（制冷及低温工程专业论文）装有填料的吸收器中溴化锂溶液预冷却绝热吸收过程研究.pdf

中文摘要 传统的澳化锉吸收式制冷机的吸收器中通常安装换热管簇， 管内通水冷却， 带走吸收热， 维持吸收过程的连续进行。 但管内冷却、 管外吸收受到传热、 传质 面积和时间的限制，从而影响了冷剂蒸汽的吸收。 根据传热、 传质相异的特性， 在溟冷机吸收过程传热、 传质分开进行的理念 基础上， 提出预先冷却进入吸收器的澳化铿水溶液， 以强化传统吸收器中冷却水 的传热过程; 同时在空腔吸收器中设置大面积填料， 增大传质面积， 从而改善热、 质传递的效果。 在滨化锉溶液预冷却绝热吸收过程对应循环的比 焙一浓度图 分析的基础上， 建立了并联双效澳化铿吸收式制冷机溶液预冷却绝热吸收过程的热力学模型， 并 分析了预冷却温差等因素对它的影响。 通过装有竖直平板和波纹板这两类典型填料的吸收器中的预冷却绝热喷淋 吸收过程的物理、 数学模型的建立与数值求解， 得到了填料表面液膜的温度、 浓 度变化分布等情况。此外， 还讨论了填料的类型、 形状等对吸收过程的影响。 该课题的研究， 将为澳冷机吸收过程的热、 质分开并分别强化提供了理论基 础，进而为澳冷机机组性能的优化和机组的小型化等提供了重要依据。 关键词:吸收式制冷，澳化铿，吸收过程，传质，预冷却，填料 a b s t r a c t i n a t r a d i t i o n a l a b s o r b e r u s i n g l i t h i u m b r o m i d e a q u e o u s s o l u t i o n a s w o r k i n g fl u i d , t o m a i n t a i n t h e s u c c e s s io n o f a b s o r p t i o n p r o c e s s , a b s o r p t i o n h e a t m u s t b e t a k e n a w a y b y c o o l i n g w a t e r i n h e a t t r a n s f e r p i p e s . h o w e v e r , t h e h e a t/ m a s s t r a n s f e r w a s i n s u f f i c i e n t , o w i n g t o t h e r e s t r i c t i o n o f h e a t / m a s s e x c h a n g e a r e a a s w e l l a s t r a n s f e r t i me . o n t h e b a s i s o f d i ff e r e n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f h e a t a n d m as s t r a n s f e r , t h e t h o u g h t o f p r e c o o l i n g l i t h i u m b r o m i d e a q u e o u s a b s o r p t i o n s o l u t i o n t o r e p l a c e a s w e l l a s s t r e n g t h e n h e a t t r a n s f e r p r o c e s s o f c o o l i n g w a t e r - a b s o r p t i o n s o l u t i o n in c o m m o n a b s o r b e r w as p re s e n t e d . m o r e o v e r , p a c k i n g o f l a r g e a r e a w a s f i x e d i n a c a v u m a b s o r b e r t o e n l a r g e a re a o f m a s s t r a n s f e r i n a d d it i o n t o i m p r o v e m e n t o f i t s e ff e c t . t h e a b s o r p ti o n p r o c e s s w a s r e g a r d a s a d i a b a t i c m a s s t r a n s f e r p r o c e s s , a n d h e a t t r a n s f e r w as o n l y a b y p r o d u c t c a r r i e d o u t i n p r e c o o l e r . c o n s e q u e n t l y , t h e t h o u g h t s t h a t a b s o r p t i o n p r o c e s s i n a n a b s o r b e r w i t h p a c k i