（轮机工程专业论文）船舶吸附式制冰机热管吸附床的优化研究.pdf

中文摘要 摘要 随着世界经济的发展及能源消耗的增加，能源与环境问题目前已经成为全世 界共同关注的一个热点问题。吸附式制冷技术与传统的蒸汽压缩式制冷技术相比 蕴藏着巨大的开发潜力，研制与开发高性能的吸附式制冰机越来越受到重视。到 目前为止，真正产业化大规模投放市场的吸附式制冰机还不存在，这主要是由于 吸附式制冷的工作效率不高和以及吸附式制冰机系统的初投资较大。吸附式制冷 技术之所以具有可观的应用前景，除了能有效的利用太阳能和船舶余热之外，还 因为该系统直接使用天然制冷剂、避免了较大的运动部件、维修方便等。以氯化 钙一氨为工质对的船舶余热吸附式制冰系统尚处于研制阶段，许多性能还有待研 究和提高。 本文利用a n s y s 数值计算软件首次模拟了直翅型和圆翅型热管吸附床内的温 度场、温度梯度的分布云图，详细分析了床内传热规律，验证了热管传热的高效 性和重要的强化传热作用，对吸附床的设计起到了理论指导意义。同时，基于某 渔船柴油机的参数设计完成了热管式吸附床的整体结构。本文重点对连续型吸附 制冰循环进行了研究，提出并设计了连续回热回质型制冰循环系统，实现了热量 和制冷剂的回收。此外，利用数值计算中插值法构造拟合函数方法，得到了吸附 床特性参数的变化规律曲线，由曲线的变化规律可以得出热管式吸附床在传热性 能方面较普通吸附床有较大提高。 本文的研究对以氯化钙一氨为工质对的固体吸附式制冰机的优化设计具有指 导意义；同时，为吸附式制冰技术在实船上的应用做出了有益的探索。 关键词：吸附床；制冰机；热管；强化传热 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew o r l de c o n o m ya sw e l la st h ei n c r e a s ei ne n e r g y c o n s u m p t i o n ，e n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o b l e m h a sa l r e a d yb e c o m eah o ti s s u ea r o u n d t h ew o r l d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lv a p o rc o m p r e s s i o nr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g y , 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 tp o t e n t i a lf o re x p l o i t a t i o n ，s ot h a tr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fh i g h p e r f o r m a n c ea d s o r p t i o ni c e m a k i n gm a c h i n e sh a sg e t t i n gm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n h o w e v e r , s of a r , t h el a r g e s c a l ei n d u s t r i a l i z e da d s o r p t i o n i c e - m a k i n gm a c h i n ed o e sn o te x i s t t h i si sm a i n l yd u et oa d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n s e f f i c i e n c yi sl o wa n dt h ei n i t i a li n v e s t m e n to ft h ei c e m a k i n gs y s t e mi sl a r g e b e s i d e s u s i n gs o l a re n e r g ya n dw a s t eh e a to fs h i pe f f e c t i v e l y , 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 m c a nu s en a t u r a lr e f r i g e r a n ta v o i d i n gt h el a r g em o v i n gp a r t s ，w h i c hc a nb em a i n t a i n e d c o n v e n i e n t l y t h e r e f o r e ，t h e r ei s ap r o m i s i n gp r o s p e c ti na d s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n t e