（轮机工程专业论文）利用柴油机余热吸收式制冰系统的研究.pdf

中文摘要 摘要 近年来，由于国际石油价格的上涨和近海鱼类资源的匮乏，船舶进行远洋捕 捞成本不断提高。同时为了节约能源和保护环境，克服大多数船舶使用压缩式制 冷机组的缺陷。本文提出以新型制冷工质对t f e t e g d m e ( 2 ，2 ， 2 - t r i f l u o r o e t h a n o l w e t r a e t h y 王e n e g 主y c o lp i 糯e t h y 王e t h e r ) 吸收式制冰系统用 于船舶制冷，并为此着重对静止状态下平板降膜吸收器和竖直管内降膜吸收器的 传热和传质进行了大量的数值模拟研究。主要工作如下： 1 本文采用适用船舶烟气余热的计算式，并用v b 编写了计算程序。结合目前国 内外学者对该工质的研究现状，收集了该工质的热物性参数计算式，同时为了 方便计算编写了计算程序。 2 对以该工质的单效循环、g a x 循环、中压双效复叠循环、普通双效制冷循环、 三效制冷德环的王况点计算公式进行了深入研究，并确定以单效制冷循环作为 搭建制冷性能实验台的依据。 3 通过计算流体力学软件对吸收过程的模拟，结果表明：通用模型能准确模拟冷 却水温度和稀溶液入阴温度变化对吸收效果的影响。 4 数值模拟和理论计算结果表明：冷却水温度要低于3 5 才能达到吸收的最好效 采，热力系数随制冷蒸发温度的降低大幅降低。 5 进行一系列相关数值模拟验证了以上理论计算结采，二者吻合良好。 关键词：吸收式制冰系统；柴油机余热；制冷工质t f e - t e g d 贬；数值模拟 英文摘要 r e s e a r c ho fa b s o r p tio nic e - m a k e rs y s t e mu tii izin gdie s el s u r p iu se n e r g y a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ec o s to ff i s h e si n c r e a s e sg r a d u a l l yd u et ot h er i s eo fo i lp r i c ea n dt h e l a c ko fo f f s h o r ef i s hr e s o u r c e s i no r d e rt os a v ee n e r g yr e s o u r c e ，p r o t e c te n v i r o n m e n t a n do v e r c o m es o m ed i s a d v a n t a g e st h a tc o m p r e s s i o n r e f r i g e r a t i o ns y s t e m su s e do nm o s t p r e s e n tv e s s e l s ，w ep r o p o s e dt oi n s t a l la na b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw i t han e w w o r k i n gp a i r o f t f e t e g d m e ( 2 ，2 ，2 t r i f l u o r o e t h a n o l t e t r a e t h y l e n e g l y c o l d i m e t h y l e t h e r ) o nav e s s e l f o rt h i sr e a s o n ，w ei n v e s t i g a t e dal o to fs i m u l a t i o nr e s e a r c h o nh e a ta n dm a s st r a n s f e ro ff a l l i n gf i l ma b s o r p t i o ni nas t a t i o n a r yp l a t ea b s o r b e ra n d i n s i d es t a n d p i p ea b s o r b e rs u m m a r i z e di nt h i sp a p e r t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： 1 t h i sp a p e rc o m p i l e sp r o c e d u r e si nv ba c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nf o r m u l a so f w a s t eh e a ta n dt h e r m o d y n a m i cp r o p e r t i e sp a r a m e t e ro ft f e t e g d m e r e f e r r i n g t os o m er e s e a r c hw