（制冷及低温工程专业论文）溴化锂吸收式绝热增压制冷循环研究.pdf

i 摘 要 溴化锂吸收式制冷机是未来制冷机发展的重要方向之一，然而诸多的不足严重制 约了其推广应用。通过对溴化锂吸收式制冷循环及溴化锂溶液特性的深入分析可知， 导致其系统体积庞大、结晶、难以实现风冷、驱动热源温度较高等问题的一个主要原 因是溴化锂溶液对水蒸气吸收能力的不足。 本文首先采用热力学分析及数值计算的方法，模拟了绝热吸收器内部溴化锂/水 溶液对水蒸气的吸收效果，针对具体情况对常物性的假设问题进行了探讨，对绝热吸 收系统增压前后以及不同浓度下的传热传质情况进行详细分析，结果表明绝热增压系 统的溶液吸收能力有了显著增强，为后续章节中新循环系统的构建奠定理论基础。 采用添加增压器以提高绝热吸收压力的方法，构建了绝热增压系统的单效及双效 形式，编制了热力计算程序，分别分析了其对实现吸收式风冷技术、降低系统传热面 积及所需驱动热源温度的有效性，结果表明，采用风冷时其吸收器传热温差可达十几 摄氏度，采用水冷的情况下，系统传热面积及驱动热源温度有显著降低。 本文还采用吸收-喷射复合增压以提高绝热吸收压力的方法，构建了绝热吸收-喷 射复合增压制冷循环，区别于常规以提高热力系数为目的的吸收-喷射复合循环，本 复合循环采用结构简单的单效系统形式以实现吸收式两级系统利用更低温热源的目 的，由于本循环核心在于提高溶液吸收能力，所以本循环也能较好地实现风冷效果， 但是复合循环的热力系数较低。 关键词：关键词：吸收式制冷 传热传质分离 吸收压力 风冷 低温热源 ii abstract lithium - bromide absorption refrigerator is an important aspect in the development of refrigerators, however, some shortages greatly restrict its expanded application. by analyzing the characteristics of libr/h2o solution and the absorption refrigeration cycle, it is known that the absorption deficiency of water vapor into libr/h2o solution is the leading reason that results in its large-size, crystallization, difficulty to be cooled by air and high temperature of heat resource needed etc. after thermodynamics analysis, numerical calculation method is used to simulate the absorption effect of water vapor into libr/h2o solution droplets in the adiabatic absorber. the hypothesis that physical properties should be assumed as constant was discussed, and then the effect of heat and mass transfer before and after heightening the pressure of the adiabatic absorber was analyzed under different solution concentration. the results showed that solution absorption ability of the boosting adiabatic system is strengthened significantly, which provides theoretical base for the following new cycles established. a pressurizer was added in the adiabatic system to establish single - effect and double - effect boosting adiabatic system respectively. then the simulation program of the refrigeration system was developed. the results showed that when it is cooled by air, heat transfer temperature difference