船用330 kW蒸汽噴射式制冷系統研究

侯春枝，鐘根仔

（合肥通用機械研究院，安徽合肥 230088）

0 引言

蒸汽噴射式制冷系統是一種以熱能為動力、以液體制冷劑在低壓下蒸發吸熱來制取冷量的制冷系統，主要用于方便獲取高壓蒸汽的特殊場合。該系統采用單一物質作為循環工質，目前通常采用水作為循環工質，也稱為水噴射式制冷系統。在工業余汽場所使用能夠節約能源，而且運行可靠性高，使用壽命長，一般都不需備用設備。此外，蒸汽式噴射式制冷機作為一種利用低品位熱能驅動的綠色環保制冷裝置，還具有結構簡單、可靠性高和成本低等優點[1-5]。將蒸汽噴射式制冷機應用于船舶，不僅能夠解決傳統制冷劑CFCs和HCFCs的替代問題，而且還能夠充分利用船舶余熱。以一艘萬噸級遠洋船舶為例，每天主機消耗重油15 t～25 t，發電機消耗柴油 1.5 t～2.5 t，其熱量的 40%用于輸出功率，10%用于驅動廢氣透平，15%被冷卻水帶走，30%～35%被排煙帶走。而冷卻水和煙氣中的余熱都可用于驅動蒸汽噴射式制冷系統。然而，目前蒸汽噴射式制冷應用于船舶空調的研究還處于起步階段[6-8]。此外，未來蒸汽式噴射制冷機的發展趨勢為蒸汽噴射式制冷與其他制冷方式的有機結合[9]。本文主要以一套330 kW的蒸汽噴射式制冷系統為研究對象，分析了系統的兩種制冷模式，并討論了系統的熱力學性質和系統控制，以期能為今后蒸汽噴射式制冷機在船舶上的廣泛應用提供參考[10]。

1 蒸汽噴射式制冷系統基本組成

蒸汽噴射式制冷系統和蒸汽壓縮式及吸收式一樣，都是通過液體氣化來實現制冷。其組成部件主要包括噴射器、冷凝器、蒸發器、截止閥和凝水泵等設備。其中噴射器又包括噴嘴、吸入腔和擴壓器三個部分。制冷原理圖如圖1所示。

圖1 蒸汽噴射式制冷系統原理圖

2 330 kW船用蒸汽噴射式制冷系統設計

某海洋作業船采用蒸汽噴射式制冷系統，為船上的電子設備艙和船員提供良好的工作環境，系統在設計工況的制冷量為330 kW。該系統以海水作為冷卻水，采用兩種制冷模式，即蒸汽噴射制冷和水-水換熱制冷。當冷卻海水溫度高于某一設定值 Ts時，系統采用蒸汽噴射制冷模式；當冷卻海水溫度低于某一設定值Ts時，為節約能源和更好地提高系統可靠性，采用冷卻海水與冷媒水在主冷凝器中直接換熱模式，降低冷媒水溫度。該系統流程見圖2。

圖2 船用蒸汽噴射式制冷系統流程圖

2.1 系統工作過程分析

該船用噴射式制冷系統由兩個模式組成，即蒸汽噴射制冷模式和水-水換熱制冷模式。其工作過程分別如下。

2.1.1 蒸汽噴射制冷模式

1）冷媒水系統：來自用戶冷媒水通過冷媒水管路和截止閥1分別進入蒸發器的兩個分節。在低壓狀態下的蒸發器中，冷媒水部分蒸發汽化，從未蒸發的冷媒水中吸收潛熱，使冷媒水溫度降低。降溫后的冷媒水經1#、2#工作水泵升壓后通過單向閥1重新輸送給用戶。

2）工作蒸汽系統：工作蒸汽通過截止閥 2進入減壓閥，在這里工作蒸汽壓力降低至要求值。接著通過截止閥3、經過蒸汽管路和蒸汽閥1、2進入在蒸發器中的主噴射器的噴嘴。經過噴嘴后，蒸汽的壓力膨脹至蒸發壓力，因此獲得高速（1,300 m/s），在這種高速下進入噴射器的擴壓器。由于工作蒸汽的動能以及工作蒸汽與冷蒸汽的摩擦，將冷蒸汽帶至擴壓器，在擴壓器中工作蒸汽與冷蒸汽形成混合汽，并由于速度的降低而產生壓縮。壓縮后的混合蒸汽從擴壓器出來后進入主冷凝器。在主冷凝器中高壓的混合蒸汽被冷卻水冷凝，冷凝水積聚在冷凝器底部，經過冷凝水管路1由凝水泵抽出，經單向閥和電磁閥2送往冷凝水系統。

