多级喷射器在船舶冷库节能中的应用

籍 伟，俞梦琪，董景明，杨宗桥，高嘉铭

（1. 浙江富兴海运有限公司，浙江 杭州 310000；2. 大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026）

0 引 言

船舶冷库是船上一个非常重要的部分，随着船舶货运量的不断增加，对冷库的冷藏保鲜要求越来越高。船上早期采用的机械制冷式冷库是只能控制1种蒸发温度的单级冷库[1]，随着人们生活水平的不断提高，这种单级冷库逐渐无法满足日益增长的冷藏需求，在此情况下，多机多库系统开始出现。多机多库系统是指根据船舶对不同制冷温度的需求设计不同蒸发温度的冷库，分别配以不同的压缩机组进行控制的系统。该系统造价高，占地面积大，且会增加船舶的质量，不利于船舶运货，因此很快就被一机多库系统[2]取代。一机多库系统是指仅用1台制冷压缩机实现对不同蒸发温度冷库的控制的系统，图1为典型的船舶一机多库系统，只配置有1台制冷压缩机，不仅能节约投资成本，而且可节省机舱空间。但是，该系统存在一定的缺陷，例如高温库与中温库和低温库的蒸发温度和蒸发压力不同，三者共用一条回气总管会造成回气压力不均匀，进而对压缩机的工作性能造成较大的影响。因此，分别在高温库和中温库的回气管上加装一个压力调节阀，使高温库和中温库的回气压力减小，最终与低温库的回气压力相等。一机多库系统中压缩机的回气压力的大小取决于低温库的库温对应的蒸发压力的大小，这会使制冷压缩机的压缩比较高，工作性能较差。

图1 典型的船舶一机多库系统

为提高船舶冷库中制冷系统的能效，采用喷射器代替原制冷系统中的压力调节阀，其工作原理是：利用高温库蒸发器产生的高温高压气态制冷剂作为喷射器的工作流体，用其引射低温库蒸发器产生的气态制冷剂，二者混合之后形成的气态冷剂的压力介于高温库蒸发压力与低温库蒸发压力之间，因此可有效提高压缩机的回气压力，从而降低压缩机的功耗。KOMHAUSER[3]和TOMASEK[4]尝试用喷射器代替制冷系统中的压力调节阀，研究发现喷射器可有效提高压缩机的回气压力。WANG[5]研究汽-液两相喷射器在多级冷库中的应用，发现冷库工况和喷射器尺寸对制冷系统的性能有较大的影响。LI[6]设计一种可调节喷嘴喉部面积的喷射器并将其应用于多级冷库中，通过试验发现该喷射器可较好地满足变工况的要求。KAIROUAN[7]采用理论建模的方法对比两级喷射器系统与传统一机多库系统的性能，发现在给定的工况下，R141b的工作性能更好。毛小兵等[8]将喷射器引入船舶高温冷库和低温冷库中，并对新循环进行理论和试验研究。本文采用多级喷射器代替一机多库系统中高温冷库和中温冷库出口的压力调节阀，并设计2种系统方案。对比不同环保工质对系统COP（Coefficient of Performance）（下文用COP表示）和压缩机功耗的影响。在此基础上，研究不同冷库的蒸发温度对系统COP和制冷量的影响。

1 多级喷射器的冷库系统设计

图2为方案一中带喷射器的一机多库系统，其中蒸发器①、蒸发器②和蒸发器③分别对应船舶高温冷库、中温冷库和低温冷库。从高温冷库蒸发器出来的高温高压气态冷剂10作为喷射器Ⅰ的工作流体，在喷嘴13出口膨胀降压，形成一个低压区来引射中温冷库中的气态冷剂11。工作流体与引射流体在混合室内充分混合形成的混合流体14经过扩压室之后将动能转化为压力能形成高压气体15，这部分高压气体作为喷射器Ⅱ的工作流体，在喷嘴16出口膨胀降压，引射低温冷库的气态冷剂12。工作流体与引射流体在混合室内交换能量，形成的混合流体17通过扩压室将动能转化为压力能，通过两级喷射器增压之后形成的混合流体1的压力介于中温冷库的蒸发压力与低温冷库的蒸发压力之间，即压缩机的回气压力得到提升。压缩机进一步将增压之后的气态冷剂压缩为高温高压的过热气体2，并将其送入冷凝器中冷却为高温高压的液态冷剂3。从冷凝器出来的液态冷剂3分别进入高温冷库、中温冷库和低温冷库的蒸发器。各冷库的蒸发压力分别通过对应的膨胀阀来控制。

