超聲波霧化強(qiáng)化氨水降膜吸收特性的數(shù)值研究

何韞玉 李舒宏

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院, 南京 210096)

在國家建立綠色低碳循環(huán)發(fā)展經(jīng)濟(jì)體系,促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展全面綠色轉(zhuǎn)型的總目標(biāo)下,提升制冷系統(tǒng)性能、降低能耗可以為解決我國資源、環(huán)境、生態(tài)問題作出巨大貢獻(xiàn).目前應(yīng)用最廣泛的制冷系統(tǒng)是壓縮式制冷系統(tǒng),但傳統(tǒng)壓縮式制冷系統(tǒng)中使用的氫氟氯碳化物(HCFCs)和氯氟烴(CFCs)制冷劑對環(huán)境的破壞作用很大，且消耗大量電能.氨吸收式制冷以其直接利用低品位熱源(如太陽能、工業(yè)廢熱余熱)來獲得冷量等優(yōu)勢得到越來越多的關(guān)注[1].

氨水吸收式制冷技術(shù)已有多年的研究,但目前使用的氨吸收式制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)較低.為了充分發(fā)揮氨吸收式制冷系統(tǒng)的優(yōu)勢,擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域,世界各國都在研究和開發(fā)提高其性能的方法.吸收器是影響氨水吸收式制冷機(jī)性能系數(shù)和設(shè)備小型化的重要部件,吸收過程的好壞直接影響整個(gè)制冷循環(huán)的性能.目前大多數(shù)吸收式制冷系統(tǒng)中所采用的吸收器結(jié)構(gòu)為降膜吸收,然而,傳統(tǒng)降膜吸收器的吸收效率不高,出口氨水濃度只能達(dá)到出口飽和狀態(tài)濃度的20%～50%[2].其降膜過程汽液接觸的時(shí)間有限,吸收不夠充分.

為了提高吸收式制冷系統(tǒng)中吸收器的吸收效率,許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究[3-5].目前提高吸收器性能的方法有3種:對降膜管進(jìn)行表面處理、添加表面活性劑及外加力場[6].表面處理是通過改變降膜管的形狀和結(jié)構(gòu)來增加表面粗糙度,從而加劇流體的擾動(dòng),提高傳熱傳質(zhì)系數(shù)[7-10];許多研究者[11-15]發(fā)現(xiàn)添加少量添加劑(表面活性劑、納米顆粒等)有助于界面湍流,提高傳熱傳質(zhì)系數(shù).此外,相關(guān)領(lǐng)域研究者[16-18]發(fā)現(xiàn)利用電磁場等外加力場可以改善氨-水吸收式的制冷性能.

超聲波是一種典型的利用外力提高傳熱傳質(zhì)速率的方法,已在溶液除濕、萃取及多相化學(xué)反應(yīng)等領(lǐng)域得到應(yīng)用.陸志等[19]提出在溶液除濕系統(tǒng)中引入超聲波霧化技術(shù)的概念.邊爭等[20]對超聲霧化液體除濕空調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;李曦等[21]研究了超聲霧化液體除濕系統(tǒng)對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響;Yang等[22-25]將超聲波霧化器應(yīng)用于溶液除濕,除濕速率和除濕效率提升可達(dá)31.0%和24.6%.王俐等[26]驗(yàn)證了超聲波霧化技術(shù)的可行性,其理論研究指出超聲波技術(shù)應(yīng)用于溶液除濕系統(tǒng)可以大大降低系統(tǒng)所需的液氣比.Laugier等[27]研究了壓力和超聲波對氣體溶解度和傳質(zhì)的影響,發(fā)現(xiàn)在氣體誘導(dǎo)下,隨著壓力的增加,傳質(zhì)速率增加了11倍.霧化除濕過程本質(zhì)上是一個(gè)絕熱吸收過程.液滴從空氣中捕集水蒸氣的機(jī)理與吸收器中氨水溶液捕集氨蒸汽的機(jī)理相似.因此,可以認(rèn)為超聲霧化與降膜吸收器相結(jié)合可以作為一種提高氨水降膜吸收傳質(zhì)能力的新方法.