c h n o l o g y a d s o r p t i o ni c e - m a k i n gs y s t e mu s i n gw a s t eh e a to fs h i p w h i c ht a k e s c h l o r i n ec a l c i u m a m m o n i aa sw o r k i n gp a i r si ss t i l lu n d e rr e s e a r c kv a r i o u sp e r f o r m a n c e o fi ts t i l lr e m a i n st os t u d y t h i s p a p e r s i m u l a t e st e m p e r a t u r ea n dt h e r m a l 伊a d i e m d i s t r i b u t i o ni n o r t h o p t e r a - t y p ea n dc i r c u l a rf i n - t y p eh e a tp i p ei na d s o r b e n tb e da tt h e f i s tt i m ew i t ht h e h e l po f n u m e r i c a lc a l c u l a t i o ns o f t w a r e ( a n s y s ) h e a tt r a n s f e rl a wi na d s o r b e n tb e dh a s b e e na n a l y z e di nd e t a i l ，v e r i f y i n gt h eh e a tp i p e sh e a tt r a n s f e re f f i c i e n c ya n dt h e i m p o r t a n tr o l ei tp l a y si ne n h a n c e dh e a tt r a n s f e rp r o c e s s t h e r e f o r e ，i tp l a y sa t h e o r e t i c a l g u i d a n c et ot h ed e s i g no fa d s o r b e n tb e d a tt h es a m et i m e ，t h es t r u c t u r eo f o v e r a l lh e a t p i p ea d s o r b e n tb e di sc o m p l e t e db a s e do nt h ep a r a m e t e r so faf i s h i n gv e s s e l sd i e s e l e n g i n e t h i sp a p e r ss t u d yf o c u s e so nt h ec o n t i n u o u sa d s o r p t i o ni c e 。m a k i n gc y c l e ，a c o n t i n u o u sm a s sa n dh e a tr e c o v e r ys y s t e mo fa d s o r p t i o ni c e m a k i n gm a c h i n eh a sb e e n p r o p o s e da n dd e s i g n e d ，r e a l i z i n gt h er e c o v e r yo fh e a ta n dr e f r i g e r a n t i na d d i t i o n , c u r v e so ft h ec h a n g e so fc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r si na d s o r b e n tb e dh a v eb e e no b t a i n e d i nt h ew a yt h a tc o n s t r u c t sf i t t i n gf u n c t i o nu s i n gi n t e r p o l a t i o nm e t h o di nn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n h e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c ei nh e a tp i p ea d s o r b e n tb e dh a sb e e nm u c h i m p r o v e dc o m p a r e dt ot h a ti ng e n e r a la d s o r b e n tb e dj u d g i n gf r o mt h ec h a n g eo f 英文摘要 f i t t i n gc u r v e s t h i sp a p e rh a sb e e nag u i d ef o rt h eo