图2 方案一中带喷射器的一机多库系统

图3为方案二中带喷射器的一机多库系统。与方案一相比，该方案调整了多级喷射器与冷库之间的连接方式：中温冷库出口的气态冷剂11′作为喷射器Ⅱ的工作流体引射低温冷库的气态冷剂12′，混合之后气态冷剂15′作为引射流体被喷射器Ⅰ引射，喷射器Ⅰ的工作流体为高温冷库出口的高温高压气态冷剂10′。

图3 方案二中带喷射器的一机多库系统

2 冷库系统模型

针对上述带喷射器的冷库系统，采用热力学方法进行建模分析。为简化计算，做以下假设：

1) 制冷剂在冷库中吸收热量变为过热气体，过热度为5℃；

2) 制冷剂在冷凝器中被冷却为饱和液体；

3) 忽略系统中的辐射、对流等热交换，以及管道的压力损失和摩擦损失；

4) 系统中的流体均为理想流体，整个工作过程中比热不变；

5) 喷射器入口速度为零，混合过程是绝热定熵的，喷嘴效率ηn=0.85，扩压室效率ηd=0.85；

6) 节流阀前后焓值不变。

2.1 冷库

在方案一和方案二中，高温冷库、中温冷库和低温冷库的热负荷分别为

2.2 喷射器

1) 在方案一中，喷射器Ⅰ和喷射器Ⅱ的引射比分别表示为

2) 在方案二中，喷射器Ⅰ和喷射器Ⅱ的引射比分别表示为

式(4)～式(7)中：u1和u2为喷射器的引射比，即引射流体质量流量与工作流体质量流量的比值。

2.3 压缩机

在方案一和方案二中，压缩机的功耗与吸气压力和冷凝压力有关，假设1-2是一个等熵压缩的过程，即，通过冷凝压力P2和s2可查得压缩机出口的焓值h2，再引入一个绝热系数η，可得压缩机的功耗为

式(8)中绝热系数η的计算式[9]可表示为

2.4 热力膨胀阀

膨胀阀前后的焓值不变，即

2.5 系统COP

制冷系数COP为所有冷库的制冷量和压缩机功耗的比值。

1) 对于方案一，有

2) 对于方案二，有

3 结果与讨论

假设高温冷库的制冷量为 1.75kW，中温冷库和低温冷库的制冷量通过计算喷射器的引射比和制冷剂的质量流量得到；同时，假设传统一机多库系统的总制冷量与喷射器系统相同。制冷剂在制冷系统中各位置的热力学参数通过调用REFPROP软件得到。

3.1 不同工质对制冷系统性能的影响

船用制冷剂的选择受很多因素的影响，《国际防止船舶造成污染公约》（MARPOL公约）附则Ⅵ明确规定了船舶温室气体排放规则，并限制了 HCFCs类制冷剂的使用和淘汰年限。船用制冷剂的选择应考虑以下因素[10]。

1) 经济性能好：汽化潜热高，功耗小，临界温度低，有良好的化学性和热稳定性。

2) 无环境污染：破坏臭氧潜能值（Ozone-Destroying Potential, ODP）和全球变暖潜能值（Global Warming Potential, GWP）为零或很小。

3) 安全性能好：安全等级至少为A1，无毒、不易燃、不易爆；没有刺激性气体，便于轮机员管理和维护。

根据上述标准，本文选择R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和R507A等6种环保型制冷剂作为冷却系统的循环工质，其主要物性参数见表1。

表1 不同制冷剂的物性参数

表2为传统一机多库系统中不同制冷剂的COP、压缩机回气压力P1和单位质量流量的功耗W，其中：高温冷库温度Teva1=6℃；中温冷库温度Teva2=-5℃；低温冷库温度Teva3=-30℃；冷库过热度Tsup=5℃；冷凝温度Tc=25℃。

表2 传统一机多库系统中不同制冷剂的COP、压缩机回气压力P1和单位质量流量的功耗W

图4为方案一的新旧系统性能对比。从图4a中可看出，采用喷射器代替压力调节阀可有效提高压缩机的回气压力并减少压缩机的功耗。在给定的工况下，使用R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和R507A等6种环保型制冷剂的新系统的压缩机回气压力分别比原系统提高19.34%、25.05%、21.38%、21.56%、26.59%和22.24%，压缩机的功耗分别比原系统减少10.84%、14.51%、11.59%、11.63%、14.65%和12.83%。

