面向船用雙燃料主機(jī)的淡水降溫填料塔數(shù)值模擬及傳質(zhì)計(jì)算

安 麗，段 振，李海艷

（中船動力研究院有限公司，上海 201206）

0 引言

為滿足船舶營運(yùn)經(jīng)濟(jì)型及日益嚴(yán)格的排放法規(guī)要求，越來越多的人開始將天然氣作為船舶燃料油的代用燃料。但對于燃?xì)獾蛪簢娚漕A(yù)混合燃燒發(fā)動機(jī)，受燃?xì)獾姆磻?yīng)活性限制，雙燃料機(jī)被迫采用較低的壓縮比，但這樣會造成柴油模式下的熱效率低下。動態(tài)控制氧濃度系統(tǒng)采用將部分主機(jī)產(chǎn)生的廢氣進(jìn)行洗滌冷卻后，與新鮮空氣混合，實(shí)現(xiàn)掃氣氣體的氧濃度含量控制，避免燃?xì)獾倪^早爆燃，也是低壓雙燃料機(jī)的發(fā)展趨勢。動態(tài)控制氧濃度系統(tǒng)中的廢氣冷卻以淡水為介質(zhì)冷卻高溫?zé)煔?，將高溫?zé)煔饫鋮s至40 ℃。

目前，關(guān)于淡水填料冷卻塔的研究較少，填料塔的工藝研究主要集中在海水脫硫和冷卻塔。國內(nèi)外很多學(xué)者對填料塔以及流體方面進(jìn)行建模和試驗(yàn)研究，但大多以建立相應(yīng)的分布模型模擬填料塔的傳熱、傳質(zhì)過程，得到濃度、溫度場[1]。本文以某船舶雙燃料主機(jī)淡水冷卻高溫?zé)煔獾奶盍纤槟Ｐ停捎?種填料進(jìn)行各種工況試驗(yàn)，以試驗(yàn)中得到的壓損和溫度數(shù)據(jù)擬合填料的壓損和溫度公式。對淡水冷卻填料塔的流體以及傳質(zhì)計(jì)算進(jìn)行研究可以深入了解淡水冷卻填料塔的傳熱、傳質(zhì)過程，為工程設(shè)計(jì)降低成本并提供參考依據(jù)。

1 淡水降溫填料塔的傳熱、傳質(zhì)過程

填料塔在傳熱、傳質(zhì)的過程中，介質(zhì)是通過擴(kuò)散現(xiàn)象由一相穿過界面?zhèn)飨蛄硪幌?，由此形成相間的傳質(zhì)過程，達(dá)到相間傳熱的目的。這種填料塔的傳遞過程既與兩相流體間的流動分布狀況有關(guān)，又與流體的性質(zhì)及相際間的復(fù)雜的平衡關(guān)系有關(guān)。但填料塔內(nèi)的兩相介質(zhì)流動速度小，湍流程度也小，介質(zhì)能在填料塔內(nèi)的填料表面形成較為固定的相界面，故能夠應(yīng)用雙膜理論解釋此填料塔的傳熱、傳質(zhì)過程。

雙燃料主機(jī)在燃燒室使用少量的引燃油，使得高溫廢氣中含有少量的硫氧化物和氮氧化物。填料塔在傳熱、傳質(zhì)的過程中，與冷卻塔相反，高溫廢氣被冷卻，冷卻水溫度上升[2]。填料塔采用U型設(shè)計(jì)，高溫氣體從U型管進(jìn)入，冷卻水分為2路分別進(jìn)入U(xiǎn)型管和填料塔，高溫氣體在U型管內(nèi)預(yù)冷后進(jìn)入填料塔底部，此時氣體質(zhì)量增加，達(dá)到飽和狀態(tài)，冷卻水質(zhì)量減少，溫度升高；遇冷后，氣體從填料塔底部經(jīng)過填料層和噴淋層自下而上運(yùn)動，冷卻水在填料塔內(nèi)依靠重力作用自上而下流動，由此，氣液兩相在填料塔內(nèi)呈現(xiàn)逆流流動過程，見圖1。相互接觸的氣液兩相流體在穩(wěn)定的相界填料表面各形成一層濕潤的薄膜，達(dá)到更好傳熱、傳質(zhì)的目的[3]，見圖2。

圖1 填料塔內(nèi)傳熱、傳質(zhì)關(guān)系 圖2 對流傳質(zhì)過程

2 建立模型

2.1 淡水降溫填料塔傳質(zhì)學(xué)模型

因雙燃料主機(jī)廢氣中存在少量的SO2，在填料塔內(nèi)的傳質(zhì)過程中，SO2通過擴(kuò)散由氣相經(jīng)過相界面?zhèn)飨蛞合啵纬上嚅g的傳質(zhì)過程，從而使SO2從高溫?zé)煔庵蟹蛛x。本文在將流體間的傳質(zhì)描述為模型時，假設(shè)流體充分湍動，認(rèn)為物質(zhì)濃度在填料塔內(nèi)是穩(wěn)態(tài)且均勻分布的，流體不可壓縮，則單位體積內(nèi)氣體中SO2被液體吸收的質(zhì)量Ms可表示為[1,9]：

