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余熱利用摘要：船用柴油機(jī)廢熱品位較高，基本滿足吸收式制冷裝置的需要。作為吸收式制冷裝置中重要的部件，吸收器的合理設(shè)計(jì)直接決定了制冷系統(tǒng)的綜合性能。在對(duì)水平管氨降膜吸收器中傳質(zhì)與傳熱的相互關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，建立了完全基于熱、質(zhì)耦合傳遞的二維模型。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，在氨降膜吸收過(guò)程中，強(qiáng)烈的傳質(zhì)過(guò)程是實(shí)質(zhì)，起著主導(dǎo)作用，而傳熱過(guò)程僅是傳質(zhì)過(guò)程的外在表現(xiàn)。關(guān)鍵詞：余熱利用；吸收器；傳熱傳質(zhì)；數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：TKll+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1002-6339(2006)02-0120-04studyonCoupledMassandHeatinAbsorptionRefrigeratingDeviceUsingWasteHeatHUANGZhong--zhou(GuangdongOceanUniversity，Zhanjiang524088，China)Abstract：Thequalityofthewasteheatexhaustedfromdieselengineinvesselsishigh，whichmeansitispos-sibletoutilizewasteheatinanabsorptionrefrigerationdeviceflSheatH粥ouH≥es。Asoneofthemostimportantcomponents，properdesignoftheabsorberisakeywaytoimprovetheintegrativeperformanceoftherefrigemt-ingsystem．Withthedetailedanalysesaboutthemutualitybetweenthemassandheattransferinahorizontalfallingfilmammonia-waterabsorber．a(chǎn)new2一DmodelbasedOilthecouplingoftheInass&heattransferisintroduced．Numericalresultsindicatethatthemasstransferisdominantandtheheattransferisjusttheex-trinsicexhibition．Keywords：wasteheatutilization；absorber；heat&masstransfer；numericalsimulation1引言近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)近海各種經(jīng)濟(jì)魚(yú)類資源日益匱乏，海洋捕撈逐漸向外海域擴(kuò)展，捕撈作業(yè)的周期也相應(yīng)延長(zhǎng)，這就要求對(duì)海產(chǎn)品進(jìn)行保鮮處理。原有的保鮮技術(shù)主要有兩種，一是直接由柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)壓縮式制冷裝置進(jìn)行保鮮，另一種是通過(guò)岸基加冰的收稿日期2005-12-16修訂稿日期2006-03-01基金項(xiàng)目：廣東海洋大學(xué)人才引進(jìn)專項(xiàng)基金資助柜者簡(jiǎn)介：黃忠洲(t970～)，男，博士，講師。·120·方式進(jìn)行保鮮。無(wú)論何種保鮮方式，都是以消耗額外能源為代價(jià)。．受遠(yuǎn)航條件以及船體空間和承載條件的限制，過(guò)度消耗動(dòng)力燃料以及攜帶過(guò)多的輔助設(shè)施無(wú)疑會(huì)大大增加捕撈成本。節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境是當(dāng)前世界各國(guó)共同關(guān)心的問(wèn)題。隨著船用柴油機(jī)功率的不斷增加，柴油機(jī)排放中可資利用的余熱也越來(lái)越多，因此，利用捕撈作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的余熱進(jìn)行制冷不失為一種理想的保鮮措施，如何綜合有效地利用船用柴油機(jī)的余熱，減少柴油機(jī)的廢氣排放，也成為當(dāng)前科研人員致力研究的課題。目前對(duì)柴油機(jī)余熱的利用主要集中在廢氣渦輪增加技術(shù)上，盡管如此，燃料所釋放的能量依然只有20％～45％被柴油機(jī)有效利用?1，其余熱量均隨冷卻水、廢氣等排人周?chē)h(huán)境中。