安 丽，段 振，李海艳

（中船动力研究院有限公司，上海 201206）

0 引言

为满足船舶营运经济型及日益严格的排放法规要求，越来越多的人开始将天然气作为船舶燃料油的代用燃料。但对于燃气低压喷射预混合燃烧发动机，受燃气的反应活性限制，双燃料机被迫采用较低的压缩比，但这样会造成柴油模式下的热效率低下。动态控制氧浓度系统采用将部分主机产生的废气进行洗涤冷却后，与新鲜空气混合，实现扫气气体的氧浓度含量控制，避免燃气的过早爆燃，也是低压双燃料机的发展趋势。动态控制氧浓度系统中的废气冷却以淡水为介质冷却高温烟气，将高温烟气冷却至40 ℃。

目前，关于淡水填料冷却塔的研究较少，填料塔的工艺研究主要集中在海水脱硫和冷却塔。国内外很多学者对填料塔以及流体方面进行建模和试验研究，但大多以建立相应的分布模型模拟填料塔的传热、传质过程，得到浓度、温度场[1]。本文以某船舶双燃料主机淡水冷却高温烟气的填料塔为模型，采用2种填料进行各种工况试验，以试验中得到的压损和温度数据拟合填料的压损和温度公式。对淡水冷却填料塔的流体以及传质计算进行研究可以深入了解淡水冷却填料塔的传热、传质过程，为工程设计降低成本并提供参考依据。

1 淡水降温填料塔的传热、传质过程

填料塔在传热、传质的过程中，介质是通过扩散现象由一相穿过界面传向另一相，由此形成相间的传质过程，达到相间传热的目的。这种填料塔的传递过程既与两相流体间的流动分布状况有关，又与流体的性质及相际间的复杂的平衡关系有关。但填料塔内的两相介质流动速度小，湍流程度也小，介质能在填料塔内的填料表面形成较为固定的相界面，故能够应用双膜理论解释此填料塔的传热、传质过程。

双燃料主机在燃烧室使用少量的引燃油，使得高温废气中含有少量的硫氧化物和氮氧化物。填料塔在传热、传质的过程中，与冷却塔相反，高温废气被冷却，冷却水温度上升[2]。填料塔采用U型设计，高温气体从U型管进入，冷却水分为2路分别进入U型管和填料塔，高温气体在U型管内预冷后进入填料塔底部，此时气体质量增加，达到饱和状态，冷却水质量减少，温度升高；遇冷后，气体从填料塔底部经过填料层和喷淋层自下而上运动，冷却水在填料塔内依靠重力作用自上而下流动，由此，气液两相在填料塔内呈现逆流流动过程，见图1。相互接触的气液两相流体在稳定的相界填料表面各形成一层湿润的薄膜，达到更好传热、传质的目的[3]，见图2。

图1 填料塔内传热、传质关系 图2 对流传质过程

2 建立模型

2.1 淡水降温填料塔传质学模型

因双燃料主机废气中存在少量的SO2，在填料塔内的传质过程中，SO2通过扩散由气相经过相界面传向液相，形成相间的传质过程，从而使SO2从高温烟气中分离。本文在将流体间的传质描述为模型时，假设流体充分湍动，认为物质浓度在填料塔内是稳态且均匀分布的，流体不可压缩，则单位体积内气体中SO2被液体吸收的质量Ms可表示为[1,9]：

式中：Kl为液相传质系数；MSO2为SO2的摩尔质量，g/mol；X、X′分别为SO2在气液界面和液相主体的摩尔浓度，mol/L。

由于废气中SO2浓度很低，而填料塔内冷却水量较大，因此认为SO2完全参与反应，因此液相主体的摩尔浓度为0，即X′＝0。对于上述液相传质系数Kl采用李锡源等[4]对恩田关联式的修正系数计算：

式中：L为液体的质量流率，kg/(m2·h)；aw为填料的润湿表面积，m2/m3；μL为液体黏度，kg/(m·h)；ρL为液体密度，kg/m3；DL为溶质在液体中的扩散系数，m2/h；ψ为填料修正系数，与填料类型尺寸以及泛点百分数有关。

2.2 淡水降温填料塔传热学模型

在填料塔内利用淡水降低高温废气温度，该过程通过高温废气与冷却水充分接触，是高温废气冷却，冷却水减少，属于气体降温减湿过程[7]。在此过程中，气液之间既存在着温度变化也有湿度变化，因此过程中既有热量传递也有质量传递，一般使用饱和气体的焓与温度之间的关系描述这种减湿过程中的气液平衡关系[5]：

式中：Z为填料层高度，m；G为气相质量流量，kg/h；GH为饱和气体的比热容，kJ/(kg.℃)；ag、a分别为气相的给热系数，kJ/(m3·h·℃)；tg、ti分别为气相主体以及相界面的温度，℃；HG、H分别为气相传热单元高度和填料高度，m；NG、NI分别为气相传热单元数和气相传质单元数。

2.3 淡水降温填料塔流体力学模型

两相流体在填料塔内相互流动时，两相之间的阻力随着气速的增大而增大，以致填料表面的液体逐渐增多，气体在填料层的通道逐渐变小，导致液体不能正常下流而发生液泛现象[8]。填料塔在泛点气速一下稳定的操作时，为减少设备投资以及气液分布不均现象，一般选择设计气速在泛点和载点之间，其填料表面和间隙中的液体积存量可表示为[6]

式中：H为两相流动时的持液量，m3液体/m3填料；Htf为泛点下的总持液量，m3液体/m3填料；Ho为液体单向流动时的持液量，m3液体/m3填料；uG、uGf、uL为空塔气速，泛点气速和液相的空塔线速度，m/s；Co，C1为常数；ReG、ReL为气相、液相雷诺数，ReG＝4GC/μGΓG，ReL＝4LC/μLΓL；ΓG、ΓL为气、液相润湿周边长，m；μL为液相的黏度，kg/(m·s)；ρL为液相的密度，kg/m3；g为重力加速度，9.81 m/s2；a为填料的比表面积，m2/m3；d为填料的公称尺寸，m；GC、LC为单个颈缩管中液体或气体的质量流量，kg/(m2·h)。

在以上假设的湍流条件下，气体通过填料层压降可采用Leva提出的填料层压降计算关联式[7]：

式中：ΔP为每米填料层的压降，kPa；L为液体的质量流率，kg/(m2·s)；V为气体的质量流率，kg/(m2·s)；α、β为常数。

3 模拟过程

为充分传质、传热，本文填料塔设计为2层填料和喷淋结构，图3为计算区域示意图右侧U型管段为冷却水预冷阶段，塔体填料区为传质、传热的主要区域，冷却后烟气从塔顶排出，反应后的冷却水由塔底泄放至循环柜。

图3 传质传热模拟过程

在U型管段的预冷区域和填料上方的主要反应区域设置冷却水、烟气初始温度以及SO2的浓度。同时，烟气在U型管和填料塔内的速度由总流量、管径和塔径设置，冷却水流速按照冷却水流量得出；在U型管预冷阶段反应后，按照完全蒸发设置，在填料塔中烟气以遇冷后的温度和湿度发生主要传热、传质反应。

4 试验及模拟结果

4.1 传质效率

4.2 传热温度

4.3 填料塔压降

5 结论