高頻超聲(1.5～2 MHz)對溶液有良好的霧化效果[28],超聲波的存在可以促進(jìn)表面更新效應(yīng),引起界面湍流.超聲霧化產(chǎn)生的微米級(jí)液滴懸浮在吸收降膜管外空間,可以大大增加汽液接觸面積,在有限體積內(nèi)提高吸收器的吸收能力.將降膜溶液部分轉(zhuǎn)化為霧滴,可以在不增大吸收器尺寸或改變降膜管形狀的情況下增加足夠的傳熱傳質(zhì)面積.通過增加液滴的數(shù)量密度和減小液滴的尺寸,可以優(yōu)化吸收器的有效傳熱傳質(zhì)面積.然而,霧化吸收的放熱會(huì)使蒸汽的溫度升高,降低降膜過程的傳質(zhì)勢,接觸面積的增大和傳質(zhì)勢的減小是對立的.因此在降膜吸收器內(nèi)耦合霧化吸收過程,通過降膜管對蒸汽進(jìn)行冷卻,可以改善超聲霧化的不利影響.

本文通過數(shù)值模擬研究超聲波霧化對降膜吸收性能的影響,并為后續(xù)實(shí)驗(yàn)和垂直管外降膜吸收器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供一定的理論指導(dǎo).以垂直管外降膜吸收器為研究對象,提出在降膜管外壁上安裝超聲波霧化器的新方法.超聲波霧化器通過與降膜管連接的霧化擋板固定,酒杯形霧化擋板可使剩余未被霧化的氨水溶液沿?fù)醢逋獗诶^續(xù)流向降膜管.本文基于降膜吸收模型和離散相模型建立了新型吸收器中蒸汽側(cè)含有離散相的降膜吸收傳熱傳質(zhì)的數(shù)值模型,從理論上分析了超聲波霧化器對降膜吸收過程的影響.通過定量計(jì)算論證了超聲波霧化對吸收傳質(zhì)效果的增強(qiáng)作用,得到了超聲波霧化器的最佳安裝位置.在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對比分析了裝有超聲波霧化器的降膜吸收器和傳統(tǒng)降膜吸收器內(nèi)部的濃度場和溫度場分布情況.

1 物理模型

1.1 新型降膜吸收器的結(jié)構(gòu)

為了充分發(fā)揮超聲波霧化器的霧化效果,提出在降膜管外壁上安裝超聲波霧化器的新方法.新型降膜吸收器的結(jié)構(gòu)如圖1所示.吸收器由37根1 m長的不銹鋼降膜管組成,降膜管管長1 m,壁厚1.2 mm,外徑25.4 mm,內(nèi)徑23 mm,縱向管間距和橫向管間距分別為63.5和55 mm,降膜管錯(cuò)排放置.如圖1所示,冷卻水由冷卻水入口流入殼體,經(jīng)過冷卻水分布槽分配均勻,流入各降膜管內(nèi)自下而上流動(dòng),氨蒸汽從吸收器側(cè)壁氨氣入口側(cè)送入吸收器腔體,氨水稀溶液由吸收器頂部入口流入,在布液器作用下形成液膜并沿管壁流動(dòng)形成穩(wěn)定降膜,液膜與吸收器腔體中的氨氣進(jìn)行傳熱和傳質(zhì)過程,在汽液接觸過程中液膜濃度自上而下連續(xù)地增大.

在每根降膜管的外壁上沿氨水溶液的流向安裝高頻環(huán)形超聲波霧化器.超聲波霧化器由與降膜管相連的霧化擋板固定,擋板外壁呈酒杯弧形,能使得未被霧化的氨水吸收溶液繼續(xù)沿?fù)醢逋獗诹飨蚪的す?并沿降膜管繼續(xù)流動(dòng).超聲波霧化器產(chǎn)生高頻振蕩,將沿降膜管外壁流動(dòng)的溶液霧化成細(xì)小霧滴,霧滴擴(kuò)散到吸收器腔內(nèi)吸收氨蒸汽.吸收器殼體底部設(shè)有濃溶液集液槽,集液槽與濃溶液出口連通.空間中的霧滴和液膜在吸收氨氣后匯集進(jìn)入吸收器底部的溶液集液槽,二者混合形成濃氨水溶液,通過濃溶液出口流出吸收器殼體.

