（动力机械及工程专业论文）液气式引射器的特性研究.pdf

中文摘要 摘要 溴化锂吸收式制冷机采用热能为驱动能源的制冷技术，具有冷剂环保和热驱 动两大显著特点。在近年来得到广泛的重视，尤其是我国自从改革开放以来溴化 锂制冷技术发展迅速。在吸收式制冷系统中，吸收器是决定系统性能的重要部件， 其中进行的是溴化锂浓溶液吸收水蒸气的过程。热量和质量的传递在此过程中同 时发生，提高吸收速度一直被认为是提高系统效率和减少交换面积的关键。引射 式吸收器对传热与传质过程分别进行强化，能有效地提高吸收器的性能，具有很 高的学术研究和实际应用价值。 本文以单效溴化锂吸收式制冷系统为基础，搭建引射式吸收器实验装置，并 对溴化锂水溶液在引射式吸收器重要部件一缩放喷管中的流动进行了数值模拟研 究。主要工作如下： ( 1 ) 根据单效溴化锂吸收式制冷系统工况参数，设计、搭建并调试引射式吸 收器实验装置。 ( 2 ) 研究引射器中喷管的几何尺寸变化对流场特性的影响。 ( 3 ) 研究了工作参数变化以及不凝性气体对喷管进口压强及容积含气率的 影响。 关键词：溴化锂水溶液；吸收式制冷； 引射式吸收器； 英文摘要 s t u d yo nt h ep e r f o r m a n c eo fl i q u i d - g a se j e c t o r a b s t r a c t t h el i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o nr e f r i g e r a t o ri sd r i v e nb yh o ts o u r c e ，a n di th a s a t t r a c t e dm o r ea t t e n t i o ni nr e c e n t l y ，b e c a u s eo ft h et w od i s t i n c tc h a r a c t e r s ：t h eu s eo f e n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yc r y o g e na n dt h eh e a td r i v i n g t h e r e f o r e ，t h el i t h i u mb r o m i d e a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g yh a sb e e ni m p r o v e dg r e a t l ys i n c et h er e f o r ma n d o p e n i n gu po fo u rc o u n t r y t h el i t h i u mb r o m i d ea q u e o u ss o l u t i o na b s o r bt h ew a t e r v a p o ri nt h ea b s o r b e r , w h i c hi st h em a j o rc o m p o n e n to fa na b s o r p t i o nr e f r i g e r a t o r h e a t a n dm a s st r a n s f e ro c c u rs i m u l t a n e o u s l yi nt h ea b s o r p t i o np r o c e s s ，i ti si m p o r t a n tf o rt h e s y s t e me f f i c i e n c ya n dt h et r a n s f e ra r e ab yi n c r e a s i n gt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rd r i v i n g f o r c e h e a ta n dm a s st r a n s f e rs e p a r a t i o nc a nb ea c h i e v e db yt h el i q u i d g a se j e c t o r , a n d h e a ta n dm a s st r a n s f e rc a nb es t r e n g t h e n e dr e s p e c t i v e l y s o ，t h i st y p eo fa b s o r b e rc o u l d i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fa b s o r p t i o ns y s t e m a ne x p e r i m e n t a ld e v i c ew a ss e tu pb a s e