n g in s i d e w as m e r e l y a d i a b a ti c m a s s t r a n s f e r p r o c e s s w e r e p r o p o s e d . f n a d d i t i o n , t h e r m o d y n a m i c m o d e l o f s o l u t i o n a d i a b a t i c a b s o r p t i o n p r o c e s s a n d it s i n fl u e n c e f a c t o r , s u c h a s d i ff e r e n c e i n t e m p e r a t u r e , w e r e a n a l y z e d a ft e r f o u n d a t i o n a n d s t u d y o f e n t h a l p y - d e n s it y d i a g r a m o f l i b r / h 2 0 s o l u t i o n a d i a b a t i c a b s o r p t i o n c y c l e . t h e r e a ft e r , fi e l d s o f t e m p e r a t u r e a n d c o n c e n t r a t i o n , e t c . w e r e d e r i v e d b y e s t a b l i s h m e n t a n d n u m e r i c a l c o m p u t a t i o n o f p h y s i c a l a n d m a t h e m a t i c m o d e l s o f s o l u t i o n a d i a b a t i c a b s o r p t i o n p r o c e s s i n p r e c o o l e d a b s o r b e r w i t h v e r ti c a l p l a t p a c k i n g o r r ip p l e p a c k i n g i n s i d e . f u r t h e r m o r e , d i ff e r e n t t y p e s o f p a c k i n g w e re a n a l y z e d a s w e l l a s c o m p a r e d . t h e re s e a r c h w i l l p r o v i d e t h e o r e ti c a l f o u n d a t i o n f o r t h e r e a l i z a t i o n o f h e a t / m a s s t r a n s f e r s e p a r a t i o n a n d e n h a n c e m e n t , a n d e v e n t h e m i n i a t u r i z a t i o n a s w e l l a s o p t i m i z a t i o n o f l ib r - w a t e r a b s o r p t i o n c h i l l e r s . k e y w o r d s : a b s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o n , l i b r , a b s o r p t i o n p r o c e s s , m as s t r a n s f e r , p r e c o o l , p a c k i n g 第一章 前 言 第一章前言 1 . ， 概述 制冷及空调技术广泛应用于住宅、办公室、礼堂、剧院、医院等民 用建筑， 同时也为冶金、机械、电子、能源、生物等领域的生产车间、工业厂房提供适宜 的环境。 近年来， 由于保护臭氧层和抑制全球气候变暖的需要， 对臭氧层有破坏作用 并会产生温室效应的、 制冷、 空调、 热泵行业广泛采用的氟氯烃类制冷剂， 包括 含氢氯氟烃 ( h c f c ) 和氯氟烃 ( c f c s ) 类物质的限用和替代成为当前国际性研 究的热门问题。 而澳化铿吸收式制冷机 ( 以下简称澳冷机) 以 水为制冷剂、 澳化铿水溶液为 吸收剂， 无毒、 无臭， 非常有利于环保， 所以近年来对它的研究己 相当普遍，并 且双效机己经得到了广泛生产和应用。 吸收式制冷的工作原理是利用液体制冷剂在蒸发器中的蒸发吸热来实现制 冷的。 溟化铿吸收式制冷利用滨化铿水溶液一水工质对以极易吸收水蒸汽的 澳化锉水溶液作吸收剂、 以水作制冷剂， 通过冷剂水在低压真空环境下的蒸发吸 热，来制取空气调节工程或某些生产工艺用的低温冷水。 以单效澳冷机来说明溟化铿吸收式制冷的循环过程: 滨化铿水溶液在发生器 中吸收加热蒸汽或热水的热量， 产生过热冷剂蒸汽， 它流入冷凝器后凝结成冷剂 水。 