o r k 2 w ec o m p a r ew i t ht h ec o n d i t i o nc a l c u l a t i o n sa m o n gt h es i n 百ee f f e c tc y c l e ，t h eb a s i c g a xc y c l e , t h em i d - p r e s s u r ed o u b l e - e f f e c tc a s c a d ec y c l e ，c o m m o nd o u b l ee f f e c t c y c l e ，t r i p l ee f f e c tr e f r i g e r a t i o nc y c l ew i t ht f e t e g d m ea sw o r k i n gf l u i da n d c h o o s et h es i n 西ee f f e c tc y c l et ob eu s e di nt h i se x p e r i m e n tu l t i m a t e l y 3 w ea d o p tt h ec f ds o f t w a r et os i m u l a t et h ea d s o r p t i o n p r o c e s sw h o s er e s u l t s d e m o n s t r a t et h a t g e n e r a lm o d e ls i m u l a t e st h ei m p a c to faa b s o r p t i o ne f f e c t a c c o r d i n gt ov a r i a t i o no ft e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e ra n di n l e tw e a ks o l u t i o n a c c u r a t e l y 4 t h es i m u l a t i o na n dc a l c u l a t i o nr e s u l t st e l lu st h a tt h ea b s o r p t i o nr e a c ht h eb e s te f f e c t w h e nt h et e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e ri sl o w e rt h a n3 5 。ca n dt h ev a l u eo fc o p r e d u c e dr a p i d l yw i t ht h ed e c r e a s eo fe v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r e 5 al o to fs i m u l a t i o nf i n i s h e da n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o na r ew e l la c c o r d a n tw i t ht h e c a l c u l a t i o nr e s u l t s 英文摘要 k e yw o r d s ：a b s o r p t i o ni c em a k e rs y s t e m ；d i e s e ls u r p l u se n e r g y ；w o r k i n g f l u i d t f e - t e g d m e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原仓l j 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褥的成果， 撰写成硕士学位论文= = 型翘装迪拯金垫哩蝗戴剑逖丕缝蝗亟塞：。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入承担。 论文作者签名： 黝潲年；冀y 圜 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溺。本入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：傈密口 不保密口( 请在以上方框内打“ ) 论文作者签名：矛爝缸导师签名：m 飞 网期：掰年月加日 利用柴油机余热吸收式制冰系统的研究 第1 章绪论 1 1 研究船舶制冰系统的意义 1 1 。1 船舶制冷现状 我国是世界上渔船数量最多的国家，机动渔船数量达2 0 多万艘，约占世界渔 船总量的四分之一。目前，海洋水产捕捞作业和加工运输过程存在敷冰保鲜和压 缩机组制冷两种主要保鲜方式。渔船制冷是渔业发展过程中的重大变化。