餘熱利用摘要：船用柴油機廢熱品位較高，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，吸收器的合理設計直接決定了制冷系統的綜合性能。在對水平管氨降膜吸收器中傳質與傳熱的相互關系進行詳細分析的基礎上，建立了完全基于熱、質耦合傳遞的二維模型。數值計算結果表明，在氨降膜吸收過程中，強烈的傳質過程是實質，起着主導作用，而傳熱過程僅是傳質過程的外在表現。關鍵詞：餘熱利用；吸收器；傳熱傳質；數值模拟中圖分類号：TKll+5文獻标識碼：A文章編号：1002-6339(2006)02-0120-04studyonCoupledMassandHeatinAbsorptionRefrigeratingDeviceUsingWasteHeatHUANGZhong--zhou(GuangdongOceanUniversity，Zhanjiang524088，China)Abstract：Thequalityofthewasteheatexhaustedfromdieselengineinvesselsishigh，whichmeansitispos-sibletoutilizewasteheatinanabsorptionrefrigerationdeviceflSheatH粥ouH≥es。Asoneofthemostimportantcomponents，properdesignoftheabsorberisakeywaytoimprovetheintegrativeperformanceoftherefrigemt-ingsystem．Withthedetailedanalysesaboutthemutualitybetweenthemassandheattransferinahorizontalfallingfilmammonia-waterabsorber．anew2一DmodelbasedOilthecouplingoftheInass&heattransferisintroduced．Numericalresultsindicatethatthemasstransferisdominantandtheheattransferisjusttheex-trinsicexhibition．Keywords：wasteheatutilization；absorber；heat&masstransfer；numericalsimulation1引言近些年來，國内近海各種經濟魚類資源日益匮乏，海洋捕撈逐漸向外海域擴展，捕撈作業的周期也相應延長，這就要求對海産品進行保鮮處理。原有的保鮮技術主要有兩種，一是直接由柴油機驅動壓縮式制冷裝置進行保鮮，另一種是通過岸基加冰的收稿日期2005-12-16修訂稿日期2006-03-01基金項目：廣東海洋大學人才引進專項基金資助櫃者簡介：黃忠洲(t970～)，男，博士，講師。·120·方式進行保鮮。無論何種保鮮方式，都是以消耗額外能源為代價。．受遠航條件以及船體空間和承載條件的限制，過度消耗動力燃料以及攜帶過多的輔助設施無疑會大大增加捕撈成本。節約能源、保護環境是當前世界各國共同關心的問題。随着船用柴油機功率的不斷增加，柴油機排放中可資利用的餘熱也越來越多，因此，利用捕撈作業過程中産生的餘熱進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的餘熱，減少柴油機的廢氣排放，也成為當前科研人員緻力研究的課題。目前對柴油機餘熱的利用主要集中在廢氣渦輪增加技術上，盡管如此，燃料所釋放的能量依然隻有20％～45％被柴油機有效利用?1，其餘熱量均随冷卻水、廢氣等排人周圍環境中。而氨水吸收式制冷系統具有結構簡單、運行可靠、制冷量大、能夠實現低溫制冷以及可以利用低品位的熱源等特點，從節能與環保的角度來看，開發設計柴油機餘熱吸收式制冷系統具有重大意義。吸收器是氨水吸收式制冷系統中最主要的設備之一。在整套系統中，吸收器體積最大、耗材最多，同時也是系統中熱負荷最大的一個部件。它制約着氨吸收式制冷系統的結構和性能。目前降膜式吸收器是經常采用的吸收設備形式，這主要是由于降膜吸收過程中被吸收氣體的壓力損失小，基本是在等壓狀态下完成吸收過程，便于設計和操作。在設計環節上，以往對吸收器的設計側重于傳熱分析，忽略了反應強烈的傳質過程(2,3,4J。針對氨降膜吸收過程的傳質特性，文獻[5]對垂直降膜管内的氨降膜熱、質耦合傳遞過程進行了研究，指出傳質與傳熱過程相互耦合，且傳質過程處于主導地位。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，更是成為研究的熱點。本文在詳細分析水平管外氨降膜吸收過程後，建立了數值計算模型，為進一步提高吸收率以及在實際應用中減小吸收器的設計尺寸提供了設計依據。2吸收過程分析及幾點假設2．1傳熱傳質過程要對水平管外氨降膜吸收器進行傳熱、傳質分析，首先必須清楚降膜吸收過程中的各種物理及化學現象。基于傳熱、傳質相互影響這一基本事實，在完全滿足工程應用的基礎上，對吸收過程合理簡化，最終建立可求解的數學模型。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，并順次流經各層水平管直至最底部。管内流有一定溫度和流量的冷卻水，傳熱傳質過程産生的熱量由冷卻水及時帶走。