3）冷卻海水系統：冷卻水系統主要用于為主冷凝器和輔冷凝器提供冷卻水，冷卻高壓蒸汽。冷卻水經冷卻水泵升壓后由冷卻水管路分別進入主、輔冷凝器，在冷凝器進行熱交換以后經截止閥4和管路排出。

4）抽空系統：抽空系統主要有一臺輔冷凝器、兩臺空氣噴射器和管路等組成，在啟動前使系統達到規定的真空狀態并在系統運行過程中保持該真空狀態。冷凝器壓力與外界壓力相差甚大，從低壓向高壓排空氣，壓縮比較大（12～30），因此該抽空系統采用了兩級壓縮噴射。主冷凝器里的空氣經抽空管路進入一級空氣噴射器（空氣噴射器與水噴射器的工作過程相同），與工作蒸汽混合升壓后進入一級冷凝器。在一級冷凝器中水蒸汽被冷凝，空氣則被抽入二級空氣噴射器進一步升壓，升壓后進入二級冷凝器。同理，在二級冷凝器中水蒸汽被冷凝，而空氣則可通過排放口排出，而冷凝水則通過冷凝水管路2和截止閥5進入一級冷凝器，與一級冷凝器的冷凝水一起，通過冷凝水管路3流入主冷凝器，與主冷凝器的冷凝水一起排出。通過此過程不斷地將系統中的空氣抽出，保持系統要求的真空度，使整個系統能夠順利啟動并長期平穩運行。

5）補水系統：蒸發器中冷媒水在低壓狀態下不斷蒸發，蒸汽不斷的被噴嘴出來的高速蒸汽帶走，為了補充該部分損失的冷媒水，系統設置補水管路，從凝水泵出口引一部分冷凝水進入蒸發器。管路上設有電磁閥1、截止閥6和液位浮子調節器，通過液位浮子調節器調節進入蒸發器水量，當液位浮子調節器發生故障時，可以通過旁通支路以及截止閥7，以手動的方式控制進入蒸發器水量。

2.1.2 水-水換熱制冷模式

當冷卻海水溫度低于溫度設定值 Ts時，可以不開制冷蒸汽系統而直接利用冷卻水與冷媒水在主冷凝器中進行對流換熱，實現制冷。其具體的工作過程如下：分別關閉截止閥1及閥8并打開截止閥10和閥9，來自用戶冷媒水則沿著冷媒水管路進入主冷凝器，與主冷凝器中的冷卻水進行熱交換，冷媒水溫度降低，降溫后的冷媒水沿著管路出冷凝器，經1#、2#工作水泵升壓后通過單向閥1輸送給用戶。整個過程簡單易操作。

2.2 系統分析

系統是利用水的汽化實現制冷，水在各個蒸發溫度點的蒸發潛熱如圖3所示[11]。

2.2.1 系統的設計工況

設計制冷量：Q0=330 kW，蒸發溫度T0=5 ℃，冷凝溫度Tk=40 ℃。

圖3為蒸發溫度T0與蒸發潛熱r0關系曲線。

由圖 3可知，蒸發溫度 T0為 5 ℃，飽和壓力P0為903.25 Pa，該狀態的汽化潛熱r0為2,490 kJ/kg；冷凝溫度為Tk=40 ℃，飽和壓力為Pk=7,375 Pa，該狀態的汽化潛熱rk為2,406 kJ/kg。

圖3 蒸發溫度T0與蒸發潛熱r0關系曲線

2.2.2 系統溫熵圖

系統溫熵圖如圖4所示。圖中，1-2表示高溫工作蒸汽在噴嘴內部的膨脹過程。工作蒸汽（狀態點 2）與蒸發器中蒸發的低溫低壓冷劑水蒸汽（狀態點 3）混合后的狀態為點 4?；旌险羝跀U壓器中流動升壓至狀態點 5，降速升壓后的混合蒸汽在主冷凝器中冷凝，釋放熱量，5-6表示主冷凝器中氣體的冷凝過程。狀態點6表示冷凝終了狀態點，冷凝后的水分成兩部分：經過水泵升壓后，一部分補充到蒸發器中，補充蒸發器損失的冷媒水，圖中過程線6-7-3表示該過程；另一部分經過凝結水系統進入蒸汽發生器，該過程由過程線6-8-1表示。蒸汽發生器內部是負壓狀態，比大氣壓力小，即小于 0.1 MPa，一般大于 0.08 MPa，因此本機設定T1=95 ℃。

