余热利用摘要：船用柴油机废热品位较高，基本满足吸收式制冷装置的需要。作为吸收式制冷装置中重要的部件，吸收器的合理设计直接决定了制冷系统的综合性能。在对水平管氨降膜吸收器中传质与传热的相互关系进行详细分析的基础上，建立了完全基于热、质耦合传递的二维模型。数值计算结果表明，在氨降膜吸收过程中，强烈的传质过程是实质，起着主导作用，而传热过程仅是传质过程的外在表现。关键词：余热利用；吸收器；传热传质；数值模拟中图分类号：TKll+5文献标识码：A文章编号：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引言近些年来，国内近海各种经济鱼类资源日益匮乏，海洋捕捞逐渐向外海域扩展，捕捞作业的周期也相应延长，这就要求对海产品进行保鲜处理。原有的保鲜技术主要有两种，一是直接由柴油机驱动压缩式制冷装置进行保鲜，另一种是通过岸基加冰的收稿日期2005-12-16修订稿日期2006-03-01基金项目：广东海洋大学人才引进专项基金资助柜者简介：黄忠洲(t970～)，男，博士，讲师。·120·方式进行保鲜。无论何种保鲜方式，都是以消耗额外能源为代价。．受远航条件以及船体空间和承载条件的限制，过度消耗动力燃料以及携带过多的辅助设施无疑会大大增加捕捞成本。节约能源、保护环境是当前世界各国共同关心的问题。随着船用柴油机功率的不断增加，柴油机排放中可资利用的余热也越来越多，因此，利用捕捞作业过程中产生的余热进行制冷不失为一种理想的保鲜措施，如何综合有效地利用船用柴油机的余热，减少柴油机的废气排放，也成为当前科研人员致力研究的课题。目前对柴油机余热的利用主要集中在废气涡轮增加技术上，尽管如此，燃料所释放的能量依然只有20％～45％被柴油机有效利用?1，其余热量均随冷却水、废气等排人周围环境中。而氨水吸收式制冷系统具有结构简单、运行可靠、制冷量大、能够实现低温制冷以及可以利用低品位的热源等特点，从节能与环保的角度来看，开发设计柴油机余热吸收式制冷系统具有重大意义。吸收器是氨水吸收式制冷系统中最主要的设备之一。在整套系统中，吸收器体积最大、耗材最多，同时也是系统中热负荷最大的一个部件。它制约着氨吸收式制冷系统的结构和性能。目前降膜式吸收器是经常采用的吸收设备形式，这主要是由于降膜吸收过程中被吸收气体的压力损失小，基本是在等压状态下完成吸收过程，便于设计和操作。在设计环节上，以往对吸收器的设计侧重于传热分析，忽略了反应强烈的传质过程(2,3,4J。针对氨降膜吸收过程的传质特性，文献[5]对垂直降膜管内的氨降膜热、质耦合传递过程进行了研究，指出传质与传热过程相互耦合，且传质过程处于主导地位。相比垂直降膜管，水平管外氨降膜吸收由于喷淋密度大、制冷量高等特点，更是成为研究的热点。本文在详细分析水平管外氨降膜吸收过程后，建立了数值计算模型，为进一步提高吸收率以及在实际应用中减小吸收器的设计尺寸提供了设计依据。2吸收过程分析及几点假设2．1传热传质过程要对水平管外氨降膜吸收器进行传热、传质分析，首先必须清楚降膜吸收过程中的各种物理及化学现象。基于传热、传质相互影响这一基本事实，在完全满足工程应用的基础上，对吸收过程合理简化，最终建立可求解的数学模型。喷淋的氨稀溶液图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组水平放置的管簇组成(如图1所示)，外部空间充满氨蒸汽。管族上部喷淋氨稀溶液，形成的薄膜覆盖于水平管外，并顺次流经各层水平管直至最底部。管内流有一定温度和流量的冷却水，传热传质过程产生的热量由冷却水及时带走。其中氨蒸汽向液相转移过程可分为三个过程，即：由氨蒸汽向气液界面的传递、穿过气液界面的传递以及由气液界面向氨水溶液的传递。液膜吸收氨的原动力是液面氨组份与液膜主流氨溶液的浓度差，浓度差的存在促使液面氨组份向液膜内部扩散，使得液面由于不饱和而不得不吸收外部的氨蒸汽以维持平衡状态，从而实现传质的目的。氨蒸汽的吸收过程依赖于分子扩散和对流，而质量的传递又反过来影响热量的传递。由于传质作用引起的热量传递包括氨蒸汽和氨水溶液传入冷却水的热量、氨蒸汽由气相过渡为液相的凝结热以及氨蒸汽与溶液混合产生的溶解热。由热量传递引起的氨溶液主流温度和浓度的改变直接影响着气液相界面处的平衡压力，并改变着相际间传质过程。因而在吸收过程中，质量、动量、热量传递过程将同时进行，互相交织，互相影响，是一个相当复杂的过程。2．