do ns i n g l e e f f e c tl i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o ns y s t e m a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c s o fc o n v e r g e n t d i v e r g e n tn o z z l e sf o r f l a s h i n ge x p a n s i o no fl i t h i u mb r o m i d ea q u e o u ss o l u t i o nh a sb e e nn u m e r i c a ls t u d i e d m a j o rw o r k i sa sf o l l o w s ： 1 d e s i g n i n ga n ds e t t i n gt h ee x p e r i m e n t a ld e v i c eb a s e do nt h es i n g l e e f f e c tl i t h i u m b r o m i d ea b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m 2 r e s e a r c h i n gi nt h ec h a n g eo ft h en o z z l e sg e o m e t r ys i z eo ft h ee j e c t o rw h i c h i n f l u e n c ei t sf l o wp e r f o r m a n c e 3 s t u d y i n go nw o r k i n gp a r a m e t e ra n dt h en o n c o n d e n s a b l eg a s e sw h i c hi n f l u e n c et h e p r e s s u r eo fi n l e ta n dt h ev a p o rf r c a t i o n k e yw o r d s ：l i t h i u mb r o m i d ea q u e o u ss o l u t i o n ；a b s o r p t i o nr e f r i g e t a t i o n ； a b s o r b e rw i t hl q u i d - g a se j e c t o r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博士硕士学位论文：邃：氢式里! 越墨数挂丝硒窒：。除论文中已经注明 引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：动缸为洚7 月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密时( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：硗毵 导师签名：0 卅 日期：为哆年7 月日 液气式引射器的特性研究 第1 章绪论 1 1 课题背景及意义 自9 0 年代以来，能源与环境问题己成为制约人类物质和精神生活进一步提高 的严重障碍。其中与制冷技术密切相关的两大环境问题是；二氧化碳的排放造成 的全球温室效应以及部分氯氟烃对大气臭氧层的破坏，严重影响了人类的生存环 境，因此绿色质量已经成为2 1 世纪制冷行业可持续发展的一个热点议题【l 】。 溴化锂吸收式制冷机采用热能为驱动能源的制冷技术，由于该技术安全，对 大气臭氧层没有破坏，合理回收利用工业废热，耗电少等优点，而被公认为绿色 环保中央空调设备。并且，它还具有缓解电网高峰负荷、运行噪声低、制造简单， 操作维修保养方便、适合在交通工具中应用等诸多优点。在近年来得到广泛的重 视，尤其是我国自从改革开放以来溴化锂制冷技术发展迅速。因此，对溴化锂吸 收式制冷机进行研究意义重大。 在吸收式制冷系统中，吸收器是决定系统性能的重要部件，其中进行的是溴 化锂浓溶液吸收水蒸气的过程。热量和质量的传递在此过程中同时发生，提高吸 收速度一直被认为是提高系统效率和减少交换面积的关键。溴化锂溶液粘性大、 传热系数小，为了提高吸收器和发生器中热量和物质的传输效率，多采用高性能 传热管、扩大传热面积和增加流体的紊流度和添加界面活性剂等通常的提高传热 的手段【2 】。目前，对于引射器在吸收式制冷机中的应用仅限于循环，提高冷剂从蒸 发器流出的流速来提高整机性能。我们拟把引射器应用于吸收器中，利用液体来 引射气体，使气体主动与液体混合，并在混合室完成吸收过程，从而提高整机性 能。这对溴化锂吸收式制冷机的小型化及高效化十分重要。