p t i m a ld e s i g no fs o l i da d s o r p t i o ni c e m a k i n g m a c h i n ew h i c ht a k e sc h l o r i n ec a l c i u m a m m o n i aa sw o r k i n gp a i r s a n di th a sa l r e a d y m a d eau s e f u le x p l o r a t i o nf o ra d s o r p t i o ni c e - m a k i n gt e c h n o l o g yi nt h er e a la p p l i c a t i o n o f t h es h i p k e yw o r d s ：a d s o r p t i o nb e d ：i c e m a k i n gm a c h i n e ；h e a tp i p e ；h e a tt r a n s f e r e n h a n c e m 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，撰写成博硕 士学位论文 = = 筮舶哩隘式剑丛扭垫萱哩瞰压的值丝班宜：。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。 学位论文作者签名：丝三兰璺 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有关保留、使用研究生学位论文的规 定，即：大连海事大学有权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。同意将本 学位论文收录到中国优秀博硕士学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志 社) 、中国学位论文全文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物 形式出版发行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 。燃榔：唑。师签幸肾 船舶吸附式制冰机热管吸附床的优化研究 第1 章绪论 1 1 制冰机简介 人类应用天然冰的历史源于古代。人造冰( 亦称机制冰) 的历史，中国始于 1 8 8 0 年。当时，英国人率先在上海开办了“上海机器制冰厂 ，开始了中国机器制 冰的道路n 1 。在漫长的岁月中，人造冰技术得到逐步推广应用。 目前，各种人造冰及其制冰设备，不但种类繁多而且产量不断增加，应用范 围不断扩大，各行各业乃至观光旅游和家庭日常生活都离不开人造冰。人造冰的 制取包括制冰方式、制冰装置和冰的形状三方面内容。各类制冰装置概况如下： ( 1 ) 盐水制冰 盐水间接冷却制冰是用盐水( 常用氯化钠或氯化钙) 作为载冷剂把水的热能 转移给制冷剂，使水结成冰。 ( 2 ) 管冰机 管冰机是一种间歇式制冰装置，所制的冰为空心管状冰。制冰设备的主体制 冰器为立式管壳式蒸发器，制冷剂在管外蒸发吸热，水在管内放热结冰，制冰器 的顶部和底部均有一水箱，由水泵使水在换热管内侧循环流动，管内的冰层厚度 不断增加，当冰层结到一定厚度时，制冰器内充入制冷剂热气，使空心管状冰柱 脱离换热管下落，并由其底部的切冰器，将冰柱切成一定长度的圆柱形空心管冰， 调节切冰器转速，可以得到不同长度的管冰。 ( 3 ) 壳冰机 壳冰机所制的冰是弧形的壳状冰。该机是一种间歇式制冰装置，其工作原理 和管冰机基本相同，但没有切冰器，蒸发器是双层的不锈钢蒸发管，制冰器由多 个双层圆锥管组成。 ( 4 ) 片冰机 片冰机是连续式快速制冰装置。制冰器为一旋转的圆筒式换热器，水喷淋或 浸润其表面，形成冰层后，由冰刀把冰刮下，冰片厚度一般为2 m m 左右。 ( 5 ) 板冰机 板冰机的工作原理与片冰机相似，其制冰器由一组平板式的换热器组成。板 第1 章绪论 冰机有陆用和船用之分。陆用为淡水制冰，制冰水温为1 8 。c ，设备冷凝和蒸发温度 分别为3 5 和- 1 8 。c ；船用为海水制冰，制冰水温为2 0 。c ，设备冷凝和蒸发温度分 别为3 0 和2 3 。 ( 6 ) 冰晶冰 冰晶冰制冰机是一种连续式的海水( 或盐水) 制冰装置。这种制冰装置大部 分为船用或在海边所用，不需淡水，就地的海水就可用来制冰，应用十分方便， 尤其是渔船，可避免靠岸加冰的麻烦，其捕鱼周期也可不受加冰量的阻止乜1 。 同时，由于我国海岸线漫长，海洋面积广阔，水产资源丰富，因而从速解决 渔业保鲜问题早已成为发展远、近海捕捞业的关键。冰保鲜是目前应用最广的有 效方法之一。国内外的渔船制冰设备，除了传统的以盐水作冷媒间接冷却制冰的 方法外，还有新型的吸附式制冰机。本文重点对这种新型的制冰机进行一些探索 性研究。 1 2 吸附式制冰机的研究现状 1 2 1 研究的背景及意义口1 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。同 时，随着二氧化碳排放量的急剧增长，温室效应越来越显著，能源危机和环境恶 化日益突出，国内外对环境保护的呼声日益高涨。