（轮机工程专业论文）渔船尾气吸附式制冷系统的设计及传热数值模拟.pdf

中文摘要 摘要 环境和能源已经成为当今世界发展所面临的两个主要难题，所以他们也成为 了全世界共同关注的一个热点问题。吸附式制冷技术具有环保和节能两大特征， 与传统的压缩式制冷技术相比蕴含着更大的开发潜力。吸附式制冷技术还具有直 接使用天然制冷剂，无较大运动部件等特点，因而受到了学术界广泛的重视。 本文将吸附式制冷技术应用于渔船制冰领域，针对渔船的工作要求和陆地的 实际情况，建立了一个热管型吸附式制冰机，并采用数值模拟的方法做了一些探 索性工作，主要有以下几部分： 1 介绍了常用的吸附工质对及其主要特点，选取以活性炭为基质的氯化钙 一氨为本系统的制冷工质对，并对本吸附制冷循环做了理论分析。 2 针对长期反复使用后，氯化钙与水结块吸附性能逐渐降低的特点，设计 了一个以法兰组件密封的可以拆卸的热管型吸附床。 3 吸附床可以直接有效的利用渔船发动机排放的烟气，并以热管为高效传 输介质对吸附剂进行加热，可以很好的提高烟气热量的利用率，同时热管的布置 方式可以方便的更换各种吸附工质对，为今后的对比试验奠定了基础。 4 根据陆地实际情况建立了一个模拟渔船尾气环境的吸附制冷陆地试验 台，并重新优化设计了蒸发器、贮液器和烟气混合室等制冷关键部件。 5 利用f l u e n t 软件对烟气加热吸附床进行了数值模拟，确定了吸附制冷系 统的最佳加热时间、进口速度和烟气温度，不仅有效的缩短了循环时间，提高了 循环效率，而且可以充分利用了烟气的热量，这些都对今后的具体试验具有指导 意义。与此同时，利用f l u e n t 软件对冷空气冷却吸附床的过程进行了模拟，对 热管和吸附床的冷却情况进行了分析，利用f l u e n t 中的迹线方法描述了烟气在 加热热管时和冷空气在冷却吸附床时不同的流动情况，并对原因进行了分析。 关键词：吸附式制冷；热管；温度场；n _ a e n t 英文摘要 d e s i g na n d n u m e r i c a lsi m u l a t i o no f h e a t i n gp r o c e s so f a n a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e md r i v e nb ye x h a u s t g a si nf i s h i n g v e s s e l s a b s t r a c t i s s u e so fe n v i r o n m e n ta n de n e r g ya ret w om a i np r o b l e ma r e a sp r e s e n t l y c o n f r o n t i n gt h ew o r l d ，s oe n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e mh a sa l r e a d yb e c o m ea c o m m o n g l o b a l l y i n t e r e s t e d p r o b l e m a t p r e s e n t a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n i s a d v a n t a g e o u sf o re n v i r o n m e n tf r i e n d l i n e s sa n de n e r g yc o n s e r v a t i o n c o m p a r e dw i n l t r a d i t i o n a lv a p o rc o m p r e s s i o nt y p er e f r i g e r a t i o n , a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nh a sag r e a t p o t e n t i a lf o re x p l o i t a t i o n a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mc a l lu s en a t u r a lr e f r i g e r a n t a n da v o i dt h eb i g g e rm o v i n gp a r t s ，s oa d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g yh a s r e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o ni nr e c e n ty e a r s t h i st e x tp r e s e n t sa na n a l y s i so fa d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ni nf i s h e ri c e - m a k i n