海水溫度對船用蒸汽噴射制冷機性能的影響

海軍工程大學 船舶與動力學院 武漢 430033

目前船舶上使用的大多數制冷機是氟利昂壓縮制冷機。蒸汽噴射制冷機在船舶上使用還不廣泛，急需進行關鍵技術和理論研究[1-2]。與氟利昂制冷機相比該型制冷機安全環保、以蒸汽作動力、在高真空條件下使工作水蒸發吸熱制冷、無旋轉工作機械、可靠性高、壽命長、制冷能力強且可維修性好。由于是真空裝置，其制冷量與海水溫度的關系非常密切。

1 蒸汽噴射制冷機工作原理簡介

蒸汽噴射制冷機以蒸汽作為動力和工作介質，利用兩組主噴射器使蒸發器內產生高度真空，從用戶來的工作水被噴入蒸發器，在此真空對應的飽和溫度下蒸發，吸收汽化潛熱，導致裝置內未蒸發的工作水溫度降至飽和水的溫度，然后再送往用戶。主噴射器工作過的蒸汽和在蒸發器內被蒸發的蒸汽一同在主冷凝器內被舷外海水帶走熱量凝結成水，凝水排往凝水系統。系統內工作水缺少時可從凝水系統內補充，工作原理見圖1。

圖1 蒸汽噴射制冷機工作原理

海水溫度越低，在制冷量相同的情況下，投入的工作蒸汽量越少。因此，海水溫度是蒸汽噴射制冷機工作性能的主要影響因素之一。

2 制冷機工況性能的計算與分析

2.1 冷凝器換熱數學模型

冷凝器利用海水冷卻其中的蒸汽，海水溫度越低,與冷凝器內蒸汽間的溫差越大,則冷卻效果越好，冷凝器內的蒸汽越能得到充分的冷卻而轉化為同溫度下的飽和水,并使凝水溫度得到進一步冷卻而獲得低溫,使冷凝器內壓力也降低。相反,海水溫度越高,冷凝效果越差,冷凝器內的溫度、壓力也就越高。

由冷凝器熱負荷公式[3]得:

(1)

式中:tL——冷凝器內凝水溫度,℃；

QLq——冷凝器內的熱負荷,kW ；

KL——冷凝器內的傳熱系數, kW/(m2℃)；

FL——冷凝器內的傳熱表面積,m2；

tHS——海水溫度,℃。

由(1)式可知，無論冷凝器的熱負荷怎樣變化,只要海水溫度變化,將直接反映到冷凝器內冷凝水的溫度上,且tHS每升高或降低1 ℃,凝水溫度也將增加或下降1 ℃。

制冷機設計工況規定,當tHS=30℃時,冷凝器內凝水溫度為tL=34.2℃,兩流體間的直接溫差為Δt=4.2℃,由此得：

tL=Δt+tHS=4.2+tHS

(2)

式(2)即為制冷機冷凝器在額定熱負荷時,冷凝器內溫度tL與海水溫度tHS之間的關系。

2.2 海水溫度對冷凝器性能的影響

凝水飽和壓力PL隨冷凝器內凝水溫度tL的變化而變化。據計算海水溫度在18～30 ℃范圍內,溫度每升高1 ℃,冷凝器內的凝水壓力將平均增加6%左右。表1即為在冷凝器額定熱負荷下,海水溫度tHS、凝水溫度tL與凝水壓力PL三者之間的關系。

表1 冷凝器壓力PL隨海水溫度tHS變化率

由式(2)可知:在冷凝器額定熱負荷下, Δt=4.2 ℃,但當熱負荷QLq變化后,Δt也將變化。所以在非額定熱負荷下,首先要求得熱負荷QLq，再求得Δt。

冷凝器熱負荷QLq來源于主噴射器擴壓器輸入的混合汽量Gw,混合汽流量Gw=G1+G2。其中G1為主噴射器的工作蒸汽量,它決定于工作蒸汽的品種和壓力Pz。對飽和蒸汽(上標為b)與過熱蒸汽量(上標為g)分別為:

(3)

(4)

G2為主噴射器從蒸發器中抽取的冷蒸汽量,而冷蒸汽量的多少又取決于當時制冷機的制冷量QL與蒸發器內沸騰溫度下水的汽化熱γt0。所以，沸騰溫度t0確定后,制冷量QL和水的汽化熱γt0也確定了,因為:

(5)