冷剂水经节流装置进入蒸发器， 它吸收蒸发器管内 冷水的热量而蒸发， 而管 内冷水被降温产生制冷效果。 而蒸发器中产生的冷剂蒸汽又进入吸收器， 被其中 的浓溶液所吸收。 浓溶液变成稀溶液。 此稀溶液由溶液泵升压经溶液热交换器回 到发生器， 完成了澳化铿吸收式制冷循环的冷剂回路。 而发生器中的浓溶液由于 压差和位差作用经溶液热交换器流到吸收器， 并和同经溶液热交换器从吸收器流 入发生器的稀溶液交换热量，这构成了制冷循环的溟化铿溶液回路。 下图为澳化铿吸收式制冷机的工作原理图。 第一章 前 言 第一章前言 1 . ， 概述 制冷及空调技术广泛应用于住宅、办公室、礼堂、剧院、医院等民 用建筑， 同时也为冶金、机械、电子、能源、生物等领域的生产车间、工业厂房提供适宜 的环境。 近年来， 由于保护臭氧层和抑制全球气候变暖的需要， 对臭氧层有破坏作用 并会产生温室效应的、 制冷、 空调、 热泵行业广泛采用的氟氯烃类制冷剂， 包括 含氢氯氟烃 ( h c f c ) 和氯氟烃 ( c f c s ) 类物质的限用和替代成为当前国际性研 究的热门问题。 而澳化铿吸收式制冷机 ( 以下简称澳冷机) 以 水为制冷剂、 澳化铿水溶液为 吸收剂， 无毒、 无臭， 非常有利于环保， 所以近年来对它的研究己 相当普遍，并 且双效机己经得到了广泛生产和应用。 吸收式制冷的工作原理是利用液体制冷剂在蒸发器中的蒸发吸热来实现制 冷的。 溟化铿吸收式制冷利用滨化铿水溶液一水工质对以极易吸收水蒸汽的 澳化锉水溶液作吸收剂、 以水作制冷剂， 通过冷剂水在低压真空环境下的蒸发吸 热，来制取空气调节工程或某些生产工艺用的低温冷水。 以单效澳冷机来说明溟化铿吸收式制冷的循环过程: 滨化铿水溶液在发生器 中吸收加热蒸汽或热水的热量， 产生过热冷剂蒸汽， 它流入冷凝器后凝结成冷剂 水。 冷剂水经节流装置进入蒸发器， 它吸收蒸发器管内 冷水的热量而蒸发， 而管 内冷水被降温产生制冷效果。 而蒸发器中产生的冷剂蒸汽又进入吸收器， 被其中 的浓溶液所吸收。 浓溶液变成稀溶液。 此稀溶液由溶液泵升压经溶液热交换器回 到发生器， 完成了澳化铿吸收式制冷循环的冷剂回路。 而发生器中的浓溶液由于 压差和位差作用经溶液热交换器流到吸收器， 并和同经溶液热交换器从吸收器流 入发生器的稀溶液交换热量，这构成了制冷循环的溟化铿溶液回路。 下图为澳化铿吸收式制冷机的工作原理图。 第一章 前 言 一角 加热蒸汽一 e三二妥 / )二 一 一冷水 飞rr、/ ilfd /产已 图卜 l 澳化铿吸收式制冷机的工作原理图 ( 蒸汽型单效澳冷机， 冷却水回路略) 1 一发生器 z 一冷凝器3 一蒸发器 4 一冷剂泵 5 一吸收器 6 -溶液泵7 -溶液热交换器 嗅化理吸收式制冷与压缩式制冷产生制冷效应的本质相同， 都是制冷剂在蒸 发器中的蒸发吸热， 都有冷凝器和蒸发器。 然而， 压缩式制冷机消耗是功， 而滨 化锉吸收式制冷消耗的是热能 这样它就能利用低品质能， 如太阳能、 地热能、 余热、 废热及生产工艺过程中产生的排热， 实现比电压缩制冷较好的经济节能性。 澳冷机可以根据驱动热源或循环效、级数的不同，分为:蒸汽型、直燃型、 单效机、 双效机、 三效或多效机等。 它还能根据溶液流程分为串联流程的澳冷机 和并联流程的澳冷机等. 1 . 2 澳化锉吸收式制冷机的国内外发展概况及其特点 1 9 4 5 年美国开利公司研制成功第一台大型 ( 制冷量为5 2 3 k w ) 澳化铿吸收 式制冷机以 来，经过不断改进和提高，现在已 有不少国家系列化生产这种机型、 广泛用于空调或其他生产工艺过程。 1 9 5 61 9 5 9 年， 7 . s . s w e a ri n g e n 和e . p . w h i t l o w在美国g a s a s s o c i a t i o n 赞 助下制成了 第一台双效澳化铿吸收式制冷机。与单效澳化铿吸收式制冷机相比， 其耗用蒸汽量下降4 0 %，体积减小5 3 %，使能 源利用率大大提高。 两级吸收式制冷机的出 现， 使温度较低的热源用于制冷机成为可能， 为地下 热 ( 如7 5 以 上的温泉水) 、 太阳能、 柴油机的冷却水等低势能 用于空调或其他 生产工艺过程降温创造了条件。 第一章 前 言 一角 加热蒸汽一 e三二妥 / )二 一 一冷水 飞rr、/ ilfd /产已 图卜 l 澳化铿吸收式制冷机的工作原理图 ( 蒸汽型单效澳冷机， 冷却水回路略) 1 一发生器 z 一冷凝器3 一蒸发器 4 一冷剂泵 5 一吸收器 6 -溶液泵7 -溶液热交换器 嗅化理吸收式制冷与压缩式制冷产生制冷效应的本质相同， 都是制冷剂在蒸 发器中的蒸发吸热， 都有冷凝器和蒸发器。 然而， 压缩式制冷机消耗是功， 而滨 化锉吸收式制冷消耗的是热能 这样它就能利用低品质能， 如太阳能、 地热能、 余热、 废热及生产工艺过程中产生的排热， 实现比电压缩制冷较好的经济节能性。 澳冷机可以根据驱动热源或循环效、级数的不同，分为:蒸汽型、直燃型、 单效机、 双效机、 三效或多效机等。 它还能根据溶液流程分为串联流程的澳冷机 和并联流程的澳冷机等. 1 . 