g f i e l db ye x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o n sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n s ，b a s e do nt h e e n v i r o n m e n to fl a n d ，w eh a v ee s t a b l i s h e dal a b o r a t o r i a lp l a t f o r mt os i m u l a t ep r a c t i c a l s i t u a t i o no ff i s h i n gv e s s e l ，t h em a i nw o r k sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h em a i nf e a t u r e so fs o m eu s e du s u a l l yw o r k i n g r e f r i g e r a n t t h es e l e c t i o no fb a s i n go na c t i v a t e dc a r b o nf i b e rc h l o r i n a t i o nc a l c i u m - - a m m o n i aa st h ew o r k i n gp a i r s a n da n a l y s i so ft h ec o n t i n u o u sh e a tr e g e n e r a t i v e a d s o r p t i o nc o o l i n gc y c l eu s i n gt h ec h l o r i n a t i o nc a l c i u m - - - a m m o n i aa s 。t h ew o r k i n g p a i r s 2 i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo ft h ea b i l i t yo fa d s o r p t i o na n dd e s o r p f i o nf a d e a w a y , t h i st e x th a sd e s i g n e dan e w k i n do fd e t a c h a b l eh e a tp i p ea d s o r b e n tb e db o l t e d f l a n g ej o i n ta s s e m b l y 3 t h ea d s o r p t i o nb e dc a nd i r e c tu s ee x h a u s tg a sf r o mf i s h i n gv e s s e l s ，a n di tu s e h e a tp i p et ot m n s f e rh e a tw h i c hi sak i n do fe f f i c i e n tt r a n s m i a s i o nm e d i u m t h e d i s t r i b u t i o no fh e a tp i p ec a l lh e l pu sc h a n g ew o r k i n gp a i r sc o n v e n i e n t , w h i c hl a y st h e f o u n d a t i o no fc o m p a r a t i v et e x ti nf u t u r e 英文摘要 4 b a s e do l lt h ee n v i r o n m e n to fl a n d w eh a v ee s t a b l i s h e dal a b o r a t o r i a lp l a t f o r m t os i m u l a t ep r a c t i c a ls i t u a t i o no ff i s h i n gv e s s e l a n dt h ek e yp a r t so ft h es y s t e m ，s u c h a se v a p o r a t o rl i q u i dr e s e r v o i ra n dm i x i n gc h a m b e rh a v e b e e nr e d e s i g n e d 5 i no r d e rt od e t e r m i n et h eb e s th e a t i n gt i m e 、v e l o c i t yo fi n l e ta n dt e m p e r a t u r e o fe x h a u s tg a s ，w eu t i l i z ef l u e n tt oi m i t a t et e m p e r a t u r ef i e l do fh e