船舶废热驱动的喷射式制冷系统的高等分析

李富娟 罗文华 郑超瑜 陈武

摘要：为提升船舶废热驱动的喷射式制冷系统的能源利用率，基于系统实验样机的运行性能数据，对船舶废热驱动的喷射式制冷系统进行高等

分析，全面考察分析系统各部件的外源和内源损失以及可避免和不可避免损失。结果表明，系统部件的优化顺序依次为蒸发器、喷射器、冷凝器、发生器、节流阀、工质泵，蒸发器具有最大的优化潜能。与传统分析结果的比较表明，高等分析能够为船舶废热驱动的喷射式制冷系统的优化提供更加明确的指导。

关键词：

船舶废热回收; 喷射式制冷系统; 高等分析

中图分类号：  U664.5; TK11+5

文献标志码：  A

Advanced exergy analysis of ejector refrigeration system

driven by ship waste heat

LI Fujuan1， LUO Wenhua1， ZHENG Chaoyu2， CHEN Wu1

（1.Merchant Marine College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China;

2.Marine Engineering Institute， Jimei University， Xiamen 361021， Fujian， China）

Abstract：

In order to improve the energy efficiency of the ejector refrigeration system driven by the ship waste heat， based on the operation performance data of the system experimental prototype， the advanced exergy analysis of the ejector refrigeration system driven by the ship waste heat is carried out. The analysis comprehensively examines the exogenous and endogenous exergy loss， the avoidable and unavoidable exergy loss of each component in the system. The results show that， the sequence of optimization of system components is the evaporator，  the ejector， the condenser， the generator， the throttle， and the working fluid pump. The evaporator is of the greatest optimization potential. Compared with the results of the traditional exergy analysis， it indicates that the advanced exergy analysis can provide clearer guidance for the optimization of the ejector refrigeration system driven by the ship waste heat.

Key words：

ship waste heat recovery; ejector  refrigeration system; advanced exergy analysis

0 引 言

推進船舶节能已成为航运业界的共识。作为船舶主动力装置的传统柴油机热效率仅约50%，运行中产生大量的废热，加强船舶废热的回收利用是推动船舶节能的重要途径。热驱动喷射式制冷系统在废热回收领域具有良好的应用前景[1-2]。为提升热驱动喷射式制冷系统的性能，近年来开展了大量的研究。BAI等[3]指出在回收低温废热时，喷射式制冷系统可采用环保型工质R134ze，系统的循环性能系数可达到0.38。KUMAR等[4]提出利用压缩机产生的高温CO2来驱动蒸汽喷射式制冷系统，可使系统的冷却能力提高10%～50%。田蕾[5]针对回收船舶余热的喷射式制冷系统提出一种潜热回收方案，可节约28%的加热量。周秋丽[6]研究回热对两级喷射式制冷系统的影响。邓婕[7]设计出一种两级喷射器，大大提高了喷射器的升压能力。董景明等[8]对喷射器的4种波瓣形喷嘴形状开展比较研究，实验结果表明当采用六波瓣形喷嘴时，系统的循环性能系数可得到有效提升。

高等分析有别于传统分析，传统分析仅分析系统的总损失，高等分析在传统分析的基础上从系统各部件相互作用角度和目前技术条件限制角度将损失进一步分为内源和外源损失，以及可避免和不可避免损失。近年来高等分析在各类热力系统研究领域的应用受到了重视，其结果对各类热力系统的优化具有更明确的指导作用。TSATSARONIS[9]对传统损失分析进行改进，在2008年首次提出一种新的分析方法即高等分析，并随后确定出5种划分高等损失的方法[10]。MOROSUK等[11]运用高等分析首次对蒸汽压缩制冷系统中工质的影响开展研究。

COLORADO-GARRIDO[12]通过对压缩吸收复叠制冷系统的高等分析指出，蒸发器具有最大的优化潜能。

本文通过对船舶废热驱动的喷射式制冷系统在不同工况下的运行性能数据进行传统分析和高等分析，并指出系统优化改进的具体方向。

1 系统实验样机的构成及工作原理

船舶废热驱动的喷射式制冷系统的结构组成见图1。该系统由喷射器、冷凝器、储液箱、蒸发器、工质泵、发生器和节流阀组成。该系统循环过程的温度-熵（T-s）图见图2。完整的循环过程如下：发生器回收利用船舶废热产生高温高压蒸汽，产生的高温高压蒸汽作为喷射器的工作流体流经喷射器喷嘴，从压力Pg升压至Pe（状态1→2）;抽吸来自蒸发器的引射流体（状态2→4）并与蒸汽在喷射器混合室中进行混合（状态3→4）;混合流体流经喷射器扩压室升压至Pc（状态4→5）;升压后的混合流体流经冷凝器被舷外海水冷却（状态5→6）;冷却后的混合流体随后被分成两路。其中一路经节流阀降压到Pe（状态6→9），节流后工质在蒸发器内蒸发吸热（状态9→3）;另一路经工质泵进行升压（状态6→7），升压后流返到发生器中（状态7→8），被进一步加热汽化成工作蒸汽（状态8→1）。

船舶废热驱动的喷射式制冷系统实验样机如图3所示。实验样机的蒸发器采用闪蒸罐，其直径为275 mm，高为600 mm，设计制冷量为3 kW;冷凝器采用板式换热器，设计换热量为16.8 kW;储液器的长为45 cm，宽为45 cm，高为50cm。喷射器的喷嘴、混合室和扩压室的结构尺寸见文献[13]。

