基于高级?分析的,船舶压缩-喷射制冷系统性能研究
高汉明 杨宗桥 籍伟
摘 要：高级?分析可以反映出系统各部件间的相互作用以及部件的实际优化潜力。本文采用高级?分析的方法对船舶压缩-喷射制冷系统的性能进行了分析，将系统部件的?损失分解为内/外源性?损失和可/不可避免?损失，并利用?的二次分割模型进一步将系统部件的?损失分为内源性可避免?损失、外源性可避免?损失、内源性不可避免?损失、外源性不可避免?损失四种。在设计工况下整个系统的内源性可避免?损失占比56.13%，表明该系统具有较大的优化潜力，其中压缩机、主喷射器与过冷喷射器的内源性可避免?损失最大。
关键词：船舶;压缩-喷射制冷;高级?分析;二次分割模型
中图分类号：TB617 文獻标识码：A 文章编号：1006—7973（2021）05-0080-04
1 引言
航运业承担了全球贸易运输量的80%以上，极大地推动了世界各国的经济发展[1]。船舶的营运需要消耗大量的燃油，从而引发了严峻的环境问题。据统计，全世界已登记的民用船舶每年约消耗5亿吨的石油，占全球消耗总量的2%～4%[2]。据IMO研究结果表明，若航运业不对船舶采取新的节能措施，根据目前二氧化碳排放的趋势分析，到2050年航运业年二氧化碳排放总量将占世界二氧化碳排放总量的12%～18%[3]。为应对如此严峻环保形势，IMO于2011年7月审议并通过了MARPOL公约附则Ⅵ的修正案。该修正案规定：在参考线值的基础上，2015年至2019年间碳排放总量折减10%;2020年至2024年间碳排放总量再折减20%;2024年后要达到碳排放总量折减30%的目标[4]。此外，中国船级社于2015年发布了新版的《绿色船舶规范》（2015），旨在减少船舶的燃油消耗，进一步降低船舶污染[5]。综上所述，船舶节能减排已成为航运业的迫切需求。船舶制冷空调装置是保证船上工作人员正常工作和生活的必要设备，也是现代船舶主要的能耗设备。但现有船舶制冷空调技术相对落后，因此具有较大的节能潜力。
压缩-喷射制冷是一种高效的制冷方式。现有研究多从能量分析和?分析的角度进行研究，而采用高级?分析的研究较少。本文以环保型制冷剂R134a为工质，建立了高级?分析模型，从部件优化的潜能和部件间相互作用关系等角度对系统性能进行分析，从而提高压缩-喷射制冷系统在数量和品质上对能源的高效利用。
2 系统描述
压缩-喷射制冷系统主要由十部分组成，分别是压缩机、主喷射器、过冷喷射器、高温蒸发器、冷凝器、低温蒸发器、过冷蒸发器、高温膨胀阀、过冷膨胀阀和低温膨胀阀，如图1所示。压缩机出口处的高温高压制冷剂气体作为主喷射器及过冷喷射器的工作流体，分别对蒸发器以及过冷蒸发器的制冷剂气体进行引射升压。两个喷射器出口处的制冷剂气体混合后进入冷凝器冷凝放热，制冷剂气体变为液体。大部分制冷剂液体进入过冷蒸发器，少部分经过冷膨胀阀进行节流降压对直接进入到过冷蒸发器内的制冷剂液体进行降温，从而获得一定的过冷度。蒸发吸热后的制冷剂气体经过冷喷射器引射升压，完成过冷循环。获得一定的过冷度的制冷剂液体一部分经高温膨胀阀节流降压，在高温蒸发器内蒸发吸热，再经压缩机压缩;另一部分经低温膨胀阀节流降压、在低温蒸发器内蒸发吸热，再被主喷射器引射升压，完成制冷循环。
3 计算模型
为了计算和优化系统中各个部件的内/外源性?损失和可/不可避免?损失，应该明确导致?损失的原因和各个部件的运行工况。本文中影响压缩-喷射制冷系统?损失的主要参数是喷射器工作流体的等熵效率ηp、引射流体的等熵效率ηs、流体混合的损失系数φp、混合室摩擦的损失系数φm;压缩机的参数变量是压缩机效率ηCOM。
在所研究的压缩-喷射制冷系统中包括发生器、蒸发器、冷凝器和过冷蒸发器四个换热器。四个换热器的夹点温差ΔTHTE、ΔTLTE、ΔTCON和ΔTSCE是这四个换热器主要的参数变量。如图所示，夹点温差ΔT指换热器内部各点冷流体和热流体的最小温差。
利用有限元尺寸法对换热器夹点温差进行计算。将换热器假想为N个相等的小换热器，再利用平均对数温差法计算每一个小换热器的冷热流体温差，取其中最小值，即为夹点温差。每个假想的小换热器换热量为：
（1）
式中mc与mh为冷流体与热流体的质量流量，hc，i，in与hc，i，out为冷流体在假想的第i个换热器中的进出口焓值，hh，i，in与hh，i，out为热流体在假想的第i个换热器中的进出口焓值。
每个假想换热器的夹点温差为：
（2）
在所有分段中最小温差即换热器的夹点温差：
（3）
3.1内源性/外源性?损失模型
在高级?分析模型中部件?损失被认为是由部件本身引起的?损失和由外部其他部件所产生的?损失两部分组成：部件?损失可以分为内源性?损失和外源性?损失。即：