混合蒸汽從擴壓器進入冷凝器后,將由冷凝器壓力PL下的蒸汽冷凝成同壓力下的飽和水,混合汽在冷凝器中釋放的熱量,即為冷凝器壓力下水的汽化熱γPL。已知冷凝器參數：

PL=5.55 kPa,tL=34.2 ℃,查得此壓力下

γPL=2 426.76 kJ/kg。所以在此額定工況下,冷凝器的熱負荷

=6 073.2×103kJ/h=1 681 kW

當tHS=30 ℃時, Δt=4.2 ℃，則冷凝器的KLFL值即為：

從而得出混合汽量為：

表2 兩組主噴射器同時工作時制冷機的技術參數及部分計算值

在此工況下冷凝器的熱負荷為：

由此得兩組主噴射器同時工作且工作蒸汽為過熱蒸汽時:

=0.002 5QLq

(6)

由式(1)可知，冷凝器內飽和溫度受冷凝器熱負荷QLq與海水溫度所決定。在此工況下,冷凝器內的飽和溫度僅受外界海水溫度影響。

2.3 制冷機制冷量的計算

制冷機的蒸發器與冷凝器通過主噴射器連接在一起,工作蒸汽通過噴射器噴嘴使蒸汽的熱能轉化為高速流動的動能,產生抽空能力,將蒸發器內的冷蒸汽抽入噴射器的混合室與工作蒸汽組成混合汽流,通過擴壓管壓縮,將混合汽壓力由蒸發器壓力P0提高到冷凝器壓力PL。冷凝器壓力下飽和水的溫度必須高于外界海水溫度，從而將混合汽冷卻凝結成水。冷凝器壓力對主噴射器的擴壓器而言,就是擴壓器的背壓。背壓變化偏離設計點,將直接影響到噴射器的抽空與壓縮能力。背壓升高,噴射器的抽空與壓縮能力將降低,這意味著蒸發器內的冷蒸汽不能完全被抽走,部分冷蒸汽將遺留在蒸發器內,因而導致蒸發器內壓力升高。相應地飽和溫度,即制冷工作水t0也升高。相反，當冷凝器壓力降低后,使噴射器的抽空、壓縮力將增加,蒸發器內的冷蒸汽被充分抽空,致使蒸發器內壓力、溫度降低。

由制冷機壓比定義可得：

ε=PL/P0

P0=PL/ε。

由上面分析可知:當PL增大,使擴壓器的實際壓比ε降低,小于額定e0,使P0大幅度增加。在PL減小時,擴壓器的實際壓縮比大于額定e0,使P0大幅度降低。如果通過調節工作蒸汽壓力來調節噴射器的抽空與壓縮能力就可保持工況的穩定和原有的壓比ε0,消除因PL的變化對擴壓器壓比的影響,從而減小了對蒸發器壓力P0的影響作用。

海水溫度tHS對冷凝器內壓力PL、擴壓器壓縮能力和蒸發器壓力P0的影響以及工作蒸汽壓力的調節作用的計算結果列于表2。

3 結論

1) 冷卻水-海水溫度升高1℃,冷凝器內的壓力將同步升高近10%。

2) 主噴射器的抽空能力、擴壓管的壓比隨海水溫度升高而降低,為保證蒸發器內的真空，主噴射器的工作蒸汽壓力由0.8 MPa調整到1.4 MPa，而蒸發器內的壓力還是上升了20%。

3) 蒸發器的制冷工作水的出口溫度將隨著海水溫度升高而線性上升。當海水溫度超過30 ℃時，如不增加進入制冷機的工作蒸汽的壓力，制冷機的出口溫度將超出設計范圍。因此，海水溫度是蒸汽噴射制冷機工作過程、工況性能變化的重要影響因素之一。

4) 制冷機的制冷量隨海水的溫度升高而減少，冷凝器內的真空下降。給制冷機供入相等的蒸汽，其制冷量將下降。為了保證工作水的出口溫度，即必須增加蒸汽的供應量，以滿足用戶的需要。

[1] 周國義.船舶系統與輔助機械[M].武漢：海軍工程大學，2002：128-142．

[2] 陳林根，周國義，何文勝.船用蒸汽噴射制冷機關鍵技術與維修技術研究[R].武漢：海軍工程大學，2005：72-78．

[3] 馮俊凱，沈幼庭，楊瑞昌，等.鍋爐原理及計算[M].北京：科學出版社，2003：302-303．