2 澳化锉吸收式制冷机的国内外发展概况及其特点 1 9 4 5 年美国开利公司研制成功第一台大型 ( 制冷量为5 2 3 k w ) 澳化铿吸收 式制冷机以 来，经过不断改进和提高，现在已 有不少国家系列化生产这种机型、 广泛用于空调或其他生产工艺过程。 1 9 5 61 9 5 9 年， 7 . s . s w e a ri n g e n 和e . p . w h i t l o w在美国g a s a s s o c i a t i o n 赞 助下制成了 第一台双效澳化铿吸收式制冷机。与单效澳化铿吸收式制冷机相比， 其耗用蒸汽量下降4 0 %，体积减小5 3 %，使能 源利用率大大提高。 两级吸收式制冷机的出 现， 使温度较低的热源用于制冷机成为可能， 为地下 热 ( 如7 5 以 上的温泉水) 、 太阳能、 柴油机的冷却水等低势能 用于空调或其他 生产工艺过程降温创造了条件。 第一章 前 言 燃气、 燃油双效pa 化铿吸收式冷温水机组的研制成功， 可以 不用锅炉而直接 利用燃料燃烧的 热能 达到制冷的目 的， 从而简化了 设备， 并大大提高了 燃料的利 用率， 它既可以用于夏季的空调， 又可以用于冬季的采暖， 使澳化铿吸收式制冷 机 的 应 用 更 加 广 泛 i ll . 美国是最早生产澳化镬吸收式制冷机的国家， 他们的产品除了单筒和双筒以 外， 还有用于舰船的三筒型。近年来，又增加了蒸汽双效、 直燃双效、 无泵型冷 温水机组及利用太阳能作为热源等型式的 产品 12 1 日 本在第二次世界大战后，大量引进美国技术，于 1 9 5 9 年成功的生产了制 冷量为6 9 8 k w ( 6 0 万干卡 / 时)的澳化铿吸收式制冷机。 据统计， 从1 9 6 8 年至1 9 7 4 年这六年， 压缩式制冷机的销售量几乎不变， 而 吸收式制冷机的销量则增加了6 5 倍，近年来吸收式制冷机的产量已 超过压缩式 制 冷 机 13 1 前苏联在研制和发展吸收式制冷机方面， 从实验研究到理论探讨都作了大量 工作，提出了 采用低势能源 ( 如 7 5 热水)而机组效率仍然保持较高水平的措 施。 对利用废热源、 提高热设备的效率、 强化机组中的热质交换过程等课题进行 了 研究， 并 制定了 相应的 发 展规 划14 1 我国在 1 9 6 6年由上海第一冷冻机厂等单位合作试制成功第一台 1 1 6 0 k w ( 1 0 0 万大卡 / 时) 的滨化理吸收式制冷机。 1 9 7 4 和 1 9 8 4 先后制定了 溟化锉吸收 式制冷机参数和标准，1 9 9 2年由 开封通用机械厂、上海七o四所等单位研制了 第一台 双效滨化铿吸收式制冷机组。 经过二十多年的探索和实践， 这种类型的制 冷机性能得到不断的提高，从而获得了很快的发展和广泛的应用。 五、 六十年代吸收式制冷机的发展中心在美国， 七八十年代吸收式制冷机的 发展中心在日 本， 而到了九十年代， 中国成为了吸收式制冷机的产销量大户， 尤 其是直燃机生产与 使用方面，中国居世界 之首。 15 据统计，目 前我国 大型吸收式 机组的 产量已 经达到 世界总 产量的3 5 % ， 超过日 本3 0 % 和韩国2 0 % a s 澳化铿吸收器制冷机组的主要特点 有:们 的 ( 1 )以热能为动力，不需要使用大量的电能，并且对热能的品质要求不高， 能利用各种低势热能，如余热、废热、排热等，运转费用较低、经济性高。 ( 2 ) 整个机组除功率较小的屏蔽泵以外，无其它运转部件，因而振动小、噪 音低 ( 仅7 5 - 8 0 0) 、 运转安静， 特别适用于医院、 会堂、 办公室、 舰船等场合。 ( 3 ) 以 澳化铿水溶液为工质，无臭、无毒;同时， 机组在真空状态下运行， 无高压爆炸危险，满足环保、可靠的要求。 ( 4 ) 负荷变化时性能稳定，可在 1 0 % - 1 0 0 %范围内进行冷量的无级调节，而 且调节时机组的热力系数几乎不下降，有着优良的调节特性。 ( 5 ) 机组的安装要求低，因为运动时的振动小，故无需特殊的机座。可安装 第一章 前 言 于 室内、 外、中间楼层、 地下 室或屋顶。 安装时只要进行一般的水平校正， 接上 所需的电源和水、汽管道即可。 ( 6 ) 在有空气的 情况下，嗅化铿溶液对普通碳钢具有较强的腐蚀性。这将会 影响机组的性能和正常运行，并缩短机组的使用寿命。 ( 7 ) 机组要求在真空状态下运行，所以对气密性的要求较高。而即便有少量 空气漏入机组， 也会严重影响机组的性能。 这也给机组的制造提出了很高的要求。 1 . 3 澳化锉溶液吸收过程的研究进展 一直以来， 制约吸收器性能的滨化铿溶液吸收过程的研究总是澳冷机的主要 研究方向之一。 澳化铿溶液吸收过程同时包括了流动、 传热和传质，比较复杂。 它的研究有 赖 于流动、 气体吸 收的 研究 进展， 但又因 其自 身的 特点 成为 独立的 研究方向 9 1 1 9 3 4 年， n u s s e l t 提出了纯净蒸汽层流膜状凝结的分析解。 实验证明， 在r e q0 时，n u s s e lt 解与实验数据相吻合;在r e 2 0 时，实验获得的nu 数高于n u s s e l t 解。 