could be more than 10 without the risk of crystallization; when cooled by water, heat transfer areas of the system and the temperature of heat resource needed could be reduced effectively. the method of absorption-ejector hybrid was used to establish boosting adiabatic absorption - ejector hybrid refrigeration cycle. different from normal absorption - ejector hybrid cycle that is to increase the coefficient of performance, the hybrid cycle in this study was to use the single - effect system, whose construction is simpler, to realize the function of the two - stage system, which can utilize lower heat resource. the boosting adiabatic absorption - ejector hybrid cycle could also be cooled by air effectively. however, the coefficient of performance of the hybrid cycle here is a bit lower. keywords: absorption refrigeration heat and mass transfer separation absorption pressure air cooled low temperature heat source 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：欧汝浩 日期： 2007 年 6 月 10 日 学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：欧汝浩 指导教师签名：陈焕新 日期： 2007 年 6 月 10 日 日期： 2007 年 6 月 10 日 1 1 绪 论 1.1 课题研究背景 吸收式制冷机是以热能为动力的制冷机组， 其最常用的工质对有溴化锂/水溶液和 氨/水溶液，本文采用目前应用最为广泛的溴化锂/水溶液作为工质对，其中水为制冷 剂。溴化锂吸收式制冷系统最基本的形式是单效循环，为了充分利用高品位的热源， 得到更高的热力系数，在单效系统的基础上发展了双效、三效等溴化锂吸收式系统， 而为了利用低品位热源，又发展了两级吸收式系统。 溴化锂吸收式制冷耗电少，可以缓解电力供求矛盾；还可以利用余热、废热等低 品位热能，减小浪费及环境热污染；且制冷工质对环境没有危害，是国际上公认的未 来制冷机发展的重要方向之一。然而，溴化锂吸收式系统也存在着一些固有的不足： （1）制冷系数较低，蒸气压缩式制冷机的制冷系数在空调工况下可以轻松达到 3.6 以上，而目前应用最多的双效吸收式制冷机的制冷系数也就 1.2 左右；（2）系统体积 庞大，蒸气压缩式制冷机早已进入家用空调领域，而溴化锂吸收式制冷机目前最大的 突破也就是长沙远大研制的户式中央空调机组；（3）结晶以及难以实现风冷问题， 蒸气压缩式制冷机早已实现风冷化，然而，溴化锂吸收式制冷机虽然也曾有采用风冷 却的机组面世，但由于系统过于复杂、庞大而只能停留在实验阶段；结晶问题则是难 以实现风冷的一个主要原因。 以上三方面皆是与蒸气压缩式制冷机相比较而言，此外，驱动热源温度较高也是 制约其发展应用的重要因素。溴化锂吸收式制冷机组虽然有两级、单效、双效、多效 等不同种类以适用于不同驱动热源温度，但在常规冷却条件及空调工况下，利用更低 驱动热源温度则系统热力系数更低；对于利用低温热源的单效及两级系统，两级系统 可以利用更低温度的热源温度，但是其热力系数要低得多，系统的复杂度及成本也要 较单效系统高出不少。 溴化锂吸收式制冷机是未来制冷机发展的重要方向之一，然而以上诸多不足严重 制约了其推广应用。分析溴化锂吸收式制冷循环及溴化锂溶液的特性可知，除了其热 2 力系数的高低外，导致溴化锂吸收式系统一系列问题的一个主要原因是其吸收器中吸 收能力的不足，换句话说，若能提高系统吸收器中溴化锂溶液对水蒸气的吸收能力， 虽然以上这一系列不足不能同时解决， 但理论上是可以分别加以解决的。 