渔船制 冷已成为水产品冷冻保鲜的关键丽备受关注珏1 自本世纪七十年代以来，无论是国内 还是国铃的渔船都相继舞始安装制冷设施以对所捕获的水产品进行冷冻保鲜晗； 进入九十年代以后，为适应生产形势及各国市场需求还发展了渔种冷冻保鲜设旌。 然而，因前大多渔船配备的压缩式制冷系统均以电能为驱动力，直接消耗船用发 电机的有用功，不利于节能；制冷剂一般为r 1 2 、r 2 2 等氟利昂工质。易发生泄漏， 有的渔船泄漏r 2 2 高达两吨h ，严重危害大气环境。根据1 9 8 9 年的“赫尔辛基” 宣言和1 9 9 0 年修订后“蒙特利尔公约 的规定，2 0 0 0 年前完全禁止和生产c f c s ， 限用h f c s ，发展中国家可推迟到2 0 1 0 年。对过渡性物质隧聪提出了2 0 2 0 年焉的 控制时间表。虽然压缩制冷机组解决了1 0 0 吨位以上渔船的保鲜问题，但是囊于 压缩机组以电驱动实现制冷循环，对依靠柴油发电的渔船来说，存在动力要求高、 设备成本高和运彳亍、维护费用高等弱点，其运行需要消耗大量的燃料和具备较高 的维护水平。因此，对于占据我国渔船总量绝大多数的1 0 0 吨位以下的中小渔船 来说，仍然依靠带冰作业这种传统的方式出海捕捞。中小型渔船出海作业每次需 要携带2 0 吨以上的冰块用于捕捞渔晶的保鲜，一般情况下，都会产生1 0 一3 0 的 冰量损耗。由予中小型渔船吨位较小，舱容有限，装冰会占用很大的空间，带来 很多不便；同时，带冰作业也会一定程度的增加渔船主机的负荷，油耗的增加和 冰损使捕鱼成本明显增加。目前，渔船主要使用四冲程柴油机做主机，大多数渔 船航行和捕鱼时主机不停机璐3 ，而且柴油机的工作负荷高，除少量船舶安装废气余 热锅炉来回收余热和净化排气外，其他的船舶废气余热温度可达2 5 0 c 以上。这些 余热可进一步以利用以提高主机的综合热效率，从而提高能源的利用效率。船舶 第1 章绪论 主机废气，具有非常高的利用价值，而海水是优良的载冷剂，吸收式制冷机一般 的加热温度是1 0 0 ( 2 1 5 0 ，这渊源低于船舶排气的温度，这些已满足了吸收式制 冷系统运行的能量条件。 目前，利用船舶柴油机余热制冷逐渐受到了人们的关注。研究主要集中在吸 收式制冷和吸附式制冷( 制冷空调系统：冷冻水系统，制冰系统) 两个方面。王 丽伟砸1 等设计了一台利用船用6 1 6 0 h 型柴油机余热驱动的吸附式制冰系统，采用甲 醇作制冷剂，块状活性炭作吸附剂，日产冰6 0 0 k g ，c o p 值最大在0 3 左右，并且 建立了系统仿真模型。湖南大学李定宇教授研究开发的d y 船舶柴油机尾气制冰机 n 1 ，采用卤化盐和氨作为工质对，在其设计的样机中，制冷量可达到1 2 k w ，制冰 能力8 3 k g h 。中国海洋大学的李华军等拥有“船舶柴油机排气余热吸附式制冰机 的专利，但没有实质性的机组问世。徐士鸣等分析了利用渔船柴油机余热驱动的 氨吸收式系统制冷保鲜的可行性陋1 。谭显光等对吸附式制冷应用于中小型渔船冷藏 库鱼体冷冻保鲜的方案进行了探讨嘲，以d c 8 0 8 型2 9 m 拖网渔船为例分析了方案的 可行性。上海交通大学的王如竹等开发了吸附式制冰机样机n 们。 1 1 2 船舶动力余热利用 众所周知，船上除推进用的机械能外还需要热能和电能。在常规的基本柴油 机装置中，船上所需要热能和电能是依靠辅锅炉和柴油发电机组供给，这样就必 须消耗燃料。船舶动力排气余热利用系统主要有以下几个方面的应用：一排气余 热转换成加热热能的利用系统。二排气余热转换加热热能及电能的利用系统。三 排气余热转换成加热热能、电能和机械能的利用系统。余热的品质有高低之分尽 量做到合理用能n 。同本神户商船大学和大阪大学工学院曾对两艘船舶进行了热 平衡和火用分析。一艘是6 5 0 0 0 吨级柴油机推进散装货船，主要装备二冲程低速柴 油机，功率为7 5 0 0 k w 。另一艘为3 5 0 0 0 吨级集装箱船，主机是四冲程中速柴油机， 功率为1 5 0 0 0 k w 。热平衡和火用平衡分析如下表1 。从表中看出，用传统的热平衡分 析法所得结果，热量损失主要是排气和冷却水带走的热量，第一艘分别占主机总 热量的2 5 7 和2 6 8 ，另一艘占1 9 9 9 6 和2 9 5 。用火用平衡分析法所得到的结果 就不同了，从表上火用平衡数据看出，主要损失是燃料在气缸内燃烧和转变为机械 利用柴油机余热吸收式制冰系统的研究 功的过程中的不可逆损失，它占燃料震耀值的4 董。圭篱及3 8 冁。冷却承带走的热量虽 然数量很大，但品质较低，动力利用价值较低，所以只占到燃料灾黜直的4 。和 4 。5 。而排气损失，因其温度较高，占燃料总火用值的6 8 及6 。7 。提高船舶循环 经济性和合理利用余热指明了方向。 表1 16 5 0 0 0 吨级散装货船及3 5 0 0 0 吨级集装箱船热平衡与灾氆平衡分析数据 t a b 。l 。l 豫a n a l y t i c a l 馘罄醪b a l a n c eo nt h eg e n e r a lc a r g os h i pi n6 5 0 0 0a n dt h ec o n t a i n e ri n3 5 0 0 0 。 。