1—冷卻水出口;2—布液盤;3—霧化擋板;4—濃溶液集液槽;5—冷卻水入口;6—冷卻水分布槽;7—濃溶液出口;8—氨氣入口;9—降膜管;10—超聲波霧化器;11—稀溶液入口;12—集水槽;13—降膜;14—霧滴

為了計(jì)算超聲波霧化器對吸收性能的影響,在理論制冷量為2.5 kW、發(fā)生溫度為105 ℃、蒸發(fā)溫度為-15 ℃、冷凝溫度為30 ℃的條件下,計(jì)算出吸收器的入口設(shè)計(jì)條件如表1所示.設(shè)計(jì)霧滴直徑ddo為超聲波霧化器頻率f的函數(shù),其計(jì)算公式如下:

(1)

式中,ρd為霧滴的密度,kg/m3;σd為液相的表面張力系數(shù),N/m.

表1 吸收器入口參數(shù)

1.2 吸收強(qiáng)化效果評價(jià)指標(biāo)

為了定量表征超聲波霧化的優(yōu)化效果,將是否安裝有超聲波霧化器的吸收器分別命名為新型吸收器和傳統(tǒng)吸收器.為了描述超聲波霧化器對吸收過程的增強(qiáng)效果,定義了以下幾個(gè)評價(jià)指標(biāo).

對于相同幾何尺寸的吸收器,吸收效果可以通過氨的吸收速率直接表示.單管氨吸收速率N定義如下:

N=Ms,o+Md,o-Ms,i

(2)

式中,Ms,o為吸收器底部液膜的質(zhì)量流量;Md,o為吸收器底部霧滴的質(zhì)量流量;Ms,i為吸收器入口溶液的質(zhì)量流量.

局部氨吸收速率n定義如下:

ndL=js,vdAs,v+jd,vdAd,v

(3)

式中,js,v為液膜與氨蒸汽之間的局部傳質(zhì)速率;jd,v為霧滴與氨蒸汽之間的局部傳質(zhì)速率;L為長度;As,v表示液膜與氨蒸汽之間的傳質(zhì)面積;Ad,v表示霧滴與氨蒸汽之間的傳質(zhì)面積.

局部傳質(zhì)速率比β定義為新型吸收器與傳統(tǒng)吸收器在降膜管同一位置的局部氨吸收速率之比, 即

(4)

式中,nnew、ntra分別表示新型吸收器和傳統(tǒng)吸收器的局部氨吸收速率.

2 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)氨水溶液、氨蒸汽和冷卻劑水均勻分布在降膜管中,建立了傳熱傳質(zhì)計(jì)算的數(shù)值模型.通過網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)將降膜管沿長度離散化為1 000個(gè)單元,并采用有限差分法求解數(shù)學(xué)模型.圖2為傳熱傳質(zhì)計(jì)算單元模型.圖中,ms、md、mv、mw分別表示液膜、霧滴、氨蒸汽和冷卻水的質(zhì)量流量;Ts、Td、Tv、Tw分別表示液膜、霧滴、氨蒸汽和冷卻水的

圖2 降膜管單元控制體示意圖

單元體溫度;qs,v表示液膜與氨蒸汽之間的局部傳熱速率;qd,v表示霧滴與氨蒸汽之間的局部傳熱速率.降膜溶液在降膜管外壁面呈降膜向下流動(dòng),與氨蒸汽在蒸汽壓差的作用下于汽液交界面處發(fā)生吸收反應(yīng).吸收過程中產(chǎn)生的吸收熱使溶液溫度升高,為不影響吸收效果,該熱量被降膜管內(nèi)的冷卻水帶走,被霧化的霧滴在吸收器腔體吸收氨蒸汽,降膜吸收與霧化吸收同時(shí)進(jìn)行.

2.1 控制方程

在建立數(shù)學(xué)模型的過程中,為簡化模型方便求解對模型進(jìn)行如下假設(shè):① 溶液為牛頓型流體,不可壓縮,考慮吸收過程中溶液物性的變化;② 考慮液膜厚度變化;③ 霧滴為標(biāo)準(zhǔn)等徑球體,霧滴內(nèi)部溫度分布均勻;④ 在平行于降膜方向上,液滴的速度不為零,其他方向上的速度為零;⑤ 采用雙膜理論計(jì)算傳質(zhì)過程;⑥ 忽略通過吸收器壁的熱量損失,忽略降膜管和冷卻劑水的熱性能變化;⑦ 氨氣由吸收器側(cè)壁送入吸收器腔體,進(jìn)入的氨氣被完全吸收;⑧ 流動(dòng)是一維的并處于穩(wěn)態(tài).