基于此认识， 本文从吸收式系统的循环出发，在传热传质分离技术的基础上，分别采用添加增压器 的绝热增压、 以及绝热吸收-喷射复合增压的方法， 来强化其吸收器中溴化锂溶液的吸 收能力，以期对上述吸收式系统的不足加以分析解决。本文主要对吸收式的风冷、降 低热源驱动温度、降低机组的传热面积（即机组的小型化）方面加以深入的分析。 1.2 国内外现状综述 吸收式制冷原理早在十八世纪七十年代就为人们所发现。自二十世纪四十年代美 国开利公司开发出第一台溴化锂吸收式制冷机以来，有关溴化锂吸收式制冷的研究就 从未中断，尤其是八十年代蒙特利尔议定书签订以来，有关吸收式制冷的研究更是倍 受关注。 我国从六十年代起开始着手溴化锂吸收式制冷的研究， 并取得了长足地发展。 当前有关吸收式制冷的研究纷纭繁杂，本文就所实现的目的，如吸收式的风冷、低温 热源的利用（降低热源驱动温度）以及本文采取的手段，即传热传质分离技术、吸收 -喷射复合等的国内外现状分别加以阐述。 1.2.1 吸收式的风冷技术 与传统蒸气压缩式制冷机不同，吸收式制冷机有两个部件需要冷却，即冷凝器和 吸收器。冷凝器为单一的传热设备，实现风冷较为简单；然而，吸收器不仅是一个传 热部件，而且是一个传质部件，传质过程本身也需要有足够的传质面积。若采用风冷 却，其冷却效果很差，且会导致系统向高温、高浓度方向偏移，使得吸收式系统吸收 不足和易结晶等弊病显得更为突出，为此，国内外学者分别从强化吸收器吸收过程、 改进热力循环、优化工质对、采用先进的控制系统等方面进行了理论和试验研究，并 取得了一定成果，但还未见有实用化的风冷机组面世。 关于吸收式风冷问题的研究，国外研究的比较晚，国内也仅仅是近几年才开始研 究。日本八十年代末采用垂直吸收管，管外为铝制带槽翅片，并采用了 4 级吸收成功 3 试制了世界上第一台风冷溴化锂机组，但机组的高复杂性及高成本使其只能成为实验 室产品。随后 michihiko aizawa1等通过改变吸收器的内部结构来达到双效吸收式风 冷的效果，不过由于结晶问题未能得到有效解决，之后风冷技术一度沉默。reisler， rafael a. perez；sanchez，hector m.2，还有 masanori kiyota, itsuki morioka3等也是 拟通过改变吸收器的内部结构以提高换热效果来达到风冷的目的，后者还较为系统地 建立了物理模型且就其传热特性进行了描述。m. bourouis, m. valles 等利用 libr+lii+lino3+licl 作为吸收剂，研究了系统的运行性能，发现与溴化锂相比，该 吸收剂对水的吸收效果更好，腐蚀性更小，结晶危险性大大降低，并用水冷方式模拟 了风冷的效果4-5。 xiaohong liao, patricia garland6等人对空冷溴化锂吸收式循环进行 了模拟研究，并提出了一种防止结晶的控制策略。 国内方面，程文龙等模拟研究了垂直管内降膜，管外空气冷却的吸收器性能，建 立了风冷吸收器降膜吸收过程中传热、传质耦合问题的物理数学模型7。浙江大学的 章文斌，郑飞，陈光明及何一坚则研究了绝热吸收形式的空冷溴化锂吸收式制冷机的 热质特性8-10。王林，陈光明等针对传统风冷吸收式制冷循环出现的问题提出一种风 冷绝热吸收燃气空调器，并在热力学模型基础上对系统循环特性进行模拟分析11。采 用绝热吸收来实现风冷技术无疑是一种可贵的探索，但目前还存在泵功较大，风冷预 冷器冷却温差太小（导致传热面积过大）等问题。 1.2.2 低温余热的利用 目前余热、废热浪费现象依然十分普遍，一方面余热利用潜力巨大，如目前工业 上存在丰富的余热废热资源，如化学工业、冶金工业、机械工业、造纸工业、纺织工 业、 玻璃搪瓷工业、 建材工业等部门的余热占其燃料消耗量比例分别为 15%40%12； 另一方面则是缺乏有效的利用手段，尤其是对于低温余热。大量余热的排放既浪费了 能源，也造成了环境热污染。溴化锂吸收式制冷可以利用余热、废热和地热等低品位 热能，耗电少，且独具环保优势，是国际上公认的未来制冷机发展的重要方向之一。 溴化锂吸收式制冷机对于低温热源的回收利用，主要采用单效以及两级系统。但 在单效制冷系统中，热源温度一般在 90以上，对于目前工业上大量存在的 70-90 4 的废排热水，只能采用结构复杂、体积庞大的两级系统。 然而，常规两级吸收溴化锂冷水机组主要存在着两大不足：1）由于两级系统可 以看作是两个单效系统的叠加，其结构形式较单效系统要复杂得多，因此其设备成本 远高于单效系统；2）热力系数（cop）较低，约为 0.30.4，仅为单效系统的 55%左 右。 为了降低吸收式制冷机对驱动热源温度的要求，扩大吸收式机组的应用范围，研 究者们也作了一些有价值的研究：朱玉群等13-14构建的适用于热源温度介于两级与单 效之间场合的“单效/两级”循环系统，胡兴华等15构建的一种以少量电能补偿驱动 热源品位的新型循环-传统吸收式与电制冷机复合增压系统（降低发生器压力），陈亚 平等16-17提出的太阳能 1.x 级溴化锂吸收式制冷循环；这些新循环形式的提出，为吸 收式系统利用低温热源作出了有益的贡献。 