海水温度对船用蒸汽喷射制冷机性能的影响

海军工程大学 船舶与动力学院 武汉 430033

目前船舶上使用的大多数制冷机是氟利昂压缩制冷机。蒸汽喷射制冷机在船舶上使用还不广泛，急需进行关键技术和理论研究[1-2]。与氟利昂制冷机相比该型制冷机安全环保、以蒸汽作动力、在高真空条件下使工作水蒸发吸热制冷、无旋转工作机械、可靠性高、寿命长、制冷能力强且可维修性好。由于是真空装置，其制冷量与海水温度的关系非常密切。

1 蒸汽喷射制冷机工作原理简介

蒸汽喷射制冷机以蒸汽作为动力和工作介质，利用两组主喷射器使蒸发器内产生高度真空，从用户来的工作水被喷入蒸发器，在此真空对应的饱和温度下蒸发，吸收汽化潜热，导致装置内未蒸发的工作水温度降至饱和水的温度，然后再送往用户。主喷射器工作过的蒸汽和在蒸发器内被蒸发的蒸汽一同在主冷凝器内被舷外海水带走热量凝结成水，凝水排往凝水系统。系统内工作水缺少时可从凝水系统内补充，工作原理见图1。

图1 蒸汽喷射制冷机工作原理

海水温度越低，在制冷量相同的情况下，投入的工作蒸汽量越少。因此，海水温度是蒸汽喷射制冷机工作性能的主要影响因素之一。

2 制冷机工况性能的计算与分析

2.1 冷凝器换热数学模型

冷凝器利用海水冷却其中的蒸汽，海水温度越低,与冷凝器内蒸汽间的温差越大,则冷却效果越好，冷凝器内的蒸汽越能得到充分的冷却而转化为同温度下的饱和水,并使凝水温度得到进一步冷却而获得低温,使冷凝器内压力也降低。相反,海水温度越高,冷凝效果越差,冷凝器内的温度、压力也就越高。

由冷凝器热负荷公式[3]得:

(1)

式中:tL——冷凝器内凝水温度,℃；

QLq——冷凝器内的热负荷,kW ；

KL——冷凝器内的传热系数, kW/(m2℃)；

FL——冷凝器内的传热表面积,m2；

tHS——海水温度,℃。

由(1)式可知，无论冷凝器的热负荷怎样变化,只要海水温度变化,将直接反映到冷凝器内冷凝水的温度上,且tHS每升高或降低1 ℃,凝水温度也将增加或下降1 ℃。

制冷机设计工况规定,当tHS=30℃时,冷凝器内凝水温度为tL=34.2℃,两流体间的直接温差为Δt=4.2℃,由此得：

tL=Δt+tHS=4.2+tHS

(2)

式(2)即为制冷机冷凝器在额定热负荷时,冷凝器内温度tL与海水温度tHS之间的关系。

2.2 海水温度对冷凝器性能的影响

凝水饱和压力PL随冷凝器内凝水温度tL的变化而变化。据计算海水温度在18～30 ℃范围内,温度每升高1 ℃,冷凝器内的凝水压力将平均增加6%左右。表1即为在冷凝器额定热负荷下,海水温度tHS、凝水温度tL与凝水压力PL三者之间的关系。

表1 冷凝器压力PL随海水温度tHS变化率

由式(2)可知:在冷凝器额定热负荷下, Δt=4.2 ℃,但当热负荷QLq变化后,Δt也将变化。所以在非额定热负荷下,首先要求得热负荷QLq，再求得Δt。

冷凝器热负荷QLq来源于主喷射器扩压器输入的混合汽量Gw,混合汽流量Gw=G1+G2。其中G1为主喷射器的工作蒸汽量,它决定于工作蒸汽的品种和压力Pz。对饱和蒸汽(上标为b)与过热蒸汽量(上标为g)分别为:

(3)

(4)

G2为主喷射器从蒸发器中抽取的冷蒸汽量,而冷蒸汽量的多少又取决于当时制冷机的制冷量QL与蒸发器内沸腾温度下水的汽化热γt0。所以，沸腾温度t0确定后,制冷量QL和水的汽化热γt0也确定了,因为:

(5)