2.1.1 質(zhì)量守恒方程

安裝有超聲波霧化器的單元中,降膜側(cè)的質(zhì)量守恒方程可由下式表示:

ms,out=(1-a)ms,in

(5)

式中,ms,out表示流出該單元體的液膜質(zhì)量流量;ms,in表示流入該單元體的液膜質(zhì)量流量;a為霧化率.

未安裝有超聲波霧化器的單元降膜側(cè)的質(zhì)量守恒方程由下式表示:

(6)

式中,dL為單元體長度.

式(6)中js,v可以表示為

(7)

蒸汽側(cè)的傳質(zhì)系數(shù)Kv可由下式求得:

(8)

式中,Hv為蒸汽側(cè)對流換熱系數(shù);Dv表示氨氣擴(kuò)散系數(shù);αv表示氨氣的導(dǎo)熱系數(shù);cp,v表示氨氣的比定壓熱容;ρv表示氨氣的密度.

降膜溶液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)Ks采用Yih[29]提出的一個(gè)適用于較大范圍的降膜吸收器液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)方程計(jì)算:

(9)

式中,Refilm表示液膜雷諾數(shù);Ds表示液膜擴(kuò)散系數(shù);ρs表示液膜的密度;ms表示液膜的質(zhì)量流量;μs表示液膜的黏度;g表示重力加速度.

蒸汽側(cè)對流換熱系數(shù)Hv可表示為

(10)

式中,Ka表示氨蒸汽的導(dǎo)熱系數(shù).

安裝有超聲波霧化器的單元中,霧滴側(cè)的質(zhì)量守恒方程可由下式表示:

md,out=ams,in

(11)

式中,md,out表示流出該單元體的霧滴質(zhì)量流量.

未安裝有超聲波霧化器的單元霧滴的質(zhì)量守恒方程由下式表示:

(12)

根據(jù)經(jīng)典的含液滴的多相流理論,將氨蒸汽作為連續(xù)相介質(zhì),液滴作為稀相顆粒處理.離散相模型將液滴視為標(biāo)準(zhǔn)球體,采用集總參數(shù)法處理單個(gè)液滴,忽略了液滴內(nèi)部的濃度和溫度等物理量梯度.

單元內(nèi)霧滴和蒸汽之間的傳質(zhì)速率jd,v由下式表示:

(13)

每個(gè)單元霧滴與氨蒸汽的傳質(zhì)面積dAd,v可由下式計(jì)算得到:

(14)

式中,ud為液滴速度.

每個(gè)單元的霧滴直徑dd可由下式計(jì)算得到:

(15)

式中,y表示霧滴的數(shù)量.

式(13)中霧滴側(cè)傳質(zhì)系數(shù)Kd可表示為

(16)

式中,Kd,i為霧滴的內(nèi)部傳質(zhì)系數(shù)，可以用Incropera等[30]提出的公式計(jì)算;Kd,o為霧滴的外部傳質(zhì)系數(shù)，可用Amokrane等[31]提出的公式計(jì)算;Hms表示亨利系數(shù).在式(14)中,液滴速度ud可以用牛頓第二定律計(jì)算,其計(jì)算如下式所示：

(17)

阻力fd由下式計(jì)算:

(18)

由于液滴是球形的,故阻力系數(shù)Cd可采用球形阻力系數(shù)來計(jì)算.

蒸汽側(cè)質(zhì)量守恒方程可表示為

mvdL=-js,vdAs,v-jd,vdAd,v

(19)

吸收器出口溶液由霧滴和降膜側(cè)溶液混合而成,其質(zhì)量守恒方程如下式所示:

Ms,out+Md,out=Mout

(20)

式中,Ms,out表示吸收器底部液膜的質(zhì)量流量;Md,out表示吸收器底部霧滴的質(zhì)量流量;Mout表示吸收器出口溶液質(zhì)量流量.