无泵溴化锂吸收式系统也是一种有益的尝试，该系统与传统溴化锂吸收式系统最 大的不同在于用气泡泵代替了传统的机械泵，这不仅有利于实现单效溴化锂制冷机组 的小型化，而且气泡泵本身不消耗额外的电能。西安交通大学的王强提出了一种新型 的气泡泵结构，将提升管设计为弦月形通道，从而大大减小了热源与溴化锂溶液之间 的传热温差，提高气泡生成率，降低了过热度18；谷雅秀、吴裕远在原有系统中设计 增加了一个二次发生装置，可提高系统性能，使冷剂水产量提高为未开二次发生装置 时的 1.68 倍，降低系统运行所需热源温度，实验研究表明：冷剂水产量提高了 68， 系统最低启动温度降为 6819。然而，无泵技术目前存在的最主要问题是其运行的 不稳定性，因此若要走向市场，还有相当一段路要走。 1.2.3 吸收式强化传热传质的研究发展 本文在传热传质分离技术（绝热吸收）的基础上，尝试采用添加增压器的绝热增 压、 以及绝热吸收-喷射复合增压的方法， 来强化吸收式系统吸收器中溴化锂溶液的吸 收能力，以期实现吸收式的风冷技术、缩小吸收式机组的体积、降低热源驱动温度以 更好的利用低温热源。 强化溴化锂溶液的吸收能力即传质能力的方法大致有五种20：a、增大传质驱动 5 力；b、增加吸收系数 k ；c、增加接触面积 a ；d、采用高效传热管及强化吸收管； e、添加表面活性剂。目前强化传热传质效果的主要途径是采用高效传热管、强化吸 收管和添加表面活性剂。高效传热管如花瓣管、纵槽管、低肋管等，相比光管不仅具 有更大的换热面积，而且更重要的是使溶液在管子表面产生涡流等扰动，增强了传热 和传质，目前高效传热管已经得到了国内外各厂家的广泛应用，取得良好的效果。强 化吸收管则主要是在吸收器中采用纵槽管，在添加表面活性剂的条件下，可更好地利 用“马拉各尼”对流来促进溶液的吸收能力。在添加表面活性剂方面，目前最常用的 添加剂是正辛醇ch3(ch2)3ch(c2h5)ch2oh和异辛醇ch3(ch3)6ch2oh，这些物质 能够明显降低溴化锂溶液的表面张力，产生马拉各尼效应，使得溴化锂溶液在传热管 表面产生强烈的扰动，因而可以增强传热和传质。但值得注意的是，添加剂的具体强 化机理仍未研究清楚，尚需国内外学者进行进一步的深入研究。 溴化锂溶液对水蒸气的吸收是在吸收器中完成的，谈到强化传热传质的研究，不 能避开吸收器的研究情况。实际上，由于吸收器中吸收能力大小对整个系统性能有非 常大的影响，对吸收器的研究成为了吸收式系统研究中的一个永恒热点。 按照吸收表面的形成形式，吸收器分为表面吸收器（降膜吸收器），鼓泡吸收器 和喷洒（喷雾）吸收器三种。其中降膜吸收器是嗅化锂吸收式制冷机中应用最为广泛 的一种吸收器，因此也是研究得最多的吸收器，降膜吸收器又可分为水平管束降膜、 垂直管降膜、板翅式降膜、板壳式降膜等，近年来，又有不少国内外学者提出了新型 的降膜吸收器，如螺旋吸收器、蒸气再压缩吸收器（rav） 、新型平直型板翅式吸收器、 板式膜反转降膜吸收器、竖直波纹板片降膜吸收器等。鼓泡吸收器由于需要气泡发生 装置，增加了系统的复杂程度，因此目前应用的非常少，只在氨吸收式装置中有所应 用。 以下我们以应用最为广泛的降膜式吸收器为例，看看最近几年关于吸收器内部吸 收效果的研究情况。 icksoo kyung21等人在对水平管外降膜吸收过程进行模拟研究时， 将溶液流动分为三个阶段管顶部、管外降膜流动阶段、管底部溶液滴形成阶段， 研究认为第三个阶段吸收效果最好； farid babadi, bijan farhanieh22通过三个参数 re、pr、st 研究解释溶液内部传热传质情况；s.s. seol 等23通过对单根水平管外降膜 吸收实验研究认为溶液流量小时，吸收压力影响较大，溶液流量较大时，溶液温度影 6 响较大；siyoung jeong, srinivas garimella24模拟研究水平管外降膜吸收过程发现，在 相同的换热面积下，管径越小，产生的溶液滴数越多，吸收效果越好，同时换热量越 大；victor manuel soto francs 等25通过实验研究了水平管外降膜吸收过程中马拉格 尼数、雷诺数之间的关系及其对溶液流型、传质速率的影响；chan woo park 等26研 究发现溶液中含有表面添加剂，同时采用表面粗糙管的吸收器与没有添加剂，采用光 管的吸收器相比，吸收效果提高了 4.5 倍，同时认为添加剂对传热的影响要大于表面 粗糙管。对吸收器内部吸收效果的研究，无疑有助于强化传热传质措施的提出。 1.2.4 传热传质分离技术 本文的研究是以传热传质分离技术（绝热吸收）为基础的，传热传质分离技术实 际上也是强化传热传质的手段之一，由于它是本论文研究的基础，因此本章将其研究 情况进行独立介绍。 