3 研究t f e t e g d m e 吸收式制冰系统的意义 吸收式制冷系统具有可以利用低品位热源、几乎不用电、对地球环境友好等 优点。同目前在船舶上应用的压缩式制冰系统相比较，吸收式系统采用了吸收器、 发生器和泵代替压缩式系统中的压缩机。与吸附式制冷系统比较吸附剂在较低的 温度下吸附制冷剂，而在较高的温度下脱附出制冷剂的“吸附一脱附”循环来实 现的制冷。目前，吸附式制泳机已经形成产品并投放了市场。但是吸附式系统有 其自身的缺陷，不仅c o p 值较低，丽且单组吸附式系统无法连续运行，只能闻歇 制冷，要连续产生冷量，必须要两个或更多的吸附单元联合运行。这样无疑增加 了装置的体积和复杂性，吸附式制冰机还没有得到广泛应用。相对于吸附式制冷， 吸收式制冷具有运行连续，高c o p 值和持续的制冷能力的优点，因此在陆地上已 第1 章绪论 经被得到了广泛的应用( 大型吸收式制冷机组) 。但同时，由于传统的吸收式制冷 系统的主要部件即吸收器、再生器、冷凝器、蒸发器都需要自由水平面，不太适 合船舶的颠簸运动状态，因此限制了其在船舶上的发展和应用。本文从余热利用、 吸收式制冰、适用于船舶工作条件的吸收式制冰机各部件的结构及其特性以及从 新型环保的工质对等几个方面着手，研究利用船舶柴油机余热作驱动能源的吸收 式制冰系统，同时做到系统的经济性、实用性的要求。 有的学者提出船用吸收式制冷系统n 2 。3 i 。这种设想符合当今的现实要求，因此 总结吸收式制冷系统有如下几方面的优势： 1 节能，吸收式制冷系统可直接利用8 0 以上的热源。 2 制冷温度范围广。吸收式制冷系统可制取零下几十摄氏度至零上的相当温 度，其制冷温度范围可以满足船用制冷要求( 一1 8 - + 5 ) n 引； 3 运行可靠，易于调节。系统可在各种负荷条件下平稳运行，在1 0 1 0 0 的负荷范围内可进行无级调节； 4 制冷量大，c o p 值高。单个制冷系统的制冷量可很大，c o p 值较吸附式制冷 系统高，一般为0 4 1 4 ； 5 环保性好。大多数吸收式制冷系统不含氟利昂系物质，对环境不具破坏性 影响； 6 设备加工制造容易。吸收式制冷系统中大多为热质交换设备，主要材料是 不锈钢和铜，对加工工艺的要求并不高，易于生产； 7 维修方便。系统内除溶液泵外无其他运动部件，运行周期长，易于维护。 然而，当前广泛用于生产实际的n h 。h 。o ( 氨水) 和h 2 0 l i b r ( 水溴化锂) 吸收 式制冷系统虽至少经历了半个多世纪的发展和完善，并被商品化和系列化n4 【，但 如将其中任一系统用于渔船制冷，则存在几乎难以克服的困难。一方面，n h 。h ：0 吸收式制冷系统中氨有毒，易对人体造成伤害；系统压力大，氨易泄漏，一旦空 气中的氨含量为1 5 - - - 2 8 ( 体积) ，则发生爆炸n5 | ，不利于安全作业。另一方面， 水溴化锂吸收式制冷系统易结晶，不能制取0 以下低温n 引，难以满足渔船制冷 温度范围的要求。但由相关新型吸收制冷工质对研究发现n 7 2 ，t f e t e g d m e ( - - - 氟 利用柴油机余热吸收式制冰系统的研究 乙醇- - 甲醚哩甘酵 吸收式制冷恰能克服以上两种制冷系统的缺陷：工作压力低， 在真空条件下工作无爆炸危险；制冷湿度范广；c o p 值高；t f e 刀e g 嘲e 热化学稳 定好，对常用金属不腐蚀，不易燃烧、毒性不大。本文就是利用此新型王质对， 用加热器替代船舶柴油机的废气作为加热热源，来研究和开发船舶废气余热吸收 式制冰系统。在船舶正常的工作环境下，可利用船舶柴油机余热的3 0 - 5 0 ，整机 制冰效率与在陆上相比下降不超过2 0 ，能满足正常的制冰需要；冰的成本价格为 2 0 0 元吨，加上冰的耗损，实际利用量仅为带冰量的6 0 ，_ 以某1 0 0 t 渔船为例， 每越出海作业圭s 天左右，带冰量为3 0 1 ，价值6 0 0 0 元左右，一年出海1 5 越， 带冰成本高达8 万元。t f e - t e g d m e 吸收式制冰机成本价大约8 0 ，0 0 0 元左右计， 一年内即可回收投资。省去购冰成本，降低柴油机油耗，从而大大降低了捕鱼成 本，为海洋水产捕捞业带来巨大的经济效益。同时，将提高能源的有效利用率， 对于节能和保护环境都具有重要的意义。 1 2 吸收式制冷工质对的国内、外研究现状综述 吸收式制冷技术的发展己有一百多年历史，最远可追溯到1 8 1 0 年，当时苏格 兰的约翰莱斯里( j o h n l e s l i c ) 制造出最早的吸收式制冷机一闻歇式吸收式制冷 帆：到了1 8 5 9 年，法国的费尔第南德卡尔( f e r d i n a n d c a r r e ) 发明了连续型瓣璃 嬲p 吸收式制冷机，并获美国专利，随郄在欧洲广泛生产使用：二十世纪初能源充 足，吸收式制冷机并不引人注目，直到二战以后，人们又重新认识到吸收式制冷 的优越性。美国的c a r r i e r 公司于1 9 4 5 年生产出第一台h 。o l i b r 双效吸收式制冷 机，从此，吸收式制冷在世界各国受到重视，h 。o l i b r 及n h 。h 。0 两种吸收式制冷 机得到普遍应用。