2.1.2 組分守恒方程

在安裝超聲波霧化器的單元和未安裝超聲波霧化器的單元中,降膜側(cè)溶液的組分守恒方程分別如下式所示:

(21)

(22)

式中,ws表示液膜中氨氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

霧滴側(cè)的組分守恒方程如下式所示:

(23)

式中,wd表示霧滴中氨氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

吸收器出口溶液的組分守恒方程由下式表示:

Ms,outws,out+Md,outwd,out=Moutwout

(24)

式中,ws,out表示吸收器底部液膜的氨質(zhì)量分?jǐn)?shù);wd,out表示吸收器底部霧滴的氨質(zhì)量分?jǐn)?shù);wout表示吸收器出口溶液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù).

2.1.3 能量守恒方程

在安裝超聲波霧化器的單元和未安裝超聲波霧化器的單元中,降膜側(cè)的能量守恒方程分別由下式給出:

(25)

(26)

式中,hs、hv分別表示液膜、氨蒸汽的焓;qs,w表示液膜與冷卻水之間的傳熱速率;As,w表示液膜與冷卻水之間的傳熱面積.

液膜與氨蒸汽之間的傳熱速率qs,v可以由下式求得:

qs,v=Hs,v(Tv-Ts)

(27)

蒸汽與霧滴之間的換熱系數(shù)Hs,v可以由下式表示:

(28)

式(28)中,蒸汽側(cè)對流傳熱系數(shù)Hv由式(10)計(jì)算;液膜側(cè)對流換熱系數(shù)Hs可由下式求得:

(29)

式中，ρs、cp,s、αs、Ds分別表示溶液的密度、比定壓熱容、擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù).

qs,w可表示為

qs,w=Hs,w(Tw-Ts)

(30)

冷卻水與降膜側(cè)溶液之間的傳熱系數(shù)Hs,w可根據(jù)下式計(jì)算:

(31)

式中,At表示降膜管的平均面積;At,i表示按降膜管內(nèi)徑計(jì)算得到的面積;;dn表示降膜管的外徑;di表示降膜管的內(nèi)徑;kt表示降膜管的導(dǎo)熱系數(shù).降膜側(cè)溶液與降膜管之間的對流換熱系數(shù)Hs,t可根據(jù)Gesellschaft[32]提出的相關(guān)方程計(jì)算,冷卻水與降膜管之間的對流換熱系數(shù)Hw,t可以用Colburn公式計(jì)算.

霧滴側(cè)和蒸汽側(cè)的能量守恒方程分別由下式表示:

(32)

mvhvdL=-(js,vhv+qs,v)dAs,v-(jd,vhv+

qd,v)dAd,v+qcddAcd

(33)

式中,hd表示霧滴的焓;qcd表示相鄰單元間蒸汽的導(dǎo)熱速率;Acd表示相鄰單元間蒸汽的傳質(zhì)面積.

其中,霧滴與氨蒸汽之間的傳熱速率qd,v可由下式計(jì)算:

qd,v=Hd,v(Tv-Td)

(34)

式中,Hd,v表示霧滴與氨蒸汽之間的傳熱系數(shù).

努塞爾數(shù)Nud,v由下式表示:

(35)

式中,μg、μtp分別表示霧滴和氨蒸汽的黏度系數(shù).

吸收器出口處的能量守恒方程可表示為

Ms,ouths,out+Md,outhd,out=Mouthout

(36)

式中,hs,out表示吸收器底部液膜的焓;hd,out表示吸收器底部霧滴的焓;hout表示吸收器出口溶液的焓.