该课题得到国家自然 科学基金项目( 引射式吸收器特性及强化吸收机理研究) 的支持。 1 2 国内外研究进展 1 2 1 吸收器的实验研究进展 吸收器的传热面积占机组总传热面积的4 0 ，作为机组的一个主要的组成部 分，在吸收器内产生的传热传质过程，其尺寸与性能的好坏对于整个机组的尺寸 与性能有着至关重要的影响，同时也影响着机组的制造成本及使用费用。所以溴 化锂吸收式制冷机小型化高效化的关键在于对吸收器的改进。近年来，国内外许 多学者都对吸收器进行了研究。 ( 1 ) 竖直管降膜 在溴化锂吸收式制冷机的吸收器中，多数应用的是竖直管降膜技术【3 】，该技术 分为竖直管管内降膜和竖直管管外降膜两种形式。m a r cm e d r a i l o 【3 】等人对光滑竖直 管内溴化锂水溶液降膜吸收水蒸气的过程进行了实验研究，吸收器采用两根同心 的长度为1 s i n 的不锈钢管，内管的内径为2 2 1 m m ，管壁光滑，两管之间通冷却水。 该实验研究的控制变量为：吸收器的压力，溶液质量流量，溶液和冷却水温度。 与评估吸收器性能相关的参量为：质量吸收通量，出口溶液的过冷度和降膜传热 系数。首先，在实验中，通过窥视孔观察溶液在管内流动的状态，研究发现：在 雷诺数小于4 0 时，液膜将出现破裂。这与m o r i o k a 和鼯y o t a 【4 】发现的结果相一致。 接着对吸收器性能参数做了研究。结果显示，管内降膜与管外降膜吸收的传质效 率无明显的不同；实验产生了较高的过冷度，表明在吸收器较低的管段主要进行 的是传热过程，因此可以缩短管的长度来减小过冷度。但是h i r o s h it a k a m a t s u 【5 】等 人认为管长度增大，会使降膜过程不完全，即在较低管段液膜发生破裂，导致吸 收效果不理想。在水冷条件下，吸收器压力1 0 k p a ，入口溶液浓度5 7 9 ，冷却水 温度为3 0 ，传质效率为0 0 0 1 - 0 0 0 1 5 k g m s ，而在空冷条件下，吸收器压力 1 3 k p a , 入口溶液浓度6 0 0 ，冷却水温度4 0 ，传质效率的值降为 0 0 0 0 3 0 0 0 0 7 5 k g m s 。吸收器压力间接由发生器控制，吸收器压力增大，即代 表驱动力增大，质量吸收通量增大。当吸收器压力由1 1 k p a 增至2 1 k p a 时，质量吸 收通量增大4 倍。 h i r o s h it a k a m a t s u l ：5 】等把两个竖直同心管组成的换热器作为吸收器，一个内 液气式引射器的特性研究 表面光滑的内径为1 6 0 5 r a m ，外径为1 9 0 5 m 的铜管，外部套一个内径为2 2 i m m 的不锈钢管。在铜管内部发生降膜，铜管外部通过冷却水冷却。作者使用工业内 窥镜通过与测试管同心的玻璃管( 内径5 m m ，外径7 r a m ) 观察管内薄膜的流动情况， 经过对4 0 0 n n n 和1 2 0 0 m m 长度管的数据比较以及对管内液膜流动情况的观察，证实， 当r e _ - 1 3 0 的时候，管子表面被液膜完全覆盖。另外，、溶液流速的降低会导致液 膜的破裂产生溶液流，会使传热传质效率明显降低，而对于1 2 0 0 m m 的管，更高的 雷诺数也会导致液膜的破坏。由气液交界面的温度和浓度表征的传热传质系数与 溶液的过冷度有关，而跟冷却水的温度没有太大的关系。这是因为实际上的吸收 过程更多的依靠浓溶液在入口处的过冷度。 k j k i m 6 j 等人做实验研究了5 0 w t 和6 0 w t 溴化锂水溶液在竖直管外降膜吸 收水蒸气的过程。主要研究了液体扩散率，浓溶液的分子性质和不凝性气体对吸 收过程的影响。实验结果表明：雷诺数在1 5 9 0 范围内，液膜形成波状薄膜，具 有较大的无量纲次传质系数。随着流速的增大，以s h e r w o o d 数为表征的传质系数 也随着增大，且曲线成1 3 次幂曲线。如果在气相中含有1 的不凝性气体，那么 在气液界面处就会有1 0 的不凝性气体，这将使传质率降低5 0 。值得注意的是作 者在对数据进行分析时，没有采用前人通常采用的质量扩散率，而是采用了 k a s h i w a g i 7 的结果，其值是经典值的三分之一。 此外，国内的许多学者也对竖直管管内降膜与管外降膜进行了研究。王超【8 】 等试验研究了溴化锂水溶液沿竖直矩形通道降膜吸收过程的传热传质过程，模拟 平直板翅式降膜吸收器内降膜过程中的热质传递。结果表明，溴化锂水溶液降膜 流量、吸收压力、溶液进口浓度及进口温度对总传热系数、平均降膜吸收率的影 响比较大。实验得到了溴化锂水溶液沿竖直管矩形通道降膜吸收的最佳降膜雷诺 数( r e = 5 0 , - - - 6 0 ) 和进口浓度范围( 吸收压力p = o 9 7 k p a 一- 1 0 5 k p a ，溶液进口浓度 c 。= 5 9 6 0 ) 。