吸收式热泵水平降膜吸收研究.doc

吸收式热泵水平降膜吸收研究清华大学 孙 健 付 林 张世钢摘要 本文建立了水平降膜吸收器内的水蒸气吸收单管模型。采用Nusselt溶液方程计算了液膜厚度和速度，利用质量平衡和能量平衡关系构建了传热和传质方程，并根据热质耦合的关系将传热方程与传质方程联系起来，最终建立了溴化锂水溶液水平降膜的稳态吸收数学模型。为了验证该模型的正确性，我们搭建了目前国内最大的吸收式换热系统性能实验台，该实验台采用模块化的设计理念，可用于测量新结构的传热和传质系数等用途。经过对比理论计算结果和实验结果发现两者传热系数与传质系数的误差在6%以内。此模型的建立将为指导机组设计和理论研究提供了重要的依据。关键字 热能工程；吸收；溴化锂；模型；传热； 基金项目：1、国家科技支撑计划：电厂循环水余热资源利用技术及装备研究与示范(No: 2007BAB23B01).Nation Science and Technology Support Plan of Peoples Republic of China (No: 2007BAB23B01).2、北京市科技计划：利用电厂循环水余热的供热技术研究与应用示范(No: D07040600560701)The Key Projects of the Beijing Municipal Science and Technology Plan(No: D07040600560701)通讯作者：孙健，清华大学建筑技术科学系博士研究生。E-mail:Study on the absorption model in horizontal falling film absorption heat pumpSun Jian Fu Lin Zhang ShigangAbstract An absorption model was established for the horizontal falling film absorber.The Nusselt solution for film thickness and velocity distribution was applied,and the mass and energy conservation were used to build the heat and mass transfer equations.Besides,heat and mass transfer equations were joined by reciprocity of each other.A complete absorption model was given.In order to justify this model,the largest absorption system performance experiment bench in China was built. The results were compared to experimental values and showed fair agreement with an average absolute deviation of 6%.This model will play an important role in absorption system design and relative research.Keywors thermal engineering;absorption;lithium bromide;model;heat transfer;1前言常见的用于空调系统的吸收式制冷机大都采用溴化锂和水做为工质。溴化锂水溶液在吸收器内吸收水蒸气后放出热量被冷却介质带走。目前国内的吸收式制冷机以水平降膜为主.吸收器由水平管束构成，溴化锂溶液从吸收器顶部喷淋而下，在管外流动的同时吸收水蒸汽。溴化锂溶液液膜的流动主要受到重力和水蒸气流动的影响。如图1所示，对于溴化锂溶液而言，由于里维斯数Le=a/D约等于100，因此可以认为液膜内温度场的建立的速度要明显高于浓度场的建立速度。由于水蒸气吸收的汽化潜热要远大于液膜的显热，如果忽略显热的变化，液膜内的温度场将呈线性分布。图1 水平单管液膜流动示意图由于溴化锂水溶液液膜流动中吸收水蒸气的过程流动形式复杂、热质耦合等原因，液膜流动方程很难用单一方程来描述。尽管第一台吸收式制冷机由John Leslie在1810年研制成功，而且国内外的研究者近几十年也提出了不少方程，但是在Killion1的降膜吸收相关数值模拟方程的综述文章中提出的方程都非常复杂和难以指导实际应用。我们认为降膜吸收模型之所以如此复杂主要是因为流动模型和热质耦合模型的简化。因此研究一种相对简易和准确的降膜吸收模型是十分必要的。2 模型建立2.1传热模型的建立如果固定液膜的传热系数、液膜厚度和蒸汽流速，液膜速度在液膜内沿管径方向就呈线性分布。在此忽略液膜表面的不稳定因素对传热传质的影响。由于吸收过程释放的汽化潜热远远大于液膜内的显热，在此也忽略了显热的影响；汽液界面的摩擦造成的压力和传热的变化也忽略不计。由这几点假设可以认为溴化锂溶液为常物性的牛顿流体。所有的相关计算都是基于稳态吸收。根据前面的假设，应用Nusselt溶液方程建立水平管外液膜的流动方程。考虑到水平管的曲率比较小，Nusselt认为圆管外液膜沿流动方向的平均厚度与在垂直平板表面流动时是一致的，液膜厚度用如下公式计算： (1)液膜表面的速度方程为： (2)其中单位管长的质量流量s为： (3)我们假设水蒸气吸收过程发生的时段等同与液膜布满管束表面的时间，这个时段也刚好是溴化锂溶液液膜表面与水蒸气完全接触的时间，此时间可用如下公式表达： (4)其中do为水平单管的外径。