摇摆状态下TFE/NMP降膜吸收理论研究

    1 前言

    近年来,随着远洋捕捞作业的大面积展开和人们对水产品种类及品质要求的日渐增高,渔船制冷已成为水产品冷冻保鲜的关键而倍受重视[1,2]。然而,目前大多渔船所配备的压缩式制冷机组均以电能为驱动力,直接消耗发动机有用功;制冷剂一般为CFCs和HCFCs产品,易泄漏,有害环境,而且各届/蒙特利尔公约0对其生产和使用都作了禁止和限制规定。因此,研究和开发新型渔船制冷系统势在必行。

    具有新型工质对的TFEPNMP(2,2,2-Trifluoro-ethanol,三氟乙醇PN-Methyl-2-Pyrrolidone,甲基吡咯烷酮)吸收式制冷系统恰能很好地解决当前渔船制冷所面临的棘手问题。一方面,它可以热能为动力源(80e以上热源),船用发动机的排烟余热完全可以作为其热量来源,利于节能;另一方面,制冷工质对TFEPNMP不含氟利昂,环保性好,且系统工作压力低,制冷温度范围广(最低制冷温度可达-27℃),完全能够满足渔船制冷温度要求。若将其用于渔船制冷,系统势必要随船一起摇摆运动(横、纵摇等六个自由度运动)。在摇摆附加惯性力作用下,TFEPNMP吸收式制冷系统的关键部件吸收器内的降膜吸收情况必然要受到影响,进而最终影响其整机工作性能。目前,虽然已有大量关于NH₃PH₂O和H2OPLiBr降膜吸收机理的研究报道[3~6],且针对TFEPNMP降膜吸收过程中热、质传递方面的研究也有所进展[7,8],但均是以固定式吸收器为研究对象,而有关运动状态下吸收器内传热传质规律方面的研究几乎无人涉及。为此,建立描述摇摆振动条件下TFEPNMP降膜吸收物理数学模型,采用合适的数值方法求解控制方程,以研究因摇摆和颠簸条件下溶液降膜吸收过程中动量、热量和质量传递机理,为船用吸收制冷系统的设计和应用提供一定的理论基础和依据。

    2 摇摆状态下TFEPNMP降膜吸收物理模型

    图1示出摇摆状态下TFEPNMP垂直管内降膜吸收的情形。稀的TFEPNMP溶液(u0,Tin,Cin)经布液器布液后,在重力、粘性力和转动附加惯性力共同作用下,以层流或波动层流状态沿吸收管内壁向下流动,与自下而上的TFE蒸气(Tv,Pv)充分接触。当蒸气压力Pv大于溶液温度和浓度所对应的蒸气分压力Ps时,TFE蒸气便不断地由气相转移到液相,直至气液界面达到饱和状态。由于气液界面与液膜内部存在浓度差,通过分子扩散和对流作用,溶液中的TFE不断地由浓度高的地方向浓度低的地方扩散,导致质量传递。同时,溶液因吸收TFE蒸气而产生的大量吸收热被吸收管外侧环管中逆向流动的冷却水及时带走。吸收热和冷却热将引起液膜内的温度发生变化。而溶液温度和浓度的变化又影响到它们所对应的蒸气分压力Ps,从而改变相际间传质推动力(Pv-Ps),最终影响降膜吸收过程中的热、质传递。由于摇摆角度7(重力方向与吸收管轴线间夹角)是时间的函数,这样,重力和转动附加惯性力在管长方向、径向和圆周方向上的分力将随时间不断变化。于是,液膜厚度和膜内速度的分布相应发生变化,进而导致膜内温度和浓度分布的改变。由此可见,摇摆状态下垂直管内TFEPNMP降膜吸收属非稳态三维过程,该过程中的动量、热量和质量传递相互耦合,相互影响。