尹铭【9 】等对l i b r 溶液在光滑管和四种换热管强化管竖直管外降膜 吸收过程进行了实验研究，得到了实验条件下的最佳管型。分析了非绝热吸收过 程中传热传质相互作用、相互影响的关系；建立了竖直管外降膜吸收热一质传递过 程的数学模型，并对该过程进行了数值计算，计算值与实验结果的比较证明该模 型具有较好的适应性。 ( 二) 水平管降膜 在溴化锂吸收式热泵中，吸收器的结构多采用水平管管外降膜【1 0 1 ，冷却水流 经管内来吸收吸收过程中产生的吸收热。水平管吸收器包括有直列或交叉排列的 水平管束。溶液从顶部喷入，沿着管排一层层滴落。此过程产生三种流动方式： 在管子上表面降膜，管下形成液滴，管间液滴下落。 k i l l i o n 等【1 0 】实验研究了水平管降膜吸收过程中，液膜与液滴的真实状态，指 出在现阶段数值模拟水平管降膜吸收过程的不足之处：在许多数值模拟中，经 常认为降膜流动是层流；假设相邻管之间的液滴在降落过程中没有参加吸收过 程；假设每个管子上方进口溶液浓度，温度相同。实验过程中，作者采用直径 1 2 7 m m 长约为3 0 0 m m 的6 根铜管组成一列，相邻管的中心距离为3 8 i m m ，如图3 1 所示。观察水流经水平管的降膜过程。实验采用蒸馏水，实验装置内压力为一个 大气压。管子表面处理干净并抛光后加热，使管子表面形成一层薄的氧化层。使 用两台高速数码摄像机来获得液膜的图像。在每秒5 0 0 帧的速度下，高速数码摄 像机的分辨率分别为1 0 2 4 x1 0 2 4 ，5 1 2 x 2 4 0 。在高速数码摄像机的图像中，可以 发现即使在流速很低的情况下，水平管降膜有许多复杂的特性，包括液滴形成过 程、液滴的脱离与下落、由于撞击与脱离引起的波纹以及相邻液滴之间的影响。 这对于以后的数值模拟具有很大的意义。 h o f f m a n n 1 1 】通过实验研究了水平管降膜吸收器在有无界面活性剂添加的情况 下的传热性能。吸收器内的换热部件由单层排列的2 4 根铜管组成，并分别用光滑 铜管和滚花铜管构成两种型式的吸收器，管内通冷却水。添加剂采用正辛醇和异 辛醇。实验考察了铜管外表面结构，溶液的运动粘度，雷诺数、表面张力以及添 加剂对吸收器传热系数的影响。其中，传热系数随溶液粘度和表面张力的增大而 减小，并且传热系数也与溶液液膜的流态等因素有关，随着溶液流量的增大而增 大，实验获得的传热系数的范围为2 0 0 , - - 1 9 0 0 w m 2 k ；界面活性剂的添加使传热系 数增加了6 0 - - 1 4 0 ，滚花铜管的使用使传热系数增加了2 0 , - - 一4 0 。 液气式引射器的特性研究 a s i xh o l e s b ) c o n t i n u o u s s l o t 图1 1 测试段示意图 f i 9 1 1s c h e m a t i co f t e s ts e c t i o n p a r k 1 2 d 4 】等研究了管子表面粗糙度对吸收性能的影响。由于管子表面润湿性 对降膜有重要的影响，因此，采用外径1 6 m m ，长5 0 0 m m ，外表面加工有刻度为0 3 8 6 - 1 1 3 5 9 微米的微距刻线管作为换热管，浓度分别为5 5 、5 8 、6 1 0 5 的溴化锂溶液进 行试验，结果表明：相对于光滑管，微距刻线管把吸收性能提高了两倍，从而产 生了较高的吸收势。同时，他们又对有添加剂存在的情况下吸收特性以及管子表 面粗糙度对吸收性能的影响进行了研究。 ( 三) 平板式吸收器 一些学者也开始对其他具有平直型通道的降膜吸收器进行了探索研究。李美 玲等【1 5 ，1 q 用板翅式热交换器做吸收器，针对溴化锂水溶液沿竖直板翅通道吸收水 蒸气的过程，建立了开式系统、间歇运行的实验台。并对实验数据进行了分析， 结果表明：随着降膜雷诺数的增大，膜内平均对流换热系数和热效率呈现近似线 性的增长：传质系数随雷诺数增大而增大，但在雷诺数较大的工况下，传质系数 增长趋势减缓。随着吸收压力的升高，平均对流换热吸收、传质系数、平均降膜 吸收率均逐渐增大，这与m a r cm e d r a l l o 【3 】的结果相一致。随着溴化锂水溶液进口 浓度的提高，平均对流换热吸收、传质系数、平均降膜吸收率均逐渐增大，当溶 液质量分数在5 9 - - 6 0 范围变化时，降膜吸收的传热传质变化较大。与管壳式吸 收式制冷机传热单元占用体积进行了比较，证明在保证传热性能的基础上，整机 能够节省空间5 8 9 6 。高洪涛【l 九1 8 】开展了平板吸收器以及相关的研究，吸收器如图 1 2 所示。为了便于观察吸收器内的流体状态，在吸收器的一侧安装了一大块玻璃 板。在冷却水和溴化锂溶液之间值换热铜板( 1 0 0 0 m m 1 0 0 m m ) 。为使溴化锂溶液 在吸收器中有好的流动状态，在吸收器中安装了溶液分布器。通过实验分析了液 l i b r 浓溶液 ll 厂 水蒸汽 | r 1 铜i 1 溶液分布器 _ 一 _ ， 一。