在 1.2.3 中列举了众多的吸收器形式，针对当前应用最广的水平降膜吸收器而提 出的诸多新型吸收器，具有结构紧凑、成本低、提高吸收器的效率等特点，但是其结 构仍存在一些不够成熟的地方，因而离实际应用还有一定距离。相比而言，具有传热 传质分离特点的喷雾吸收器则兼有性能可靠、结构简单、高效、可行性高、灵活性强 等的优点，值得我们研究。 传热传质分离技术将传统传热、传质相互藕合的过程分离为独立的两个过程，它 可以分别强化传热、传质过程，有效节约设备耗材，降低吸收器体积，节省投资，具 有很高的研究价值和经济效益。然而，传热传质分离技术的研究起步较晚。 在国外，德国 franz summerer、flamensbeck 等27-28以及美国 ryan william、 warnakulasuriya 等29-30较早采用喷雾吸收器从事传热传质分离技术研究。m venegas, m izquierdo 等31-32采用数值模拟的方法，分析了在绝热吸收器内 lino3nh3对 nh3 蒸气的吸收情况，根据溶液液滴的速度变化情况对其划分了三个区域，主要考虑了过 冷度的影响， 对此三个区域的吸收情况分别进行了分析， 并求出了其传质系数。 f.s.k. warnakulasuriya, w.m. worek 等33分析了绝热吸收器中不同的喷嘴对吸收效果的影 响，并采用数值模拟及实验手段，分析了不同过冷度及溶液流率对吸收效果尤其是吸 收速率的变化。 7 国内方面，浙江大学的陈光明等8102000 年针对传统降膜式吸收器，建立了溴化 锂水溶液吸收过程的数学模型并进行了求解，这是国内首次运用传热传质分离的原 理；天津商学院的申江、吴双、朗群英等34-35则采用喷雾吸收器，对其绝热吸收过程 进行分析和计算，建立了喷雾吸收器的数学模型。 鉴于喷雾式传热传质分离技术在强化传热、传质能力方面的优越性，因此本论文 以此为基础， 采用添加增压器的绝热增压、 以及绝热吸收-喷射复合增压的方法以大幅 强化吸收式系统的传质能力。 1.2.5 吸收-喷射复合循环 国内外已有将喷射器应用于吸收式系统的相关研究。国外方面，s.wu 等36以及 lan w. eames 等37-38采用一台蒸气发生器产生驱动热源，用蒸气发生器出来的高压水 蒸气引射单效循环发生器流经冷凝器的水蒸气，提高了单效系统的热力系数，达到了 采用单效循环实现双效循环功能的目的。s.aphornratana 等39-40将喷射器安装在发生 器与冷凝器之间，从蒸发器吸入部分蒸气，排到冷凝器中，提高了单效系统的热力系 数，也达到了采用单效循环实现双效循环功能的目的，通过实验，他们发现可以提高 系统性能系数 50 %左右。 在国内， 新型制冷循环系统吸收喷射复合制冷循环系 统在 1994 年第七届全国余热制冷与热泵技术学术会议上由顾兆林等41首次提出，该 系统综合了单效吸收式制冷机和蒸气喷射式制冷机的优点。它同样利用单效循环中发 生器出来的高温水蒸气引射蒸发器出来的部分水蒸气，混合后一起进入冷凝器，以提 高单效循环的热力系数，达到采用单效循环实现双效循环功能的目的41-42。此系统以 提高发生器温度作为代价来驱动喷射器正常工作，提高了系统对驱动热源温度的要 求。同时，还必须权衡由于发生器温度提高带来的循环倍率增加和腐蚀、结晶问题与 系统使用喷射器之间的利益关系43。 虽然吸收喷射复合循环早已不是什么新鲜事物， 然而， 前人关于吸收-喷射复合 循环的研究主要在于提高系统性能系数。本文在传热传质分离技术的基础上，充分利 用喷雾式绝热吸收器易于分别强化传热及传质能力的优点，采用吸收喷射复合增压 循环形式以提高吸收器中溶液的传质能力，达到降低系统所需驱动热源温度的目的， 8 在国内外未见相关报道。 1.3 主要研究内容 从以上分析得知，溴化锂吸收式系统存在的系统体积庞大、结晶、难以实现风冷 化、驱动热源温度较高等不足，其中的一个主要原因是系统吸收器中溴化锂溶液对水 蒸气吸收能力的不足。 本文基于传热传质分离技术，构建了添加增压器的绝热增压与绝热吸收喷射复 合增压两种新循环制冷形式，以大力提高吸收式系统中溴化锂溶液对水蒸气的吸收能 力。 本文的主要研究内容有如下几点： 1）首先采用热力学分析及数值模拟的方法，模拟绝热吸收器内部溴化锂/水溶液 对水蒸气的吸收效果，针对具体情况对常物性的假设问题进行探讨，并就绝 热吸收系统增压前后以及不同浓度下的传热传质情况进行详细分析，为后续 章节中新循环系统的构建奠定理论基础； 2）拟构建添加增压器的绝热增压系统，编制热力计算程序，并分析其对实现吸 收式风冷技术的有效性； 3）拟构建添加增压器的绝热增压系统双效形式，编制热力计算程序，并通过对 比，分析本循环系统对降低系统传热面积以及降低系统驱动热源温度的有效 性； 4）拟构建绝热吸收喷射复合增压制冷循环，编制热力计算程序，并通过对比， 分析本绝热吸收喷射复合增压循环采用结构简单的单效系统形式以实现吸 收式两级系统的有效性；同时对本循环的风冷化效果进行探讨。 