压缩机功耗减少是造成COP增大的主要原因。从图4b中可看出，在给定的工况下，R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和R507A等6种制冷剂的COP分别为2.96、2.90、2.55、2.53、2.96和2.87，分别比原系统提高12.15%、16.97%、13.11%、13.17%、17.16%和14.72%，其中R410A系统的COP提高幅度最大。

图4 方案一的新旧系统性能对比

图5为方案二的新旧系统性能对比。从图5a中可看出，在给定的工况下，使用R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和 R507A等 6种环保型制冷剂的新系统的压缩机回气压力分别比原系统提高 59.17%、70.47%、65.00%、65.24%、73.45%和64.16%，压缩机的功耗分别比原系统减少25.89%、32.29%、27.54%、27.83%、33.49%和30.24%。从图5b中可看出，在给定的工况下，R134a、R404A、R407C、R407F、R410A和R507A等6种环保型制冷剂的COP分别为3.66、3.81、3.21、3.20、3.89和3.74，分别比原系统提高34.95%、47.69%、38.02%、38.56%、50.37%和43.36%，其中R410A的性能最好。

图5 方案二的新旧系统性能对比

由上述结果可知，方案二的COP要远大于方案一。这是因为喷射器提高的流体压力介于工作流体与引射流体之间。方案一的回气压力介于中温冷库的蒸发压力与低温冷库的蒸发压力之间；方案二将高温冷库作为第二级喷射器的工作流体，回气压力介于高温冷库的蒸发压力与低温冷库的蒸发压力之间，相比方案一有较大的提升。

3.2 冷库不同工况对制冷系统性能的影响

以方案二的制冷系统为研究对象，以性能最好的R410A为工质，研究不同冷库温度对制冷系统性能的影响。图6a表示的是在高温冷库温度Teva1=0～10℃、中温冷库温度Teva2=-6℃、低温冷库温度Teva3=-30℃和冷凝温度Tc=25℃时，高温冷库温度Teva1对系统COP、总制冷量Q和引射比u1及u2的影响。从图6a中可看出：随着高温库温度的升高，系统COP逐渐增大，总制冷量Q逐渐增加。这是因为中温冷库与低温冷库的制冷量之和与高温库的制冷量和喷射器引射比有关。喷射器Ⅰ的引射比u1随着高温冷库温度的升高而增大。当高温冷库的制冷量保持不变，即喷射器Ⅰ的工作流体质量流量不变时，引射流体的质量流量随着引射比u1的增大而增加。因此，中温冷库的制冷量与低温冷库的制冷量之和升高。

图6b表示的是在高温冷库温度Teva1=5℃、中温冷库温度Teva2=-10～-2℃、低温冷库温度Teva3=-30℃和冷凝温度Tc=25℃时，中温冷库温度Teva2对系统COP、总制冷量Q和引射比u1及u2的影响。从图6b中可看出：随着中温冷库温度的升高，系统COP逐渐增大，总制冷量逐渐减少。这是因为喷射器Ⅰ的引射比u1随着中温冷库温度的升高而减小，当高温冷库的制冷量保持不变时，低温冷库的制冷量与中温冷库的制冷量之和随着引射比u1的减小而减少。因此，总制冷量有所减少。

图6c表示的是在高温库温度Teva1=5℃、中温库温度Teva2=-6℃、低温库温度Teva3=-35～-27℃和冷凝温度Tc=25℃时，低温冷库温度Teva3对系统COP、总制冷量Q和引射比u1及u2的影响。从图6c中可看出：随着低温冷库温度的升高，系统COP逐渐增大，而总制冷量有较大幅度的减少。这是因为一级喷射器的引射比u1随着低温冷库温度的升高而减小，当高温冷库的制冷量变化不大时，低温冷库的制冷量与高温冷库的制冷量之和随着引射比u1的减小而减少。

图6 冷库温度对制冷系统性能的影响

4 结 语

本文对喷射器在船舶冷库节能方面的应用进行了理论研究，采用理论建模的方法对比了喷射器与船舶一机多库系统不同连接方式的节能效果，主要得到以下结论：

1) 方案二相比方案一可进一步提高压缩机的回气压力，系统的性能更好；

2) R410A作为一种绿色环保型工质，更适合带有喷射器的冷库系统采用；

3) 不同的冷库温度对制冷系统性能的影响较大，高温冷库的温度升高会使系统COP增大，总制冷量增加；中温冷库的温度升高会使系统COP增加、总制冷量减少；低温冷库的温度升高会使系统COP增大、总制冷量减少。