基于高級(jí)?分析的 船舶壓縮-噴射制冷系統(tǒng)性能研究

高漢明 楊宗橋 籍偉

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

關(guān)鍵詞：船舶;壓縮-噴射制冷;高級(jí)?分析;二次分割模型

中圖分類號(hào)：TB617? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）05-0080-04

1 引言

航運(yùn)業(yè)承擔(dān)了全球貿(mào)易運(yùn)輸量的80%以上，極大地推動(dòng)了世界各國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1]。船舶的營(yíng)運(yùn)需要消耗大量的燃油，從而引發(fā)了嚴(yán)峻的環(huán)境問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jù)IMO研究結(jié)果表明，若航運(yùn)業(yè)不對(duì)船舶采取新的節(jié)能措施，根據(jù)目前二氧化碳排放的趨勢(shì)分析，到2050年航運(yùn)業(yè)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(yīng)對(duì)如此嚴(yán)峻環(huán)保形勢(shì)，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(guī)定：在參考線值的基礎(chǔ)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(dá)到碳排放總量折減30%的目標(biāo)[4]。此外，中國(guó)船級(jí)社于2015年發(fā)布了新版的《綠色船舶規(guī)范》（2015），旨在減少船舶的燃油消耗，進(jìn)一步降低船舶污染[5]。綜上所述，船舶節(jié)能減排已成為航運(yùn)業(yè)的迫切需求。船舶制冷空調(diào)裝置是保證船上工作人員正常工作和生活的必要設(shè)備，也是現(xiàn)代船舶主要的能耗設(shè)備。但現(xiàn)有船舶制冷空調(diào)技術(shù)相對(duì)落后，因此具有較大的節(jié)能潛力。

壓縮-噴射制冷是一種高效的制冷方式?，F(xiàn)有研究多從能量分析和?分析的角度進(jìn)行研究，而采用高級(jí)?分析的研究較少。本文以環(huán)保型制冷劑R134a為工質(zhì)，建立了高級(jí)?分析模型，從部件優(yōu)化的潛能和部件間相互作用關(guān)系等角度對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析，從而提高壓縮-噴射制冷系統(tǒng)在數(shù)量和品質(zhì)上對(duì)能源的高效利用。

2 系統(tǒng)描述

壓縮-噴射制冷系統(tǒng)主要由十部分組成，分別是壓縮機(jī)、主噴射器、過冷噴射器、高溫蒸發(fā)器、冷凝器、低溫蒸發(fā)器、過冷蒸發(fā)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(jī)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(duì)蒸發(fā)器以及過冷蒸發(fā)器的制冷劑氣體進(jìn)行引射升壓。兩個(gè)噴射器出口處的制冷劑氣體混合后進(jìn)入冷凝器冷凝放熱，制冷劑氣體變?yōu)橐后w。大部分制冷劑液體進(jìn)入過冷蒸發(fā)器，少部分經(jīng)過冷膨脹閥進(jìn)行節(jié)流降壓對(duì)直接進(jìn)入到過冷蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑液體進(jìn)行降溫，從而獲得一定的過冷度。蒸發(fā)吸熱后的制冷劑氣體經(jīng)過冷噴射器引射升壓，完成過冷循環(huán)。獲得一定的過冷度的制冷劑液體一部分經(jīng)高溫膨脹閥節(jié)流降壓，在高溫蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱，再經(jīng)壓縮機(jī)壓縮;另一部分經(jīng)低溫膨脹閥節(jié)流降壓、在低溫蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)吸熱，再被主噴射器引射升壓，完成制冷循環(huán)。

3 計(jì)算模型

為了計(jì)算和優(yōu)化系統(tǒng)中各個(gè)部件的內(nèi)/外源性?損失和可/不可避免?損失，應(yīng)該明確導(dǎo)致?損失的原因和各個(gè)部件的運(yùn)行工況。本文中影響壓縮-噴射制冷系統(tǒng)?損失的主要參數(shù)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(shù)φp、混合室摩擦的損失系數(shù)φm;壓縮機(jī)的參數(shù)變量是壓縮機(jī)效率ηCOM。