j l 解山 一 荔 嘲乍 摄像机 鞠 j 视窗玻璃板 l 、 1t l i b r 稀溶 图1 2 吸收器示意图 f i 9 1 2s c h e m a t i co fa b s o r b e r 水 膜雷诺数、蒸汽压力、吸收器进口压力浓溶液温度以及冷却水流量对吸收热和吸 收器传热系数的影响，并且把界面活性剂2 一e t h y 卜h e x a n l o 对溴化锂吸收水蒸气 的促进作用以及影响趋势进行了简明的阐述。实验中，吸收器内通过浓度为6 2 w t 液气式引射器的特性研究 的溴化锂浓溶液、3 1 的冷却水以及1 1 2 。c 的水蒸气。对3 5 7 5 的进口浓溶液， 5 0 2 0 0 范围内的液膜雷诺数以及1 - - - 4 k g m i n 的冷却水流量选取状态点进行测试。 实验表明，要增加吸收热，可通过以下几种方式：1 ) 在雷诺数一定时，可提高蒸汽 温度，或者降低溶液温度：提高蒸汽温度的同时也即提高蒸发温度，而浓溶液温度 的降低是多方面的，溶液温度的降低对于吸收热的提高作用不是很大。2 ) 在溶液 的温度一定时，可增大雷诺数，即增加进口浓溶液的流量。但对于高温的溶液， 即使增大流量也不能增加吸收热。3 ) 增加冷却水流量。4 ) 添加界面活性剂。而增 大传热系数可以通过添加界面活性剂来实现。在此基础上，针对换热板溶液侧的 几何形状对吸收器性能的影响进行了研究，在相同的条件下以光滑平板为比较对 象，对开有纵向沟槽和横向沟槽的各种换热板进行了比较实验，实验结果表明， 在此实验条件下，开有宽度为1 咖的纵向沟槽换热板的性能较好，在液膜雷诺数 为7 5 时其传热系数是光滑板的1 。4 4 倍。 1 2 2 添加剂的研究 历史上，由于溴化锂水溶液在吸收式制冷机的发生器中沸腾时，会发生许多 气泡而使溶液表面很不安定。为抑制气泡的生成，7 人们试图使用界面活性剂降低 溶液的表面张力。而在实验过程中，比对发生器中气泡的抑制效果更为引人注意 的是：由于界面活性剂的加入使得吸收器性能被大大提高。于是，界面活性剂被 作为促进剂而开始被使用，而人们对界面活性剂促进吸收的机理几乎完全不清楚， 对于表面活性介质的选取、添加量的确定都只是凭借经验。近年来，人们做了许 多界面活性剂强化吸收的研究，从z i e g l e r 和g r o s s m 趾【1 9 1 的综述中可知，人们对于 界面活性剂的吸收促进机理有了一定程度的理解，但到目前为止仍未得到一个公 认的合理解释。 对于界面活性剂的吸收促进作用，柏木和他的研究小组 2 0 1 首先于1 9 8 5 年发表 论文解释其机理，从此也开辟了这一新的研究方向。他们在静态池的实验中观察 到了m a r a n g o n i 对流并提出所谓的“浮岛理论 。他们认为添加剂到溶液中的超过 溶解度的界面活性剂的微小颗粒象一个个孤岛一样漂浮在溶液表面，当吸收进行 时，作用在孤岛上的三个表面张力之间的平衡被破坏，从而引起m a r a n g o n i 对流。 但是，随后的许多实验发现，即使表面活性剂的浓度低于其溶解度，也能产生最 好的强化作用，继续增加添加剂浓度不会使强化作用持续增加。这样便说明，液 面的微小添加剂液滴并不是产生m a r a n g o n i 对流、强化传热传质的必要原因。 接着，宝泽等【2 1 】提出对于溶解度以下的的界面活性剂也促进吸收的盐析效应 理论。溴化锂水溶液中添加少量的活性剂可以使溶液的表面性质发生变化，如降 低溶液表面张力和溶液饱和蒸汽压力，且使溶液的表面张力特性发生逆转：即随 溶液中溴化锂质量百分比的增加而降低，随溶液温度的升高而增加。这与溶液中 无活性介质时的表面张力变化趋势想反。这种表面张力特性的逆转就是“盐析效 应 的结果：在溴化锂水溶液中，溴化锂分子电离成l i + 和b r - ，其中l i + 能够与 溶液中自由水分子形成水合结构l i + h 2 0 ，活性介质加入溶液后，其分子也能通过氢 键与溶液中自由水分子缔合，这样，部分活性介质的分子溶解在溶液中，其余的 就吸附在溶液表面上。随溶液质量百分比增加，溶液中电离出更多的l i + ，由于水 分子与电离出的l i + 的水合力大于与活性介质的结合力，自由水分子就与l i + 结合 而与活性介质分子分离，使得有更多的活性介质分子脱离溶液吸附到溶液表面处， 进一步降低溶液的表面张力，故溴化锂水溶液表面张力随溶液质量百分比的增加 而降低；另外，随溶液温度增加，活性介质在溶液中溶解性增强，从而使表面吸 附的活性介质分子减少，使得溶液表面张力随温度升高而增加。表面活性介质强 化溴化锂溶液吸收，主要就是通过吸收过程中溶液表面张力的这一变化特性实现 的。 柏木等1 2 2 进一步提出溶解性理论，他们通过实验发现，在有的表面强化剂存 在的条件下，溴化锂溶液的表面张力并不一定随浓度增加而减少，但仍然可以导 致强烈的m a r a n g o n i 对流的发生，这是前面的盐析效应模型所不能解释的。