在溴化锂吸收式制冷技术领域中，发展最快的国家当属r 本， 日本从美国引进吸收式制冷相关技术，现在反向美国输出。根据1 9 9 5 年日本冷冻 空调协会公布的资料表明，嚣本溴化锂吸收式制冷视年产量6 0 0 0 台年。虽然我 国吸收式制冷技术起步较晚，但发展也很快。第一台国产m h ：0 吸收式制冷机于 六十年代初建成：七十年代末，福州地热研究所研制出两级n h 。h ：0 吸收式制冷机 嘲：第一台单效蒸汽型h 。o l i b r 吸收式制冷机于1 9 6 7 年在上海问世；八十年代初， 第1 章绪论 开始生产双效n h 。h ：0 吸收式制冷机组，到1 9 9 6 年全国年产此机组1 5 0 0 多台。 吸收式制冷技术从其诞生之日起就不断得到发展和完善，许多科研工作者为 此付出努力并取得了丰硕成果。主要的研究方向是新型工质对的研究、吸收式制 冷循环的研究、传热和传质的研究( 高效传热管的研究、添加剂的研究、吸收机 理的研究、控制方式的研究) 这三个方面的研究。下面侧重从新型工质对的使用 来介绍国内、外关于吸收式制冷系统的研究进展情况。 当前，大多数吸收式制冷系统主要采用n h 。n 。0 及h 。o l i b r 两种制冷工质对。 尽管它们各有优势，但也存在一些致命的缺点：氨有毒、可燃、与空气混合易爆 炸并且吸收质与吸收剂沸点差小：h z o l i b r 系统不能制取o 以下低温、易结晶、 有腐蚀性且难以实现风冷化。正因为如此，国内外许多学者开始进行新型吸收制 冷工质对研究工作，使该方面研究呈现多元化趋势。国内许多科研院所在从事这 方面的研究工作。其中，浙江大学的科研人员对n h 。n a s c n ( 硫氰化钠) 、r 2 2 d m f ( 二 甲基甲酞胺) 及r 2 2 + r 1 4 2 b ( 二氟一氯乙烷) d m f 三种工质对进行了尝试研究幽卅1 。 实验发现，n h 3 n a s c n 吸收式制冷系统的最低制冷温度可达一1 8 5 一2 9 7 ， 但其热力系数在吸收温度为4 0 ，蒸发温度为- i o c 的情况下循环热力系数仅有 0 1 7 。r 3 2 ，r 1 3 4 a d m f 作为吸收式制冷的工质对虽然能制得一5 0 c 的低温，但其热 力系数( c o p ) 很低。大连理工大学制冷教研室与日本三洋公司合作对t f e n m p 工 质在吸收式热泵试验研究，该系统具有c o p 值可高达( 1 5 2 左右) ，工质对无公害 等优点，应用前景十分看好，但相对于船舶的狭小空间，该系统需要增加精馏装 置。相比较而言，国外吸收工质对方面的研究更多一些。t e g d m e 作为吸收剂最早 是1 9 5 9 年由b j e i s e m a n 汹1 提出，其后陆续有人对其性质进行了研究。t f e 作为 制冷剂是在1 9 8 7 年以后才被列入制冷行业研究的课题，t f e t e g d m e 配对组合构 成吸收式制冷的工质对，最早由s e h e r d ，k s t e p h a n 啪1 等人提出。但直到9 0 年代， 各国学者才开始对该工质对表现出浓厚的兴趣。1 9 9 4 年，西班牙r o v i r a iv i r g i l i 大学的学者s k c h a u d h a r i 和a c o r o n a s 等人对t f e 、t e g d m e 纯物质的各个状态 下的压力做了一个比较系统得测量，并拟合出了各自的压力公式乜7 | 。从而为以 t f e t e g d m e 为工质的吸收式制冷循环再理论上研究作了一个很好的铺垫。日本研 利用柴油机余热吸收式制冰系统的研究 究人员对t f e ( 三氟乙醇) t e g 滋e ( 三甲醚四曹醇) 及t f e 专嚣如艘e c d m e 进行了研究， 认为蘸两种组合制冷温度范围较宽，可_ 以满足制冷要求，后者能够提高系统的传 热性和经济性。在国内关于这方面的研究，国内最早的开始研究的是大连理工大 学的徐士鸣教授泌剐。并拟合了t f e t e g d m e 混合物性的关联式跚1 ，从理论上为研 究以t f e t e g d m e 为工质的吸收式制冷循环奠定了基础。 1 3 竖直降膜吸收器和降膜吸收数学模型的研究 吸收器是吸收式制冷系统中最重要的部件之一，常用的有套管式、鼓泡式、 降膜式三种类型，其中最常用的是降膜吸收器。降膜吸收器又分卧式降膜( 水平 管外降膜) 和立式降膜( 竖直管内外降膜，竖赢板降膜) 。后者的主要优点在予节 约空闻，更容易布液，布液更均匀。下面就璺直降膜吸收器和竖直降膜吸收器的 传热传质数学模型的研究进展作以介绍。 。3 竖盏降膜吸收器的研究 ， 近年来，困内外很多学者对吸收器进行广泛的研究，研究对象主要为降膜吸 收器。实际应用的吸收器型式为降膜式，因此研究者的目光主要都集中在降膜吸 收器上。所使用的工质主要是溴化锂水溶液和氨水两种工质对。m e d r a n o 等心3 研究了光滑竖直管内壁上的溴化锂水溶液对水蒸汽的波动降膜吸收，吸收器采用 两根长度1 5 m 的不锈钢管，内管的内径为2 2 1 m m ，管壁光滑，两管之间通冷却水。 结果显示，实验产生了较高的过冷凌。