其中氨蒸汽向液相轉移過程可分為三個過程，即：由氨蒸汽向氣液界面的傳遞、穿過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内部擴散，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态，從而實現傳質的目的。氨蒸汽的吸收過程依賴于分子擴散和對流，而質量的傳遞又反過來影響熱量的傳遞。由于傳質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、氨蒸汽由氣相過渡為液相的凝結熱以及氨蒸汽與溶液混合産生的溶解熱。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着氣液相界面處的平衡壓力，并改變着相際間傳質過程。因而在吸收過程中，質量、動量、熱量傳遞過程将同時進行，互相交織，互相影響，是一個相當複雜的過程。2．2幾點假設為建立數學模型，且模型能夠求解，需對複雜的熱質耦合過程進行簡化。為此，做了以下幾點假設：(1)吸收過程中，氨蒸汽均勻混合，且吸收過程是在等壓狀态下發生；(2)由于氨與水的沸點相差較大，可以忽略水蒸氣的蒸發量，吸收過程僅被看作是氨吸收的單相傳遞過程；(3)沿液膜厚度方向的液膜溫度可近似為線性變化關系；(4)每層水平管内的冷卻水溫度相差不大，可以假設某一定管長範圍内冷卻水的溫度保持不變；(5)穩态吸收過程；(6)每層水平管的液膜流型相同。3算例及分析3．1算例經前述分析并結合幾項假設後，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，我們對該模型進行了計算。吸收器工作參數如表1所示。表1吸收器初始運行參數氨溶液流量進口溶液濃度進口溶液溫度冷卻水流量冷卻水進口溫度氨蒸汽溫度管列數降膜管規格(徑、長、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緻的，因此為減少計算量，計算過程中僅選擇一列管進行計算。當氨蒸汽的總吸收量達到0．375kg／s時，結束計算并得到所需的管層數及總傳熱量。3．2結果分析當氨蒸汽總吸收量達到0．375kg／s時，計算所得的管層數約為25。圖2至圖5分别讨論了傳熱傳質過程中各參數的變化關系。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下調。在前幾排管(圖示約為前6排管)，由于濃度差較大，傳質過程進行得較為劇烈，但随着管排的增加，氨吸收過程的持續進行，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，變化趨勢也趨向平緩。計算結果表明，前面6排降膜管壁面所吸收的氨蒸汽約占整個吸收過程的80％。水平降膜管層數圖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下降的，而是先上升後下降的曲線，溫度出現峰值處表現為此時的吸收熱與冷卻熱持平，其後由于冷卻熱大于吸收熱，液膜主流溫度單調下降，如圖3所示。氣液界面處的溫度變化規律與液膜主流溫度的變化規律相似，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下降趨勢(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，由于傳質過程的強烈影響，溫度變化較為劇烈，而此後由于濃度趨于平衡而使得傳質能力降低，且下降趨勢也趨向緩和。單管吸收熱及單管冷卻熱的變化趨勢如圖4所示。單管吸收熱是氨吸收量的單值函數，随着氨吸收量的減少，單管吸收熱也随之降低。尤其是在前幾排管，由于傳質量的顯著減少，單管吸收熱也顯著降低，其後由于濃度趨于平衡，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。其後，由于吸收能力的顯著降低使得由于吸收産生的熱量顯著減少，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緻圖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。當管排數約為15時，總吸收熱與總冷卻熱相抵，此時液膜主流溫度與液膜初始溫度相同。圖中也清楚地說明，在水平管外氨水降膜吸收的傳熱傳質耦合過程中，大部分過程由傳質過程所制約，隻是在管層數約為15以後，傳熱過程才較明顯地影響着傳質過程。因此，以往按純熱交換設備來設計計算吸收器傳熱管束面積的方法顯然不合理，計算結果顯然要比實際的傳熱面積大。4結語作為吸收式制冷系統中重要部件的吸收器，其傳熱傳質性能強烈影響着制冷系統的整體性能。在設計吸收器時，不能把吸收器看作純粹的熱交換設備。實際發生的傳熱傳質過程相互影響，相互制約。由上述計算結果可知，傳質過程發生在整個降膜吸收過程中，尤其是前幾排管，傳質過程引起的熱交換顯然要比純換熱過程要劇烈得多。在耦合過程中，約2／3的過程受傳質過程所控制，隻是在最後幾排管，由于傳質能力的顯著下降，氨吸收引起的熱交換才不起主導作用。因此，在吸收器設計中，應對傳質過程做重點考慮。

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