9 2 绝热增压系统强化传热传质能力的理论分析 2.1 绝热增压系统概述 本章以添加增压器的绝热增压制冷循环为例，对绝热增压系统进行分析。绝热即 绝热吸收，指的是采用传热传质分离技术，本文采用的是当前国内外研究最多的喷雾 式绝热吸收器。 蒸气 稀溶液 冷却水 冷却水 浓溶液 图 2.1 传统降膜吸收器模型 传统的吸收器多是以水平管降膜吸收为主2734，如图 2.1 所示，吸收器承担着传 热和传质两方面的作用，浓溶液从管束顶部喷淋，水平管内为冷却水，管外为向下流 动的溴化锂/水溶液液膜， 液膜吸收来自蒸发器中的水蒸气， 吸收时放出的热量通过冷 却水带走。在吸收过程中，传热和传质同时进行，其中传质是目的，传热只是保证吸 收过程完善的必要手段。 与传统降膜吸收器不同，喷雾式绝热吸收器是在吸收器之前增加了预冷器，吸收 器中增加了喷嘴， 使喷淋溶液雾化， 吸收器中的传热和传质分为两个独立过程来进行。 如图 2-2 所示，来自发生器的浓溶液和来自吸收器的稀溶液混合被预冷器冷却为过冷 状态，然后进入吸收器，绝热吸收来自蒸发器的水蒸气，最终达到饱和状态，汇集于 吸收器底部，经溶液泵加压后分两路，一路经换热器到达发生器，一路与来自换热器 10 图 2.2 增压后的绝热吸收过程示意图 的溶液混合后经预冷器冷却。因此吸收过程的放热就通过预冷器而排除，在喷雾吸收 器中只进行绝热吸收，将传热和传质过程分开进行，使两者同时得到强化成为可能。 绝热增压系统，则是在蒸发器和绝热吸收器之间增加了一台增压器，提高从蒸发器进 入绝热吸收器的水蒸气的压力。 2.2 热力学分析 在吸收器内部，冷剂蒸气被溶液所吸收，其推动力为压差 a ppp =，其中 a p 是 溶液平均浓度 m x 和温度t下的饱和压力，p为水蒸气压力。在溴化锂吸收式冷水机组 的吸收器蒸气压力p保持不变的条件下，为了提高溶液吸收能力，则应尽可能降低溴 化锂溶液的平衡蒸气分压 a p。 根据拉乌尔定律，溴化锂溶液的分压 a p= 222 oo h oh oh olibr pxp(1x)= 式中 2 o h o p水的饱和蒸气压，随温度降低而减小； libr x溴化锂占其溶液中的质量分数。 由此可见，降低溴化锂溶液的温度和提高溴化锂溶液的质量分数都可以提高传质 推动力，以增加溴化锂溶液对蒸气的吸收量，因此在外界条件允许以及保证不结晶的 情况下，总是希望溶液温度越低越好，溶液浓度越高越好。 对于降膜吸收器，事实上，当溴化锂溶液刚进入吸收器时，由于溶液温度较高， 一般溶液平衡蒸气分压 a p反而大于p，也就是说此时溴化锂溶液非但没有吸收能力， 11 且会出现闪发作用，即放出水蒸气。直到溶液被冷却水逐渐冷却，冷却至使溶液平衡 分压力 a p小于p时，溴化锂溶液才开始吸收水蒸气。此外，溶液平衡分压力 a p及水 汽压力p并非完全独立的参数，而是相互关联的。换句话说，提高水蒸气压力p也会 导致溶液平衡分压力 a p的增加， 根据模拟的结果， 溶液平衡分压力 a p较蒸气压力p的 增加值随着p的提高而增大，即会加大闪发效果。 以上是增压系统以传热传质分离技术为基础，而不以常规传热传质耦合的吸收器 为基础的一大原因所在。再者，本文在第三章中主要分析了绝热增压系统对实现吸收 式风冷技术的有效性，若采用传统的降膜吸收器，由于风冷却传热效果的不佳，空气 很难及时带走吸收器中的吸收热，因此传统吸收式系统采取增压方式实现风冷并不适 宜。 而对于采用喷雾式吸收器的传热传质分离技术，首先，区别于传统吸收器，溴化 锂溶液进入绝热吸收器时并没有闪发作用，也就是并没有出现如传统吸收器中溶液平 衡蒸气分压 a p大于p的情况。其次，如图 2.2 所示，由于增加了一个预冷却器，预冷 却器的出口溶液即绝热吸收器的入口溶液温度可大体固定，相当于增加了一个独立变 量，保证了水蒸气压力p和溶液平衡分压力 a p的独立性，因此提高水蒸气压力p对于 提高传质推动力将具有明显的效果。 当然，实际吸收过程较为复杂，以上的理论和方法只能给予大致的分析，以下将 通过数值模拟的方法，仿真模拟绝热吸收器内部溶液的吸收情况。 2.3 绝热吸收器吸收效果的数值仿真模拟 溴化锂溶液的吸收过程是传热和传质同时存在的极其复杂的过程，目前尚没有一 种理论可以十分清晰地来阐明其吸收机理。在国内外学者迄今为止对吸收机理得出的 种种理论中，其中最广泛地为人们所接受的是薄膜理论模型和双膜理论模型。本章以 双膜理论为指导，建立了绝热吸收器内部溴化锂溶液液滴对水蒸气的吸收模型，采用 数值模拟的方法分析提高绝热吸收器压力对提高溶液吸收能力的有效性。 12 2.3.1 数学模型 针对溴化锂溶液液滴在喷洒过程中对周围水蒸气的吸收情况，本章首先根据常规 简化方法对其进行简化，再根据具体情况进行分析。数值模拟时，只考虑单个液滴对 水蒸气的吸收情况，且将液滴设为球型体，溶液滴物理模型如图 2.3。 