摘要
随着“碳中和、碳达峰”重大战略目标的提出和不断推进，对于能源的节约和充分利用也日益得到重视。特别是工业能耗在我国能耗总量中占有较大比重，且排放的余热量巨大，在中、高品位余热回收利用的基础上，若能进一步利用好200℃以下这部分低品位余热，则对于系统性的节能、提效和减碳意义重大。水蒸气喷射制冷系统可在低品位余热蒸汽的驱动下通过喷射器实现低温冷冻水的制取，系统采用水这种环保自然工质、结构简单且耗功极低，具有其他制冷系统不可比拟的天然优势。为提高水蒸气喷射制冷系统的能效、拓宽其工作区间和应用范围，本文建立水蒸气喷射制冷系统仿真计算模型和火积损失分析模型，设计并搭建小型水蒸气喷射制冷系统样机及实验系统，对不同发生温度、蒸发温度和冷凝温度下，特别是非设计工况下，工作蒸汽质量流量、引射蒸汽质量流量、喷射系数、系统制冷性能等的变化规律进行比较分析，对变工况下系统的火积损失变化规律及火积损失分布进行探讨研究，为低品位余热驱动下水蒸气喷射制冷系统的设计和性能改进提供理论指导。主要内容如下: (1)构建面向低品位余热利用的水蒸气喷射制冷系统仿真计算模型，研究不同发生温度、蒸发温度、冷凝温度等参数对工作蒸汽质量流量、系统制冷量、喷射系数等性能的影响及变化规律。发现:工作蒸汽质量随发生温度的升高不断减小，喷射系数呈先上升后下降的趋势，系统制冷量随发生温度的升高而增大，当发生温度超过设计值时，其上升的趋势变缓;随着蒸发温度由2℃升高到22℃，工作蒸汽质量不断下降，系统制冷量不断上升，当发生温度为140℃，冷凝温度为26℃时，系统制冷量达到6.56kW，提升了59.6％;存在一临界冷凝温度，在该温度前，系统制冷量几乎不受冷凝温度的影响，超过该温度后，系统制冷量随着冷凝温度的升高迅速下降。 (2)建立面向低品位余热利用的水蒸气喷射制冷系统火积损失分析模型，分析不同发生温度、蒸发温度及冷凝温度下各部件及系统火积损失率的变化趋势及其权重分布规律。烟损失率呈先上升后不变的趋势，冷凝器火积损失率呈先上升后下降的趋势。随着蒸发温度的升高，冷凝温度为24℃、26℃、28℃时，与之对应的喷射器火积损失率分别下降了49％、44.6％和45.31％，蒸发器火积损失率分别下降了1.6倍、1.7倍、2.0倍，冷凝器的火积损失率分别下降了35.5％、34.6％及34.4％,系统火积损失率分别下降了69.3％、57.8％和50.5％;随着冷凝温度的升高，喷射器、冷凝器及系统的火积损失率不断上升，蒸发器的火积损失率先不变后急速下降。在不同的发生温度、蒸发温度及冷凝温度下，喷射器在系统中火积损失占比是最大的，其次是冷却水及冷冻水管道，冷凝器及蒸发器对系统火积损失的影响较小。 (3)设计面向低品位余热利用的水蒸气喷射制冷系统及其主要部件，搭建实验平台，实验校核验证不同工况下系统的热工特性。完成水蒸气喷射制冷系统主要部件的设计计算及选型，确定喷射器的喷嘴、扩压室等的结构尺寸以及蒸发器、冷凝器、存储罐的设计，在此基础上，通过仿真与实验研究，得到:随着发生温度的升高，引射蒸汽质量流量、喷射系数、系统COP呈先上升后下降的趋势;随着蒸发温度的上升，三者均呈上升趋势，当发生温度为140℃，冷凝温度为26℃时，实验结果显示引射蒸汽质量增加了1.5倍，喷射系数增加了25％，系统COP提高了近1.4倍;无论是仿真结果还是实验结果，均发现发生温度为140℃，蒸发温度为10℃，引射蒸汽质量流量、喷射系数、系统COP在24℃之前几乎为一个定值，之后，随着冷凝温度的升高，三者均快速减小。实验表明，冷凝温度由24℃上升到30℃的过程中，引射蒸汽质量流量下降了2.51kg/h，引射系数下降了0.37，系统COP下降了0.32。
NETL