他们通 过白金板法测量溶液内部的表面张力，发现可以引起m a r a n g o n i 对流的添加剂，其 表面张力和内部张力是不平衡的，他们便认为这种不平衡张力引起了吸收过程中 溶液在表面和内部之间的流动，最终触发强烈的m a r a n g o n i 对流。 m a r y l a n d 大学的h e r 0 1 d 【2 3 2 5 1 通过竖直管的吸收实验、竖直管的水冷凝实验以 液气式引射器的特性研究 及表面张力测量实验的观察发现，溶液表面张力的减少与气相的添加剂关系更密 切。当气相存在添加剂蒸汽而液相不添加添加剂时，表面张力的变化很明显，界 面活性剂在气液界面的气侧的浓度对溶液的表面张力有很大影响，从而提出其所 谓的“气相界面活化剂理论观点。他们认为添加剂的主要传输机理是通过气相 流动到吸收表面，在吸收过程中，添加剂蒸汽随冷剂水蒸气共同向液膜流动，发 生吸附和凝结，由于这两种过程是不均衡的微观非稳态过程，所以添加剂在液膜 表面不可能均匀分布，从而产生不平衡的表面张力梯度，驱使液膜表面产生越来 越强的表面流动，强化了传热和传质。 气相活化理论提出后得到了很多学者的实验证实，并且得到越来越多的人的 支持。g 1 e b o v 和s e a e r w m l 【2 6 l 所做的对比实验将添加剂( 2 - m e n l y l 1 p e n t a n d ) 分别加至溴化锂水溶液和冷媒水中，结果表明，与未添加添加剂相比，前者即使 是在最佳浓度时也只是提高制冷量2 0 ，而后者可提高3 2 。这也证明添加剂的 气相加入对强化吸收有着更大的作用。这个原理可以解释为什么对于液体添加剂 而言，葵醇能够使溴化锂溶液产生比添加异辛醇更小的表面张力，但是所产生的 强化作用却不如后者更强烈，其原因就是前者的气相分压力仅为后者的1 1 2 至1 m 。 该理论也可以解释诸如表面对流的引发以及对流强度的减弱，并且给出了有效添 加剂的一些必要的性质，诸如添加剂必须为界面活性剂，具有较低的表面张力、 适当低的浓度和气相压力，这个气相压力要高到能把添加剂送到吸收表面同时又 不能太高而成为气侧的传质阻力。 国内也在近几年开展了许多界面活性剂强化吸收机理的研究。中国科技大学 的程文龙和陈泽韶【2 7 】通过对溴化锂溶液表面活性及静态池吸收水蒸气进行了实验 研究。他们在一个玻璃器皿中装入浓度为6 0 的l i b r 溶液，然后在溶液表面滴入 几滴正辛醇，这时可以发现添加剂液滴在溶液表面不断的破碎、振荡；此时，如 果把器皿用玻璃盖板盖上，溶液表面液滴的振荡很快停止，原先破碎的液滴呈现 重新缓慢聚集的趋势；再一次打开玻璃盖板，液滴在表面的振荡有重新开始。并 阐述添加剂在溶液表面分布不均匀是导致溶液表面振荡的原因：当器皿没有盖盖 时，由于添加剂在溶液表面的挥发，导致添加剂在溶液表面分布不均匀，产生表 面张力梯度，从而产生振荡；在盖上盖的情况下，溶液上方蒸汽侧添加剂的浓度 很快和溶液表面的添加剂达到平衡，表面运动停止。他们同时验证了气相添加理 论，也根据对实验现象的分析，得出了添加剂对吸收的强化机理：由于溶液表面 层对液体添加剂或蒸汽添加剂的表面吸附作用，造成吸收界面处表面张力分布不 均匀，从而在吸收界面引起m a r a n g o n i 对流现象，强化了吸收过程中的传热传质性 能。 高洪涛【2 8 - 3 0 采用如图1 3 所示的实验装置开展了有关界面活性剂促进吸收的 研究，其中包括不同活性剂对溴化锂水溶液吸收水蒸气强化效果的对比实验、添 图1 3 实验装置简图 f i 9 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p e r i m e n t a la p p a r a t u s 加活性剂后溴化锂水溶液表面张力的测量以及气相活性剂理论的验证等研究。结 果证实，有效的界面活性剂以气相形式加入到溶液吸收表面同样可以引发表面对 流。而对含有各种添加剂的溴化锂水溶液的表面张力的测量发现，对于含碳原子 数相同的酒精类添加剂来说，能使溴化锂水溶液的表面张力越小的，其吸收强化 效果越好。并且通过静态池实验发现己醇和庚醇在静态吸收实验中比目前常用的 二乙基己醇的吸收强化效果还好。添加剂混合添加的测试实验表明，混合添加后 的效果与其中较好的添加剂单独添加的效果接近。通过对添加以上混合添加剂后 液气式引射器的特性研究 的溴化锂水溶液的表面张力测试表明，混合添加后的表面张力与其中较大程度降 低溶液表面张力的添加剂单独添加后的表面张力。之后作者对添加剂不同气相添 加方式进行了研究，添加方式采用直接气相添加和在冷剂水中添加。直接气相添 加实验结果表明，一些添加剂仅以气态形式作用于溴化锂溶液表面同样可以对溶 液吸收水蒸气产生显著的强化作用，另一些物质以气相添加时的强化效果与液相 添加时有着很大的差别。而将添加剂加入蒸发器冷剂水中的实验表明，添加剂随 冷剂水低温蒸发的情况下仍然可以获得很好的强化效果。