混合蒸汽从扩压器进入冷凝器后,将由冷凝器压力PL下的蒸汽冷凝成同压力下的饱和水,混合汽在冷凝器中释放的热量,即为冷凝器压力下水的汽化热γPL。已知冷凝器参数：

PL=5.55 kPa,tL=34.2 ℃,查得此压力下

γPL=2 426.76 kJ/kg。所以在此额定工况下,冷凝器的热负荷

=6 073.2×103kJ/h=1 681 kW

当tHS=30 ℃时, Δt=4.2 ℃，则冷凝器的KLFL值即为：

从而得出混合汽量为：

表2 两组主喷射器同时工作时制冷机的技术参数及部分计算值

在此工况下冷凝器的热负荷为：

由此得两组主喷射器同时工作且工作蒸汽为过热蒸汽时:

=0.002 5QLq

(6)

由式(1)可知，冷凝器内饱和温度受冷凝器热负荷QLq与海水温度所决定。在此工况下,冷凝器内的饱和温度仅受外界海水温度影响。

2.3 制冷机制冷量的计算

制冷机的蒸发器与冷凝器通过主喷射器连接在一起,工作蒸汽通过喷射器喷嘴使蒸汽的热能转化为高速流动的动能,产生抽空能力,将蒸发器内的冷蒸汽抽入喷射器的混合室与工作蒸汽组成混合汽流,通过扩压管压缩,将混合汽压力由蒸发器压力P0提高到冷凝器压力PL。冷凝器压力下饱和水的温度必须高于外界海水温度，从而将混合汽冷却凝结成水。冷凝器压力对主喷射器的扩压器而言,就是扩压器的背压。背压变化偏离设计点,将直接影响到喷射器的抽空与压缩能力。背压升高,喷射器的抽空与压缩能力将降低,这意味着蒸发器内的冷蒸汽不能完全被抽走,部分冷蒸汽将遗留在蒸发器内,因而导致蒸发器内压力升高。相应地饱和温度,即制冷工作水t0也升高。相反，当冷凝器压力降低后,使喷射器的抽空、压缩力将增加,蒸发器内的冷蒸汽被充分抽空,致使蒸发器内压力、温度降低。

由制冷机压比定义可得：

ε=PL/P0

P0=PL/ε。

由上面分析可知:当PL增大,使扩压器的实际压比ε降低,小于额定e0,使P0大幅度增加。在PL减小时,扩压器的实际压缩比大于额定e0,使P0大幅度降低。如果通过调节工作蒸汽压力来调节喷射器的抽空与压缩能力就可保持工况的稳定和原有的压比ε0,消除因PL的变化对扩压器压比的影响,从而减小了对蒸发器压力P0的影响作用。

海水温度tHS对冷凝器内压力PL、扩压器压缩能力和蒸发器压力P0的影响以及工作蒸汽压力的调节作用的计算结果列于表2。

3 结论

1) 冷却水-海水温度升高1℃,冷凝器内的压力将同步升高近10%。

2) 主喷射器的抽空能力、扩压管的压比随海水温度升高而降低,为保证蒸发器内的真空，主喷射器的工作蒸汽压力由0.8 MPa调整到1.4 MPa，而蒸发器内的压力还是上升了20%。

3) 蒸发器的制冷工作水的出口温度将随着海水温度升高而线性上升。当海水温度超过30 ℃时，如不增加进入制冷机的工作蒸汽的压力，制冷机的出口温度将超出设计范围。因此，海水温度是蒸汽喷射制冷机工作过程、工况性能变化的重要影响因素之一。

4) 制冷机的制冷量随海水的温度升高而减少，冷凝器内的真空下降。给制冷机供入相等的蒸汽，其制冷量将下降。为了保证工作水的出口温度，即必须增加蒸汽的供应量，以满足用户的需要。

[1] 周国义.船舶系统与辅助机械[M].武汉：海军工程大学，2002：128-142．

[2] 陈林根，周国义，何文胜.船用蒸汽喷射制冷机关键技术与维修技术研究[R].武汉：海军工程大学，2005：72-78．

[3] 冯俊凯，沈幼庭，杨瑞昌，等.锅炉原理及计算[M].北京：科学出版社，2003：302-303．