蒸汽喷射制冷循环系统在目标特征抑制方面的应用

摘 要： 应用蒸汽喷射制冷方式设计了一套蒸汽喷射制冷循环系统，选用性能优良的传热工质，对喷嘴的结构尺寸进行改进设计，利用发动机尾气废热，驱动蒸汽喷射制冷系统对发动机舱室进行降温。削弱整机设备在工作中的高温特征，满足了设备目标特征抑制的要求。

关键词： 发动机尾气废热； 喷射制冷； 喷嘴； 目标特征； 制冷系统； 传热工质

中图分类号： TN98⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2018）05⁃0129⁃03

Abstract： The steam jet refrigeration mode is used to design a set of steam jet refrigeration recycle system. The heat transfer medium with high performance is selected to perform the improvement design for the structure size of the jet nozzle. The exhaust heat of engine is adopted to drive the steam jet refrigeration system to cool the engine compartment， and weaken the high temperature feature of the device while working， which can meet the requirement of target feature suppression of the device.

Keywords： exhaust heat of engine； jet refrigeration； jet nozzle； target feature； refrigeration system； heat transfer medium

1 國外研究现状及趋势

动力传动集成装置目标特征抑制技术研究旨在对装甲部队的车辆发动机舱的温度以及发动机尾气排放时的温度进行抑制，使温度降低至规定范围。

目前国内外装甲车发动机主要有风冷和水冷两种形式。尾气排放温度多是依靠使用涡轮增压设备回收发动机尾气的压力废能，用以提高发动机的输出功率和提高发动机的效率，同时降低发动机尾气排放温度。但此时发动机尾气的温度基本保持在400 ℃以上。

应用低温制冷剂作为传热介质，通过设置在发动机排气管道上的换热器，利用发动机尾气废热将液体制冷剂在蒸汽发生器内加热至高温高压状态，液体制冷剂作为气体喷射器的工作蒸汽，使用喷射制冷的原理，由设置在发动机舱内的盘管蒸发器吸收发动机舱内的热量，喷射器出来的混合蒸汽由冷凝器采用强制风冷的方法将热量排至外界环境大气。制冷剂的流动通过液体泵将冷凝器的液态制冷剂输送至蒸汽发生器，冷凝器至蒸发器的制冷剂流动靠两者之间的压力差驱动。

本文所提出的蒸汽喷射制冷装置具有装机部件简单、重量轻、能有效地利用发动机尾气的废热，同时对发动机排气压力不进行任何干扰，故使用该装置不会影响发动机的输出功率，可进一步降低发动机尾气的排气温度，并对发动机舱进行降温，具有一定的应用特点和优势。

2 研究目标

针对装甲运输车辆动力传动集成装置目标特征抑制技术的需求，旨在有效降低发动机舱的温度以及发动机尾气的排气温度。目前装甲车辆发动机的目标特征抑制技术大多通过对发动机机体的散热进行。本文通过使用发动机尾气废热带动气体喷射制冷装置为发动机舱进行降温。因此，本项目的研究目标为：动力舱内环境温度抑制技术；动力传动装置排气温度抑制技术。

针对发动机输出功率，喷射制冷装置的换热量暂定为8 kW，其性能可通过专用性能测试装置进行换热能力测试，以考核喷射制冷装置的性能。同时，由于蒸发发生器中产生制冷剂高压蒸汽，吸收发动机尾气的热量，相应降低了发动机尾气的排气温度，可使排气温度降低100 ℃，以满足目标特征抑制的要求。

3 研究内容

3.1 工作原理

蒸气喷射式制冷的基本系统如图1所示。其组成部件包括：喷射器、冷凝器、蒸发器、节流阀和泵。喷射器由喷嘴、吸入室、扩压器三部分组成。喷射器的吸入室与蒸发器相连；扩压器出口与冷凝器相连。

用蒸汽发生器产生高温高压工作蒸气，工作蒸气进入喷嘴，在喷嘴中膨胀并高速流动（流速可达1 000 m/s以上），于是，在喷嘴出口处造成很低的压力，使蒸发器中的制冷剂在低温下蒸发。由于汽化时需从未汽化的制冷剂中吸收潜热，因而使未汽化的制冷剂温度降低。这部分低温制冷剂便可用于吸收发动机舱的热量。蒸发器中产生的制冷剂蒸气与工作蒸气在喷嘴出口处混合，一起进入扩压器；在扩压器中流动的蒸气流速逐渐降低，压力逐渐升高，以较高压力进入冷凝器，被外部冷却空气冷却变成液态制冷剂。从冷凝器流出的液态制冷剂分为两路：一路经节流降压后送回蒸发器，继续蒸发制冷；另一路用泵提高压力送回蒸汽发生器，重新加热产生工作蒸气。