因此，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，已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。 对于我国而言，国民经济的增长使得能源供应日益紧张，能源问题己成为制 约经济可持续发展的瓶颈。我国政府一再号召节约能源，节能减排已涉及到我国 生产发展的各个领域。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着常规能源消耗的剧增、环境污染的加剧，臭氧层破 坏、温室效应、能源短缺已成为各国急需解决的头等大事。同时，人们对环境保 护和能源有效利用的认识也有了进一步的提高，推动了一系列节能环保新技术的 开发和利用。随着世界经济的发展和航运市场的繁荣，国际国内9 3 以上的货物 运输要通过海运。因此，耗能巨大的船舶的节能和环保问题成了国内外专家学者 船舶吸附式制冰机热管吸附床的优化研究 关注的焦点。 目前，船舶制冷多数采用蒸气压缩制冷方式。蒸气压缩式制冷设备以电能驱 动，主要采用氯氟烃类制冷剂。这种制冷设备的优点是结构紧凑，制冷系数高， 技术成熟。但是，由于其所耗电能由柴油发动机提供，整体能源利用率低，系统 能源消耗比较大；并且采用氯氟烃类制冷剂，受到1 9 8 5 年维也纳保护臭氧层公 约、1 9 8 7 年蒙特利尔议定书、以及1 9 9 2 年的“哥本哈根修订案等国际性公 约、法规的限制，正在被逐步取代。伴随着能源的日益紧张和环境问题的愈加突 出，船舶制冷系统需要一种节能、环保的制冷方式来取代传统的蒸气压缩式制冷。 同时，船舶柴油机的热效率一般只有3 0 4 0 ，约占燃料发热量1 2 的能量 被柴油机的冷却水及排气等带走。其中柴油机冷却水温度约为6 0 8 5 ，所带 走的热量约占燃料总发热量的2 5 ；柴油机排气余热的特点是温度高，所带走的 热量约占燃料总发热量的3 5 。 固体吸附式制冷技术能够充分利用废热和余热，通过回收其热量来到达制冷 的目的，这是解决船舶节能和环保的新技术。船舶尾气吸附式制冷系统由柴油机 排出的尾气来驱动，有效的利用了低品位能源，节约了大量的能源，并且使用水、 甲醇等天然工资对，不采用氟氯烃类制冷剂，避免了传统制冷剂带来的温室效应 和对臭氧层的耗散作用。因而，船舶吸附式制冷满足了当今社会对节能和环保的 要求，是一种比较理想的制冷方式。 1 2 2 吸附式制冰机的研究现状 中国现有远洋机动渔船近2 2 万艘，而安装了制冰设备的渔船只占现有渔船的 o 7 ，大部分渔船都采用传统的冰保鲜方法。我国渔产品在国际市场上的价格与 其他国家相比是别国渔产品价格的半，我国渔船的保鲜方式急需改善，这已经 纳入国家的农业计划。 渔船一般常用无机械保鲜和机械保鲜两种冷藏保鲜方式。无机械保鲜方式是 在渔船出海前，根据渔船的大小、捕获量情况以及出海的范围，带足一定数量的 冰，以供捕到鱼时保鲜之用。由于冰易融化，如果扩大捕鱼范围或者延长捕鱼时 间，则所携带冰量不足，影响保鲜效果。而且融化的冰容易形成冰桥与冰拱，使 第1 章绪论 用时必须敲打，带来操作不便。这种无机械保鲜对远海作业渔船不适用。为了适 应捕鱼作业范围的扩大，延长捕鱼期，保证冰鲜鱼货不变质，可在渔船上装备一 套小型制冰装置。这种制冷装置的制冷量一般要求在5 1 2 k w 左右。 目前，我国沿海渔船大都以冰藏保鲜为主，机械制冰保鲜为辅h 5 1 。因此，高 效的渔船制冰设备是当前中、小型渔船迫切需要的设备，开发研制还主要集中在 蒸气压缩式制冷随1 。与此同时，渔船上的柴油机约有3 0 的热量从尾气排入大气而 浪费。若能利用这部分余热来驱动吸附式制冰系统，即可在不增加柴油机任何油 耗的前提下，仅回收其尾气余热实现制冰，并满足渔民的需求口1 。 国内外的专家、学者对于船舶尾气吸附式制冷系统的研究己经非常深入，取 得了很多的学术成果。目前，这些成果多数尚集中于理论和实验室研究阶段，虽 有一些船舶尾气吸附式制冰样机己制造出来，但是还没有真正经过在船舶上长期、 稳定运行后的检验。因此，开发船舶尾气吸附式制冰系统并对其进行实用性研究， 可对实现该技术在船舶制冷领域的广泛应用起到一定的促进作用。 陈传娟等阳1 研制了一种可以采用渔船柴油发动机余热的以复合吸附剂( c a c l ： 和活性炭) 一氨为工质对的吸附式渔船制冰机。由于采用了复合交变分离热管原 理，吸附式制冰机解决了用海水直接冷却吸附床带来的腐蚀等问题。试验研究表 明，在两床循环中采用回热回质过程系统的制冷功率提高约1 0 3 8 ，制冷系数 ( c o p ) 提高了约为1 0 0 。制冰工况所得到的单位质量的氯化钙的制冷功率( s c p ) 约为2 8 1 9 7 1 2 8w k g ，相对于目前国内外的研究成果，提高了1 4 - - 3 5 倍。 王丽伟等阳1 采用船用6 1 6 0 a 型柴油机为热源，设计了一台发动机余热驱动的 吸附式制冰系统。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，结果表明，散装活性炭在有回热回质条件下c o p 可以大幅度 提高。 文献n 们分析了一台以6 缸柴油机排气余热为热源的吸附式制冰机性能和热力 学机理。