面向船用雙燃料主機的淡水降溫填料塔數值模擬及傳質計算

2021-10-27 01:37:08李海艷

機電設備 2021年5期

安麗，段振，李海艷

（中船動力研究院有限公司，上海 201206）

0 引言

為滿足船舶營運經濟型及日益嚴格的排放法規要求，越來越多的人開始將天然氣作為船舶燃料油的代用燃料。但對于燃氣低壓噴射預混合燃燒發動機，受燃氣的反應活性限制，雙燃料機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。動態控制氧濃度系統采用將部分主機產生的廢氣進行洗滌冷卻后，與新鮮空氣混合，實現掃氣氣體的氧濃度含量控制，避免燃氣的過早爆燃，也是低壓雙燃料機的發展趨勢。動態控制氧濃度系統中的廢氣冷卻以淡水為介質冷卻高溫煙氣，將高溫煙氣冷卻至40 ℃。

目前，關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。國內外很多學者對填料塔以及流體方面進行建模和試驗研究，但大多以建立相應的分布模型模擬填料塔的傳熱、傳質過程，得到濃度、溫度場[1]。本文以某船舶雙燃料主機淡水冷卻高溫煙氣的填料塔為模型，采用2種填料進行各種工況試驗，以試驗中得到的壓損和溫度數據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計算進行研究可以深入了解淡水冷卻填料塔的傳熱、傳質過程，為工程設計降低成本并提供參考依據。

1 淡水降溫填料塔的傳熱、傳質過程

填料塔在傳熱、傳質的過程中，介質是通過擴散現象由一相穿過界面傳向另一相，由此形成相間的傳質過程，達到相間傳熱的目的。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，又與流體的性質及相際間的復雜的平衡關系有關。但填料塔內的兩相介質流動速度小，湍流程度也小，介質能在填料塔內的填料表面形成較為固定的相界面，故能夠應用雙膜理論解釋此填料塔的傳熱、傳質過程。

雙燃料主機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型設計，高溫氣體從U型管進入，冷卻水分為2路分別進入U型管和填料塔，高溫氣體在U型管內預冷后進入填料塔底部，此時氣體質量增加，達到飽和狀態，冷卻水質量減少，溫度升高；遇冷后，氣體從填料塔底部經過填料層和噴淋層自下而上運動，冷卻水在填料塔內依靠重力作用自上而下流動，由此，氣液兩相在填料塔內呈現逆流流動過程，見圖1。相互接觸的氣液兩相流體在穩定的相界填料表面各形成一層濕潤的薄膜，達到更好傳熱、傳質的目的[3]，見圖2。

圖1 填料塔內傳熱、傳質關系圖2 對流傳質過程

2 建立模型

2.1 淡水降溫填料塔傳質學模型

因雙燃料主機廢氣中存在少量的SO2，在填料塔內的傳質過程中，SO2通過擴散由氣相經過相界面傳向液相，形成相間的傳質過程，從而使SO2從高溫煙氣中分離。本文在將流體間的傳質描述為模型時，假設流體充分湍動，認為物質濃度在填料塔內是穩態且均勻分布的，流體不可壓縮，則單位體積內氣體中SO2被液體吸收的質量Ms可表示為[1,9]：

式中：Kl為液相傳質系數；MSO2為SO2的摩爾質量，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，而填料塔內冷卻水量較大，因此認為SO2完全參與反應，因此液相主體的摩爾濃度為0，即X′＝0。對于上述液相傳質系數Kl采用李錫源等[4]對恩田關聯式的修正系數計算：

式中：L為液體的質量流率，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為溶質在液體中的擴散系數，m2/h；ψ為填料修正系數，與填料類型尺寸以及泛點百分數有關。

2.2 淡水降溫填料塔傳熱學模型

在填料塔內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量傳遞，一般使用飽和氣體的焓與溫度之間的關系描述這種減濕過程中的氣液平衡關系[5]：

式中：Z為填料層高度，m；G為氣相質量流量，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，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和氣相傳質單元數。

2.3 淡水降溫填料塔流體力學模型

兩相流體在填料塔內相互流動時，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，導致液體不能正常下流而發生液泛現象[8]。填料塔在泛點氣速一下穩定的操作時，為減少設備投資以及氣液分布不均現象，一般選擇設計氣速在泛點和載點之間，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，泛點氣速和液相的空塔線速度，m/s；Co，C1為常數；ReG、ReL為氣相、液相雷諾數，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量流量，kg/(m2·h)。

在以上假設的湍流條件下，氣體通過填料層壓降可采用Leva提出的填料層壓降計算關聯式[7]：