这是由于当r e 2 0 时，降膜表面出现波动，而n u s s e l t 解是在假设降膜处于光滑层 流 状 态 下 得 到 的 1 10 1 此后又有许多科学家在各种假设的情况下， 对其模型进行分析计算， 为后人 进一步研究澳化锉溶液吸收过程打下了基础。 但是他们都只考虑了质量传递过 程，而没有考虑到传热对吸收过程的影响。 七十年代初期， 才有有关吸收器中 传热传质同时进行的文章发表。 日 本的井 上 修行 1 1分 析了 溟 化 铿 溶 液 沿定 壁 温竖 壁 下 落的 吸 收 过 程， 建立了 数学 模型 并 进 行了数值求解，将数值解的结果与实验进行了比较。 松田 晃 1 2 1 建立了竖壁上二维紊流流动降膜吸收的 数学模型， 由 于该数学模型 的速度场不是利用连续方程和动量方程联立求解的， 故结果存在一定误差。 此后 松田 晃等 1 3 1 对溟化铿水溶液垂直管外降膜吸收过程进行了 研究。 实验工况为: 压 力为8 k p a ,溶液进口 浓度为2 0 % 0 , 4 0 %, 5 5 %, 6 0 %, r e 数为犯 53 3 2 ，溶液进 口与冷却水出口温度差为4 , 6 , 1 0 c。 实验得出了流量线密度变化时进出口浓度 差与温度差的应变关系， 以及进口 浓度改变对吸收率的影响， 同时建立了半经验 模型。 松田 晃等 1 4 1 又 对吸收 压力为1 . 3 , 5 . o k p a的 工况 进行了 类似的 实验。 1 9 8 0 年， y i h 和s e a g r a v e 1 ” 分 析了 变 物 性 下的 降 膜吸 收 过 程。 他 们 假 设 温 度 沿膜厚呈线性分布，而温度对吸收过程的影响是通过物性随温度的变化来体现 的。 1 9 8 3 年， g r o s s m a n j16 1用理 论 分 析 和 数 值计 算 方 法求 解了 斜 板 层 流降 膜流 动 的气体吸收模型， 并全面讨论了传热系数、 传质系数在某些变量改变时的应变关 第一章 前 言 于 室内、 外、中间楼层、 地下 室或屋顶。 安装时只要进行一般的水平校正， 接上 所需的电源和水、汽管道即可。 ( 6 ) 在有空气的 情况下，嗅化铿溶液对普通碳钢具有较强的腐蚀性。这将会 影响机组的性能和正常运行，并缩短机组的使用寿命。 ( 7 ) 机组要求在真空状态下运行，所以对气密性的要求较高。而即便有少量 空气漏入机组， 也会严重影响机组的性能。 这也给机组的制造提出了很高的要求。 1 . 3 澳化锉溶液吸收过程的研究进展 一直以来， 制约吸收器性能的滨化铿溶液吸收过程的研究总是澳冷机的主要 研究方向之一。 澳化铿溶液吸收过程同时包括了流动、 传热和传质，比较复杂。 它的研究有 赖 于流动、 气体吸 收的 研究 进展， 但又因 其自 身的 特点 成为 独立的 研究方向 9 1 1 9 3 4 年， n u s s e l t 提出了纯净蒸汽层流膜状凝结的分析解。 实验证明， 在r e q0 时，n u s s e lt 解与实验数据相吻合;在r e 2 0 时，实验获得的nu 数高于n u s s e l t 解。 这是由于当r e 2 0 时，降膜表面出现波动，而n u s s e l t 解是在假设降膜处于光滑层 流 状 态 下 得 到 的 1 10 1 此后又有许多科学家在各种假设的情况下， 对其模型进行分析计算， 为后人 进一步研究澳化锉溶液吸收过程打下了基础。 但是他们都只考虑了质量传递过 程，而没有考虑到传热对吸收过程的影响。 七十年代初期， 才有有关吸收器中 传热传质同时进行的文章发表。 日 本的井 上 修行 1 1分 析了 溟 化 铿 溶 液 沿定 壁 温竖 壁 下 落的 吸 收 过 程， 建立了 数学 模型 并 进 行了数值求解，将数值解的结果与实验进行了比较。 松田 晃 1 2 1 建立了竖壁上二维紊流流动降膜吸收的 数学模型， 由 于该数学模型 的速度场不是利用连续方程和动量方程联立求解的， 故结果存在一定误差。 此后 松田 晃等 1 3 1 对溟化铿水溶液垂直管外降膜吸收过程进行了 研究。 实验工况为: 压 力为8 k p a ,溶液进口 浓度为2 0 % 0 , 4 0 %, 5 5 %, 6 0 %, r e 数为犯 53 3 2 ，溶液进 口与冷却水出口温度差为4 , 6 , 1 0 c。 实验得出了流量线密度变化时进出口浓度 差与温度差的应变关系， 以及进口 浓度改变对吸收率的影响， 同时建立了半经验 模型。 松田 晃等 1 4 1 又 对吸收 压力为1 . 3 , 5 . o k p a的 工况 进行了 类似的 实验。 1 9 8 0 年， y i h 和s e a g r a v e 1 ” 分 析了 变 物 性 下的 降 膜吸 收 过 程。 他 们 假 设 温 度 沿膜厚呈线性分布，而温度对吸收过程的影响是通过物性随温度的变化来体现 的。 1 9 8 3 年， g r o s s m a n j16 1用理 论 分 析 和 数 值计 算 方 法求 解了 斜 板 层 流降 膜流 动 的气体吸收模型， 并全面讨论了传热系数、 传质系数在某些变量改变时的应变关 第一章 前 言 系。 