研制出一台以c a c l 2 - n h 3 为工质对，制冷量8k w 的吸附式制冰样机。 王树刚等3 对船舶余热回收现状及吸附式制冷的应用前景进行了研究。探讨 了回收船舶尾气余热的吸附式制冷空调系统、冷冻水系统、制冰系统的巨大开发 船舶吸附式制冰机热管吸附床的优化研究 潜力，并对渔船尾气的余热资源进行了分析，为吸附式制冰系统在渔船上的应用 提供了可行性探讨。 文献n 羽研制开发了渔船柴油机尾气吸附式制冰机。该吸附式制冰机以柴油机 排出的尾气为热源，采用c a c l 2 - n h 3 为吸附工质对。该制冰机有三组吸附发生器， 通过三组发生器的自动切换，实现连续制冷。 梅宁等n 3 1 分析了应用c a c l z - n h 3 作为工质对的柴油机余热吸附式制冰机的特 性，通过对工作原理和柴油机能量平衡的研究，表明了吸附式制冰机用于渔船在 吸附能力和制冷温度方面都是可行的。 谭显光等1 对吸附式制冰系统应用于中小型渔船冷藏库保鲜的方案进行了探 讨。以d c 8 0 8 型拖网渔船为例进行探讨，研究表明：吸附式制冰系统在中小型渔船 冷藏库中的应用是可行的，前景非常广阔。 徐震“副提出了一种发动机排气余热驱动的以c a c l 2 卟j h 3 为工质对的吸附式制 冰机的设计方案，在实际工况下对该系统进行了测试，得出了系统的工作特性曲 线，并采用吸附式制冷单管实验台，对制冷系统单元管吸附床在解吸和吸附过程 中的传热传质特性进行了研究。 李晓敏n 刚等以6 1 6 0 a 1 2 和6 1 6 0 a 1 3 型船用柴油机尾气参数为设计的依据， 通过理论和经验数据相结合的方法进行了设计计算，实验台在两种热源下的流量 分别为：1 1 5 2 k g h 和1 5 5 7 k g h 。实验台在这两种热源下所对应的温度分别为4 1 9 和4 8 4 c 。结合经验数据的计算结果、d y 发生器及渔船余热热源的实际工况， 确定了模拟实验台的设计参数。并对实验台进行了调试，实验结果基本达到了设 计要求。 赵惠忠等n 7 1 针对渔船出海捕鱼冷藏问题，利用渔船柴油发动机余热，采用余 热冷管进行制冷来提供冷冻保鲜需要的冷量。通过对渔船余热冷量的测算可以得 出以下结论：余热冷管的制冰量完全可以满足渔船的制冷要求，并且系统具有良好 的可靠性，维护较为方便。 湖南定宇公司n 印以固体无机盐为吸附剂，氨作为制冷剂，设计了汽车尾气冰 箱和吸附式渔船制冰样机。这两种产品利用发动机尾气的余热为驱动热源。其中， 一5 一 第1 章绪论 汽车余热冰箱容量6 0 1 2 0 l ，制冷温度1 2 - - + 5 ；渔船吸附式制冰样机的制冷 功率为1 2k w ，制冰能力为8 3k g h ，冷却介质是1 0 的海水。 文献n 钔针对以氨为制冷剂，三种不同类型的吸附剂进行性能比较。实验结果 表明固化复合吸附剂较其它两种更适合于渔船制冰。在固化复合吸附剂中添加活 性炭后，提高了在较低的蒸发温度下的传质性能。在蒸发温度为1 5 时，固化复 合吸附剂的性能比氯化钙的最佳性能提高了3 5 。 文献幢岫提出将活性炭均匀的分布在以c a c l 2 - n h 3 为工质对的吸附式制冷系统 中，可加强吸附床内的传质，提高单位制冷量。并对吸附式制冰机在渔船尾气余 热驱动和太阳能驱动的工况下进行了性能研究。 文献乜门采用氯化钙、活性炭作复合吸附剂，氨作吸附质，对固体吸附式制冰 机进行研究。当解吸温度1 2 6 ，冷却水温度2 2 ，回质时间4 0 s ，热管加热时间 2m i n ，产冰温度- 7 5 。c 时，产冰质量、s c p 和c o p 分别为1 7 6k g h ，3 6 9 1 w k g 和 0 2 。 文献陋2 1 对甲醇、丙酮和水为介质的热管型吸附式制冰机进行比较和研究，实 验结果表明：以水为介质的热管在加热和冷却过程中都具有较高的传热性能。在 不同的船速下，对水为介质的热管型吸附式制冰机进行研究，发现随着柴油机功 率下降，c o p 和s c p 都有所下降。 文献心3 3 对活性炭一甲醇、氯化钙一氨、复合吸附剂一氨等可用于渔船吸附式制冰 机的工质对在双床系统下进行对比研究分析。结果表明：以活性炭一甲醇为工质对 的吸附式制冰机有较可靠的安全性，复合吸附剂制冰机有着较好的制冷性能。当 每个吸附床的尺寸为0 2 8 8m 3 时，复合吸附剂制冰机的制冷功率可达2 0 3 2k w ， 是物理吸附式制冰机的1 0 倍，化学吸附式制冰机的1 3 8 倍。 文献口铂对纯氯化钙粉末、简单复合吸附剂和固化复合吸附剂等进行吸附性能 和导热率的对比研究。简单复合吸附剂有着较好的吸附性能，由于在氯化钙粉末 中添加了膨胀石墨改善了在吸附过程中的结块现象，提高了氯化钙的吸附性能； 与简单复合吸附剂相比，固化复合吸附剂有着较高的热导率、较大的单位质量制 冷功率，更适合用于渔船吸附式制冰机。在5 1 5 m p a 的固化成型压力下，固化复 一6 一 船舶吸附式制冰机热管吸附床的优化研究 合吸附剂的导热率为6 5 , - 一9 8 w k m ，是氯化钙粉末导热率的3 2 倍。 1 3 热管技术在余热回收中的应用 1 3 1 热管在余热回收应用中的优越性 由一定量的热管组成的热管式换热器在工业余热回收方面与传统的换热器相 比，存在非常多的优点瞳别： ( 1 ) 可以沿任意方向传递热量； ( 2 ) 装置简单紧凑，适用温度范围宽。