 等. 蒸汽喷射式制冷系统实验研究J. 大连海事大学学报, 2013,(01):11912223,. 喷射器理