2几点假设为建立数学模型，且模型能够求解，需对复杂的热质耦合过程进行简化。为此，做了以下几点假设：(1)吸收过程中，氨蒸汽均匀混合，且吸收过程是在等压状态下发生；(2)由于氨与水的沸点相差较大，可以忽略水蒸气的蒸发量，吸收过程仅被看作是氨吸收的单相传递过程；(3)沿液膜厚度方向的液膜温度可近似为线性变化关系；(4)每层水平管内的冷却水温度相差不大，可以假设某一定管长范围内冷却水的温度保持不变；(5)稳态吸收过程；(6)每层水平管的液膜流型相同。3算例及分析3．1算例经前述分析并结合几项假设后，我们就可以建立起二维模型。在给定的初始条件及边界条件下，我们对该模型进行了计算。吸收器工作参数如表1所示。表1吸收器初始运行参数氨溶液流量进口溶液浓度进口溶液温度冷却水流量冷却水进口温度氨蒸汽温度管列数降膜管规格(径、长、厚)2．472kg／s0．219644℃28．1944kg／s30℃22℃20帕8nn、1000iYlln、3．5n'im由上述给定的初始条件，就可逐段计算水平管·121·外液膜的厚度、温度、浓度、传热量等。冷却水的流动方向采用逆流形式。如果忽略吸收器外层壁面的影响，则每列管的降膜情况是一致的，因此为减少计算量，计算过程中仅选择一列管进行计算。当氨蒸汽的总吸收量达到0．375kg／s时，结束计算并得到所需的管层数及总传热量。3．2结果分析当氨蒸汽总吸收量达到0．375kg／s时，计算所得的管层数约为25。图2至图5分别讨论了传热传质过程中各参数的变化关系。图2给出了单管氨吸收量沿排深方向的变化曲线。沿排深方向，氨蒸汽的吸收量呈单调下调。在前几排管(图示约为前6排管)，由于浓度差较大，传质过程进行得较为剧烈，但随着管排的增加，氨吸收过程的持续进行，液膜主流浓度与氨蒸汽之间的浓度差逐渐降低，氨蒸汽的吸收量显著减少，变化趋势也趋向平缓。计算结果表明，前面6排降膜管壁面所吸收的氨蒸汽约占整个吸收过程的80％。水平降膜管层数图2单管氨吸收量沿排深的变化液膜主流温度沿排深方向的变化不是单调下降的，而是先上升后下降的曲线，温度出现峰值处表现为此时的吸收热与冷却热持平，其后由于冷却热大于吸收热，液膜主流温度单调下降，如图3所示。气液界面处的温度变化规律与液膜主流温度的变化规律相似，从图中可看出气液界面处的温度约高于液膜主流温度5。C左右。冷却水温度由于冷却作用的影响而呈单调下降趋势(冷却方式为逆流形式)。另外从图中还可看出，在排深方向的前几排管，由于传质过程的强烈影响，温度变化较为剧烈，而此后由于浓度趋于平衡而使得传质能力降低，且下降趋势也趋向缓和。单管吸收热及单管冷却热的变化趋势如图4所示。单管吸收热是氨吸收量的单值函数，随着氨吸收量的减少，单管吸收热也随之降低。尤其是在前几排管，由于传质量的显著减少，单管吸收热也显著降低，其后由于浓度趋于平衡，单管吸收热的变化也·122·趋于平缓。而单管冷却热的变化与之完全不同，前几排管由于所需传递的热量较多而显著增加，直至在第5排管附近，单管吸收热与单管冷却热基本持平。其后，由于吸收能力的显著降低使得由于吸收产生的热量显著减少，需要冷却水带走的热量也因此降低，曲线变化趋向平缓。水平降膜管层数图3主流、冷却水及气液界面温度图4单管吸收热、单管冷却热的变化水平降膜臂层致图5总吸收热、总冷却热的变化图5示出了沿排深方向总吸收热和总冷却热的变化曲线。当管排数约为15时，总吸收热与总冷却热相抵，此时液膜主流温度与液膜初始温度相同。图中也清楚地说明，在水平管外氨水降膜吸收的传热传质耦合过程中，大部分过程由传质过程所制约，只是在管层数约为15以后，传热过程才较明显地影响着传质过程。因此，以往按纯热交换设备来设计计算吸收器传热管束面积的方法显然不合理，计算结果显然要比实际的传热面积大。4结语作为吸收式制冷系统中重要部件的吸收器，其传热传质性能强烈影响着制冷系统的整体性能。在设计吸收器时，不能把吸收器看作纯粹的热交换设备。实际发生的传热传质过程相互影响，相互制约。由上述计算结果可知，传质过程发生在整个降膜吸收过程中，尤其是前几排管，传质过程引起的热交换显然要比纯换热过程要剧烈得多。在耦合过程中，约2／3的过程受传质过程所控制，只是在最后几排管，由于传质能力的显著下降，氨吸收引起的热交换才不起主导作用。因此，在吸收器设计中，应对传质过程做重点考虑。

文章来自：http://www.ytebara.com.cn/index.php?catid=624/