摇摆对船用降膜吸收器降膜吸收特性影响研究

摘要

吸收式制冷是一种有效回收和利用余热、废热等低品位热能的重要技术。而在船舶上，特别是在船用柴油机中存在大量的余热有待利用。但船舶行驶时的摇摆运动会对吸收式制冷系统产生影响。目前关于摇摆对降膜吸收影响方面的研究还很匮乏。因此深入研究摇摆状态对降膜吸收传热传质影响的机理，不仅具有十分重要的学术研究价值，而且具有很强的实用价值以及很好的应用前景。
　　本文通过对溴化锂溶液在降膜吸收过程中传热、传质特性的分析，建立了静止和摇摆状态下的垂直降膜吸收过程的数学模型。主要研究内容如下:
　　以一艘排水量为600吨的客船的船舶柴油机的运行参数为基础，对利用船舶柴油机余热驱动吸收式制冷，以满足船舶空调负荷的可行性进行了研究。1）对该船的船舶柴油机进行了热力学分析。分析结果表明:船舶柴油机的排气热量占到了燃料燃烧所产生总热量的23.32％，排气(炯)占到燃料产生总(炯)量的29.55％。排气能量数量很大且品位较高，很适合用来驱动吸收式制冷空调。2为了探究排气热量是否能够满足该船空调负荷的要求，又对船舶的空调负荷的进行了计算。计算得到船舶总的冷负荷为54kW。因此若采用单效吸收式制冷，排气只需要降低24.2℃;若采用双效吸收式制冷，排气只需要降低14.5℃。采用单效或双效吸收式制冷技术，降低如此少的排气温度对排气系统的影响极小。从而验证了所提出的利用船舶柴油机余热驱动吸收式制冷，来满足船舶空调负荷方案的可行性。
　　建立了静止（非摇摆）状态下的垂直降膜吸收模型。研究了静止状态下，液膜表面的波动情况，气-液界面浓度、温度分布以及液膜主体浓度、温度分布的变化情况。讨论了界面浓度和温度脉动对降膜吸收热质传递的影响。模拟结果表明:液膜表面波动有利于降膜吸收的进行，波动层流降膜吸收模型优于光滑降膜吸收模型。
　　在静止模型的基础上，建立了摇摆条件下降膜吸收的物理、数学模型。研究了不同摇摆状态对吸收器内液膜的膜厚、速度、热通量、质量通量、出口浓度、出口温度等参数的影响。模拟结果显示:摇摆状态下液膜的沿壁面速度减小，液膜膜内径向速度增大，有利于降膜吸收的进行。轻微摇摆时降膜吸收效果较好，剧烈的摇摆时，降膜吸收的效果恶化。在摇摆条件下，液膜出口温度和出口浓度不再是定值，而是随着摇摆角度以及时间的变化而不断变化，变化是周期性的且变化周期等同摇摆周期。
　　研究了摇摆状态下降膜流动的不稳定性，发现摇摆状态下降膜表面波可能出现的5个特征区域:单色波区，拟正弦波区，孤波区，合并波区以及脱落区。不同摇摆状态下，摇摆角度对于液膜表面波的波形变化具有很重要的影响。当摇摆角较大时，液膜表面波的发展会在相对较小的流程内完成流动区域的演变。摇摆状态下液膜流动不稳定性还会对液膜的浓度梯度产生较大影响。轻微摇摆时，液膜表面波区域主要为单色波区，拟正弦波区和孤波区。液膜的浓度梯度变大，促进了液膜的降膜吸收。而剧烈摇摆时，液膜表面波区域出现合并波区和脱落区，出现了液膜分离甚至脱离的情况，很大程度上恶化了降膜吸收，致使液膜的总体浓度梯度变小。摇摆状态下液膜雷诺数和舍伍德数也有所变化。相同摇摆幅度时，摇摆周期越小液膜雷诺数增长越快，说明液膜表面波动演变越快。雷诺数不大时，舍伍德数随雷诺数增大而增大。当雷诺数增大到一定程度，舍伍德数随着雷诺数的增大先增大而后减小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 柴油机余热的热力学分析方法国内外研究现状