低温时可达零下，高温时可达几千度； ( 3 ) 无运动部件，不需要外部动力，可靠性高； ( 4 ) 热阻小，可以通过较小的温差获得较大的传热率，且轴向表面温度均匀； ( 5 ) 可根据需要调整热管冷、热两侧热阻的相对大小，控制热管壁温，有效 防止腐蚀发生； 。 ( 6 ) 冷热气流之间有固体壁面隔开，消除了横向混渗； ( 7 ) 通过热管进行管外换热，避免了传统换热器通过管壳换热，使热管换热 器能够灵活布置和安装，故障少，便于修理。 1 3 2 热管技术在船舶余热回收中的应用 作为一种高效的传热元件，热管所带来的综合效益是巨大的，它可以同时在 降低能耗、减小污染、环保和简化设备等方面起到综合作用。因此，热管技术在 石油化工、冶金工业、建材轻纺、动力工程、电子电器、航空航天、核电工程等 领域得到广泛应用。本文侧重研究热管技术在船舶余热回收方面的应用。 和其他余热回收一样，船舶柴油机余热回收可以有许多方式，但是船舶空间 狭小，有重量限制，因此船舶余热回收设备要求体积小，重量轻。利用热管来回 收余热既方便经济又解决实际问题。目前，利用热管回收柴油机余热大多用来产 生低压蒸汽，低压蒸汽可以用来加热生活用水，或作为其他加热热源。 有关热管技术的原理在本文第2 章还有更详细的介绍。 1 4 本文的研究目的及意义 船舶在运营过程中，每天消耗大量的燃油，其中燃油燃烧产生热量的3 0 - , 3 7 第1 章绪论 被排烟带走，这一部分废热可被固体吸附式制冷利用。本课题重点研究开发应用 于渔船的吸附式制冰机，利用渔船柴油机的废气热量实现制冰。其主要研究内容 为： 。 1 对热管吸附式制冰机的技术原理进行分析，分别从吸附式制冷的原理和技术 以及热管的组成和原理进行了研究，为吸附式制冰机的研制、优化提供了理论依 据。 2 重点对热管式吸附床的强化传热机理进行了研究，分析了各种热管强化传热 的措施，讨论了吸附剂的物性参数、吸附床的工况参数对吸附床传热的影响，对 吸附床的强化传热设计起到了指导作用。 3 着重对单根热管吸附床模型进行了温度场的模拟分析，在传热面积相同的情 况下，对比研究了直翅型热管吸附床和圆翅型热管吸附床，对吸附床内的温度场、 温度梯度的变化规律进行了分析，有利于吸附床的改进、优化，为进一步提高系 统的制冷系数提供了帮助。 4 根据渔船的实际工况所需冷量的要求，并结合本实验室已经设计完成的热管 式吸附床，对热管吸附式制冰系统进行了优化设计，改进了系统循环。通过对实 验数据的拟合，验证了采用热管强化传热的吸附床的高效性，与普通吸附床相比 具有明显的优势。为热管式制冰机的实用化研究做出了有益的探索。 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 l o g x l 2 8 。本项 目的研究旨在推动固体吸附式制冷技术在渔船上的实用化，为广大渔民提供生产 便利；同时，有助于今后将吸附式制冷推广使用于更广阔的领域。固体吸附式制 冰机是一种利用船舶柴油机排放的废气余热作为加热源，船舶周围的海水作为冷 却介质，环保型的c a c l 2 - n h 3 作为制冷工质对的“绿色 制冷方式。目前，渔船 的保鲜方式主要是传统的渔船带冰保鲜方式。该方式存在用冰量大、保鲜期短、 保鲜质量不稳的缺点。同时，受制冷能力所限，限制了远洋捕捞向更远海域的发 展，已不能满足远洋渔船连续作业的需要： ( 1 ) 远洋渔业迅猛发展，捕捞渔船急需制冰设备 由于我国沿海的渔产量下降，国内许多渔业捕捞船队向南、北美地域延伸， 一8 一 船舶吸附式制冰机热管吸附床的优化研究 远洋渔业在我国还将继续扩大。在国外购买冰块的成本很高，并且为了装载冰块 而远距离往返，既浪费时间又浪费船舶的航运成本，固体吸附式制冰机的问世， 将能很好地解决上述问题；同时，又能提供空调服务，为广大渔民的生活提供方 便。 ( 2 ) 固体吸附式制冰机节约能源、实现废热再利用 固体吸附式制冰机与传统压缩式制冷设备不同，它是采用热能作为冷剂脱附 的驱动力，并且利用周围的海水作为吸附过程的冷却介质，所使用的冷剂是环保 型且成本非常低廉的氨。 ( 3 ) 节约成本，更好地实现远距离捕捞 采用吸附式制冰机后，渔船就可以不必从陆地携带冰块，节省了往返路费， 同时可以向更远的海域进行捕捞作业，能大大提高捕捞产量。 以c a c l 2 - n h 3 为工质对的船舶余热吸附式制冷机是一种很有市场潜力的新型 制冰系统。由于其具有节能环保，结构简单、操作方便、无运动部件、运行稳定、 使用寿命长、运行费用低、保鲜效果好、安装快捷、投资回收期短、抗颠簸等优 点，该装置可广泛应用于渔船制冰保鲜。这不仅符合当前“节能减排的要求， 而且具有较大的研究和应用开发价值。 第2 章热管吸附式制冰机的技术原理 第2 章热管吸附式制冰机的技术原理 本章主要阐述固体吸附式制冷技术和热管技术的原理，通过分析吸附( 脱附) 反应的原理，吸附工质对吸附反应动力学方程，为今后热管吸附式制冰机的设计 及优化提供了理论参考和依据。本章着重探讨了氯化钙一氨化学吸附工质对的吸 附机理，为吸附床内传热传质数学模型的建立奠定了基础。此外，本章还分析了 热管的组成、原理及其分类，为热管技术在余热回收中的应用指明了方向。 