3 模型求解與驗(yàn)證

3.1 模型求解

由于模型涉及多元多相流動(dòng),且蒸汽側(cè)存在離散的液滴,其直接求解過程存在較大的計(jì)算量.本文將蒸汽側(cè)和溶液側(cè)通過相界面劃分,降膜溶液側(cè)為二元溶液傳熱傳質(zhì)問題,蒸汽側(cè)為含離散相的傳熱傳質(zhì)問題,二者求解均有成熟的算法.本文建立的數(shù)學(xué)模型考慮了吸收過程中溶液物性的變化,對氨水溶液的物性計(jì)算采用了Schulz氨水狀態(tài)方程,其以吉布斯函數(shù)形式給出,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差較小.選取吸收器中的一根降膜管作為計(jì)算對象,對整個(gè)求解區(qū)域進(jìn)行均勻的網(wǎng)格劃分,計(jì)算網(wǎng)格的尺寸通過網(wǎng)格獨(dú)立性校驗(yàn)確定,從而保證計(jì)算精度的同時(shí)節(jié)約計(jì)算資源,沿降膜方向?qū)⒂?jì)算域劃分為1 000個(gè)單元,降膜管內(nèi)部沿法向劃分為100層,對偏微分方程組進(jìn)行離散化,差分方程式中對流項(xiàng)的計(jì)算使用QUICK法.對擴(kuò)散通量,使用中心差分法.使用matlab編程計(jì)算求解非線性方程,入口條件如表2所示,氨吸收速率浮動(dòng)小于10-8kg/s時(shí)停止迭代計(jì)算.

表2 降膜吸收模型驗(yàn)證結(jié)果

3.2 模型驗(yàn)證

安裝有超聲波霧化器的新型吸收器內(nèi)部進(jìn)行的是蒸汽側(cè)含有不飽和霧滴的降膜吸收過程,本文建立的數(shù)學(xué)模型是將傳統(tǒng)降膜吸收模型和霧滴離散相模型通過蒸汽側(cè)進(jìn)行耦合,在超聲波霧化器安裝高度以上進(jìn)行的是傳統(tǒng)降膜吸收過程,在超聲波霧化器安裝高度之下同時(shí)進(jìn)行降膜側(cè)溶液傳熱傳質(zhì)和霧滴傳熱傳質(zhì)過程.降膜吸收已有成熟的模型可以描述吸收過程的傳熱傳質(zhì),在離散相模型的基礎(chǔ)上建立了霧化吸收的數(shù)值模型,液滴速度、溫度的概率密度函數(shù)是由動(dòng)力學(xué)方程確定的,離散相系統(tǒng)的平均方程也是基于動(dòng)力學(xué)方程.將汽液之間的傳熱傳質(zhì)作為汽液控制方程的源相,這是計(jì)算液滴-流體相互作用的一種常用方法.當(dāng)霧滴進(jìn)入蒸汽時(shí),將蒸汽視為連續(xù)相介質(zhì),霧滴視為稀相顆粒.根據(jù)含液滴的經(jīng)典多相流理論,將液滴視為標(biāo)準(zhǔn)球體,采用集總參數(shù)法處理單個(gè)液滴,忽略了液滴內(nèi)部的濃度和溫度等物理量梯度.利用文獻(xiàn)[33]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對本文的降膜吸收模型進(jìn)行了分析驗(yàn)證,驗(yàn)證結(jié)果如表2所示.在相同的入口條件下本文模型的模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[33]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好.本文在建立數(shù)學(xué)模型和求解的過程中盡量減少模擬和實(shí)際的偏差,考慮了氨水溶液物性的變化和液膜厚度變化等因素.

4 結(jié)果與討論

圖3給出了超聲波霧化器安裝位置對單管氨吸收率N和吸收器出口溶液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)wout的影響.當(dāng)超聲波霧化器安裝在距降膜管頂部1 m處時(shí),吸收過程相當(dāng)于傳統(tǒng)降膜吸收過程.從圖3可以看出,隨著超聲波霧化器安裝高度的降低,單管氨吸收率N和吸收器出口溶液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)先升高而后降低,在降膜管從上至下0.45 m處達(dá)到最大值,此時(shí)單管總氨吸收率N為0.028 1 g/s,出口溶液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.5%.傳統(tǒng)吸收器中總氨吸收率N和出口溶液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.024 4 g/s和36.3%.與傳統(tǒng)吸收器相比,在最佳位置安裝超聲波霧化器的新型吸收器氨吸收率提高了15.1%.