1．2．1 热平衡分析法

1．2．2 (火用)分析法

1．3 吸收式制冷、降膜流动与液膜波动理论研究现状

1．3．1 吸收式制冷

1．3．2 降膜流动

1．3．3 液膜波动理论研究

1．4 降膜吸收理论及数值模拟研究国内外研究现状

1．4．1 降膜吸收理论

1．4．2 降膜吸收数值模拟

1．5 降膜流动表面波研究国内外研究现状

1．6 目前的研究存在问题

1．7 本文的主要研究内容

第2章 利用船舶柴油机余热驱动吸收式制冷空调的热力学分析

2．1 利用船舶柴油机余热驱动吸收式制冷空调问题的提出

2．2 船舶柴油机主机热力学第一定律分析

2．2．1 热力学第一定律分析计算方程

2．2．2 结果及分析

2．3 船舶柴油机主机热力学第二定律分析

2．3．1 热力学第二定律分析计算方程

2．3．2 结果及分析

2．4 船舶所需总空调负荷分析

2．4．1 负荷计算

2．4．2 结果及可行性分析

2．5 本章小结

第3章 静止状态下降膜吸收器的模拟分析

3．1 前言

3．2 波动层流降膜吸收的物理模型

3．3 波动层流降膜吸收的数学模型及基本假设

3．3．1 数学模型

3．3．2 基本假设

3．3．3 控制方程

3．3．4 边界条件

3．4 数值模拟计算的细节及模型验证

3．4．1 模拟计算细节

3．4．2 模型验证

3．5 操作条件及物性

3．6 模拟结果及分析

3．6．1 液膜表面形状随液膜沿壁面下降距离的变化

3．6．2 气液界面浓度随液膜沿壁面下降距离的变化

3．6．3 气液界面浓度和温度随液膜沿壁面下降距离的变化

3．6．4 液膜主体平均浓度和主体平均温度随下降距离的变化

3．7 本章小结

第4章 摇摆状态下降膜吸收器的模拟分析

4．1 船舶运动分析

4．2 摇摆降膜吸收物理模型

4．3 数学模型和基本假设

4．3．1 动网格技术及其模型简介

4．3．2 动网格守恒方程

4．3．3 控制方程

4．3．4 动量源项

4．3．5 边界条件

4．3．6 物性及模拟参数

4．3．7 网格划分及计算策略

4．3．8 模型网格无关性验证

4．4 结果及分析

4．4．1 摇摆状态下降膜流动受力分析

4．4．2 摇摆状态对沿壁面方向降膜速度分布的影响

4．4．3 摇摆状态对径向降膜速度分布的影响

4．4．4 摇摆状态对液膜厚度分布的影响

4．4．5 摇摆状态对降膜温度分布的影响

4．4．6 摇摆状态对降膜浓度分布的影响

4．4．7 摇摆状态对降膜热通量分布的影响

4．4．8 摇摆状态对降膜质量通量分布的影响

4．4．9 摇摆状态对出口浓度和出口温度的影响

4．5 本章小结

第5章 摇摆对降膜流动表面波及传质特性影响研究

5．1 前言

5．2 摇摆状态下，液膜流动表面波演化过程研究

5．2．1 摇摆状态下，在0°位置时液膜流动表面波演化过程分析

5．2．2 摇摆状态下，在4°位置时液膜流动表面波演化过程分析

5．2．3 摇摆状态下，在8°位置时液膜流动表面波演化过程分析

5．2．4 摇摆状态下，在10°位置时液膜流动表面波演化过程分析

5．3 不同摇摆状态下，摇摆对液膜流动表面波区域分布影响研究

5．3．1 摇摆幅度为6°时，不同摇摆周期液膜流动表面波区域分布变化

5．3．2 摇摆摆幅为10°时，不同摇摆周期液膜流动表面波区域分布变化

5．3．3 摇摆摆幅为14°时，不同摇摆周期液膜流动表面波区域分布变化

5．4 摇摆对降膜吸收传质特性影响机理研究

5．4．1 摇摆状态对液膜在壁面和界面浓度的影响

5．4．2 摇摆状态对液膜的浓度梯度的影响

5．4．3 摇摆状态对液膜雷诺数及舍伍德数的影响

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介