基本假设如下2944： 1）液滴在下降、吸收的过程中球半径保持不变； 2）一般由于在绝热吸收器中，在溶液喷淋参数如溶液温度与浓度的变化量都比 较小，在吸收过程中按常物性来计算； 3）传热现象只存在于液滴与周围蒸气的接触面中； 4）液滴在下降过程中保持球体结构； 5）喷雾过程中导致的吸收器壁面上液膜的传质情况忽略不计； 6）水蒸气为静止、单组分，气相传热和液相传热相比忽略不计； 7）吸收过程中吸收器与外界没有热量交换； 液相 气相 r,ur r r ,u 图 2.3 溶液液滴物理模型 根据以上假设，可以列出如下数学模型： 传质对时间数的控制方程： 2 x d(x) t = （2.1） 传热对时间数的控制方程： 2 t a(t) t = （2.2） 加上对流项，采用球坐标，则有： 13 22 222 2cot1 r uxxxxxxx ud() ttrtrrrrr +=+ （2.3.a） 左边第二、 三项分别为溶液浓度的对流项在半径方向及角度方向的增量， 同理有： 22 222 2cot1 r uttttttt ua() ttrtrrrrr +=+ （2.4.a） 国外学者们通过实验及数值模拟的方法验证得到，针对绝热喷雾吸收器中溴化锂 溶液吸收水蒸气的具体情况，采用 newman 方程求解是合适的2944，即认为0 r u =、 0u=，于是传质与传热控制方程可以简化为： 22 222 2cot1xxxxx d() trrrrr =+ （2.3.b） 22 222 2cot1ttttt a() trrrrr =+ （2.4.b） 以上各式中，x1kg液滴中含水的公斤数，/kg kg；t液滴温度，k； d 质扩散系数， 2 /ms；热扩散系数， 2 /ms；r半径坐标；角度坐 标；t时间，s。 初始条件： 当0t =， 对于所有的r， 有 o xx=及 o tt= （2.5） 边界条件： 在r=0处， 当0t 时， 有0 xt rr = （2.6） 在rr=处， 当0t 时， 有, eqeq xxtt= （2.7） 在一定的压力下，混合溶液在平衡情况下其浓度与温度的关系可以采用如下线性 关系： ab eqeq xt= + （2.8） 另外一个边界条件是溶液液滴在吸收周围蒸气时，在液滴表面的传热方程： r rr r tx k()ld() rr = = （2.9） 其中 p kc= （2.10） 14 以上各式中，a常数，1/k；b常数；k热传导率，kj/(m s k) ；l 水蒸气潜热，kj/kg； p c液滴的定压比热容，kj/(kg k)；液滴密度， 3 /kg m。 解方程时，常采用无量纲简化运算，此处采用无量纲数如下： o x x x =， o t t t =， r r r =， 2 d t r = 则传质与传热控制方程转换为： 22 22 2 2cot1xxxxx () rrr rr =+ （2.11） 22 22 2 2cot1ttttt () drrr rr =+ （2.12.a） 初始条件与边界条件转换为： 初始条件： 当0=， 对于所有的r， 有1x =，1t = （2.13） 边界条件： 在r=0处， 当0时， 有0 xt rr = （2.14） 在1r =处， 当0时， 有,eqeqxxtt= （2.15） 平衡方程： 0 00 ab eqeq t x()t xx =+ （2.16） 液滴表面传热方程： 0 11 0 rr p l d xxt ()() ctrr = = （2.17.a） 设无量纲数 e l d =， a a p l k c = ，则式 2.12.a 及式 2.17.a 可以改为： 22 22 2 2cot1 e ttttt l () rrr rr =+ （2.12.b） a0 11 0 a rr e kxxt ()() ltrr = = （2.17.b） 15 i=1 i=2 i=3 j=1 j=2 j=3 图 2.4 液滴网络模型 采用有限差分法对式（2.11）（2.17）进行离散化处理，本文基于如下原因选 用全隐式crank-nicholson差分解法： 1）全隐式方法是无条件稳定的，不受时间步长和网络数的限制； 2）对于球体模型而言，二阶隐式差分法 2 2 (,)or具有足够的精度要求； 3）crank-nicholson差分法在解决大量的传递问题上已证明了其有效性32 45-46。 液滴网络模型如图2.4所示， 半径方向i=40， 角度方向j=30， 时间步长取=2.5 10-5，本文主要分析提高绝热吸收压力对吸收效果的影响，根据后续章节可以达到 的吸收压力等级，选取用以进行对比的两个绝热吸收压力及初始参数如下。