從圖3中可看出，超聲波霧化器對吸收效果的提升程度隨著其安裝位置自上向下移動(dòng)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢.若超聲波霧化器安裝在降膜管靠上部分,則霧滴的運(yùn)動(dòng)行程和停留時(shí)間變長,霧滴還未落于底部就已達(dá)到飽和狀態(tài),當(dāng)霧滴飽和后其溫度高于氨蒸汽的溫度,故在霧滴吸收達(dá)到飽和后直至落于底部前的這段行程里,霧滴將不斷地向氨蒸汽釋放熱量,此部分熱量來源于霧滴與氨蒸汽的溫差,并非霧滴絕熱吸收氨蒸汽釋放的熱量.故若超聲波霧化器安裝位置靠上,霧滴行程變長,其向氨蒸汽釋放的熱量會(huì)增大而吸收氨蒸汽的質(zhì)量不會(huì)增大.同時(shí),其對氨蒸汽的升溫影響也會(huì)降低降膜過程的傳質(zhì)推動(dòng)力,故降膜管中總氨吸收速率會(huì)減小.若超聲波霧化器安裝在降膜管靠下位置,則霧滴在吸收器腔體內(nèi)的運(yùn)動(dòng)行程和停留時(shí)間將會(huì)縮短,霧滴還未充分吸收氨氣就落于吸收器底部,其傳質(zhì)過程受到限制,故而導(dǎo)致霧滴吸收氨氣量減少.

圖3 N和wout隨不同超聲波霧化器位置的變化關(guān)系

圖4(a)表示安裝有超聲波霧化器的新型吸收器與傳統(tǒng)吸收器的局部傳質(zhì)率比β沿吸收器高度的變化趨勢.冷卻水在降膜管內(nèi)自下而上流動(dòng),氨水溶液沿降膜管外壁自上而下流動(dòng).從圖中可以看出在超聲波霧化器安裝位置,局部傳質(zhì)速率比驟增,新型吸收器內(nèi)局部氨吸收速率顯著提高,這是由于在吸收過程中霧滴產(chǎn)生的瞬間,汽液接觸面積顯著增大,從而局部吸收傳質(zhì)速率迅速提高.圖4(b)為局部氨吸收速率n沿吸收器高度的變化趨勢,在超聲波霧化器安裝位置,由于降膜側(cè)溶液部分被霧化,液膜質(zhì)量流量急劇下降,導(dǎo)致液膜局部氨吸收速率驟降.同時(shí),液膜厚度的減薄會(huì)使冷卻水與液膜之間的傳熱熱阻減小,使得液膜吸收氨氣的熱量能迅速傳遞給冷卻水,液膜溫度迅速下降,雖然液膜溫度隨吸收進(jìn)行下降而液膜濃度隨吸收進(jìn)行升高,但此時(shí)溫度下降對傳質(zhì)推動(dòng)力的影響大于濃度升高對其的影響,故液膜局部吸收速率總體增加,其在持續(xù)下降之前有一個(gè)短暫的回升.隨著液膜沿管壁向下流動(dòng)并逐漸趨于飽和,濃度升高對其的影響逐漸大于溫度下降對傳質(zhì)推動(dòng)力的影響,其傳質(zhì)推動(dòng)力不斷下降,局部氨吸收速率逐漸降低.由于霧化吸收類似于絕熱過程,隨著吸收進(jìn)行其溫度和濃度不斷升高,吸收推動(dòng)勢逐漸減小,故其局部氨吸收速率沿吸收器高度下降逐漸減小.

(a) 局部傳質(zhì)速率比β

(b)局部傳質(zhì)速率n

圖5給出了安裝有超聲波霧化器的新型吸收器和傳統(tǒng)吸收器中沿降膜管高度的氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布.wnew和wtra分別表示新型吸收器和傳統(tǒng)吸收器中局部氨質(zhì)量分?jǐn)?shù).新型吸收器中局部氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)wnew可以表示為

(37)

式中,wd,new為局部霧滴氨質(zhì)量分?jǐn)?shù);ws,new為局部降膜溶液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù).

