蒸汽噴射制冷循環系統在目標特征抑制方面的應用

李潤宸+王智忠

摘 要： 應用蒸汽噴射制冷方式設計了一套蒸汽噴射制冷循環系統，選用性能優良的傳熱工質，對噴嘴的結構尺寸進行改進設計，利用發動機尾氣廢熱，驅動蒸汽噴射制冷系統對發動機艙室進行降溫。削弱整機設備在工作中的高溫特征，滿足了設備目標特征抑制的要求。

關鍵詞： 發動機尾氣廢熱； 噴射制冷； 噴嘴； 目標特征； 制冷系統； 傳熱工質

中圖分類號： TN98?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）05?0129?03

Abstract： The steam jet refrigeration mode is used to design a set of steam jet refrigeration recycle system. The heat transfer medium with high performance is selected to perform the improvement design for the structure size of the jet nozzle. The exhaust heat of engine is adopted to drive the steam jet refrigeration system to cool the engine compartment， and weaken the high temperature feature of the device while working， which can meet the requirement of target feature suppression of the device.

Keywords： exhaust heat of engine； jet refrigeration； jet nozzle； target feature； refrigeration system； heat transfer medium

1 國外研究現狀及趨勢

動力傳動集成裝置目標特征抑制技術研究旨在對裝甲部隊的車輛發動機艙的溫度以及發動機尾氣排放時的溫度進行抑制，使溫度降低至規定范圍。

目前國內外裝甲車發動機主要有風冷和水冷兩種形式。尾氣排放溫度多是依靠使用渦輪增壓設備回收發動機尾氣的壓力廢能，用以提高發動機的輸出功率和提高發動機的效率，同時降低發動機尾氣排放溫度。但此時發動機尾氣的溫度基本保持在400 ℃以上。

應用低溫制冷劑作為傳熱介質，通過設置在發動機排氣管道上的換熱器，利用發動機尾氣廢熱將液體制冷劑在蒸汽發生器內加熱至高溫高壓狀態，液體制冷劑作為氣體噴射器的工作蒸汽，使用噴射制冷的原理，由設置在發動機艙內的盤管蒸發器吸收發動機艙內的熱量，噴射器出來的混合蒸汽由冷凝器采用強制風冷的方法將熱量排至外界環境大氣。制冷劑的流動通過液體泵將冷凝器的液態制冷劑輸送至蒸汽發生器，冷凝器至蒸發器的制冷劑流動靠兩者之間的壓力差驅動。

本文所提出的蒸汽噴射制冷裝置具有裝機部件簡單、重量輕、能有效地利用發動機尾氣的廢熱，同時對發動機排氣壓力不進行任何干擾，故使用該裝置不會影響發動機的輸出功率，可進一步降低發動機尾氣的排氣溫度，并對發動機艙進行降溫，具有一定的應用特點和優勢。

2 研究目標

針對裝甲運輸車輛動力傳動集成裝置目標特征抑制技術的需求，旨在有效降低發動機艙的溫度以及發動機尾氣的排氣溫度。目前裝甲車輛發動機的目標特征抑制技術大多通過對發動機機體的散熱進行。本文通過使用發動機尾氣廢熱帶動氣體噴射制冷裝置為發動機艙進行降溫。因此，本項目的研究目標為：動力艙內環境溫度抑制技術；動力傳動裝置排氣溫度抑制技術。

針對發動機輸出功率，噴射制冷裝置的換熱量暫定為8 kW，其性能可通過專用性能測試裝置進行換熱能力測試，以考核噴射制冷裝置的性能。同時，由于蒸發發生器中產生制冷劑高壓蒸汽，吸收發動機尾氣的熱量，相應降低了發動機尾氣的排氣溫度，可使排氣溫度降低100 ℃，以滿足目標特征抑制的要求。

3 研究內容

3.1 工作原理

蒸氣噴射式制冷的基本系統如圖1所示。其組成部件包括：噴射器、冷凝器、蒸發器、節流閥和泵。噴射器由噴嘴、吸入室、擴壓器三部分組成。噴射器的吸入室與蒸發器相連；擴壓器出口與冷凝器相連。

用蒸汽發生器產生高溫高壓工作蒸氣，工作蒸氣進入噴嘴，在噴嘴中膨脹并高速流動（流速可達1 000 m/s以上），于是，在噴嘴出口處造成很低的壓力，使蒸發器中的制冷劑在低溫下蒸發。由于汽化時需從未汽化的制冷劑中吸收潛熱，因而使未汽化的制冷劑溫度降低。這部分低溫制冷劑便可用于吸收發動機艙的熱量。蒸發器中產生的制冷劑蒸氣與工作蒸氣在噴嘴出口處混合，一起進入擴壓器；在擴壓器中流動的蒸氣流速逐漸降低，壓力逐漸升高，以較高壓力進入冷凝器，被外部冷卻空氣冷卻變成液態制冷劑。從冷凝器流出的液態制冷劑分為兩路：一路經節流降壓后送回蒸發器，繼續蒸發制冷；另一路用泵提高壓力送回蒸汽發生器，重新加熱產生工作蒸氣。