而氨水吸收式制冷系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、制冷量大、能夠?qū)崿F(xiàn)低溫制冷以及可以利用低品位的熱源等特點(diǎn)，從節(jié)能與環(huán)保的角度來(lái)看，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)柴油機(jī)余熱吸收式制冷系統(tǒng)具有重大意義。吸收器是氨水吸收式制冷系統(tǒng)中最主要的設(shè)備之一。在整套系統(tǒng)中，吸收器體積最大、耗材最多，同時(shí)也是系統(tǒng)中熱負(fù)荷最大的一個(gè)部件。它制約著氨吸收式制冷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能。目前降膜式吸收器是經(jīng)常采用的吸收設(shè)備形式，這主要是由于降膜吸收過(guò)程中被吸收氣體的壓力損失小，基本是在等壓狀態(tài)下完成吸收過(guò)程，便于設(shè)計(jì)和操作。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上，以往對(duì)吸收器的設(shè)計(jì)側(cè)重于傳熱分析，忽略了反應(yīng)強(qiáng)烈的傳質(zhì)過(guò)程(2,3,4J。針對(duì)氨降膜吸收過(guò)程的傳質(zhì)特性，文獻(xiàn)[5]對(duì)垂直降膜管內(nèi)的氨降膜熱、質(zhì)耦合傳遞過(guò)程進(jìn)行了研究，指出傳質(zhì)與傳熱過(guò)程相互耦合，且傳質(zhì)過(guò)程處于主導(dǎo)地位。相比垂直降膜管，水平管外氨降膜吸收由于噴淋密度大、制冷量高等特點(diǎn)，更是成為研究的熱點(diǎn)。本文在詳細(xì)分析水平管外氨降膜吸收過(guò)程后，建立了數(shù)值計(jì)算模型，為進(jìn)一步提高吸收率以及在實(shí)際應(yīng)用中減小吸收器的設(shè)計(jì)尺寸提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。2吸收過(guò)程分析及幾點(diǎn)假設(shè)2．1傳熱傳質(zhì)過(guò)程要對(duì)水平管外氨降膜吸收器進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)分析，首先必須清楚降膜吸收過(guò)程中的各種物理及化學(xué)現(xiàn)象?；趥鳠帷髻|(zhì)相互影響這一基本事實(shí)，在完全滿足工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)吸收過(guò)程合理簡(jiǎn)化，最終建立可求解的數(shù)學(xué)模型。噴淋的氨稀溶液圖1水平管外氨水降膜吸收器水平管外氨降膜吸收器是由一組水平放置的管簇組成(如圖1所示)，外部空間充滿氨蒸汽。管族上部噴淋氨稀溶液，形成的薄膜覆蓋于水平管外，并順次流經(jīng)各層水平管直至最底部。管內(nèi)流有一定溫度和流量的冷卻水，傳熱傳質(zhì)過(guò)程產(chǎn)生的熱量由冷卻水及時(shí)帶走。其中氨蒸汽向液相轉(zhuǎn)移過(guò)程可分為三個(gè)過(guò)程，即：由氨蒸汽向氣液界面的傳遞、穿過(guò)氣液界面的傳遞以及由氣液界面向氨水溶液的傳遞。液膜吸收氨的原動(dòng)力是液面氨組份與液膜主流氨溶液的濃度差，濃度差的存在促使液面氨組份向液膜內(nèi)部擴(kuò)散，使得液面由于不飽和而不得不吸收外部的氨蒸汽以維持平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)的目的。氨蒸汽的吸收過(guò)程依賴于分子擴(kuò)散和對(duì)流，而質(zhì)量的傳遞又反過(guò)來(lái)影響熱量的傳遞。由于傳質(zhì)作用引起的熱量傳遞包括氨蒸汽和氨水溶液傳入冷卻水的熱量、氨蒸汽由氣相過(guò)渡為液相的凝結(jié)熱以及氨蒸汽與溶液混合產(chǎn)生的溶解熱。由熱量傳遞引起的氨溶液主流溫度和濃度的改變直接影響著氣液相界面處的平衡壓力，并改變著相際間傳質(zhì)過(guò)程。因而在吸收過(guò)程中，質(zhì)量、動(dòng)量、熱量傳遞過(guò)程將同時(shí)進(jìn)行，互相交織，互相影響，是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程。2．2幾點(diǎn)假設(shè)為建立數(shù)學(xué)模型，且模型能夠求解，需對(duì)復(fù)雜的熱質(zhì)耦合過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化。為此，做了以下幾點(diǎn)假設(shè)：(1)吸收過(guò)程中，氨蒸汽均勻混合，且吸收過(guò)程是在等壓狀態(tài)下發(fā)生；(2)由于氨與水的沸點(diǎn)相差較大，可以忽略水蒸氣的蒸發(fā)量，吸收過(guò)程僅被看作是氨吸收的單相傳遞過(guò)程；(3)沿液膜厚度方向的液膜溫度可近似為線性變化關(guān)系；(4)每層水平管內(nèi)的冷卻水溫度相差不大，可以假設(shè)某一定管長(zhǎng)范圍內(nèi)冷卻水的溫度保持不變；(5)穩(wěn)態(tài)吸收過(guò)程；(6)每層水平管的液膜流型相同。3算例及分析3．1算例經(jīng)前述分析并結(jié)合幾項(xiàng)假設(shè)后，我們就可以建立起二維模型。