圖5 氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨降膜管長度的變化曲線

從圖5中可以觀察到,傳統(tǒng)吸收器出口溶液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.3%;新型吸收器中底部降膜側(cè)溶液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為38.6%,底部霧滴氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.3%,二者混合后出口溶液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.5%.霧滴產(chǎn)生后，wnew相較于wtra增加得更快,這充分證明了霧化吸收過程顯著增加了汽液傳質(zhì)面積,提高了吸收傳質(zhì)效果.由于霧滴產(chǎn)生時(shí)降膜側(cè)液膜的質(zhì)量流量和厚度減小,因此液膜吸收氨氣速率顯著增加,圖5中降膜管長度大于0.45 m后液膜氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線斜率增大.此外,由于降膜側(cè)溶液吸收氨氣放出的熱量由冷卻水帶走,而霧滴吸收為絕熱吸收,故霧滴吸收氨氣速率沿降膜管下降得更快,霧滴氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線的增長率相較于液膜氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)曲線的增長率下降得更快.

超聲波作用于溶液會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng).圖6表示新型吸收器和傳統(tǒng)吸收器中液膜、霧滴、氨蒸汽的溫度沿吸收器高度的變化曲線.新型吸收器出口溶液溫度為27.04 ℃,而傳統(tǒng)吸收器出口溶液溫度為24.41 ℃,新型吸收器中的出口溶液溫度相較于傳統(tǒng)吸收器提高了2.6 ℃.由此可見霧化過程對出口溶液的溫升影響較小;此外,新型吸收器中底部氨蒸汽溫度比傳統(tǒng)吸收器低0.8 ℃.新型吸收器冷卻水出口溫度比傳統(tǒng)吸收器高0.2 ℃.由圖6可知,與傳統(tǒng)吸收器相比,新型吸收器中霧滴產(chǎn)生后液膜的溫度下降速度更快,這是由于液膜厚度的減薄,冷卻水與液膜之間的傳熱增強(qiáng).由于霧化吸收將熱量釋放到氨蒸汽中,導(dǎo)致氨蒸汽溫度在霧滴產(chǎn)生的瞬間驟升.

但是,由于20 ℃的氨蒸汽是由吸收器側(cè)壁送入吸收器腔體的,并非由頂部送入,因此新型吸收器中蒸汽的溫度變化趨勢與霧滴溫度變化趨勢不一致,側(cè)送入的蒸汽同時(shí)受到液膜和霧滴的加熱作用,由于液膜的溫度沿降膜管逐漸下降,新型吸收器中降膜管下部液膜溫度低于氨蒸汽溫度,液膜可以冷卻蒸汽,霧滴加熱蒸汽,且液膜溫度下降的速率大于霧滴溫度上升速率,故液膜和霧滴釋放給蒸汽的總熱量隨高度下降而減小,靠近降膜管底部的液膜和霧滴釋放給氨蒸汽的熱量相比于上部減小了,氨蒸汽溫度沿管高度呈現(xiàn)下降的趨勢;由于冷卻水的質(zhì)量流量大,故超聲波霧化對冷卻水溫度的溫升影響較小,新型吸收器和傳統(tǒng)吸收器中冷卻水出口溫度分別為22.4和22.2 ℃.綜合來看,超聲波霧化過程對吸收器內(nèi)部的溫度升高影響較小,霧化過程對降膜吸收過程的不利溫升影響與其強(qiáng)化吸收的效果相比可以忽略不計(jì).

5 結(jié)論

1) 本文通過數(shù)值模擬證明了超聲波霧化器對降膜吸收性能的提升效果.在本文設(shè)計(jì)參數(shù)下,超聲波霧化器的最佳安裝高度為降膜管從上至下0.45 m處.隨著超聲波霧化器安裝高度的下降,超聲波霧化對降膜吸收的提升效果先增大后減小.

2) 當(dāng)超聲波霧化器安裝在最佳位置,其他工況為設(shè)計(jì)工況時(shí),單管氨吸收速率N提升了15.1%,吸收器出口吸收溶液氨質(zhì)量分?jǐn)?shù)由36.3%提高到37.5%.

3) 超聲波霧化過程產(chǎn)生的熱效應(yīng)對降膜吸收的溫升影響較小,與其強(qiáng)化吸收的效果相比可以忽略不計(jì).與傳統(tǒng)吸收器相比,安裝有超聲波霧化器的新型吸收器出口溶液溫度提高了2.6 ℃;新型吸收器中底部氨蒸汽溫度比傳統(tǒng)吸收器中低0.8 ℃,其冷卻水出口溫度比傳統(tǒng)吸收器高0.2 ℃.