a tp i p eb y e x h a u s tg a sh e a t i n g ，w h i c hi sn o to n l ys h o r t e nc i r c u l a t i o nc y c l ea n di m p r o v ec y c l e e f f i c i e n c y , b u ta l s om a k et h eb e s to fe n e r g yo fe x h a u s tg a s ，i tc a np r o v i d es o m e s u g g e s t st oe x p e r i m e n t a tt h es a m et i m e ，w eu t i l i z ef l u e n t t oi m i t a t et e m p e r a t u r e f i e l do fh e a tp i p eb ya i rc o o l i n g w ea l s ou t i l i z et h em e t h o do ft r a c eo ff l u e n tt o i m i t a t e t h e t r a c eo fe x h a u s tg a sa n da i ri na d s o r b e n tb e d t h e ya l eo fg r e a t s i g n i f i c a n c ef o rt h er e s e a r c ho fe x h a u s tg a sh e a t i n gs o l i da d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n s y s t e mo ff i s 址n gv e s s e l 。 k e yw o r d ：a d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n ；h e a tp i p e ；t e m p e r a t u r ef i e l d ；f l u e n t 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文“渔监屋氢堕阻塞剑猃丕筮的遮盐丞笾垫数笪撞拯”除论文 中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：糊制卅年- r 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于： 保密口 不保密口( 请在以上方框内打“4 ”) 一糨新虢翮彳 日期：2 1 年1 月l 日 渔船尾气吸附式制冷系统的设计及传热数值模拟 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 随着世界经济的发展和全球工业化的影响，人类对能源的需求日益增加，且二 氧化碳的排放量也急剧增长，温室效应越来越显著，能源危机和环境恶化情况日 益突出，国内外对环境保护的呼声日益高涨，寻求经济发展、能源及环境消耗的 相互协调，实现可持续发展战略的观念，正成为各国政府和人民的共识，发展节 能和环保的新技术也成为学术界研究的新热点。对于我国来说，由于受维也纳 保护臭氧层公约、蒙特利尔议定书、及“哥本哈根修订案 等国际性公约、法 规的限制，氟化烃制冷剂的替代问题日趋紧迫。 在制冷与空调业已经发展相当完善的蒸气压缩式制冷技术由于制冷工质c f c 和h c f c 的逐步禁用而面临严峻挑战，那些可避免破坏臭氧层和引起温室效应的 空调制冷技术的开发研究更加引入关注【。尽管各国政府和有关跨国公司都纷纷在 可替代制冷剂和制冷新技术发展方面大量投资【2 4 1 ，但从长远看，对环境的真正影 响可能要到几十年以后才可知晓。这些新的制冷剂相对臭氧层和全球变暖可能是 安全的，但也可能有其它的目前不可预测的副作用。这些技术包括吸收循环、吸 附循环、热电循环和斯特林循环等等。另一方面，从能源资源和人类技术发展情 况来看，2 1 世纪、特别是前半叶人类利用的一次能源组成仍将以化石能源为主， 但可再生能源( 包括太阳能、风能、水能、生物质能、海洋能、地热能等) 的重 要性逐渐增加【5 j 。 在我国，船舶制冷、空调设备主要采用蒸气压缩式制冷方式和c f c 一1 2 与 h c f c 2 2 的制冷剂。蒸气压缩式制冷设备的优点是结构紧凑，制冷系数高，技术 成熟。但是，由于所耗电能为柴油发动机所提供，整体能源利用率低，系统能源 消耗比较大。制冷剂方面1 9 8 0 年代初期投入营运的远洋船( 包括渔船) 中c f c - 1 2 仍占主导地位，在后期设计和投入营运的远洋船中，主要采用h c f c 2 2 【d 8 1 。文 献 9 】讨论了国外船用制冷装置准备改装新制冷剂的一些步骤。而从中小型渔船来 看，随着近海渔业资源不断减少，作业范围逐渐向外海延伸，渔获物的保鲜便成 第l 章绪论 为突出问题。如何开发中小型渔船保鲜制冷装置( 免除c f c s ) ，这是摆在船用制 冷行业的一个重要研究课题。 