基于高級?分析的 船舶壓縮-噴射制冷系統性能研究

高漢明 楊宗橋 籍偉

摘 要：高級?分析可以反映出系統各部件間的相互作用以及部件的實際優化潛力。本文采用高級?分析的方法對船舶壓縮-噴射制冷系統的性能進行了分析，將系統部件的?損失分解為內/外源性?損失和可/不可避免?損失，并利用?的二次分割模型進一步將系統部件的?損失分為內源性可避免?損失、外源性可避免?損失、內源性不可避免?損失、外源性不可避免?損失四種。在設計工況下整個系統的內源性可避免?損失占比56.13%，表明該系統具有較大的優化潛力，其中壓縮機、主噴射器與過冷噴射器的內源性可避免?損失最大。

關鍵詞：船舶;壓縮-噴射制冷;高級?分析;二次分割模型

中圖分類號：TB617? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）05-0080-04

1 引言

航運業承擔了全球貿易運輸量的80%以上，極大地推動了世界各國的經濟發展[1]。船舶的營運需要消耗大量的燃油，從而引發了嚴峻的環境問題。據統計，全世界已登記的民用船舶每年約消耗5億噸的石油，占全球消耗總量的2%～4%[2]。據IMO研究結果表明，若航運業不對船舶采取新的節能措施，根據目前二氧化碳排放的趨勢分析，到2050年航運業年二氧化碳排放總量將占世界二氧化碳排放總量的12%～18%[3]。為應對如此嚴峻環保形勢，IMO于2011年7月審議并通過了MARPOL公約附則Ⅵ的修正案。該修正案規定：在參考線值的基礎上，2015年至2019年間碳排放總量折減10%;2020年至2024年間碳排放總量再折減20%;2024年后要達到碳排放總量折減30%的目標[4]。此外，中國船級社于2015年發布了新版的《綠色船舶規范》（2015），旨在減少船舶的燃油消耗，進一步降低船舶污染[5]。綜上所述，船舶節能減排已成為航運業的迫切需求。船舶制冷空調裝置是保證船上工作人員正常工作和生活的必要設備，也是現代船舶主要的能耗設備。但現有船舶制冷空調技術相對落后，因此具有較大的節能潛力。

壓縮-噴射制冷是一種高效的制冷方式。現有研究多從能量分析和?分析的角度進行研究，而采用高級?分析的研究較少。本文以環保型制冷劑R134a為工質，建立了高級?分析模型，從部件優化的潛能和部件間相互作用關系等角度對系統性能進行分析，從而提高壓縮-噴射制冷系統在數量和品質上對能源的高效利用。

2 系統描述

壓縮-噴射制冷系統主要由十部分組成，分別是壓縮機、主噴射器、過冷噴射器、高溫蒸發器、冷凝器、低溫蒸發器、過冷蒸發器、高溫膨脹閥、過冷膨脹閥和低溫膨脹閥，如圖1所示。壓縮機出口處的高溫高壓制冷劑氣體作為主噴射器及過冷噴射器的工作流體，分別對蒸發器以及過冷蒸發器的制冷劑氣體進行引射升壓。兩個噴射器出口處的制冷劑氣體混合后進入冷凝器冷凝放熱，制冷劑氣體變為液體。大部分制冷劑液體進入過冷蒸發器，少部分經過冷膨脹閥進行節流降壓對直接進入到過冷蒸發器內的制冷劑液體進行降溫，從而獲得一定的過冷度。蒸發吸熱后的制冷劑氣體經過冷噴射器引射升壓，完成過冷循環。獲得一定的過冷度的制冷劑液體一部分經高溫膨脹閥節流降壓，在高溫蒸發器內蒸發吸熱，再經壓縮機壓縮;另一部分經低溫膨脹閥節流降壓、在低溫蒸發器內蒸發吸熱，再被主噴射器引射升壓，完成制冷循環。

3 計算模型

為了計算和優化系統中各個部件的內/外源性?損失和可/不可避免?損失，應該明確導致?損失的原因和各個部件的運行工況。本文中影響壓縮-噴射制冷系統?損失的主要參數是噴射器工作流體的等熵效率ηp、引射流體的等熵效率ηs、流體混合的損失系數φp、混合室摩擦的損失系數φm;壓縮機的參數變量是壓縮機效率ηCOM。

在所研究的壓縮-噴射制冷系統中包括發生器、蒸發器、冷凝器和過冷蒸發器四個換熱器。四個換熱器的夾點溫差ΔTHTE、ΔTLTE、ΔTCON和ΔTSCE是這四個換熱器主要的參數變量。如圖所示，夾點溫差ΔT指換熱器內部各點冷流體和熱流體的最小溫差。

利用有限元尺寸法對換熱器夾點溫差進行計算。將換熱器假想為N個相等的小換熱器，再利用平均對數溫差法計算每一個小換熱器的冷熱流體溫差，取其中最小值，即為夾點溫差。每個假想的小換熱器換熱量為：

（1）

式中mc與mh為冷流體與熱流體的質量流量，hc，i，in與hc，i，out為冷流體在假想的第i個換熱器中的進出口焓值，hh，i，in與hh，i，out為熱流體在假想的第i個換熱器中的進出口焓值。