（4）
当计算部件内源性?损失时，需建立一个混合循环。在理想状态下四个换热器的夹点温差ΔTHTE、ΔTLTE、ΔTCON和ΔTSCE均为0℃，喷射器的四个运行参数ηp、ηs、φp和φm均为1，压缩机的效率ηCOM也为1，膨胀阀均在等熵状态下运行。
3.2可避免/不可避免?损模型
部件不可避免?损失表示由于各方面条件的限制导致的损失。即使该部件在最佳工况条件下运行，这一部分的损失仍然是无法消除，不能被优化的。除此之外的其余部分就是该部件的可避免?损失，是提高压缩-喷射制冷系统性能中应该重点关注的部分[6]。此时，?损失可以分为可避免?损失和不可避免?损失。即：
（5）
當计算部件的不可避免?损失false时需在最优条件下建立一个不可避免?损失循环。在最优条件下四个换热器的夹点温差ΔTHTE、ΔTLTE、ΔTCON和ΔTSCE均为0.5℃;喷射器的四个运行参数ηp、ηs、φp和φm均为0.98，压缩机的效率ηCOM为0.95，三个膨胀阀均在等焓状态下运行。在此循环计算过程中可以计算出每个部件在最佳工况下的?损失与收益?的比值，该部件的不可避免?损失的计算公式为：
（6）
3.3二次分割模型
根据上述两种?损失分割的方法，可以将部件?损失分为内源性不可避免?损失、外源性不可避免?损失、内源性可避免?损失和外源避免?损失[7]。即：
（7）
内源性可避免和外源性可避免?损失是压缩-喷射制冷系统优化的重点。上述公式中四个参数可根据如下公式计算。
部件k的高级?分析二次分隔方法如图2所示：
4 计算结果与分析
高级?分析的循环过程分为实际工况下的循环、理想工况下的循环、混合工况下的循环以及不可避免工况下的循环四种。设计工况下每种循环的运行工况及参数如表1所示。在计算过程中，当换热器工况变化时，换热器两侧的温度是始终保持恒定，而制冷剂侧的温度则根据夹点温差的变化而变化。该系统在设计工况为低温蒸发器蒸发温度TLTE=7℃、高温蒸发器蒸发温度THTE=10℃、冷凝温度TCON=30℃、压缩机出口压力PCOM=2.3MPa和过冷蒸发器过冷度为2℃。
4.1系统高级?分析的计算结果分析
图3为设计工况下系统传统?分析结果。从图中可以看出，系统主要?损部件依次为主喷射器、压缩机、高温喷射器、冷凝器及过冷喷射器，其总?损占系统?损失的95%以上，其中主喷射器的?损失达到511.21W。其他部件由于?损失较低，因此优化意义不大。
图4为设计工况下系统主要?损部件的高级?分析结果。从图中可以看出，系统中内源性?损失较大的部件依次为主喷射器、高温蒸发器及压缩机，分别为494.62W，225.99W及211.89W，过冷喷射器的内源性?损失也达到了部件?损的90%以上，说明这些部件性能改进的重点应该是本身结构的优化。可避免?损失较大的部件依次为主喷射器、压缩机及过冷喷射器，依次为462.89W，185.17W及121.46W，且均占部件?损失的75%以上，说明与系统其它部件相比，双喷射器及压缩机具有更大的优化空间。
4.2系统?损失二次分割计算结果分析
为了更好地研究以R134a为工质的压缩-喷射制冷系统中各个部件之间的相互作用关系，根据系统?损失二次分割模型进行计算，对系统进行二次?分割后，其计算结果如图5所示。内源可避免?损失是表征部件优化潜力的重点参数。从图中可以看出，内源可避免?损失最大的三个部件依次为主喷射器、压缩机及过冷喷射器，依次为393.99W、163.17W及91.02W，且均占部件?损失的68%以上。这说明双喷射器与压缩机的?损失主要由部件内部结构引起，且具有很大的优化潜力。因此主喷射器、压缩机以及过冷喷射器应是压缩-喷射制冷系统重点优化的对象，通过对主喷射器、压缩机以及过冷喷射器进行尺寸优化，可以降低其内源性可避免?损失，同时减少整个系统的?损失，提升系统性能。
5 结论
通过高级?分析，可以看出主喷射器、压缩机以及过冷喷射器的可避免?损失占整个系统可避免?损失的84.14%;主喷射器、压缩机以及过冷喷射器的内源性?损失占整个系统内源性?损失的69.88%。通过对这三个部件进行优化，可以降低系统大部分的可避免?损失和内源性?损失。通过对系统部件?损失进行二次分割计算，发现主喷射器、压缩机和过冷喷射器的内源性可避免?损失分别达到了393.99W、163.17W和91.02W，且分别占自身?损失的77.07%、69.72%和68.91%。因此，喷射器与压缩机的?损失主要由部件内部结构引起，且具有很大的优化潜力。因此主喷射器、压缩机以及过冷喷射器应是船舶压缩-喷射制冷系统重点优化的对象。
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