2 1 固体吸附式制冷基本原理 2 1 1 吸附机理 在固体内部，每个原子都被四周的原子所包围，原子受到的力是饱和的；但 是，对处于固体表面的原子来说，至少有一侧是空的，因而表面原子受到的作用 力是不饱和的，并受到一个向内的拉力。因此，要把内部的原子移到表面，就需 要克服向内的拉力做功，这使的表面原子获得了额外的能量，称之为表面能。当 气体分子与固体表面接触时，固体表面原子依靠分子间的范德华力或表面原子的 剩余力，力图把气体分子拉向表面以降低表面能，就发生了吸附。 在化工领域，吸附是指分子或原子在固体( 多孔介质) 表面的吸着浓缩。当 气体分子运动到固体表面时由于气体分子与固体表面分子之间的相互作用，气体 分子便会暂时停留在固体表面，使得气体分子在固体表面上的浓度增大，即气体 分子被固体表面所吸附。已被吸附的原子或分子，返回到气相中的现象称为解吸 或脱附。 按照吸附时作用力的不同，固体表面的吸附可分为物理吸附和化学吸附两种。 2 1 2 物理吸附和化学吸附 通常发生化学吸附时，首先在固体表面进行的是物理吸附，物理吸附向化学 吸附的转变除了与化学吸附活化能有关外，还与化学吸附的速度有关。图2 1 为 吸附等压线，表示吸附质压力一定时，吸附量与温度的关系。当温度很低时，化 学吸附的速度很小，主要是物理吸附，曲线a 代表物理吸附达到平衡。随温度逐 渐升高，吸附量逐渐降低，化学吸附速度逐渐增加，吸附量随温度升高而增大， 船舶吸附式制冰机热管吸附床的优化研究 毽物理殴搿孪随温度舞离丽减小。当溢度根高时，主要是纯学吸附，霞我凿线b 代 表化学吸附达到平衡。豳于化学吸附也是放热的，敞其吸附性能也随温度升高而 降低。蓝线c 炎过渡区域，在此区域睫，化学吸附的速度虽然很慢，但不可忽略， 这一区域是非平衡嚣域，其位置将隧升温或降温的速度两变化。 图2 1 吸附等压线 f i g 。2 ，1a d s o r p t i o ni s o b a r r 2 。1 。3 缴附式制冷基本原理 船舶固体吸辫式制冰枧是基于圆体吸黠式制冷工作原理翔工割作蠢威的。固 体吸附式制冷的工作原理是：有些阉体物质在定的温度及压力下能吸收某种气 体或水蒸气，在另一种温度及压力下又能把它释放出来，这种吸附和解吸的过程 将导致垂力酶交纯，敝而起到了瑟缩枫薛作用。利用这种原理，以热能鸯动力， 通过在封闭系统中吸附荆( 如分子筛、活性炭等) 对吸附质( 如水、甲醇、r 1 3 4 等) 的吸附懈吸循环便可实现吸附式制冷制冰啪1 。 吸附式割冷工质对囱劐冷剂和吸附裁构盛。其中，铡冷剂是单组分物质，吸 附剂通常是单组分固体。因此，在吸附式制冷循环中，制冷剂的蒸发或冷凝过程 是在恒定的蒸发温度或冷凝温度下进行的。在蒸发过程中，制冷剂吸收蒸发潜热， 盘液体蒸发成气体；在冷凝过程中，制冷荆搀放冷凝潜热，盘蒸汽冷凝成液体。 在吸附式制冷系统中吸附和解吸从理论上来说是恒压过程。其具体过程为： ( 1 ) 加热解吸过程。如图2 2 中虚线所示，濒对吸附饱和的吸附床进行加热 时，睾l j 冷刹( 吸瓣覆) 从吸辫裁孛解吸爨来，系统中铡冷裁蒸汽压力舞高，达到冷 第2 章热管吸附式制冰机的技术原理 凝压力后，制冷剂蒸汽在冷凝器中冷凝，凝结液流入蒸发器。在此过程中，须对 吸附剂加热( q 。) 和从冷凝器移出热量( q 。) 。 ( 2 ) 吸附制冷过程。如图2 2 实线所示，当制冷剂解吸完毕，将吸附床冷却 到吸附温度。吸附剂重新吸附制冷剂蒸汽，系统中制冷剂蒸汽压力降低，引起蒸 发器中的液态制冷剂吸热蒸发，蒸发器产生冷量。在此过程中，须不断地对吸附 剂进行冷却，移出吸附热( q 。) 蒸发器吸收热量( q 。，) 。上述两个过程形成一个完整的 制冷循环。 ， o a _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 吸附器一， 蒸发器 _ _ - 一 冷凝器 图2 2 吸附式制冰机基本原理图 f i g 2 2t h eb a s i cp r i n c i p l em a po fa d s o r p t i o ni c e m a k i n gm a c h i n e 2 1 4 平衡吸附和非平衡吸附 对于吸附工质对而言，达到吸附平衡时，在吸附剂的表面上吸附的吸附质分 子数量与脱附的吸附质分子数量基本相等，在这种状态中进行的吸附过程称为平 衡吸附。 非平衡吸附的主要特点是吸附剂对吸附质的吸附量( 称为非平衡吸附量) 处 于变化中，而且，吸附剂的温度和压力也处于变化中。 大量的试验研究标明，一般吸附式制冷系统的循环周期均远远小于一般吸附 剂材料达到吸附或解吸平衡时间。随着吸附制冷技术应用研究领域的拓展，吸附 式制冷技术的重点应用领域己由早期的太阳能利用转向能量密度较大的余热资源 的利用上，制冷周期也由原来的十几个小时缩短到几十分钟甚至十几分钟，在吸 船舶吸附式制冰机热管吸附床的优化研究 附( 脱附) 过程中吸附工质对呈现强烈的非平衡吸附特征。吴静怡等在回热型吸 附式制冷系统的最优运行研究中，结合吸附速率问题提出了最优循环周期乜7 | 。 