由于吸收过程发生在汽液两相接触的界面，因此用液膜自由液面的速度作为基本参数来计算。因为传热的速度要远远大于传质的速度，吸收过程的温度场在很短的时间内就可以达到稳态。单根管的传热量可以用下式计算: (5)考虑到液膜的厚度和水平管的壁厚远远小于水平管的直径，在此忽略水平管和液面的曲率的影响。为了保证冷却水温度近似恒定，必须保证足够大的冷却水的流量。其中水平管内侧的传热系数参照Gnielinski的拟合公式。管外侧的传热系数由以下公式计算: (6)由于忽略了上文中的提到的一些因素，而这些因素大多对传热是有利的，计算出的总传热系数要略小于真实值。2.2 传质模型的建立由于吸收器内的水蒸气压力比较低，传质过程的阻力主要在气相一侧。由于液膜的里维斯数近似等于100，液膜内的浓度场的形成要远慢于温度场的形成。考虑到传质过程比较缓慢，管壁处的溴化锂溶液的浓度近似不变。而且在汽液两相界面处，液膜的径向速度为0，因此相应的液膜内的空间可以认为是一个半无限大空间。液膜内的浓度场为液膜中的位置y和时间t的函数： (7)当时间t=0的时候，入口浓度是一致的，在接触时间内，当液膜表面浓度为一定值时可公式（7）是适用的。采用表格1的设定参数，根据公式（4）可以计算出。根据公式（7）当浓度变化扩散到管壁处的时间为5秒。达到后，可以得出浓度边界层的厚度为0.3。然而，在y=0和y=0.3处的平均速度相差在3%之内。所以界面的对流对传热的影响可以忽略。水蒸气的在汽液界面的吸收速率可以用菲克定律来计算： (8)水蒸气吸收总量为： (9)根据上述公式可以导出传质系数为： (10)其中表示界面处的质量浓度，表示液膜内的质量浓度。由于上式中的溶液各个密度相差不大，因此可以用平均密度将此式简化： (11)2.3传热与传质的耦合当温度场达到稳定时，忽略传热过程显热的影响，冷却水带走的热量即为水蒸气被溴化锂溶液吸收过程放出的汽化潜热。由此传热与传质相互作用的方程为： (12)其中和在吸收过程中为一定值。汽液接触界面的平衡方程按照溴化锂水溶液的汽液平衡方程确定。方程组的求解是利用EES软件，软件中自带溴化锂水溶液的物性函数，软件中溴化锂的物性参数是来自ASHRAE手册。3实验装置为了验证数学模型是否准确，我们搭建了目前国内最大的吸收式换热系统性能实验台。该实验台按照模块化的设计理念，可用于测试新型部件传热传质性能。该实验系统由溶液模块、冷剂水模块、冷却水模块、中央控制模块和测量装置组成。整个实验系统高9m*长8m*宽5m。各个模块为要进行测试的实验段模块提供不同温度、浓度和流量的工质。该实验系统采用了美国Setra730系列精度0.03%的真空绝压传感器等先进测量仪器。本次实验的实验段模块为水平管吸收器和蒸发器，吸收器内的水平管采用溴化锂溶液顶端喷淋的布液方式，管内为冷却水。蒸发器提供稳定的不同压力下的水蒸气，蒸汽压力由高精度的绝压传感器测量并记录。表1 实验参数设定水平管内经14mm水平管外径16mm铜管的导热系数400w/mk水平管长度1.5m水蒸气压力1000pa溶液入口温度45溶液入口质量浓度60wt%冷却水流量1.5m3/h冷却水入口温度30溶液的导热系数0.42w/mk溶液的密度1680kg/m3图2 吸收式传热传质性能实验台原理图4实验结果比较数学模型计算传热系数和传质系数结果与实验结果比较如图3和图4所示，图 3给出了不同的溶液喷淋密度下的水平管的传热系数的比较，由此可以对于一种具体的工况而言，传热系数并非总随喷淋浓度的增大而增大，这是由于喷淋密度过大时，液膜在管壁流动时间很短，液膜的温度与冷却水的温差比较小所导致。同样的道理，传质系数也并非随喷淋密度的增加而单调上升，喷淋密度过大时导致过小，吸收时间很短，溶液的浓度差较小导致传质系数变小。由于计算结果与实验结果的误差在6%以内，因此此简易模型对于预测水平管束吸收器的性能是可行的。图3 不同喷淋密度下的水平管的传热系数图4 不同喷淋密度下的水平管的传质系数5结论本文提出了一种计算溴化锂溶液在水平管外降膜吸收的数学模型，并搭建了相关的实验台用实验结果进行了验证。由于在模型中忽略了液膜表面的扰动和汽液界面的对流换热，理论模型计算出的传热系数应该比真实值略有偏差。传热过程与传质过程是相互影响的，特别是在汽液接触的界面。从结果可以看出高的传热系数并非意味着高的传质系数，这是因为高的传热系数下液膜的浓度差变小，减弱了传质过程的驱动力。本文从理论和实验两方面着手，提出了一种可靠的理论模型，为进一步认识复杂的降膜吸收过程研究奠定了基础。符号说明d 水平管直径 mD 边界扩散系数 m2/sF 传热面积 m2g 重力加速度 m/s2L 水平管长 mm 质量 kgmabs 质量流量 kg/sp 压力 PaQ 热流 Wt 时间 sT 温度 u 液膜平均流速 m/sy 距离液膜表面的径向距离 m 对流传热系数 W/m2K 对流传质系数 kg/m2s 单位管长的质量流量 kg/m 液膜厚度 m 运动粘度 Pa s 导热系数 W/Km 密度 kg/m3 溶液中溴化锂的质量分数 %下标abs 吸收cool 冷却水i 界面（密度、浓度和温度）s 溶液w 壁面w,i 管内壁w,o 管外壁参考文献1Killion JD, Garimella S.A critical review of models ofcoupled heat and mass transfer in falling-film absorptionJ. 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