但添加剂在冷剂水中的 蒸发情况对添加剂的气相浓度有着重要的影响。同时，作者采用分子动力学方法 研究含醇溴化锂水溶液气液界面张力，计算结果与实验值相符。模拟结果显示：正 辛醇、仲辛醇、异辛醇分子吸附在汽液界面并在界面处呈优势取向，即疏水烃基 指向气相，亲水羟基指向液相；醇分子的亲水基尽可能多地趋向水分子，二者在界 面处以氢键相互作用；醇分子的添加量为某一特定范围时，醇分子的烃基链在界面 处产生较大摆动。 人们采用不同的方法，从不同的角度对界面活性剂的强化机理进行多方面的 试验研究，其中主要包括静态池实验、降膜吸收实验和表面张力的测量等几个方 面。下面介绍静态池实验以及表面张力测量的研究现状。 ( 一) 静态池实验 早期的研究工作大部分是基于溴化锂水溶液的静态池吸收实验，使用的添加 剂是不同的酒精类物质。其中的一个实验【3 l 】创立了半压时间法来分辨不同指添加 剂，不同添加浓度以及不同工作条件下的吸收效果。装置中包含两个容器，一个 容器中放置装有吸收剂的池状容器，另一个装有被吸收物质的蒸汽，两个容器在 一定的时间连通，吸收过程中对容器的压力进行监测，用容器压力降至初始压力 的一半时所经历的时间来作为吸收速度的参考标准。一些实验使用了这种简单但 是实用的装置，并得到了一些最初的解释强化机理的模型。 j i n s o ok i m 等人【3 2 1 采用如图1 4 所示的实验装置对质量浓度5 0 的溴化锂溶 液分别使用8 碳的n - o c t a n o l ，2 - o c t a n o l ，3 o c t a n o l 和2 e h t y l 1 h e x a n o l 作为活性剂进 行了水蒸气的静态池吸收实验，测试了不同添加浓度下溴化锂水溶液对水蒸气的 吸收效果。他们还使用了不同浓度的溴化锂水溶液，并向溶液中分别加入一定比 例的乙烯乙二醇、碘化锂和氯化锌，以测试溶液成分的改变对吸收水蒸气的影响， 结果发现除了加入氯化锌的溶液吸收效果变差，其余的成分加入对吸收效果影响 很小。他们通过静态池吸收实验测试了各种添加剂在不同添加浓度下对溴化锂溶 液吸收水蒸气的影响，并总结出此4 种物质起强化作用的起始浓度在8 - 2 5 p p m 之 间，而随着添加浓度的增加，对吸收的强化作用加强直到添加浓度为2 0 0 p p m 时达 到最佳效果，继续增加添加剂的浓度不会再带来吸收效果的增强。 图1 43 i n s o ok i m 实验装置简图 ( 二) 表面张力的测量 2 l 表面张力梯度是m a r a n g o n i 对流产生的直接原因，溴化锂吸收式制冷机中所使 用的强化传热传质的添加剂都是可以降低工作液体表面张力的表面活性剂。开展 关于表面张力的研究对深入的理解m a r a n g o n i 对流以及表面活性剂对传质的强化 机理有着非常重要的价值。 h e r o l d 等人【3 3 j 进行的对添加2 e h 的溴化锂水溶液的表面张力的测量实验中， 他们采用了如图1 4 所示的实验装置对气相添加剂的浓度进行了控制。实验装置中 包括测试腔，液滴发生器，收集瓶，电子秤，表面活性剂瓶，加热板和转子流量 液气式引射器的特性研究 计。测试腔是由一个内径0 1 m 的透明塑料管制成的，液滴发生器是由一个外径 1 5 9 r a m 的细不锈钢管、阀门、连接管和一个大的储液器组成。阀门上装有一个手 柄来进行流量的控制。储液器用来保持毛细管项端的压力稳定从而保证稳定的滴 落频率。实验过程中，溶液被倒入储存器，在重力的影响下流动并在毛细管顶端 形成液滴。液滴滴落到下方放置的收集瓶中。通过一个高精度的电子秤在测量前 后称量收集瓶的质量，从而确定液滴的平均重量。测试腔中的2 e h 蒸汽是通过金 属加热板对装有添加剂液体的烧瓶加热来得到的。添加剂蒸汽的量是通过调节输 入添加剂加热装置的热量来控制的。表面活性剂烧瓶与空气供应管路相连，从而 使添加剂蒸汽和空气混合流入测试腔并且保持一个稳定的添加剂蒸汽浓度。2 e h 在空气中的浓度由2 e h 的质量流量和充入测试腔的空气流量来确定。空气的流量 由转子流量计测定，2 e h 的流量由测量前后添加剂烧瓶的质量变化来确定。h e r o l d 使用此实验装置验证了之前提出的气相表面活性剂的观点。当毛细管的顶端位子 收集瓶之外并且测试腔中有空气流通时，存在于液相中的表面活性剂并没有使表 面张力有明显的降低；当毛细管的顶端位于收集瓶之内时，由于收集瓶中有溶液 存在，溶液中的添加剂蒸汽使得在瓶中有一定量的添加剂蒸汽存在，结果导致表 面张力显著降低。由此可见添加剂的气相作用是表面张力降低的主要原因。 - _ - 图1 4h e r o l d 表面张力测量装置图 f i 9 1 4s c h e m a t i co f t h es u r f a c et e n s i o nf a c i l i t y k i m 等人p 卅使用d un u o y 环法测量了加有2 乙基己醇的溴化锂溶液的表面张 力，溴化锂水溶液的测量浓度范围为4 0 6 0 w t ，添加剂的浓度为0 2 0 0 p p m ，测 量温度分别为2 4 ，4 8 其所有的实验准备和测量时在一个大气压下，暴露在空 气中进行的。