他假设膜厚不变， 忽略扩散热效应， 认为沿流动方向无扩散、 垂直于流动方 向 无对流， 从而简化了能量方程和质量方程。 g r o s s m a n 用连续方程、 动量方程、 能量方程和质量方程联立求解降膜气体吸收问题的方法在理论上较为严密， 其数 学 模 型 及 分 析 解 被 后 来 的 研 究 者 们 作 为 重 要 参 考 。 但 全 :某 些 情 况 下 ， g r o s s m a n模 型的 假设 不尽合理， 边界条件与实际 情况不相符合，限 制了 解的使用范围9 1 1 9 8 7 年， u d d h o l m 1 7 1 考虑了 降 膜流 动过 程中 液膜波动 对传热 传质的 影响。 1 9 8 8 年， b . j . c . v a n d e r w e k k e r 1 8 等 考虑了 沿 流动方向 的 扩散 项的 影响， 建 立了降膜吸收过程的 模型并用有限元法对模型进行求解。 y a n g , w o o d 19 1数 值 求 解 定 壁 温 竖 板 澳 化 铿 层 流 降 膜 吸 收 问 题， 不同 于 g r o s s m a n 模型之处在于相界面采用了 y a n g 的 平衡关系式， 而。o s s m a n 采用线性 吸收 关 系。 计算结果与 a n d b e r g 所 做的 竖 板降 膜澳 化铿吸收实 验结果 相吻合 ( r e z i o )。 但与 y a n g , w o o d 的蒸汽中 含5 % 空 气时的实 验结果相比 较， r e 7 0 时，则高于实验值，这是由于不 凝性气体和波对吸收的影响而造成的。 i b r a h i m , v i n n i c o m b e 2 0 1 的模型在边界条件_ l 做了 一些改进，在相界面包含 了 横向 对流作用， 壁面采用与板另一侧冷却水相关的第三类温度边界条件。 将线 性吸收和实际经验吸收的解进行了比较， 两者的结果相近， 证明线性吸收的假设 是合理的。 c h o u d h u ry 2 1 等 数 值求 解了 水 平单 管 层 流降 膜吸 收问 题。 陆 震 等2 2 对 水平 管 束 溟 化 铿 层 流 降 膜 吸 收 做了 数 值 求 解。 a n d b e r g , v li e t 2 3 1对 水 平 单 管 溟 化 锉降 膜 吸收提出了一种简便解法， 速度场采用n u s s e l t 解， 浓度场用相似分析解， 温度场 则用有限差分法数值求解能量方程而得到。 王 建 平等2 4 1 在 研究 澳化 铿水溶 液小 r e 数的 下降 膜吸收问 题时， 提出 在 波动 状态下采用卡彼查的薄膜波动速度分布。 b u r d u k o v t 和b u f e t o r 2 5 做了吸收压力为0 .9 3 - 2 .6 7 k p a ， 进口 澳化铿水溶液质量 分数为5 7 % - 6 1， 溶液进口 温度、 壁面温度保持不变的吸收实 验， 包括水平管、 翅片管、 竖管三种降膜式和沸腾床四组形式。 得出了 进出口 浓度差与流量线密度 的关系曲 线，以及竖管的截面膜平均浓度与截面膜平均温度随管长的变化关系。 最后实测了不凝性气体对吸收的影响。 j e o n g , c h o 2 6 1研 究 了 以 澳 化 铿 水 溶 液 及比 例为 2 : 1 的 澳 化 铿 氯 化 钙 水 溶 液 为 工质的垂直套管式吸收器的传热、 传质特性。 溶液在小管内 壁形成降 膜， 蒸汽在 小管中心流动， 大小管之间为冷却水。 实验内容包括溶液流量、 冷却水温度、 溶 液进口 温度以 及蒸 发温度等对 传热系 数、 吸收 率的 影响。 k i m 等2 7 1 也 对垂直管 外 降膜吸收作了类似的实验研究。 目 前， 各国学者建立了各种理论模型来研究澳化锉水溶液降膜吸收过程的传 第一章 前 言 热传质机理，常用的有 3种:等膜厚光滑层流模型、考虑横向 对流的 层流模型 和波动吸收模型2 8 1 我国在吸收器吸收机理方面也开展了许多工作。 其中上海交通大学的蔡小荣 29 1 利用n u s s e l t 法分析了水平管外的吸收过程。 在该方法中壁面放热条件处理为 第三类边界条件。 唐劲松d u 提出了降 膜吸收过程的一种修正的物理数学模型， 模 型中 考虑了 横向 对流项对传热传质的 影响。 周兴禧和尉迟斌 u 给出了 水平圆管上 定壁温情况下嗅化铿膜式吸收过程传热传质的层流数值解， 方法类似于g r o s s m a n 解。 王长庆s 2 利用p a t a n k a r - s p a l d i n g 边界层内 处理方法， 采用v o n - m i s e s 变换， 对方程进行了离散化数值求解， 得到了吸收过程诸因素的影响规律。 但他在数学 模型建立中， 忽略了物性参数随温度和浓度的变化情况。 而在实际吸收过程中由 于液膜内各点的温度和浓度不同， 物性参数也是不同的。 而各点的物性参数的不 同反过来又影响溶液的流动和传热传质过程， 从而使计算结果有一定误差。 