式中：Kl為液相傳質(zhì)系數(shù)；MSO2為SO2的摩爾質(zhì)量，g/mol；X、X′分別為SO2在氣液界面和液相主體的摩爾濃度，mol/L。

由于廢氣中SO2濃度很低，而填料塔內(nèi)冷卻水量較大，因此認(rèn)為SO2完全參與反應(yīng)，因此液相主體的摩爾濃度為0，即X′＝0。對于上述液相傳質(zhì)系數(shù)Kl采用李錫源等[4]對恩田關(guān)聯(lián)式的修正系數(shù)計(jì)算：

式中：L為液體的質(zhì)量流率，kg/(m2·h)；aw為填料的潤濕表面積，m2/m3；μL為液體黏度，kg/(m·h)；ρL為液體密度，kg/m3；DL為溶質(zhì)在液體中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/h；ψ為填料修正系數(shù)，與填料類型尺寸以及泛點(diǎn)百分?jǐn)?shù)有關(guān)。

2.2 淡水降溫填料塔傳熱學(xué)模型

在填料塔內(nèi)利用淡水降低高溫廢氣溫度，該過程通過高溫廢氣與冷卻水充分接觸，是高溫廢氣冷卻，冷卻水減少，屬于氣體降溫減濕過程[7]。在此過程中，氣液之間既存在著溫度變化也有濕度變化，因此過程中既有熱量傳遞也有質(zhì)量傳遞，一般使用飽和氣體的焓與溫度之間的關(guān)系描述這種減濕過程中的氣液平衡關(guān)系[5]：

式中：Z為填料層高度，m；G為氣相質(zhì)量流量，kg/h；GH為飽和氣體的比熱容，kJ/(kg.℃)；ag、a分別為氣相的給熱系數(shù)，kJ/(m3·h·℃)；tg、ti分別為氣相主體以及相界面的溫度，℃；HG、H分別為氣相傳熱單元高度和填料高度，m；NG、NI分別為氣相傳熱單元數(shù)和氣相傳質(zhì)單元數(shù)。

2.3 淡水降溫填料塔流體力學(xué)模型

兩相流體在填料塔內(nèi)相互流動時，兩相之間的阻力隨著氣速的增大而增大，以致填料表面的液體逐漸增多，氣體在填料層的通道逐漸變小，導(dǎo)致液體不能正常下流而發(fā)生液泛現(xiàn)象[8]。填料塔在泛點(diǎn)氣速一下穩(wěn)定的操作時，為減少設(shè)備投資以及氣液分布不均現(xiàn)象，一般選擇設(shè)計(jì)氣速在泛點(diǎn)和載點(diǎn)之間，其填料表面和間隙中的液體積存量可表示為[6]

式中：H為兩相流動時的持液量，m3液體/m3填料；Htf為泛點(diǎn)下的總持液量，m3液體/m3填料；Ho為液體單向流動時的持液量，m3液體/m3填料；uG、uGf、uL為空塔氣速，泛點(diǎn)氣速和液相的空塔線速度，m/s；Co，C1為常數(shù)；ReG、ReL為氣相、液相雷諾數(shù)，ReG＝4GC/μGΓG，ReL＝4LC/μLΓL；ΓG、ΓL為氣、液相潤濕周邊長，m；μL為液相的黏度，kg/(m·s)；ρL為液相的密度，kg/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2；a為填料的比表面積，m2/m3；d為填料的公稱尺寸，m；GC、LC為單個頸縮管中液體或氣體的質(zhì)量流量，kg/(m2·h)。

在以上假設(shè)的湍流條件下，氣體通過填料層壓降可采用Leva提出的填料層壓降計(jì)算關(guān)聯(lián)式[7]：

式中：ΔP為每米填料層的壓降，kPa；L為液體的質(zhì)量流率，kg/(m2·s)；V為氣體的質(zhì)量流率，kg/(m2·s)；α、β為常數(shù)。

3 模擬過程

為充分傳質(zhì)、傳熱，本文填料塔設(shè)計(jì)為2層填料和噴淋結(jié)構(gòu)，圖3為計(jì)算區(qū)域示意圖右側(cè)U型管段為冷卻水預(yù)冷階段，塔體填料區(qū)為傳質(zhì)、傳熱的主要區(qū)域，冷卻后煙氣從塔頂排出，反應(yīng)后的冷卻水由塔底泄放至循環(huán)柜。

圖3 傳質(zhì)傳熱模擬過程

在U型管段的預(yù)冷區(qū)域和填料上方的主要反應(yīng)區(qū)域設(shè)置冷卻水、煙氣初始溫度以及SO2的濃度。同時，煙氣在U型管和填料塔內(nèi)的速度由總流量、管徑和塔徑設(shè)置，冷卻水流速按照冷卻水流量得出；在U型管預(yù)冷階段反應(yīng)后，按照完全蒸發(fā)設(shè)置，在填料塔中煙氣以遇冷后的溫度和濕度發(fā)生主要傳熱、傳質(zhì)反應(yīng)。

4 試驗(yàn)及模擬結(jié)果

4.1 傳質(zhì)效率

4.2 傳熱溫度

4.3 填料塔壓降

5 結(jié)論