圖4 系統溫-熵圖

2.2.3 系統熱力分析

制冷量[12-13]：

式中：

qm0——被引射蒸汽的質量流量，kg/s；

h3——制冷蒸汽出蒸發器時的焓kJ/kg；

h6——凝結水出主冷凝器時的焓值，kJ/kg。

冷媒水流量：

式中：

c1——設計工況下水的比熱容，kJ/(kg·℃)；

ρ1——設計工況下水的密度，kg/m3；

Δt1——冷媒水進出水溫差℃。

產生工作蒸汽熱負荷：

式中：

qm1——工作蒸汽的質量流量，kg/s；

h1——工作蒸汽出鍋爐時的焓值，kJ/kg。

主冷凝器熱負荷：

式中：

h5——混合蒸汽進冷凝器時的焓值，kJ/kg。

主冷凝器冷卻水量：

式中：

c2——設計工況下水的比熱容，kJ/(kg·℃)；

ρ2——設計工況下水的密度，kg/m3；

Δt2——冷媒水進出水溫差，℃。

主噴射器噴射系數：

2.2.4 系統控制

整個系統通過可編程控制器（PLC）進行集中控制，并通過觸摸屏對各控制參數進行監控和顯示，可對各參數的設定值進行重新設定，系統的主要控制參數如下。

1) 冷媒水溫度控制

當冷卻海水溫度低于溫度設定值Ts時，冷媒水設計工況時出水溫度為 7 ℃，通過蒸發器第Ⅰ、第Ⅱ級啟停控制出水溫度在(2～9) ℃。當冷媒水出水溫度高于 9 ℃時，機組蒸發器的第Ⅰ、第Ⅱ級同時開啟運行；當冷媒水出水溫度降至 5 ℃時，蒸發器的第Ⅱ級停止運行，如果冷媒水溫度繼續下降，當溫度降至+2 ℃時，蒸發器的第Ⅰ級也停止運行。整個冷媒水溫度控制通過蒸發器第Ⅰ、第Ⅱ級啟停來實現。系統還可以根據現場的實際運行情況，對溫度設定值進行調整，使系統處于最佳的運行狀態。

當冷卻海水溫度低于溫度設定值Ts時，蒸汽噴射式制冷系統停止運行，系統切換為冷卻海水與冷媒水直接換熱。通過電動三通調節閥調節冷卻海水進水流量，將冷媒水溫度控制在(18±2) ℃。

2）主冷凝器壓力控制

系統制冷過程是一個水在低壓下循環蒸發和冷凝過程，因此機組在啟動和運行過程中要保持系統合適的真空度。因此在該系統中設置了一個由一臺輔助冷凝器和兩臺空氣噴射器組成的抽空系統，控制系統中的蒸汽壓力。在啟動和運行時，當系統內壓力偏離規定的壓力范圍時，抽空系統將主冷凝器內的空氣和水蒸汽的混合汽抽出，使系統內壓力回到規定的壓力范圍內。

3）蒸發器液位控制

蒸發器不斷蒸發消耗水量，為了機組能連續工作，必須及時補充所消耗的水量。本系統通過置于蒸發器中的液位浮子調節器調節蒸發器的液位。

3 結論

蒸汽噴射式制冷系統與溴化鋰或氨吸收式制冷機以及螺桿或離心壓縮式制冷系統相比，既有其優點，又有其不足之處。氨氣是有毒氣體，溴化鋰水溶液有腐蝕性，蒸汽噴射式制冷系統使用水作為工質，不會對人體造成傷害，也不會污染環境且無腐蝕性；結構簡單，無運動部件，可靠性比較高，因此壽命也比較長。其不足之處在于工作蒸汽壓力比較高，噴射器流動損失比較大，效率相對較低。在一些特殊的能夠綜合利用廢棄蒸汽場合比較實用。例如在一些大型使用蒸汽輪機驅動的海洋作業船上，就可以充分利用蒸汽輪機廢汽，設計成上述的蒸汽噴射制冷系統附加水—水換熱制冷系統，既節約大量能源，又保證系統的高可靠性。

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