2 系统分析

利用船舶废热驱动的喷射式制冷系统的实验样机开展运行性能实验，系统的运行性能数据见表1。根据系统的运行性能数据，对喷射式制冷系统进行分析。利用实验样机开展运行性能实验的工况如下：蒸发温度13.5 ℃，冷凝温度30 ℃，冷却水进口温度 25 ℃，冷却水出口温度27 ℃，工作流体/蒸汽温度140 ℃，环境温度35 ℃。运行性能参数：制冷量1.36 kW，冷凝器换热量12.6 kW，喷射器喷射系数0.3，系统COP值0.272。

是研究系统从任意状态（具有一定的温度、压力与化学组成）达到与环境相平衡状态的可逆过程中对外界做的功。在不计动能和势能时，处于给定状态下稳定物质流的计算公式为

Ex=qh-h0-T0（s-s0）

式中：q为所求状态点处的质量流量，kg/h;h和h0分别为所求状态点和参考状态点的比焓，kJ/kg;s和s0分别是所求状态点和参考状态点的比熵，kJ/（kg·K）。

总外源损失占比为31.9%，说明系统各部件相互作用产生的损失较少，系统各部件的配置和布局较为合理;总内源损失占比为68.1%，说明部件内部产生的损失较大，部件自身结构优化潜能较大。由图4可知：发生器、冷凝器和工质泵的外源损失占比分别为20.48%、33.50%和5.83%，说明系统其他部件对这3个部件的影响较小，故应从部件本身的结构入手对其进行优化;蒸发器和节流阀的外源损失占比分别为76.92%和 97.94%，说明系统其他部件对其影响较大，故应对系统其他部件的结构和配置进行优化;喷射器的内源损失和外源损失占比相近，说明系统其他部件与喷射器耦合作用产生的损失与喷射器内部产生的损失基本相等。

2.2.2 可避免损失和不可避免损失

为量化由目前技术条件限制所产生的损失，将系统的损失划分为可避免损失和不可避免损失。不可避免损失指系统及其部件由于材料、成本、生产工艺等的影响而产生的损失，不可避免损失越大，能源利用率越低。部件k的可避免损失指部件k的总损失与其不可避免损失之差。分析得知，船舶废热驱动的喷射式制冷系统的总可避免和总不可避免损失占比分别为26.7%和73.3%，各部件可避免和不可避免损失占比见图5。

系统总的不可避免损失占比为73.3%，说明系统由于技术条件限制而产生的损失较大;可避免损失仅占26.7%，说明系统的优化潜能相对较小。由图5可知：发生器、冷凝器、工质泵和蒸发器的不可避免损失占比分别为80.61%、78.17%、94.72%、97.72%，说明这4个部件的优化潜能较低;而喷射器和节流阀的不可避免损失占比仅分别为1.35%和1.71%，说明喷射器和节流阀可通过改进技术条件提高系统的能源利用率。

在系统总损失中，外源可避免损失占比较大的部件具有较大的优化潜能。船舶废热驱动的喷射式制冷系统的各部件内源和外源可避免损失占比见图6。由图6可知：在所有部件中，蒸发器、喷射器、冷凝器、发生器的外源可避免损失占比分别达到76.9%、50.6%、33.5%、20.5%;節流阀的外源可避免损失占比最大，为97.9%;工质泵的最小，占比仅为5.8%。考虑到节流阀损失仅占系统总损失的0.52%，因此可以认为蒸发器应具有最大的优化潜能。船舶废热驱动的喷射式制冷系统实验样机的优化顺序依次为：蒸发器、喷射器、冷凝器、发生器、节流阀、工质泵。

3 结 论

本文基于船舶废热驱动的喷射式制冷系统的运行性能数据，对系统分别进行传统分析和高等分析。分析发现，当分别采用传统分析和高等分析时，所指出的系统最具优化潜能的部件是不同的，给出的系统部件的优化顺序会有明显变化。当采用传统分析时，系统的优化顺序依次为冷凝器、发生器、喷射器、工质泵、节流阀、蒸发器。当采用高等分析时，系统的优化顺序依次为蒸发器、喷射器、冷凝器、发生器、节流阀、工质泵，蒸发器具有最大的优化潜能，工质泵优化潜能最小;

蒸发器的内源损失和外源损失分别为23.08%和76.92%，表明由蒸发器自身以及系统其他部件与蒸发器耦合作用产生的损失占比

相差较大，因此应从其关联部件方面

入手进行优化。高等分析能全面分析系统各部件相互作用以及由技术条件限制所产生的损失大小和分布，能够为热力学系统包括船舶废热驱动的喷射式制冷系统的优化提供更加明确的指导。

参考文献：

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（编辑 赵勉）

收稿日期： 2021-01-18

修回日期： 2021-03-23

基金项目： 国家自然科学基金（51679107）;福建省自然科学基金（2017J01705）

作者简介：

李富娟（1993—），女，河南洛陽人，硕士研究生，研究方向为喷射式制冷系统，（E-mail）2016327193@qq.com;

陈武（1973—），男，福建莆田人，教授，博导，博士，研究方向为船舶节能、船用冷藏及空调技术，（E-mail）chenwu@shmtu.edu.cn