在給定的初始條件及邊界條件下，我們對(duì)該模型進(jìn)行了計(jì)算。吸收器工作參數(shù)如表1所示。表1吸收器初始運(yùn)行參數(shù)氨溶液流量進(jìn)口溶液濃度進(jìn)口溶液溫度冷卻水流量冷卻水進(jìn)口溫度氨蒸汽溫度管列數(shù)降膜管規(guī)格(徑、長(zhǎng)、厚)2．472kg／s0．219644℃28．1944kg／s30℃22℃20帕8nn、1000iYlln、3．5n'im由上述給定的初始條件，就可逐段計(jì)算水平管·121·外液膜的厚度、溫度、濃度、傳熱量等。冷卻水的流動(dòng)方向采用逆流形式。如果忽略吸收器外層壁面的影響，則每列管的降膜情況是一致的，因此為減少計(jì)算量，計(jì)算過(guò)程中僅選擇一列管進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)氨蒸汽的總吸收量達(dá)到0．375kg／s時(shí)，結(jié)束計(jì)算并得到所需的管層數(shù)及總傳熱量。3．2結(jié)果分析當(dāng)氨蒸汽總吸收量達(dá)到0．375kg／s時(shí)，計(jì)算所得的管層數(shù)約為25。圖2至圖5分別討論了傳熱傳質(zhì)過(guò)程中各參數(shù)的變化關(guān)系。圖2給出了單管氨吸收量沿排深方向的變化曲線。沿排深方向，氨蒸汽的吸收量呈單調(diào)下調(diào)。在前幾排管(圖示約為前6排管)，由于濃度差較大，傳質(zhì)過(guò)程進(jìn)行得較為劇烈，但隨著管排的增加，氨吸收過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，液膜主流濃度與氨蒸汽之間的濃度差逐漸降低，氨蒸汽的吸收量顯著減少，變化趨勢(shì)也趨向平緩。計(jì)算結(jié)果表明，前面6排降膜管壁面所吸收的氨蒸汽約占整個(gè)吸收過(guò)程的80％。水平降膜管層數(shù)圖2單管氨吸收量沿排深的變化液膜主流溫度沿排深方向的變化不是單調(diào)下降的，而是先上升后下降的曲線，溫度出現(xiàn)峰值處表現(xiàn)為此時(shí)的吸收熱與冷卻熱持平，其后由于冷卻熱大于吸收熱，液膜主流溫度單調(diào)下降，如圖3所示。氣液界面處的溫度變化規(guī)律與液膜主流溫度的變化規(guī)律相似，從圖中可看出氣液界面處的溫度約高于液膜主流溫度5。C左右。冷卻水溫度由于冷卻作用的影響而呈單調(diào)下降趨勢(shì)(冷卻方式為逆流形式)。另外從圖中還可看出，在排深方向的前幾排管，由于傳質(zhì)過(guò)程的強(qiáng)烈影響，溫度變化較為劇烈，而此后由于濃度趨于平衡而使得傳質(zhì)能力降低，且下降趨勢(shì)也趨向緩和。單管吸收熱及單管冷卻熱的變化趨勢(shì)如圖4所示。單管吸收熱是氨吸收量的單值函數(shù)，隨著氨吸收量的減少，單管吸收熱也隨之降低。尤其是在前幾排管，由于傳質(zhì)量的顯著減少，單管吸收熱也顯著降低，其后由于濃度趨于平衡，單管吸收熱的變化也·122·趨于平緩。而單管冷卻熱的變化與之完全不同，前幾排管由于所需傳遞的熱量較多而顯著增加，直至在第5排管附近，單管吸收熱與單管冷卻熱基本持平。其后，由于吸收能力的顯著降低使得由于吸收產(chǎn)生的熱量顯著減少，需要冷卻水帶走的熱量也因此降低，曲線變化趨向平緩。水平降膜管層數(shù)圖3主流、冷卻水及氣液界面溫度圖4單管吸收熱、單管冷卻熱的變化水平降膜臂層致圖5總吸收熱、總冷卻熱的變化圖5示出了沿排深方向總吸收熱和總冷卻熱的變化曲線。當(dāng)管排數(shù)約為15時(shí)，總吸收熱與總冷卻熱相抵，此時(shí)液膜主流溫度與液膜初始溫度相同。圖中也清楚地說(shuō)明，在水平管外氨水降膜吸收的傳熱傳質(zhì)耦合過(guò)程中，大部分過(guò)程由傳質(zhì)過(guò)程所制約，只是在管層數(shù)約為15以后，傳熱過(guò)程才較明顯地影響著傳質(zhì)過(guò)程。因此，以往按純熱交換設(shè)備來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)算吸收器傳熱管束面積的方法顯然不合理，計(jì)算結(jié)果顯然要比實(shí)際的傳熱面積大。4結(jié)語(yǔ)作為吸收式制冷系統(tǒng)中重要部件的吸收器，其傳熱傳質(zhì)性能強(qiáng)烈影響著制冷系統(tǒng)的整體性能。在設(shè)計(jì)吸收器時(shí)，不能把吸收器看作純粹的熱交換設(shè)備。實(shí)際發(fā)生的傳熱傳質(zhì)過(guò)程相互影響，相互制約。由上述計(jì)算結(jié)果可知，傳質(zhì)過(guò)程發(fā)生在整個(gè)降膜吸收過(guò)程中，尤其是前幾排管，傳質(zhì)過(guò)程引起的熱交換顯然要比純換熱過(guò)程要?jiǎng)×业枚唷Ｔ隈詈线^(guò)程中，約2／3的過(guò)程受傳質(zhì)過(guò)程所控制，只是在最后幾排管，由于傳質(zhì)能力的顯著下降，氨吸收引起的熱交換才不起主導(dǎo)作用。因此，在吸收器設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)傳質(zhì)過(guò)程做重點(diǎn)考慮。
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