除溶液质 扩散系数d之外的其它物性参数根据溶液的温度、浓度及吸收压力算得47-48,d值只 能通过实验测得，在此先假定在不同压力级下d值保持不变，其值取自文献29，见 表2.1及表2.2： x0 (kg/kg) t0 (k) (kg/m3) d (m2/s) cp (kj/kg/k) (m2/s) le 0.43101715 1.5410-9 1868 1.37310-789.18 表2.1 与吸收压力无关的初始参数 p (kpa) a (1/k) b l (kj/kg) ka 0.9346-0.005516622.15772 -2.488103 -7.383 2.337-0.005278512.1589 -2.454103 -6.895 表2.2 与吸收压力相关的初始参数 2.3.2 模拟计算结果及分析 以下分别从同等初始进口参数， 不同压力等级下的传热传质情况； 高压力级别下， 16 不同入口溶液浓度下的传热传质情况；低压力级别及高压力、低浓度条件下的传热传 质情况三方面进行吸收效果的比较分析，并对几个重要参数进行深入探讨。 2.3.2.1 低绝热吸收压力下的传热传质情况 图2.5为低绝热吸收压力下的传热传质情况，其中溶液流出绝热吸收器的状态， 即吸收终了状态时， 有： 0 / ave xx=1.0142、 0 / ave tt=1.0245， 得： ave x=0.40568， ave t=317.6； 在同等条件下，由第三章集总稳态方程得：avex=0.4034、avet=317.91。以avex、avet 为 基 准 ， 则 本 方 程 模 拟 误 差 分 别 为 ： 1 / aveaveave (xx) x=0.57%、 2 / aveaveave (tt) t=0.10%，据此可以验证本方程模拟的准确性。此时，溶液吸收达 到终了状态的无量纲时间为=0.4623。 0.0000.0050.010 1.00 1.01 1.02 1.03 1.00 1.01 1.02 1.03 p=0.9346kpa tave/ t0 xave/ x0 =dt/r 2 tave/ t0 xave/ x0 图 2.5 低绝热吸收压力下的传热传质情况 2.3.2.2 高绝热吸收压力、高浓度下的传热传质情况 其中溶液的浓度指的是溴化锂溶液中1kg液滴中含溴化锂的公斤数，与 0 x的含 义有区别， 0 x指的是1kg液滴中含水的公斤数， 0 x越小溶液浓度越大。而高浓度是 与2.3.2.3的浓度相比较而言的。 17 图 2.6 为高绝热吸收压力下的传热传质情况，溶液流出绝热吸收器的状态，即吸 收终了状态时，有： 0 / ave xx=1.04176、 0 / ave tt=1.07078，得： ave x=0.416704， ave t=331.942；在同等条件下，由第三章集总稳态方程得，avex=0.410、avet=333.045。 以avex、avet为基准，则本方程模拟误差分别为： 1 / aveaveave (xx) x=1.6%、 2 / aveaveave (tt) t=0.33%。此时，溶液吸收达到终了状态的无量纲时间为 =0.523275。 0.0000.0050.010 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 p=2.337kpa tave/ t0 xave/ x0 =dt/r 2 tave/ t0 xave/ x0 图 2.6 高绝热吸收压力下的传热传质情况 在保持喷淋溶液初始状态不变的情况下，当p=0.9346kpa时，溶液在绝热吸收器 中的吸收终了状态值为 0 / ave xx=1.0142，当p=2.337kpa时， 0 / ave xx=1.04176，可以 看出，提高绝热吸收压力对增强吸收效果有着明显的效果，此时高绝热吸收压力下溶 液达到平衡的无量纲时间也略大。 上述分析中，在低绝热吸收压力p=0.9346kpa下，溶液喷淋参数在吸收过程中浓 度最终的变化量为0.0033，温度最终的变化量约为8，变化量较小，为简化运算， 由温度与浓度等宏观参数决定的如热传导率等物性参数一般都按常物性分析；然而， 在高绝热吸收压力下，如p=2.337kpa，此时溶液喷淋参数在吸收过程中浓度最终的变 化量约为0.01，温度最终的变化量达到了23，此时，若按常物性计算其误差如何值 得探讨。其次，溶液质扩散系数d无法通过计算求得，只能通过实验测得，加大了数 18 值模拟的难度，且其对吸收时间有较大的影响。基于此两方面原因，本文在此对常物 性问题进行探讨。 分析绝热吸收器的吸收数学模型，可以知道，忽略溴化锂液滴的内扰动，即采用 newman方程，对吸收效果可能造成影响的物性参数有喷淋溶液初始状态： 0 x、 0 t， 溶液平衡方程数：a、b，以及无量纲数： e l、 a k。在设定喷淋溶液初始状态、绝热 吸收器压力的情况下，对吸收效果可能产生影响的就只有 e l、 a k了。以下具体分析 在保持其它条件不变的情况下， e l、 a k对吸收效果的影响。 0.0000.0050.010 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 le=89.18 - le=40 tave/ t0 x