一般说来，7 5 以上余热能用来驱动吸收式制冷系统，优点是运行连续，较高 的c o p 和持续的制冷能力。然而，由于它结构复杂，体积大，造价高和控制繁琐， 特别是四个主要部件即发生器、冷凝器、吸收器和蒸发器需要自由水平面，不太 适合船体的颠簸运动状态。因此对于中小型渔船使用这种系统尚有许多困难。因 为渔船在航行作业中只能作简单的检修，这样渔船对制冷设备在重量、体积、安 全可靠以及备件方面比陆用有更高的要求。由此看来，吸附式制冷系统由于具有 不需要溶液泵或分馏装置、结构简单、无大运动部件、抗振性好、运行费用低等 诸多优点，比其它系统更具优越性，更适用于渔船制冷。中小型渔船的维持负荷 是不固定的，这使得吸附式制冷非连续的缺点不太突出【l 们。 本文正是建立在上述背景下，文中所开发的用热管来强化吸附床传热的吸附 式制冷系统，符合当前能源、环境协调发展的总趋势，同时热管来强化吸附床传 热，提高了传热效率和制冷系数，且能利用渔船尾气加热，用冷空气冷却，有效 的利用了低品位能源，既节省了燃油费用，又保护了环境。因此，对促进吸附式 制冷的发展和在实船上的应用，具有定的现实意义和社会意义。 1 2 船舶尾气余热驱动的吸附式制冷技术的研究现状 船用柴油机中燃油燃烧所供给热量的3 0 - 4 5 为废气所带走而损失掉，且排 气温度一般在4 0 0 左右或者更高。对于船用柴油机，回收这部分排气热量的方法 主要有 1 0 j ： ( 1 ) 普遍采用废气涡轮增压器。此种增压器己成为柴油机的配套产品，能增 加柴油机的充气量，从而提高热能的利用率。废气涡轮增压技术自上世纪4 0 - - 5 0 年代起在船用和陆用大型发动机上就得到了大量推广使用【1 1 1 。 ( 2 ) 余热锅炉。在主机的排气管通道上安装余热锅炉来产生蒸汽或热水，供 旅客和船员的生活应用，或加热重油( 柴油机燃料) ，或用来作为动力。热管式余 热蒸汽锅炉和热水器在轮船上己得到成功应用【1 2 - 1 4 1 。 渔船尾气吸附式制冷系统的设计及传热数值模拟 ( 3 ) 加热压载水。加热方法是防止船上压载水引入外来有害生物的措施之一， 其主要原理是利用高温( 3 5 - 4 5 c ) 杀死压载水中的有害生物。 ( 4 ) 废气淡化海水和废气干燥等装置。用柴油机废气或废气锅炉的热水蒸汽 为热源，在舰船上使用的海水淡化装置有废热式蒸馏淡化装置t 1 5 】。 ( 5 ) 废气驱动的涡轮发电装置。利用柴油机废气产生蒸汽的余热回收装置与 涡轮发电系统( 汽轮机) 联用产生电力，可补充船舶航行中的用电需要【1 6 瑚】。 ( 6 ) 余热驱动的吸收式制冷机。对于固定式发动机如油田用大型内燃机，柴 油发电机组，热电厂等，余热驱动制冷机的实现相对比较容易1 9 - 2 2 ；而对于车辆、 船舶等运动设备来说，由于受到几何尺寸、重量、效率以及可靠性方面的限制， 发动机余热制冷的实现则要困难得多。 ( 7 ) 余热驱动的吸附式制冷机。船舶相对于陆地，工作环境较差，有较大的 振动、水气以及纵横摇摆，吸附式制冷机就不受振动、水气和摇摆的限制，显示 出在船舶上应用的优越性。 文献 2 3 ，2 4 对渔船保鲜用吸附式冷冻水系统做了研究，根据沸石一水吸附单 元管的动态吸附特性，拟定出回收渔船上柴油机排气余热用于渔产品保鲜的吸附 制冷系统方案。研制出容量为每吸附循环产冷量3 4 0 0k j 的中试样机( 循环周期为 3 小时) ，并给出了其经济性评价。 文献 2 5 】报道了日本前川制作所研制的可应用于船舶空调的吸附式制冷机，它 以发动机和发电机等各类辅机所产生的低温余热( 7 5 - 8 0 ) 作为驱动热源， 以能利用较低温余热的特制硅胶为吸收剂和水为制冷剂。它还可以适用于今后需 要量增加的谷物运输船等。 王丽伟等 2 6 采用6 1 6 0 a 型柴油机为热源，设计了一套发动机余热驱动的、用 于渔船鱼类保鲜的吸附式制冰系统。同时，对散装活性炭与块状活性炭的吸附式 制冰在传热、传质方面进行了试验对比研究。 王树刚 1 0 针对渔船制冰工况对制冷系统进行了有关试验，用导热油电加热锅 炉为热源，以实验室冷却水塔的循环水为冷源，输出冷量温度控制在7 。在循环 时间为3 5 r a i n ( 其中加热解吸占1 5 m i n ) 的情况下，系统的c o p 为0 0 7 。 第1 章绪论 湖南定宇公司 2 7 以固体无机盐为吸附剂，氨作为制冷剂，设计了汽车尾气冰 箱和渔船制冰用制冷机。该两种产品利用发动机废气的余热为驱动热源。其汽车 余热冰箱：容量6 0 1 2 0 l ，制冷温度一1 2 。c + 5 。其吸附式渔船制冰样机，制 冷功率1 2 k w ，制冰能力为8 3 k g m ，冷却介质是1 0 的海水。 王丽伟 2 8 利用相变换热的传热机理，采用热管技术设计出了一台复合吸附船 用吸附式制冷机组。该机组的优点一是采用新型的活性炭和氯化钙的复合吸附剂 来提高氯化钙的单纯的吸附性能，二是系统采用热管技术实现吸附床复合交变的 加热与冷却过程，从而解决传统型氨吸附式制冷系统在船用吸附式制冰应用中冷 海水腐蚀的问题。 周冬雷 2 9 】根据对z 6 1 7 0 型渔船的保鲜制冷热负荷的计算及柴油发动机的废气 余热指标，设计了双床吸附式制冷系统。