圖2為蒸氣噴射式制冷機的理論工作循環過程。圖中1?2表示工作蒸氣在噴嘴內部的膨脹過程。工作蒸氣（狀態2）與制冷劑水蒸氣（狀態3）混合后的狀態是4。4?5表示混合蒸氣在擴壓器中流動升壓的過程。5?6表示冷凝器中氣體的凝結過程。凝結終了的狀態為6。冷凝液體分為兩部分：一部分經過節流，進入蒸發器，產生制冷作用，用過程線6?7?3表示；另一部分用泵送入蒸汽發生器，產生工作（驅動）蒸氣，用過程線6?9?1表示。

參照圖2進行循環的熱力分析。

式中：為被引射蒸氣的質量流量，單位為kg/s；為制冷劑蒸氣出蒸發器時的比焓，單位為kJ/kg；為凝結水出冷凝器時的比焓，單位為kJ/kg。endprint

式中：為工作蒸氣的質量流量，單位為kg/s；為工作蒸氣出鍋爐時的比焓，單位為kJ/kg。

式中為混合蒸氣進冷凝器時的比焓，單位為kJ/kg。

在蒸氣噴射式制冷機中用噴射系數作為評定噴射器性能的參數。它定義為每單位質量工作蒸氣所能引射的制冷劑蒸氣量，即：

理論情況下，噴射系數的值通過噴射器的熱平衡式求得：

因而：

3.2 傳熱工質的選型

在傳熱工質的選擇中需綜合考慮以下條件，確定所選傳熱工質。

1） 傳熱工質化學性質穩定，不會因高溫高壓作用而分解、爆炸；

2） 常溫下無毒、無異味；

3） 無強烈腐蝕性；

4） 傳熱工質常壓下沸點接近50 ℃，以提高工質的傳熱效率；

5） 傳熱工質具有較大的氣化潛熱，可降低質量流量，減少泵的輸入功率；

6） 傳熱工質應具有較大的導熱系數，提高傳熱效率，減輕換熱器重量；

7） 氣態傳熱工質應具有良好的流動特性，以降低過熱蒸汽的阻力損失；

8） 氣態傳熱工質在工作溫度范圍，蒸汽壓力應盡可能的低，以降低換熱器的設計壓力；

9） 優先選擇單一成分的純工質。

3.3 蒸汽發生器的設計

噴射制冷裝置的蒸汽發生器用于傳熱介質與發動機尾氣進行換熱，吸收發動機尾氣排放管道壁上的熱量，傳熱介質在換熱器中受熱蒸發，成為高壓過熱蒸汽。在設計蒸汽發生器時應滿足以下要求：

1） 傳熱介質與發動機尾氣進行換熱，不能影響尾氣排放的流動；

2） 傳熱介質與發動機尾氣進行換熱的換熱器可采用外部安裝形式，或者與發動機尾氣排放管道設計成一體，用以提高換熱器效率；

3） 換熱器應具有較高的承壓能力，以承受換熱器內部高溫過熱工質過高壓力的作用。

3.4 噴射器的設計

氣體噴射器也稱為氣體噴射式熱泵，如圖3所示，其工作原理是高壓的工作氣體以很快的速度（一般是超音速）從噴嘴中流出進入接收室，在高速射流的卷吸作用下把其周圍的低壓氣體吸走，被吸的低壓氣體一般稱為引射氣體，工作氣體攜帶著引射氣體進入混合室中進行速度均衡與動量傳遞。同時，伴隨著壓力的升高，混合氣體從混合室出來進入擴散器，壓力將繼續升高。在擴散器出口處，混合氣體的壓力高于進入接收室引射氣體的壓力，從而實現將引射氣體的壓力提升用于壓力較高的場所。

根據噴射器原理進行設計計算，并通過匹配試驗確定噴射器的結構尺寸，噴射器材料優先選用不銹鋼材料。

3.5 系統控制邏輯

控制器采用電子電路控制方式，主要由控制模塊、信息采集模塊、功率驅動模塊、直流電源模塊等組成。信息采集模塊主要負責收集廢熱回收換熱器的溫度、壓力傳感器信號，將結果遞交模塊使用；直流電源模塊負責直流電源的濾波、轉換、分配、調理，為其模塊提供特性符合標準的直流電源；功率驅動模塊將控制決策轉換為各個外設的驅動控制信號，并對輸送泵的電壓電流進行實時監控。控制器具有停機、工作兩種工作模式，并自帶操作按扭，可在人工調試時進行人工手動操作。

3.6 換熱量測量系統

為全面考核蒸汽噴射制冷裝置，設計一套模擬實際使用情況的試驗測試裝置，該裝置主要包含兩部分：發動機尾氣高溫高壓氣體發生裝置、換熱量測量裝置。使用壓縮空氣模擬發動機尾氣，通過電加熱器將壓縮空氣加熱至500 ℃，通過管道排出，蒸汽發生器回收高溫壓縮機空氣的熱量。制作模擬發動機艙，在模擬發動機艙內使用電加熱進行升溫，通過電加熱器平衡噴射制冷裝置的制冷量，通過計算對比電加熱功率的誤差，從而評價該裝置的性能。測量原理如圖5所示。

4 結 論

使用蒸汽噴射制冷技術吸收發動機尾氣廢熱，驅動蒸汽流動，有效地利用了發動機廢熱的剩余能量，使燃料的燃燒熱量得到了進一步的利用，大大提高了生物燃料燃燒熱的利用率，降低了發動機尾氣的排放溫度，同時又使發動機艙室的溫度得到降低。這樣，裝置在工作過程中的目標特性得到有效抑制。

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