t a k a m a t s u 等孙秘把两个竖直同心管组成的换 热器作为吸收器，一个内表面光滑的内径为1 6 0 5 m m ，外径为1 9 。0 5 m m 的铜管，外 部套一个内径为2 2 1 m m 的不锈钢管。在铜管内部发生降膜，铜管外部通过冷却水 冷却。经过对4 0 0 m m 和1 2 0 0 m m 长度管的数据比较以及对管内液膜流动情况的观察， 证实，当r e ) = 1 3 0 的时候，管子表面被液膜完全覆盖。另外，溶液流速的降低会 导致液膜的破坏产生溶液流，会使传热传质效率明显降低，而对于1 2 0 0 m m 的管， 更高的雷诺数也会导致液膜的破坏。 m ill e r 与k e y h a n i 融1 使用具有温度记录功能的荧光粉来测量沿吸收器长度方 向上的温度分布，并且对质量分数为6 0 - - 6 4 范围内的溶液进行了实验，提供了 第l 章绪论 局部传热传质过程的相关数据。结果显示，吸收剂的区域体积温度不受降膜的影 响。t s a i 等瞵1 用3 4 英寸的竖直光滑铜管做传热管，研究管外降膜。并且在管顶部 安装了一个能够产生震动的机械装置，增加液面的扰动，用不同的频率做测试， 研究其对传质的强化作用。机器中的腐蚀和钝化以及泄漏都会产生不凝气体，如 空气和氢气等，它们会聚积在液相与气相界面之间，增大传质阻力，对吸收过程 产生不良影响，从而影响整个机组的性能。我国的尹铭等啪1 对l i b r 溶液在光滑管 和四种换热强化管竖直管外降膜吸收过程进行了实验研究，得到了实验条件下的 最佳管型。分析了非绝热吸收过程中传热传质相互作用、相互影响的关系：建立 了竖直管外降膜吸收热一质传递过程的数学模型，并对该过程进行了数值计算，计 算值与实验结果的比较证明该模型具有较好的适用性。 d a r z o z 7 1 等研究了溴化锂溶液对水蒸汽的绝热吸收。考察了吸收器中溶液三 种不同形式的重力流：独立的液滴、喷射和沿斜面的降膜。结果表明，喷射或降 膜的溶液比滴状下落的溶液更快的达到饱和，传质系数大于1 5 1 0 s 。降膜可 以在单位面积上获得更大的流量，同时在单位长度上可获得更多的与蒸汽的接触 面积。因此，采用降膜就可以得到单位制冷量上更小的吸收室容积。e d r o g d a k i s 等认为前人的二维竖直管降膜吸收模型中固体表面温度不变或绝热的假设会导 致模型无法很好地接近实验值，因此在新的计算模型中加入对冷却水作用下能量 平衡的考虑，并对吸收热在蒸汽状态和在水溶液状态时的焓值加以区分。模型是 管内逆向冷却水，管外层流降膜吸收，计算结果显示r e 1 5 0 时模型与实验值吻合 较好。 在竖直管状通道吸收器被研究的同时，一些学者也开始对其他具有平直型通 道的降膜吸收器进行了探索研究。李美玲等删朝用板翅式热交换器作吸收器，针对 溴化锂水溶液沿竖直板翅通道以及矩形通道降膜吸收水蒸汽的过程，建立了开式 系统，间歇运行的实验台，并作了界面活性剂对平板吸收器( o 6 m 和0 3 m 长) 吸 收强化的研究。东南大学的陈亚平等h 4 1 提出吸收器采用板壳式换热器，传热元件 为交叉双尺度波纹板来强化传热。y o o n 等h 铂针对水冷的竖直板吸收器建立了一个 数学模型，用来预测温度与浓度的分布，传热传质的量，总体的传热传质率以及 利用柴油机余热吸收式制冰系统的研究 传热传质系数。高洪涛制7 1 在嚣本东京大学开展了平板型吸收器以及褶关的研究， 通过实验数据对比，得出结论：开有宽度为l m m 的纵向沟槽换热板的性能较好，在 液膜雷诺数为7 5 时，其传热系数是光滑板的1 4 4 倍，解决了单层乎板型吸收器的 板型优化问题。宋希庚，许士鸣教授指导的学生以t f e n m p 为工质进行了摇h 础摆式 竖直管内降膜吸收理论、数值模拟和实验研究，结果表明：只要海上风浪不大， t f e 嗍p 吸收式制冷系统完全满足船舶制冷需求。以上的是主要针对溴化锂机组和 氨水机组的降膜吸收器的进展。僵对于以t f e t e g d 陋i 质对进行的竖直降膜吸收 实验墨前尚无公开发表论文阐述，这正是本文的研究重点。 3 2 降膜吸收数学模型的研究 失了模拟降膜吸收过程的传热和传质过程，研究人员根据降膜吸收的不同流 动状态提出了不同的数学模型。一般常用的都处于固定状态，一般降膜吸收器的 吸收溶液都处于光滑层流或者是波动层流状态，湍流的状态极少数出现。目前降 膜流动状态大都由雷诺数r e m l 的大小来确定。r e ( 3 0 ，整个流动区域都处于层流 状态；3 0 ( r e 3 0 0 1 6 0 0 ，主流区处于波动层流状态：3 0 01 6 0 0 ( r e 时，整个 主流区域处于湍流状态。溶液流动状态不同，降膜吸收模型也会有很大的差羽。 吸收器计算模型经历了最篙单的绝热壁面传热模型，等温壁瓤传热模型，等温壁 面传热传质模型，冷却( 风冷或水冷) 壁面传热传质的模型等典型阶段，近几年 来的研究工作仍集中在寻找能够准确描述吸收器工作情况、得到和实验结果相同 的性能参数的计算模型，包括假设、控制方程、数学方法以及边界条件等等的选 择，下面选择了近几年来较为典型的竖直管降膜和竖直平板降膜模型，通过概括 的描述介绍这类计算模型的发展现况。 