每個假想換熱器的夾點溫差為：

（2）

在所有分段中最小溫差即換熱器的夾點溫差：

（3）

3.1內源性/外源性?損失模型

在高級?分析模型中部件?損失被認為是由部件本身引起的?損失和由外部其他部件所產生的?損失兩部分組成：部件?損失可以分為內源性?損失和外源性?損失。即：

（4）

當計算部件內源性?損失時，需建立一個混合循環。在理想狀態下四個換熱器的夾點溫差ΔTHTE、ΔTLTE、ΔTCON和ΔTSCE均為0℃，噴射器的四個運行參數ηp、ηs、φp和φm均為1，壓縮機的效率ηCOM也為1，膨脹閥均在等熵狀態下運行。

3.2可避免/不可避免?損模型

部件不可避免?損失表示由于各方面條件的限制導致的損失。即使該部件在最佳工況條件下運行，這一部分的損失仍然是無法消除，不能被優化的。除此之外的其余部分就是該部件的可避免?損失，是提高壓縮-噴射制冷系統性能中應該重點關注的部分[6]。此時，?損失可以分為可避免?損失和不可避免?損失。即：

（5）

當計算部件的不可避免?損失false時需在最優條件下建立一個不可避免?損失循環。在最優條件下四個換熱器的夾點溫差ΔTHTE、ΔTLTE、ΔTCON和ΔTSCE均為0.5℃;噴射器的四個運行參數ηp、ηs、φp和φm均為0.98，壓縮機的效率ηCOM為0.95，三個膨脹閥均在等焓狀態下運行。在此循環計算過程中可以計算出每個部件在最佳工況下的?損失與收益?的比值，該部件的不可避免?損失的計算公式為：

（6）

3.3二次分割模型

根據上述兩種?損失分割的方法，可以將部件?損失分為內源性不可避免?損失、外源性不可避免?損失、內源性可避免?損失和外源避免?損失[7]。即：

（7）

內源性可避免和外源性可避免?損失是壓縮-噴射制冷系統優化的重點。上述公式中四個參數可根據如下公式計算。

部件k的高級?分析二次分隔方法如圖2所示：

4 計算結果與分析

高級?分析的循環過程分為實際工況下的循環、理想工況下的循環、混合工況下的循環以及不可避免工況下的循環四種。設計工況下每種循環的運行工況及參數如表1所示。在計算過程中，當換熱器工況變化時，換熱器兩側的溫度是始終保持恒定，而制冷劑側的溫度則根據夾點溫差的變化而變化。該系統在設計工況為低溫蒸發器蒸發溫度TLTE=7℃、高溫蒸發器蒸發溫度THTE=10℃、冷凝溫度TCON=30℃、壓縮機出口壓力PCOM=2.3MPa和過冷蒸發器過冷度為2℃。

4.1系統高級?分析的計算結果分析

圖3為設計工況下系統傳統?分析結果。從圖中可以看出，系統主要?損部件依次為主噴射器、壓縮機、高溫噴射器、冷凝器及過冷噴射器，其總?損占系統?損失的95%以上，其中主噴射器的?損失達到511.21W。其他部件由于?損失較低，因此優化意義不大。

圖4為設計工況下系統主要?損部件的高級?分析結果。從圖中可以看出，系統中內源性?損失較大的部件依次為主噴射器、高溫蒸發器及壓縮機，分別為494.62W，225.99W及211.89W，過冷噴射器的內源性?損失也達到了部件?損的90%以上，說明這些部件性能改進的重點應該是本身結構的優化。可避免?損失較大的部件依次為主噴射器、壓縮機及過冷噴射器，依次為462.89W，185.17W及121.46W，且均占部件?損失的75%以上，說明與系統其它部件相比，雙噴射器及壓縮機具有更大的優化空間。

4.2系統?損失二次分割計算結果分析

為了更好地研究以R134a為工質的壓縮-噴射制冷系統中各個部件之間的相互作用關系，根據系統?損失二次分割模型進行計算，對系統進行二次?分割后，其計算結果如圖5所示。內源可避免?損失是表征部件優化潛力的重點參數。從圖中可以看出，內源可避免?損失最大的三個部件依次為主噴射器、壓縮機及過冷噴射器，依次為393.99W、163.17W及91.02W，且均占部件?損失的68%以上。這說明雙噴射器與壓縮機的?損失主要由部件內部結構引起，且具有很大的優化潛力。因此主噴射器、壓縮機以及過冷噴射器應是壓縮-噴射制冷系統重點優化的對象，通過對主噴射器、壓縮機以及過冷噴射器進行尺寸優化，可以降低其內源性可避免?損失，同時減少整個系統的?損失，提升系統性能。

5 結論

通過高級?分析，可以看出主噴射器、壓縮機以及過冷噴射器的可避免?損失占整個系統可避免?損失的84.14%;主噴射器、壓縮機以及過冷噴射器的內源性?損失占整個系統內源性?損失的69.88%。通過對這三個部件進行優化，可以降低系統大部分的可避免?損失和內源性?損失。通過對系統部件?損失進行二次分割計算，發現主噴射器、壓縮機和過冷噴射器的內源性可避免?損失分別達到了393.99W、163.17W和91.02W，且分別占自身?損失的77.07%、69.72%和68.91%。因此，噴射器與壓縮機的?損失主要由部件內部結構引起，且具有很大的優化潛力。因此主噴射器、壓縮機以及過冷噴射器應是船舶壓縮-噴射制冷系統重點優化的對象。

參考文獻：

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