在所研究的壓縮-噴射制冷系統(tǒng)中包括發(fā)生器、蒸發(fā)器、冷凝器和過冷蒸發(fā)器四個(gè)換熱器。四個(gè)換熱器的夾點(diǎn)溫差ΔTHTE、ΔTLTE、ΔTCON和ΔTSCE是這四個(gè)換熱器主要的參數(shù)變量。如圖所示，夾點(diǎn)溫差ΔT指換熱器內(nèi)部各點(diǎn)冷流體和熱流體的最小溫差。

利用有限元尺寸法對(duì)換熱器夾點(diǎn)溫差進(jìn)行計(jì)算。將換熱器假想為N個(gè)相等的小換熱器，再利用平均對(duì)數(shù)溫差法計(jì)算每一個(gè)小換熱器的冷熱流體溫差，取其中最小值，即為夾點(diǎn)溫差。每個(gè)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(zhì)量流量，hc，i，in與hc，i，out為冷流體在假想的第i個(gè)換熱器中的進(jìn)出口焓值，hh，i，in與hh，i，out為熱流體在假想的第i個(gè)換熱器中的進(jìn)出口焓值。

每個(gè)假想換熱器的夾點(diǎn)溫差為：

（2）

在所有分段中最小溫差即換熱器的夾點(diǎn)溫差：

（3）

3.1內(nèi)源性/外源性?損失模型

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

（4）

當(dāng)計(jì)算部件內(nèi)源性?損失時(shí)，需建立一個(gè)混合循環(huán)。在理想狀態(tài)下四個(gè)換熱器的夾點(diǎn)溫差ΔTHTE、ΔTLTE、ΔTCON和ΔTSCE均為0℃，噴射器的四個(gè)運(yùn)行參數(shù)ηp、ηs、φp和φm均為1，壓縮機(jī)的效率ηCOM也為1，膨脹閥均在等熵狀態(tài)下運(yùn)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(dǎo)致的損失。即使該部件在最佳工況條件下運(yùn)行，這一部分的損失仍然是無(wú)法消除，不能被優(yōu)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(tǒng)性能中應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的部分[6]。此時(shí)，?損失可以分為可避免?損失和不可避免?損失。即：

（5）

當(dāng)計(jì)算部件的不可避免?損失false時(shí)需在最優(yōu)條件下建立一個(gè)不可避免?損失循環(huán)。在最優(yōu)條件下四個(gè)換熱器的夾點(diǎn)溫差ΔTHTE、ΔTLTE、ΔTCON和ΔTSCE均為0.5℃;噴射器的四個(gè)運(yùn)行參數(shù)ηp、ηs、φp和φm均為0.98，壓縮機(jī)的效率ηCOM為0.95，三個(gè)膨脹閥均在等焓狀態(tài)下運(yùn)行。在此循環(huán)計(jì)算過程中可以計(jì)算出每個(gè)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(jì)算公式為：

（6）

3.3二次分割模型

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

（7）

內(nèi)源性可避免和外源性可避免?損失是壓縮-噴射制冷系統(tǒng)優(yōu)化的重點(diǎn)。上述公式中四個(gè)參數(shù)可根據(jù)如下公式計(jì)算。

部件k的高級(jí)?分析二次分隔方法如圖2所示：

4 計(jì)算結(jié)果與分析

高級(jí)?分析的循環(huán)過程分為實(shí)際工況下的循環(huán)、理想工況下的循環(huán)、混合工況下的循環(huán)以及不可避免工況下的循環(huán)四種。設(shè)計(jì)工況下每種循環(huán)的運(yùn)行工況及參數(shù)如表1所示。在計(jì)算過程中，當(dāng)換熱器工況變化時(shí)，換熱器兩側(cè)的溫度是始終保持恒定，而制冷劑側(cè)的溫度則根據(jù)夾點(diǎn)溫差的變化而變化。該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況為低溫蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度TLTE=7℃、高溫蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度THTE=10℃、冷凝溫度TCON=30℃、壓縮機(jī)出口壓力PCOM=2.3MPa和過冷蒸發(fā)器過冷度為2℃。

4.1系統(tǒng)高級(jí)?分析的計(jì)算結(jié)果分析

圖3為設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)傳統(tǒng)?分析結(jié)果。從圖中可以看出，系統(tǒng)主要?損部件依次為主噴射器、壓縮機(jī)、高溫噴射器、冷凝器及過冷噴射器，其總?損占系統(tǒng)?損失的95%以上，其中主噴射器的?損失達(dá)到511.21W。其他部件由于?損失較低，因此優(yōu)化意義不大。