2 2 吸附速率方程模型 2 2 1 物理吸附速度方程 对于非平衡吸附而言，吸附率x 与压力p 、温度t 等参数不再满足静态函数关 系，吸附率x 受上述参数的影响表现为单位时间内吸附率的变化量与参数p 、t 的 关系，即： 警- g ( 阳) ( 2 1 ) 式中，单位时间吸附率的变化量孥被称为吸附速度，非平衡吸附状态下工质 对吸附机理和吸附性能的研究，其核心就是对吸附速度方程的研究。 国内外学者在对吸附工质对传热传质机理和吸附机理做出理想化假设的基础 上，针对所研究的工质对提出了一些比较实用的吸附速度方程模型，这些方程模 型都是在大量实验的基础上归纳出来的比较适用的经验或半经验方程： ( 1 ) l a n g m u i r 吸附速度方程啪1 警邓。+ k 2 舭。一彳) ( 2 2 ) ( 2 ) 定压条件下的伊洛维奇方程乜印 x = 丝l g 够- i - 三) 2 31 盯1 ( 2 3 ) co ccd c ( 3 ) 适用于描述活性碳吸附氯气的b a n g h a m 方程啪1 筌= 羔，x ：幻吉 ( 2 4 ) t i t n t ( 4 ) 适用于定容条件下的饭岛方程汹1 l g j l = k t + c p p e ( 5 ) s a k o d aa 和s u z u k im 方程制 ( 2 5 ) 第2 章热管吸附式制冰机的技术原理 了d x = 七( x 。一川 ( 2 6 ) 七：1 5 生 r ； ( 2 7 ) d s=d s o e x p ( 一万1 5 ) ( 2 8 ) 2 2 2 化学吸附速度方程 由于化学吸附式制冷系统的质量和体积均比物理吸附式制冷系统小得多，同时 系统也简单的多，制冷效率也较高，所以，只要热源条件合适，吸附式制冷系统 的工质对应当采用化学吸附工质对。 陈砺门等人通过比较精确的重量法吸附平衡实验装置的测试，发现c a c l 2 一 n h 3 的吸附等温曲线图并没有出现理论上的三个吸附平台，而是近似的出现两个 吸附平台，由这两个吸附平台可得出等效的吸附( 脱附) 反应方程式为： 第一吸附平台： c 。c 2 + ( o 8 1 7 ) n h 3 凸c 。c 2 ( o 8 1 7 ) n h 3 第二吸附平台： c c t 2 + ( o 8 1 7 ) n h 3 + ( 5 6 4 7 ) n h 3 玛c 口c 2 6 4 n h 3 国内外也有人曾经在大量实验数据的基础上，总结出两种主要的化学吸附工质 对c a c l 2 - - n h 3 和s r c l 2 - - n h 3 的吸附速度方程的经验型表达式。 ew o r s o e s c h m i d t 羽总结出c a c l 2 n h 3 工质对的吸附速度方程为： 警呐则。圳m 1 ) 2 ( 2 9 ) 警吐舭- 喝灯也y ( 2 1 0 ) h o n g k y uc h o i 等砌由“非反应内核模型 化学吸附反应在非平衡态下的吸附 ( 脱附) 模型模型导出的s 疋1 2 一n h 3 的吸附速度方程为： 百d x 咄舭。呐，学 ( 2 - 船舶吸附式制冰机热管吸附床的优化研究 i d x 吐舭。_ 严竽 i l o e j e0c 3 4 1 在分析m e h l 实验数据的基础上， 百o x = 6 ( 乙一丁) 舣 ( 2 1 2 ) 提出了如下吸附速度方程： ( 2 1 3 ) 齐朝晖口5 1 根据交叉试验得出相对吸附速度方程： 警吐_ ) ( 芋， 眩 警- k 2 ) ( 等严 眨 到目前为止，所有的吸附动力学理论和吸附速度方程都是建立在严格的物理模 型基础上的，这些模型在通常条件下很难求解，因此很难从中得出比较简单适用 的吸附速度方程，除非对所研究的吸附工质对的吸附机理、传热传质等情况做出 理想化的假设。而在实际的吸附( 脱附) 过程中，决定吸附或脱附的不仅包括常 规的理论模型，还包括涉及传热传质的因子，因此上述的吸附速度方程模型都是 一些经验或者半经验的公式，在一定范围内是适用的。 2 2 3 平衡吸附方程 吸附质与吸附剂接触放置无限长时间的吸附量是平衡吸附量，它是吸附质的 压力以及吸附剂温度的函数，是吸附制冷系统中最重要的参数之一。 在吸附式制冷中，吸附和解吸过程都是在定压的工况下进行的，因此研究定 压状态下的吸附规律就显得尤为重要。 对于平衡吸附，目前常用的吸附等温方程类型m 3 有以下几种： ( 1 ) 基于l a n g m u i r 方法( 假定吸附体系动态平衡及蒸发速率等于冷凝速率的 一个动力学方法) 的吸附等温方程。 l a n g m u i r 方程 吸附速率= 七。p ( 1 0 ) ( 2 1 6 ) 脱附速率= k a o ( 2 1 7 ) f r e u n d l i c h 方程 第2 章热管吸附式制冰机的技术原理 羔=kypx舶 b e t 方程 旦：上+ 丝旦 x ( p o p 、) k b xmk b x mp o ( 2 ) 基于g i b b s 方法的吸附等温方程 m 争b 毒 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 3 ) 基于p o l a n y i 吸附位势理论的吸附方程 d u b i n i n - - r a d u s h k e v i e h 方程 吸附位势理论是从固体表面存在吸附势能场出发，描述多分子层吸附的理论模 型，早在1 9 1 4