在n a k o r y a k o v 和g r o s s m a n 等人早期传热传质理论基础上，y i g i t 提出一维竖 直管层流降膜吸收的模型畸叭，管内冷却水方向由下向上，蒸汽吸收过程在管的外 表面进行，假设吸收液是充分发展的牛顿流体。r o g d a k i sed ，p a p a e f t h i m i o uv d ，k a r a m p i n o sdc 璐q 认为前人的二维降膜吸收模型中围体表面温度不变或绝热 的假设导致模型无法很好地接近实际实验值，因此在新的计算模型中加入对冷却 水作用下能量平衡的考虑，并对吸收热在蒸汽状态和在水溶液状态时的焓值加以 第1 章绪论 区分。 新模型是管内逆向冷却水，管外层流降膜。计算溶液温度浓度分布、管内冷 却水温度变化、过热水蒸气的热动力特性以及变化的吸收热对溶液温度的作用， 用层流模型量化研究吸收压力、溶液流速及进口冷却水温度的变化对吸收过程的 影响。计算结果显示r e 2 1 2 燃烧过量空气系数嘲a 在实际柴油机，因为按内部混合方式形成可燃混合气，混合的时闻很短；另井 由于结构的限制，雾化燃油不可能在燃烧室内均匀分布，使油气混合不均匀。因 此，按理论空气量向气缸内提供空气不能保证燃料的完全燃烧。所以位了保证完 全燃烧所需要的空气量，进入气缸的实际空气量要大于理论空气量。充入气缸内 利用柴油机余热吸收式黼冰系统的研究 嚣实际空气量l 与进入气缸内的燃油完全燃烧所需要的理论空气量k 之比称为燃 烧避量空气系数g ，即 口絮厶 ( 2 3 ) 一般情况下，二冲程柴油机的饼大予四冲程机；大型柴油机的联大于小型柴油机； 增压柴油机的o r 大于非增压机。在标定工况下，不同机型的口通常在下列范围： 非增压高速四冲程小型柴油机 口= 1 2 1 7 增压高速四冲程小型柴油机 g = 1 5 - - - 1 9 非增压低速二冲程大型柴油机 诺= 王8 - - - 2 重 增压中、低速二冲程大型柴油枫 口= 2 0 - - 2 。3 2 1 。3 烟气沈热 对于烟气，其主要成分包括氮气、二氧化碳，氧气和水蒸气。计算公式可按 照下面的式子蚓。 q = g r 2 c i p 2 十g 2 c _ d 2 + g d 2 c r p d 2 十g 屿口c k d ( 2 4 ) 其中：c ，为烟气比热，k j ( k g ) ：g ，2 、g c 0 2 、9 0 2 、d 为烟气中氮气、二氧化 碳、氧气、水蒸气的质量成分，堙姆； ：、c 啪：、：、d 为烟气中氮气、二氧化碳、氧气、水蒸气的比热，单 位是k j ( k g ) 。在0 1 0 0 0 9 c 范围中，各组分的比热有如下回归公式，其误差 不超过3 ； 2 = 1 0 2 5 8 + 1 8 6 9 x l0 4 t ； 2 卸8 3 7 3 + 9 。0 9 x l o 4 t - 6 1 3 6 4 x 1 0 7 t 2 + 1 5 9 0 9 x i 0 1 弩； 2 = o 。9 0 5 4 + 3 。3 2 5 x 1 0 4 t - 1 1 l x l o 甲； d = 1 8 2 4 3 + 6 4 7 8 1 0 4 t 。 其中，t 为温度，单位是( ) 。将上述四个式子代入2 。f ，则有： q = a + b t + c t 2 + 破3 ( 2 5 ) 其中：口= 1 0 2 5 8 9 ，2 + 0 8 3 7 3 9 c 0 2 + 0 9 0 5 4 9 0 2 + 1 8 2 4 3 9 m d 第2 章烟气和t f e t e g d m e 热物性和计算 矗= ( 1 。8 6 9 9 2 9 0 9 9 c 0 2 + 3 3 2 5 9 0 2 专6 4 7 8 9 鲍o ) x l o 。4 c = - ( 6 1 3 6 4 9 c 0 2 + 1 1i g h 2 0 ) x 1 0 - 7 d = 1 5 9 0 9 x 1 0 一婚g c 0 2 2 。1 4 烟气的导热系数嘲 烟气的导热系数同样是由各组分的成分决定的，经过筛选和比较，最终确定 以下公式的计算精度较高，满足工程计算的需要。 磊：毖2 盘2 垒三2 n + y 0 2 l , 0 2 ( t + 4 1 1 ) + y c 0 2 _ , c 0 2 ( t + 5 2 5 ) + y x , o a m , o ( t + 1 4 6 4 ) ( 2 。6 ) 4 f + 置4 f + 岛以h 忍以“反 其中：4 = 2 + o 9 5 3 6 r c 0 2 + 1 1 2 9 3 饧2 十o 6 6 3 d 4 = r 0 2 + 1 0 4 9 9 r n 2 + 1 1 8 9 r c 0 2 + o 6 6 8 r u ：o 4 = r c 0 2 + 0 8 9 1 2 2 十o 8 5 2 7 饧2 + o 。