在设计中采用了内外翅片单元管结构以 及三个电动机头的自控电动板阀形式的柴油机废气换向装置；冷凝器、蒸发器等 换热部件采用了换热效率较高的板式换热器。建立了陆地实验台，并在模拟渔船 柴油机废气工况下对样机进行运行可靠性实验。将开发出的尾气吸附式制冷设备 机组安装在渔船上，检验机组的实用性能。实验表明，尾气吸附式制冷设备在运 行可靠性上达到了船舶制冷的实用要求。 文献 3 0 介绍了现在渔船制冰的现状：带冰出海、蒸汽压缩式制冰、吸收式和 吸附式制冰。引出吸附式制冰在渔船上的可行性。阐述了它的工作原理和结构以 及测试结果的研究和分析。 文献 3 1 】介绍了新型海洋渔船柴油机尾气制冰机的导热油换热器，其中包括： 进排气口、导热翅片、换热盘管、进排油口等能使渔船柴油机尾气的余热传递给 导热油，使导热油温度升高，实现柴油机尾气( 余热) 同导热油的交换，具有结 构简单、热交换效果好的特点。 文献 3 2 比较了吸附制冷中的常用的循环方式，三效冷环被认为较适宜与余热 回收场合。对于同一余热热源，当一个吸附床被加热解吸时，另两个吸附床被降 温冷却和吸附，当加热解吸完成后，通过阀门的切换，另两个吸附床被依次加热 解吸不管哪个吸附床被加热，余下的两个均处于降温冷却和吸附状态。 渔船尾气吸附式制冷系统的设计及传热数值模拟 文献 3 3 1 分析了吸附式制冷在船舶空调中应用的可行性，并对其在商船上的应 用进行了实用性设计，对系统的组成进行了优化，使之更接近理想循环。对船舶 在航行和在港两种情况的热量来源分别进行控制，为吸附式制冷在船舶运行中实 现自动控制提供基础，也为推动吸附式制冷系统在实船上的使用提供新途径。 s u z u k i 3 4 分析了以沸石分子筛水为工质对的吸附式制冷系统用于小轿车空 调的设计方案，系统的关键主要在于能否有效的提高吸附床的传热、传质性能， 以减少循环时间和降低吸附床重量。 s a h a 3 5 1 提出了一种采用四个吸附床的低温热源双级吸附式制冷循环，此双级 循环效率在热源温度很低的时候比单级循环的效率高，而在热源温度较高时其效 率也比单级的循环效率低。 g o e t z 3 6 3 7 1 利用p b c l 2 m n c l 2 混合吸附剂系统，提出了再吸附的概念，即利 用混合吸附剂中的各个成分特性不同，使p b c l 2 的解析工作状况正好是m n c l 2 的吸 附状况来制冷。p b c l 2 的解析过程所消耗的热量产生制冷量，解析出来的氨则由 m n c l 2 来吸附，这样制冷过程要控制吸附床的压力和温度，否则p b c l 2 的解析状态 将无法与m n c l 2 的吸附状态相对应。 z h u 2 4 等对渔船保鲜用的吸附式制冷系统做了比较深入的研究；l a v a n 3 8 探 讨了卡车尾气驱动的吸附式制冷系统的可行性；y o n e z a w a 3 9 - 4 0 等对废热驱动的 硅胶水双床连续运行的吸附式制冰机进行了大量研究，获得了多项专利。 周洪峰等 4 1 利用远洋船舶柴油机余热进行了固体吸附制冷的可行性研究，并 提出了模拟船舶余热的固体吸附式制冷试验系统的设计方案。并对靠港期间，主 机停用时能量利用必须考虑的问题进行了论证。 董景n 4 2 针对氯化钙一氨工质在反复使用后容易结块、失效等特点设计出了 一种可拆卸式的单元管吸附床一内外翅片单元管吸附床，利用翅片丰富的扩展表 面为传热面，降低吸附剂与床体之间的热阻，并利用a n s y s 软件模拟内外翅片单 元管吸附床的温度场，分析了不同翅片尺寸单元管吸附床的传热规律。 谷杰然 4 3 】利用高效不锈钢热管，针对实船s i t c y o k o h a m a 的运行参数 设计出了一套吸附式制冰机。并根据热管等温性的特点对不锈钢热管在吸附床内 第1 章绪论 的布置进行了分析计算。 1 3 本文研究的主要内容 本课题为大连市科学技术局科技计划项目，项目编号：2 0 0 7 a 1 0 g x l 2 8 。研究 与开发应用于渔船的吸附式制冰机，利用渔船柴油机废气的热量实现制冰。船舶 在运营过程中，每天消耗大量的燃油，其中燃油燃烧所产生的热量有3 0 4 5 被排烟带走，这一部分废热可被固体吸附式制冷所利用。本课题重点研究内容为： 1 根据陆地的实际情况设计了一个基于不锈钢热管的渔船用的吸附式制冰机 的陆地试验台，对吸附床、蒸发器。贮液器和混合室进行了有针对性的改进。 2 根据实际工况选定活性炭纤维和氯化钙一氨的最佳的吸附剂工质对，实现 制冷过程的高效性。 3 针对吸附剂氯化钙经长期使用后的吸附能力衰退问题，设计出应用法兰组 件的可以拆卸的热管型吸附床。 4 根据高温烟气加热吸附床的条件，利用f l u e n t 对烟气加热吸附床的情况 进行了数值模拟，确定了吸附式系统的烟气加热时间，烟气进口速度和烟气的温 度，为进一步的试验提供了有益的参考。 5 利用f l u e n t 对吸附床的冷却情况进行了模拟，除了进口温度改变外，保 持其他工况参数对吸附床热管的冷却进行了模拟，确保冷却结束后吸附床的温度 达到一个理想的温度。 渔船尾气吸附式制冷系统的设计及传热数值模拟 第2 章吸附式制冷工质对 2 1 物理吸附工质对卅 2 。