于光 绪12 2 1 在分析吸收过程的 基础上， 建立了 吸收器降 膜吸收过程的 数学模型， 该模型 将溶液的物性参数均看成是随温度和浓度而改变的变量，并利用p a t a n k a r 的数 值传热计算方法及s i m p l e 程序对上述方程组进行求解，但由于离散过程中，某 些物理量离散不当，导致计算结果与实验结果存在着一定差距。 近年来， 随着科学技术的发展和实验手段的不断提高， 国内外科学工作者对 吸收机理进行了更加深入的研究， 并在吸收器内传热传质的强化方面作了大量实 验研究。 古川雅裕13 4 1用花瓣管作降膜吸收设备进行试验研究， 得出了花瓣管总传热系 数比光滑管高 3 0 %以上，传质系数高 4 0 %以上，即它是用作吸收器中的异型强 化传热管的结论等。 郭开 华 等 3 5 3 6 建 立了 变 膜厚 降 膜 吸 收问 题的 数 学 模 型并 进 行了 数 值 求 解 他提出当吸收量比较大时，膜厚明显增加，不能再用常规模型中的等膜厚假设。 另外， 在相界面用局部线性化吸收模型比线性吸收理论更接近实际， 能较清楚地 描述热量传递与动量、质量传递的相互作用关系。 东 北工学院的 王凯旋， 张如意 3 7 1 对 液膜在真空 状态下吸收水蒸 汽的 特性进行 了 实验研究， 将冰雹液膜的 传热传质整理成无因次形式: n u = f ( r e , p r ) 和s h = f ( r e , s c ) . 浙江大学的章文斌，郑飞，陈光明及何一坚3 8 3 9 4 0 1研究了 增加空气预冷却 器的空冷澳化铿吸收式制冷机的热质特性。 1 .4有填料的吸收器中澳化铿溶液的预冷却绝热吸收 传统的澳化锉吸收式制冷机的吸收器中通常安装有换热铜质管簇， 管内通冷 第一章 前 言 热传质机理，常用的有 3种:等膜厚光滑层流模型、考虑横向 对流的 层流模型 和波动吸收模型2 8 1 我国在吸收器吸收机理方面也开展了许多工作。 其中上海交通大学的蔡小荣 29 1 利用n u s s e l t 法分析了水平管外的吸收过程。 在该方法中壁面放热条件处理为 第三类边界条件。 唐劲松d u 提出了降 膜吸收过程的一种修正的物理数学模型， 模 型中 考虑了 横向 对流项对传热传质的 影响。 周兴禧和尉迟斌 u 给出了 水平圆管上 定壁温情况下嗅化铿膜式吸收过程传热传质的层流数值解， 方法类似于g r o s s m a n 解。 王长庆s 2 利用p a t a n k a r - s p a l d i n g 边界层内 处理方法， 采用v o n - m i s e s 变换， 对方程进行了离散化数值求解， 得到了吸收过程诸因素的影响规律。 但他在数学 模型建立中， 忽略了物性参数随温度和浓度的变化情况。 而在实际吸收过程中由 于液膜内各点的温度和浓度不同， 物性参数也是不同的。 而各点的物性参数的不 同反过来又影响溶液的流动和传热传质过程， 从而使计算结果有一定误差。 于光 绪12 2 1 在分析吸收过程的 基础上， 建立了 吸收器降 膜吸收过程的 数学模型， 该模型 将溶液的物性参数均看成是随温度和浓度而改变的变量，并利用p a t a n k a r 的数 值传热计算方法及s i m p l e 程序对上述方程组进行求解，但由于离散过程中，某 些物理量离散不当，导致计算结果与实验结果存在着一定差距。 近年来， 随着科学技术的发展和实验手段的不断提高， 国内外科学工作者对 吸收机理进行了更加深入的研究， 并在吸收器内传热传质的强化方面作了大量实 验研究。 古川雅裕13 4 1用花瓣管作降膜吸收设备进行试验研究， 得出了花瓣管总传热系 数比光滑管高 3 0 %以上，传质系数高 4 0 %以上，即它是用作吸收器中的异型强 化传热管的结论等。 郭开 华 等 3 5 3 6 建 立了 变 膜厚 降 膜 吸 收问 题的 数 学 模 型并 进 行了 数 值 求 解 他提出当吸收量比较大时，膜厚明显增加，不能再用常规模型中的等膜厚假设。 另外， 在相界面用局部线性化吸收模型比线性吸收理论更接近实际， 能较清楚地 描述热量传递与动量、质量传递的相互作用关系。 东 北工学院的 王凯旋， 张如意 3 7 1 对 液膜在真空 状态下吸收水蒸 汽的 特性进行 了 实验研究， 将冰雹液膜的 传热传质整理成无因次形式: n u = f ( r e , p r ) 和s h = f ( r e , s c ) . 浙江大学的章文斌，郑飞，陈光明及何一坚3 8 3 9 4 0 1研究了 增加空气预冷却 器的空冷澳化铿吸收式制冷机的热质特性。 1 .4有填料的吸收器中澳化铿溶液的预冷却绝热吸收 传统的澳化锉吸收式制冷机的吸收器中通常安装有换热铜质管簇， 管内通冷 第一章 前 言 却 水对吸收溶液进行冷却， 以 带走吸收过程中 冷剂蒸汽放出的 热， 而维持吸收过 程的连续进行。 在上述的传统吸收器中既涉及了溶液的冷却传热， 又包括喷淋溶液吸收冷剂 蒸汽的 传质过程， 不能 把它像冷凝器一样看作单纯的 换热器。 而管内 冷却、 管外 吸收又受到传热、 传质面积和时间的限制， 故其换热和传质效果较差， 使冷剂蒸 汽不能被完全吸收，影响了 整机性能。 鉴于传热和传质相异的特性， 本研究提出了通过预先冷却进入吸收器的嗅化 铿喷淋溶液， 来替代、 强化吸收器中冷却水的吸热过程的概念与思路。 