图2为蒸气喷射式制冷机的理论工作循环过程。图中1⁃2表示工作蒸气在喷嘴内部的膨胀过程。工作蒸气（状态2）与制冷剂水蒸气（状态3）混合后的状态是4。4⁃5表示混合蒸气在扩压器中流动升压的过程。5⁃6表示冷凝器中气体的凝结过程。凝结终了的状态为6。冷凝液体分为两部分：一部分经过节流，进入蒸发器，产生制冷作用，用过程线6⁃7⁃3表示；另一部分用泵送入蒸汽发生器，产生工作（驱动）蒸气，用过程线6⁃9⁃1表示。

参照图2进行循环的热力分析。

式中：为被引射蒸气的质量流量，单位为kg/s；为制冷剂蒸气出蒸发器时的比焓，单位为kJ/kg；为凝结水出冷凝器时的比焓，单位为kJ/kg。

式中：为工作蒸气的质量流量，单位为kg/s；为工作蒸气出锅炉时的比焓，单位为kJ/kg。

式中为混合蒸气进冷凝器时的比焓，单位为kJ/kg。

在蒸气喷射式制冷机中用喷射系数作为评定喷射器性能的参数。它定义为每单位质量工作蒸气所能引射的制冷剂蒸气量，即：

理论情况下，喷射系数的值通过喷射器的热平衡式求得：

因而：

3.2 传热工质的选型

在传热工质的选择中需综合考虑以下条件，确定所选传热工质。

1） 传热工质化学性质稳定，不会因高温高压作用而分解、爆炸；

2） 常溫下无毒、无异味；

3） 无强烈腐蚀性；

4） 传热工质常压下沸点接近50 ℃，以提高工质的传热效率；

5） 传热工质具有较大的气化潜热，可降低质量流量，减少泵的输入功率；

6） 传热工质应具有较大的导热系数，提高传热效率，减轻换热器重量；

7） 气态传热工质应具有良好的流动特性，以降低过热蒸汽的阻力损失；

8） 气态传热工质在工作温度范围，蒸汽压力应尽可能的低，以降低换热器的设计压力；

9） 优先选择单一成分的纯工质。

3.3 蒸汽发生器的设计

喷射制冷装置的蒸汽发生器用于传热介质与发动机尾气进行换热，吸收发动机尾气排放管道壁上的热量，传热介质在换热器中受热蒸发，成为高压过热蒸汽。在设计蒸汽发生器时应满足以下要求：

1） 传热介质与发动机尾气进行换热，不能影响尾气排放的流动；

2） 传热介质与发动机尾气进行换热的换热器可采用外部安装形式，或者与发动机尾气排放管道设计成一体，用以提高换热器效率；

3） 换热器应具有较高的承压能力，以承受换热器内部高温过热工质过高压力的作用。

3.4 喷射器的设计

气体喷射器也称为气体喷射式热泵，如图3所示，其工作原理是高压的工作气体以很快的速度（一般是超音速）从喷嘴中流出进入接收室，在高速射流的卷吸作用下把其周围的低压气体吸走，被吸的低压气体一般称为引射气体，工作气体携带着引射气体进入混合室中进行速度均衡与动量传递。同时，伴随着压力的升高，混合气体从混合室出来进入扩散器，压力将继续升高。在扩散器出口处，混合气体的压力高于进入接收室引射气体的压力，从而实现将引射气体的压力提升用于压力较高的场所。

根据喷射器原理进行设计计算，并通过匹配试验确定喷射器的结构尺寸，喷射器材料优先选用不锈钢材料。

3.5 系统控制逻辑

控制器采用电子电路控制方式，主要由控制模块、信息采集模块、功率驱动模块、直流电源模块等组成。信息采集模块主要负责收集废热回收换热器的温度、压力传感器信号，将结果递交模块使用；直流电源模块负责直流电源的滤波、转换、分配、调理，为其模块提供特性符合标准的直流电源；功率驱动模块将控制决策转换为各个外设的驱动控制信号，并对输送泵的电压电流进行实时监控。控制器具有停机、工作两种工作模式，并自带操作按扭，可在人工调试时进行人工手动操作。

3.6 换热量测量系统

为全面考核蒸汽喷射制冷装置，设计一套模拟实际使用情况的试验测试装置，该装置主要包含两部分：发动机尾气高温高压气体发生装置、换热量测量装置。使用压缩空气模拟发动机尾气，通过电加热器将压缩空气加热至500 ℃，通过管道排出，蒸汽发生器回收高温压缩机空气的热量。制作模拟发动机舱，在模拟发动机舱内使用电加热进行升温，通过电加热器平衡喷射制冷装置的制冷量，通过计算对比电加热功率的误差，从而评价该装置的性能。测量原理如图5所示。

4 结 论

使用蒸汽喷射制冷技术吸收发动机尾气废热，驱动蒸汽流动，有效地利用了发动机废热的剩余能量，使燃料的燃烧热量得到了进一步的利用，大大提高了生物燃料燃烧热的利用率，降低了发动机尾气的排放温度，同时又使发动机舱室的温度得到降低。这样，装置在工作过程中的目标特性得到有效抑制。

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