1 1 物理吸附的影响因素 物理吸附工质对之间的吸附力一般是分子间的范德华力，它由以下几部分的 因素影响决定： ( 1 ) 色散力。分子中的电子和原子核都在不停的运动着，运动过程中它们会 发生瞬时的相对位移，在每一瞬间分子的正负电中心不重合。虽然在一段时间内 大体上看来分子的正负电中心是重合的，表现为非极性分子，但每一瞬间却总是 出现正负电中心不重合的状态，形成瞬时偶极。当两个非极性分子靠得较近，这 两个分子的电中心步调一致的处于异极相邻的状态。这样就在两个分子间产生一 种吸引作用，这种作用力，叫色散力。虽然每一瞬间时间极短，但下一瞬间仍然 重复这种异极相邻的状态，因此在这靠近的两个分子间的作用始终存在着。只有 当分子离得稍远时，色散力才不显著。色散作用与分子的极化率有关，极化率越 大的分子间的色散作用越强。色散力与分子间的距离的6 次反比。 ( 2 ) 诱导作用。当极性分子与非极性分子靠近的时候，除了色散力，还存在 诱导作用。极性分子本身具有不重合的正负电中心，当非极性分子与其靠近时， 在极性分子电场的诱导下，非极性分子原来重合的正负电中心被极化，因此两个 分子保持着异极相邻的状态，它们之间由此而产生的吸引作用叫诱导作用。诱导 作用力也与分子间的距离的6 次方成反比，此外，它还与极性分子的偶极距和非 极性分子的极化率成正比。 ( 3 ) 取向作用。当两个极性分子靠近时，由于同机相吸、异性相斥，使分子 在空间的运动遵循一定的方向，成为异极相邻的状态。这种由于极性分子的取向 而产生的分子之间的吸引作用叫取向作用。取向作用力与分子间的距离的6 次方 成反比，与极性分子的偶极距成正比。 色散力、诱导作用力及分子间的取向作用力统称为分子间作用力，即范德华力。 第2 章吸附式制冷工质对 事实上，这三种力是相互联系的。 2 1 2 主要物理吸附工质对 物理吸附工质对主要包括活性炭一甲醇、活性炭一氨、硅胶一水和沸石分子筛 水。 ( 1 ) 活性炭一甲醇 活性炭一甲醇是目前使用较为广泛的吸附工质对。主要原因是活性炭一甲醇 吸附解析量大，而吸附热不太高( 约1 8 0 0 2 0 0 0 k j k g ) 。活性炭一甲醇的吸附机理 主要是制冷剂甲醇在微孔中的凝聚与充满的一个过程。研究表明，活性炭对吸附 质的吸附作用大多发生在其微孔部分，中孔与大孔只不过是向被吸附分子提供进 入内部的通道。被吸附分子的大小越接近孔径，它与碳原子之间的相互吸引力就 越大，发生吸附就越牢，但对分子尺寸过大者，就不能顺利进入空内，这个过程 称为筛分作用。活性炭一甲醇工质对广泛应用于太阳能吸附式制冷中。 但是，活性炭甲醇系统也有缺点，首先是不适合高温，在温度高于1 5 0 时， 甲醇会发生分解，生成二甲醚；其次，甲醇有剧毒，使人们对它的广泛应用产生 了怀疑。 ( 2 ) 活性炭一氨 活性炭一氨的吸附机理与活性炭一甲醇的吸附机理是相似的。均为制冷剂在微 孔中的凝聚与充满的过程。相对于活性炭一甲醇系统，活性炭一氨系统的压力较 高，吸附热大致相同。在实际应用中，制冷剂的轻微泄露不会导致系统失灵，相 对不怕振动，因为系统压力较大，有利用传热传质，从而有效缩短循环周期。 ， 活性炭一氨可以用于较高的热源温度。活性炭一氨系统的主要缺点是由于氨与 铜反应，所以材质通常只能选择不锈钢，相对造价较高。 ( 3 ) 硅胶一水 硅胶与水之间的吸附作用研究表明，在低表面覆盖密度的情况下，硅胶所吸 附的水分子是连接于硅醇基= s i o h o h 2 ，在较高表面覆盖的情况下，水束内 的氢键将站优势，此时的键强或吸附热接近于水的液化能1 0 8 k c a l m o l 。硅胶上的 渔船尾气吸附式制冷系统的设计及传热数值模拟 水蒸气吸附热接近于2 5 0 0 k j k g 。由于硅胶一水吸附工质对的吸附热比较低，同时 水的结合力也比较弱，所以硅胶一水吸附工质对的再生过程所需的解析温度也比 较低。通常情况下，硅胶的再生温度为6 5 。 硅胶一水工质对的优点是适合较低温度的热源驱动，缺点主要是吸附的循环 量不大，同时由于采用水做制冷剂，所以不能应用于制冰的场合。 ( 4 ) 沸石分子筛一水 在吸附式制冷中，沸石分子筛一水大量应用于开式除湿冷却系统和闭式的吸 附系统，沸石分子筛一水吸附工质对的分子间作用力较强，所需的解析温度较高， 吸附热也较高，大约为3 3 0 0 4 2 0 0 k j k g 。沸石分子筛一水的性质温度，高温下也 不会反应，适合于解析温度较高的场合。目前在余热回收中常用于2 0 0 。c 左右或者 更高的热源能量回收。沸石分子筛一水吸附工质对的主要优点是适用于高温热源、 无毒、安全等，主要缺点一是不适应于制冰的场合，二是沸石分子筛一水系统是 负压系统，传质速度较慢。 2 2 化学吸附工质对 化学之间的作用力主要依靠分子间的络合、配位、氢化、氧化等化学反应力 来进行。相对于金属氯化物、金属氢化物及金属氧化物，化学吸附工质对主要包 括金属氯化物一氨、金属氢化物一氢以及金属氧化物一氧。 ( 1 ) 金属氯化物一氨 金属氯化物一氨工质对之间依靠络合关系形成配合物，以氯化钙一氨之间的 配合关系为例，l m o l 氯化钙可以同至少8 m o l 氨进行反应，其化学反应方程式如下： c 口a 2 + 埘3 a 2 n i l 3 + a l l o l ( 2 1 ) c a c l 2 n h 3 + n h 3 c a c l 2 2 n h 3 + 胡0 2 ( 2 2 ) c 口a 2 2 n h 3 + 2 n h 3 白a 2 4 n h 3 + 脯0 3 ( 2 3 ) c 口a 2 4 n h 3 + 4 人日3 c 口a 2 8 n h 3 + 肼0 4 ( 2 4 ) 配合物的稳定性差别很大。一般来讲，非过渡金属不易形成稳定的配合物， 而过渡金属则比较容易形成稳定的配合物。它们的稳定性的差别是与很多因素有 第2 章吸附式制冷f t 质对 关的，其中主要是与中心离子和配位体的性质，以及它们之间的成键情况有关。 作为中心原子，过渡金属离子形成配离子的能力比主族金属离子强，而在主族金 属元素中，又以电荷小、半径大的第一主族金属离子k + 、r b + 、c s + 等为最弱。对 于八电子型外壳的中心离子l i l + 、n a l + 、k 1 + 、c a ：+ 、s r 2 + 、b a 2 + 、a 1 3 + 、s c 3 + 等是以 库伦力与配位体形成的配位离子。当配位体一定时，这些络离子的稳定性一般取 决于中心离子的电荷和半径，中心离子的电荷越大、半径越小，形成的配离子就 越稳定。另外，外界因素如温度和压力也影响配合物的稳定性。 ( 2 ) 金属氢化物一氢_ 5 4 刁 金属氯化物一氨依靠络合物合成过程中的制冷剂的蒸发来制冷。与金属氯化 物一氨的吸附工质对不同，金属氢化物一氢工质对则是依靠金属氢化物分解过程 中的吸热过程来制冷。 金属氢化物一氢工质对在高温条件下，通过2 5 所示的放热反应，使金属与 氢直接化合而得到金属氢化物。大部分盐型化合物和金属氢化物一般都用这种方 法合成，即 m ( s ) + n 2h ：( g ) 一删。g ) ( 2 5 ) 常温、常压条件下，金属氢化物一氢一般不发生反应。但是，在氢气氛围中， 如果提高温度，氢就会被金属吸收。由于这一温度意味着打开金属晶格，所以把 它称为“打开温度”。即使同一金属，如果金属表面情况不同，其开始吸氢的温度 也不一样。金属表面的氧化物和氧化膜越厚，其开始吸氢的温度就越高。金属一 旦开始吸氢，其吸收过程便迅速进行。氢越容易吸入，其含氢量就越大。另外还 发现，上述吸氢过程中有一个被诱导的时间。即温度保持一定，起初没有氢被吸 入，但是过了一段时间后，其吸氢便猛烈进行。这段诱导时间可以理解为氧化膜 被还原的时间。另外，金属氢化、使其体积膨胀，这同样可以理解为金属晶格别 打开，体积开始增大时氢才容易吸入。金属氢化物一氢的分解过程需要吸收热量， 一般用于制冷过程。 金属氢化物一氢工质对能够适应于- 1 0 0 - - - 5 0 0 c 以上的温度范围，反应速度 渔船尾气吸附式制冷系统的设计及传热数值模拟 快，容积反应率大，可以有效减小吸附器的体积。但是，由于氢本身易燃易爆， 而且金属氢化物吸附剂包含很多稀有金属，价格较高，因此在吸附式制冷中的应 用并不广泛，主要是在普通吸附循环较难实现的低温制冷方面及高温热泵中的有 所应用h 8 4 引。金属氢化物对氢具有极强的吸附能力，被吸附氢的密度甚至大于液 体氢的密度，所以金属氢化物大量使用于储氢。 ( 3 ) 金属氧化物一氧 在吸附式制冷中，金属氧化物一氧的研究并不多，大多都应用于化学吸附热 泵，或用于得到1 2 0 k 以下低温为目的的吸附式制冰机。氧与金属的反应，可以发 生分子和原子两种吸附。氧原子可能进入金属晶格生成表面氧化物。究竟发生那 种情况，将取决余外界条件与金属材料。一般来说，分子吸附是低温现象，也不 起任何催化作用，温度升高时，有些氧释放出来，有些则转变为热力学上更稳定 的原子态氧，这个转变过程需要活化能。 2 3 复合混合吸附工质对 复合混合吸附工质对一般作为化学吸附的传热传质强化而提出的。常用的复 合吸附工质对为金属氯化物的复合混合吸附剂一氨工质对。其吸附机理为化学吸 附过程、多孔介质与化学吸附剂的传质过程与物理吸附过程( 只存在于复合吸附 剂) 的复合。 复合混合吸附剂采用化学吸附剂与多孔介质相混合，当所采用哪个的多孔介 质对吸附质有吸附作用时称为复合吸附，当所采用的多孔介质没有吸附作用时称 为混合吸附。 复合吸附中所采用的多孔介质基质包括活性炭、活性炭纤维及硅胶，混合吸 附中所采用的多孔介质基质主要为石墨。复合混合吸附剂的配置目前主要有三种 方式： ( 1 ) 简混。这种混合方法是最为简单的一种混合方式，即按照一定比例来将 化学吸附剂与多孔介质直接混合在一起，多用于粉末的多孔介质的场所。这种混 合方式多用于吸附床填充空间受到限制的场合。比如活性炭或者活性炭纤维与氯 第2 章吸附式制冷工质对 化钙之间按一定比例的混合所组成的吸附剂。 ( 2 ) 浸渍。这种混合方式多用于活性炭纤维、石墨纤维等多孔介质。其混合 方法一般是将化学吸附剂溶于水，然后将活性炭纤维、石墨纤维等浸渍到盐水中， 在将浸渍后的多孔介质纤维烘干，形成可用的吸附剂。比如活性炭纤维与氯化镁 的配置喵仉5 及活性炭纤维与氯化钙的配制嗡2 制。这种吸附剂的优点是由于纤维状的 多孔介质的微孔丰富，传质性能好，且沿着纤维丝方向的传热性能好。缺点主要 是多孔介质纤维的纤维丝切向的传热性能差，影响了整个吸附床的传热性能。 ( 3 ) 固化。这种混合方式的步骤是首先将化学吸附剂、多孔介质、水、粘结 剂按照一定的比例混合好，然后将配置好的吸附剂采用模具进行压制，形成固化 吸附剂。比如氯化钙与活性炭所组成的固化吸附剂。这中吸附剂的优点是传热性 能好，缺点是吸附剂配置比例的难度大。如果吸附剂的混合的比例、吸附剂的压 制密度及多孔介质的粒度选择不当，将对吸附剂的传热传质性能产生较大影响。 复合混合吸附工质对结合了化学吸附剂与多孔介质的优点，可以有效解决化 学吸附剂的膨胀、结块所带来的传热性能差、传质过程受限的问题，并能够解决 化学吸附剂长期使用过程中的微孔烧结问题，从而为解决其长期使用过程中的性 能衰减提供了有益的探索。但是，复合混合吸附剂的配比过程较为复杂，如果其 配置比例、多孔介质及吸附床的填充量选择不当，不仅不会提高化学吸附剂的吸 附性能，反而会降低吸附剂的体积制冷量和吸附稳定性。 2 4 本文所采用的吸附工质对 通过对上面物理和化学吸附工质对的分析，结合本文设计的吸附床的具体结 构，我们选择以活性炭纤维为基质的活性炭纤维与氯化钙一氨吸附工质对，活性 炭纤维与氯化钙以质量比1 ：4 混合，混合均匀后按一定的填充率填充进入吸附床。 这样不仅能保证吸附剂对制冷剂的充分吸附，同时可以有效避免由于氯化钙与水 结块降低吸附性能的影响。 渔船尾气吸附式制冷系统的设计及传热数值模拟 第3 章湍流数值模拟的基础知识 3 1 流体力学的控制方程吼卿 流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动 量守恒定律和能量守恒定律，系统还要遵守组分守恒定律。控制方程就是这些守 恒定律的数学描述。 3 1 1 质量守恒方程 任何流动问题都必须满足质量守恒定律。按照这一定律，可以得出质量守恒 方程，即连续方程。 望+ 旦幽+ 亟咝+ 煎型：0 ( 3 1 ) a瓠 a y 跣 引入矢量符号，可以写成 詈钾( ) = 0 ( 3 2 ) 式中p 密度( k g m 3 ) 。 t 时间( s ) ； u 、v 和r 速度矢量u ，在x 、y 、z 方向的分量。 上面给出的是瞬态三维可压流体的质量方程。若流动处于稳态且流体为均质 不可压，密度p 为常数，可以写成： 丝+ 业+ 塑：o 瓠 却 跣 ( 3 3 ) 3 1 2 动量守恒方程 动量守恒定律也是任何流动系统都必须满足的基本定律。该定律可表述为：微 元体中流体动量的增加率= 作用在微元体上各种力之和。 第3 章湍流数值模拟的基础知识 百o ( p u ) + 加( p un ) = 一瓦o p + 等+ 等+ 等址 4 ， 掣+ 挑= 一万o p + + 等+ 每z y 嵋 掣+ 咖( e wu ) = 一万o p + 等+ 等y z + 孥址 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 式中：p 是流体微元体上的压力。 k 、f w 、f 嚣等是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力 f 的分量； 只、e 、e 是微元体上的体力。 动量守恒方程也称为n s 方程。粘性流体的运动方程首先由n a v i e r 在1 9 2 7 年提出，当时他只考虑了不可压缩流体的流动。p o i s s o n 在1 8 3 1 年提出可压缩流体 的运动方程。s a i n t v e n a n t 在1 8 4 3 年，s t o k e s 在1 8 4 5 年各自独立的地提出粘性系 数为一常数的形式，也就是现在大家都称为n a v i e r - s t o k e s 的方程，简称n s 方程。 n s 方程比较准确的描述了流体的实际流动情况，粘性流体的流动分析最终均可归 为对此方程的研究。但是，由于其形式甚为复杂，实际上只有极少量的情况可以 求出精确解，故逐渐产生了通过数值求解的研究，n s 也是计算流体力学的最基本 方程。 3 1 3 能量守恒方程 能量守恒定律是包含有热交换的流动系统必须满足的基本定律。该定律用数 值可以表述为： 了o ( p t ) + o ( p u t ) + 了c 3 ( p v t ) + o ( p w r ) = i 0 ( 一ki o t ) + 吴二娶) + i c 3 【一ki ot)+品(37)o8 tx 却 o z a x 、c pa x a y 、c ，卸。a z 、c ，a z 。l 式中c 。比热容( k w s m 3 ) ； 一温度( ) ； 渔船尾气吸附式制冷系统的设计及传热数值模拟 卜流体的传热系数； 研流体的内热源及由粘性作用流体机械能转化为热能的部分。 3 2 湍流数值模拟的理论基础聆7 6 数值模拟也叫计算机模拟。它以电子计算机为手段，通过数值计算和图像显 示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。 1 8 世纪前人类主要是通过实践经验和试验认知世界，十八世纪后随着微积分 和力学等相关知识的产生和进一步发展，人类有了第二种手段理论研究。理 论研究是采用力学与微积分方法把大自然的各种规律归结为一组常微分方程或者 偏微分方程，但是如