也即在吸 收器外设置冷却水一澳化铿溶液热交换器预冷却器 ( 简称预冷器) ，使进入 吸收器的混合溶液先在其中 预冷， 用溶液在预冷却器中的放热来替代吸收器中的 吸热过程， 使吸收热预先在预冷器中放出、 传热得到强化。 而进入吸收器吸收冷 剂蒸汽的澳化锉溶液成为过冷状态， 可进行吸收冷剂蒸汽的传质过程。 吸收过程 的热在预冷器中放出，吸收过程可视为绝热过程。 将传质视为滨冷机吸收过程必须进行的过程， 而传热仅为伴随现象， 则采用 预冷器来冷却浪化铿吸收溶液、 使溶液吸收过程的吸收热在预冷器中释放， 即可 从理论上认为吸收器中只进行绝热传质过程。 由于这时吸收器中无换热管簇，冷剂蒸汽不会在管簇间流动，减少了汽阻， 提高了传质效果; 同时在吸收器中可使用大面积的填料、 增大了传质面积、 强化 了 传质效果， 使冷剂蒸汽被及时吸收、 吸收热被完全放出、 蒸发器中的真空度得 以 维持，从而优化了 滨冷机的整体性能。 传 统 浪 冷 机 吸 收 器 的 换 热 系 数 为 0 .5 -2 .5 k 叫 ( m - k ) ， 而 预 冷 却 器 可 视 为 单 纯 的 换 热 器 ， 采 用 强 制 风 冷 或 水 冷 ， 其 液 体 对 流 换 热 系 数 超 过 3 - 1 0 k 叮 ( m 2 - k ) a 因此预冷器所需要的换热面积比传统吸收器中的冷却管面积要小得多。 因而可见， 预冷却绝热吸收可以强化传质效果、 减少传热面积、 优化澳冷机 的整体性能， 为澳化铿吸收式制冷机的风冷化、 小型化和宅用化提供参考与依据。 下图所示为装有填料的吸收器中澳化铿吸收溶液的预冷却绝热喷淋吸收的 系统图。 第一章 前 言 入 卜 月了 热源 六 八 一 不一 人 ( _、 一 冷水 厄 火 . 一 一 土 一 j 冷却水 / 7氏 图1 - z澳化钗溶液的预冷却绝热喷淋吸收的系统图 t 一高 压发生器z 一低压发生器3 一冷凝器4 -蒸发器5 一冷剂泵 6 一吸收器7 -溶液泵8 一预冷却器9 一低温溶液热交换器 1 0 一高温溶液热交换器 1 . 5 本课题的主要研究内容 本课题是研究有填料的澳化铿吸收式制冷机的预冷却绝热吸收过程的特性， 研究内容主要包括以下几点: ( 1 ) 通过分析并联双效澳化铿吸收式制冷机溶液预冷却绝热吸收过程，建立 溶液预冷却绝热吸收过程的热力学模型。 ( z ) 探讨装有填料的吸收器中的预冷却绝热喷淋吸收过程的主要影响因素， 如喷淋溶液的预冷却状况及其对吸收过程的影响等。 ( 3 ) 建立吸收器中填料表面吸收过程的物理、数学模型， 得到填料表面液膜 的浓度等变化分布情况，并就填料的形状等因素对它们的影响进行了探讨。 第一章 前 言 入 卜 月了 热源 六 八 一 不一 人 ( _、 一 冷水 厄 火 . 一 一 土 一 j 冷却水 / 7氏 图1 - z澳化钗溶液的预冷却绝热喷淋吸收的系统图 t 一高 压发生器z 一低压发生器3 一冷凝器4 -蒸发器5 一冷剂泵 6 一吸收器7 -溶液泵8 一预冷却器9 一低温溶液热交换器 1 0 一高温溶液热交换器 1 . 5 本课题的主要研究内容 本课题是研究有填料的澳化铿吸收式制冷机的预冷却绝热吸收过程的特性， 研究内容主要包括以下几点: ( 1 ) 通过分析并联双效澳化铿吸收式制冷机溶液预冷却绝热吸收过程，建立 溶液预冷却绝热吸收过程的热力学模型。 ( z ) 探讨装有填料的吸收器中的预冷却绝热喷淋吸收过程的主要影响因素， 如喷淋溶液的预冷却状况及其对吸收过程的影响等。 ( 3 ) 建立吸收器中填料表面吸收过程的物理、数学模型， 得到填料表面液膜 的浓度等变化分布情况，并就填料的形状等因素对它们的影响进行了探讨。 第二 章 吸收器中填料表面浪化铿溶液绝热吸收过程的 研究 第二章吸收器中填料表面澳化锉溶液绝热吸收过程的研究 一 般溟化铿吸收式制冷机的吸收器与换热器的结构相同， 也是通过传热管进 行热量和质量的交换。 除了 这种常见的溟化铿溶液传热管管外或管内吸收方式以 外， 还有一种使用空 腔的喷雾吸收 器4 1 1澳化铿溶液由 喷嘴雾化喷出， 溶液的 微小颗粒与冷剂蒸汽充分混合， 并吸收冷剂蒸汽。 溶液的雾化使液滴与蒸汽充分 掺混，有利于吸收过程的进行。 在本课题的研究中， 将吸收器中更替放入平板等各种填料， 相对于空腔等型 式的吸收器， 预装填料可以很大地扩展滨化铿溶液与冷剂蒸汽的接触面积， 也即 吸收器内热量、 质量传递、 交换的表面与空间; 尤其是波纹板填料能增强吸收液 膜的扰动这些都是对吸收器性能改善所做出 有益的尝试。 另外， 由于这种情况下吸收器中无传热管簇， 减少了冷剂蒸汽在蒸发一吸收 器管簇间流动产生的汽阻， 使吸收压力更接近蒸发压力， 将减弱吸收器出口 溶液 的 不饱 和度4 z g 口 吸收 不足的 程度， 提高 传质效 果。 此外，板式填料等加工工艺要求简单，加工的费用成本也比较低。 这样吸收器型式目 前国内外还未见报道，尚属较新的研究领域。 众所周知，填料常常用于石油化工或制冷空调工业用冷却塔。在冷却塔中， 需冷却的循环水被泵送到冷却塔的顶部， 通过配水管从喷头中喷出， 再通过塔中 的填料层溅散后洒下来，与由于塔中的浮升力产生的