6 0 5 o 幺= d + 1 6 7 8 r r 2 + 1 5 8 4 饧2 + 1 9 6 r c 0 2 置= 3 9 1 r u 2 + 3 8 2 r c 0 2 + 5 0 3 饧2 + 3 6 3 d b 2 = 4 2 1 r u 2 + 4 1l r c 0 2 + 5 4 6 r 0 2 + 3 9 2 r x 2 d 忍一3 9 7 r 2 + 3 9 l 锄+ 5 2 5 r 0 2 + 8 呶秽 最= 9 2 0 r 2 + 9 0 3 r c 0 2 + 1 3 2 3 r 0 2 + 1 4 6 4 。 在0 - - 一1 0 0 0 c 的范围内，各组分的导热系数有如下回归公式： 厶2 = 0 0 2 4 2 + 6 5 2 2 x 1 0 t 一0 7 4 x 1 0 硝t 2 如2 一o 。0 2 4 7 + 7 9 9 4 1 0 t - 1 2 8 1 x 1 0 棚t 2 2 = 0 0 1 4 6 6 + 8 0 3 6 x 1 0 一t 一0 9 7 9 x 1 0 嵋t 2 缸。= 0 0 1 6 2 + 8 1 x 1 0 一t 一4 2 x 1 0 。8 t 2 2 2 t f e t e g d m e 工质的热物性参数及计算式 本节根据国内外资料整理出有关三氟乙醇二甲醚四甘醇( t f e t e g d m e ) 各 种热物性参数及数据，拟合出热力计算所需要的热物性关联式，可用于吸收式制 一1 6 利用柴油机余热吸收式制冰系统的研究 冷进行分析计算，从蔼为国内研究、_ 开发以t f e t e g d 谶为王质的吸收式制冰系 统提供帮助和指导。 2 2 t f e t e g d m e 物理性质 三氟乙醇( t f e ) 是一种有机物，其分子式和基本物理性质见表。作为制冷剂， t f e 具有以下优良的性能：1 ) 工作温度范围广( 1 0 - - - 2 5 ) ；2 ) 安全系数高， 真空状态下工作，无爆炸危险；3 ) 工质热稳定性好，在正常的工作温度范围内不 会因受热而分解；4 ) 对常用金属无腐蚀；5 ) 不易燃烧，低毒性；6 ) 粘度小，流 动性强；7 ) 溶液的表面张力小，溶液吸收制冷剂的能力强，并且无结晶问题。 t f e 的主要缺点是汽化潜热比较小，导热系数低 表2 1t f e 的物性参数 t a b 2 1p r o p e r t yp a r a m e t e r so f t f e 二甲醚四甘醇( t e g 嘲e ) 也是一种有机物，其物性参数见表t f e t e g d m e 溶液在较 大的温度范围内可以完全互溶，温度达到2 5 0 。c 时也有较好的稳定性。在工作温度 范围内，t e g d m e 溶液吸收制冷剂的能力很强。 表2 2t e g d m e 的物性参数 t a b 2 2p r o p e r t yp a r a m e t e r so f t e g d m e 第2 章烟气和t f f ：i e g d i v l e 热物性和计算 2 2 - 2t f e t e g d m e 溶液焓一浓度( h - 毛) 计算式 t f e t e g d m e 混合溶液的比焓表达式为 吃( 彘，f ) = 彘啊+ ( 1 一彘) 岛+ j i l e ( 彘，f ) i d k g ( 2 7 ) 其中，卧如分别为t f e 和t e g d m e 纯物质的比焓，j l e 为过量焓，彘为t f e 在溶液 中的质量分数，t 为溶液的温度。文献瞄7 删给出了两种纯物质比焓的计算式。 t f e 纯物质比焓： 啊= 4 1 8 6 8 x ( 1 0 0 o + a l + 口2 2 + a 3 t 3 3 ) 材培 ( 2 8 ) t e g d m e 纯物质的比焓： 吃= 4 1 8 6 8 x o o o o + b i t + b 2 t 2 2 ) 材堙 ( 2 9 ) 式中的系数见表2 3 表2 3 系数a i 和b j 的值 t a b 2 3v a l u e so ft h ec o e f f i c i e n t sa ia n db 将t f e t e g d m e 溶液近似按照正规溶液处理，则该溶液的非理想性完全来自混合热， 过量熵s = o 。因为吉布斯自由焓：g e = 日一t s ，故g = h 。根据过量性质的 定义有： 蒜= g o ( x , ，而一tp ) = g i ( x , 丁) d o n 甜( 2 1 0 ) 式中，x ，五为t f e 在溶液中的摩尔百分率，恐为t e g d m e 在溶液中的摩尔百分率， 摩尔常数r = 8 3 1 4 k j ( k m 0 1 ) ，t 为绝对温度。由于t f e 和t e g d m e 的分子量相差 很大，故以范拉尔方程作为 g ( x ，t ) 的函数模型，即 利j h j 柴油机余热吸收式制冰系统的研究 g ( 妒) 钉( 1 _ 工石等两驯脚， 文献删也给出了过量焓的表达式，经过计算比较和分析，文献给出的系数值比 较理想。其表达式为： g o , ( z ，f ) = h o + 1 1 ( 1 - 2 x ) + 1 2 ( 1 2 曲2 + 吃( 1 2 x ) 2 ( 2 1 1 ) 其中鼻= 红，o + 鸟。l t + h l ，2 t 2 i = 0 ，l ，2 ，3 其系数h 。，。，