圖4為設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)主要?損部件的高級(jí)?分析結(jié)果。從圖中可以看出，系統(tǒng)中內(nèi)源性?損失較大的部件依次為主噴射器、高溫蒸發(fā)器及壓縮機(jī)，分別為494.62W，225.99W及211.89W，過冷噴射器的內(nèi)源性?損失也達(dá)到了部件?損的90%以上，說(shuō)明這些部件性能改進(jìn)的重點(diǎn)應(yīng)該是本身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化?？杀苊?損失較大的部件依次為主噴射器、壓縮機(jī)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(shuō)明與系統(tǒng)其它部件相比，雙噴射器及壓縮機(jī)具有更大的優(yōu)化空間。

4.2系統(tǒng)?損失二次分割計(jì)算結(jié)果分析

為了更好地研究以R134a為工質(zhì)的壓縮-噴射制冷系統(tǒng)中各個(gè)部件之間的相互作用關(guān)系，根據(jù)系統(tǒng)?損失二次分割模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行二次?分割后，其計(jì)算結(jié)果如圖5所示。內(nèi)源可避免?損失是表征部件優(yōu)化潛力的重點(diǎn)參數(shù)。從圖中可以看出，內(nèi)源可避免?損失最大的三個(gè)部件依次為主噴射器、壓縮機(jī)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(shuō)明雙噴射器與壓縮機(jī)的?損失主要由部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起，且具有很大的優(yōu)化潛力。因此主噴射器、壓縮機(jī)以及過冷噴射器應(yīng)是壓縮-噴射制冷系統(tǒng)重點(diǎn)優(yōu)化的對(duì)象，通過對(duì)主噴射器、壓縮機(jī)以及過冷噴射器進(jìn)行尺寸優(yōu)化，可以降低其內(nèi)源性可避免?損失，同時(shí)減少整個(gè)系統(tǒng)的?損失，提升系統(tǒng)性能。

5 結(jié)論

通過高級(jí)?分析，可以看出主噴射器、壓縮機(jī)以及過冷噴射器的可避免?損失占整個(gè)系統(tǒng)可避免?損失的84.14%;主噴射器、壓縮機(jī)以及過冷噴射器的內(nèi)源性?損失占整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)源性?損失的69.88%。通過對(duì)這三個(gè)部件進(jìn)行優(yōu)化，可以降低系統(tǒng)大部分的可避免?損失和內(nèi)源性?損失。通過對(duì)系統(tǒng)部件?損失進(jìn)行二次分割計(jì)算，發(fā)現(xiàn)主噴射器、壓縮機(jī)和過冷噴射器的內(nèi)源性可避免?損失分別達(dá)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(jī)的?損失主要由部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)引起，且具有很大的優(yōu)化潛力。因此主噴射器、壓縮機(jī)以及過冷噴射器應(yīng)是船舶壓縮-噴射制冷系統(tǒng)重點(diǎn)優(yōu)化的對(duì)象。

參考文獻(xiàn)：

[1] 師琰. 新船能效標(biāo)準(zhǔn)提高 80%全球貿(mào)易運(yùn)輸將受影響[N]. 21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)報(bào)道，2011-07-20（004）.

[2] Gequn Shu，Youcai Liang，Haiqiao Wei，Hua Tian，Jian Zhao，Lina Liu. A review of waste heat recovery on two-stroke IC engine aboard ships[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013（19）：385-401.

[3] Khaled Ameur，Zine Aidoun，Mohamed Ouzzane. Modeling and numerical approach for the design and operation of two-phase ejectors[J]. Applied Thermal Enginering，2016，109：809-818.

[4] Ivica An?i?，Ante ?estan. Influence of the required EEDI reduction factor on the CO2 emission from bulk carriers[J]. Energy Policy，2015，84;107-116.

[5] 中國(guó)船級(jí)社. 綠色船舶規(guī)范2015[S]. 中國(guó)船級(jí)社，2015.

[6] Petrakopoulou F， Tsatsaronis G， Morosuk T， et al. Conventional and advanced exergetic analyses applied to a combined cycle power plant[J]. Energy. 2012， 41（1）.

[7] Gong S， Goni Boulama K. Parametric study of an absorption refrigeration machine using advanced exergy analysis[J]. Energy. 2014， 76： 453-467.