其测量结果与h e r o l d 的有些偏差，一般认为这是由于测量方法的不 同以及实验进程中对一些关键条件没有进行有效的控制而产生的。 1 2 3 理论与数值模拟研究 近年来，也有学者对溴化锂吸收式制冷机进行理论与数值模拟的研究。这对 溴化锂吸收式制冷机的实验研究具有一定的指导意义。 为实现小型高效的吸收式制冷，许多学者作了大量研究探索工作。提高机组 性能的方法之一就是改善机组循环。k a i t a 3 5 , 3 6 在现有的双效系统的基础上增加了 一个高温发生器来组成三效系统，构成了并联、串联和回流三种型式的三效循环。 其中串联循环是指浓溶液流程的串联，回流循环是指稀溶液流程的串联。他在 g r o s s m a n 的研究结论的基础上，对这几种循环进行了数值模拟，比较了循环的c o p 值，最高蒸汽压力以及溶液温度。通过计算发现并联循环的c o p 的值最高，但设 置了溶液旁路的回流循环也具有很高的c o p 值。在回流循环中，最高蒸汽压力和 最高溶液温度的值要低于其他两种循环，因此，这种相对较低的最高蒸汽压力和 最高溶液温度有利于调节管理以及金属的耐腐蚀性的增强。另外，k a i t a 在计算模 型中加入了换热器，用来回收离开低温发生器的冷剂水的热量，这样可以提高c o p 值0 0 3 一- - 0 0 5 。并且他给出了高温区溴化锂溶液热力学特性的计算方程，这对于三 效溴化锂吸收式制冷机的设计和模拟有很大的帮助。k j m 3 7 】等开展了压缩机辅助的 溴化锂三效制冷循环，各种蒸汽压缩机单元都具有不同的吸气压力，以降低高温 发生器的温度。通过研究，提高蒸汽的压缩比可以有效的降低发生器的温度。温 度降低4 0 度大约需要的机械能相当于制冷量的3 - - - 5 。结果表明，在蒸发器和吸 收器之间设置一台压缩机会获得最佳的效果，并且循环的性能最优，从而为解决 溴化锂三效循环的腐蚀问题提供了一个方法。但是此方法同时也存在润滑油污染、 换热系数低、蒸汽过热以及盐分夹带等问题。a n l n 3 8 】等分析了双效并联和串联溴 化锂吸收循环，指出在通常的运行条件下，并联系统所能达到的最大c o p 值始终 比串联系统大；与串联系统相比，并联系统受蒸发温度变化的影响加大，而冷凝 液气式引射器的特性研究 器和吸收器温度对其影响较弱。同时，低压发生器中外部热量的输入对并联系统 也有很大的影响。申江t 3 9 j 等阐述了三效溴化锂制冷机研究的主要方向，分析对比 了三效溴化锂吸收式的6 9 种可能存在的循环方式，并分析推断出采用冷却水并联 方式的逆串联t c 三效循环是一种比较有价值的三效循环。另外，k a y n a k l i 等【4 0 】 对单效溴化锂吸收循环进行了全面的热力学分析，研究了所有性能参数，总结出 各参数之间的相互关系。如随着发生器和蒸发器温度的提高，吸收器和发生器的 热负荷降低；发生器热负荷的降低提高了c o p 的值等。陈光明【4 1 】等基于传热传质 的相异性，对溴化锂吸收式制冷机空冷化的关键部件吸收器提出了空冷预冷 却绝热吸收的方法。建立了吸收器的空冷预冷却绝热吸收模型，计算结果表明， 空冷预冷却绝热吸收过程溴化锂溶液浓度差大大降低，但在增大再循环倍率后， 空冷预冷却吸收过程的吸收性能与层流降膜吸收器的吸收性能并没有大的差别， 这表明空冷预冷却绝热吸收作为实现溴化锂吸收式制冷机空冷化的一种解决方法 是切实可行的。同时，空冷预冷却绝热吸收把吸收过程的传热和传质分开进行， 可以针对具体情况对传热和传质过程进行有目的的强化可以使空冷吸收器的体积 不致于过大，同时较好的克服了溴化锂溶液向高温、高压侧的偏移，有助于防止 溴化锂溶液结晶的发生。 吸收器计算模型经历了最简单的绝热壁面传热模型，等温壁面传热模型，等 温壁面传热传质模型，冷却壁面传热传质的模型等典型阶段，近年来的研究工作 仍集中在寻找能够准确描述吸收器工作情况、得到和实验结果相同的性能参数的 计算模型，包括假设、控制方程、数学方法以及边界条件等的选择。 n a k o r y a k o v 和g r i g o r e v a l 4 2 4 3 1 在早期建立理论模型上作了具有重大意义的工 作。他们首先建立了在非渗透绝热竖直平板上的层流降膜的温度梯度和浓度梯度 的数学模型，采用了许多假设为前提：在气液界面处瞬时建立蒸汽压力平衡， 这种化学平衡的假设通过界面温度下每种物质分压力的连续性建立了界面浓度。 液体与气体的所有热力学性质是固定的。沿流向方向扩散率和热导率忽略不 计。由于吸收速度较慢，所以横向速度与薄膜厚度的变化也忽略不计。层流 速度一定。在吸收器中，所有点的压力恒定。蒸汽的传热忽略不计。进口 溶液的浓度和温度恒定。使用这些假设，他们利用傅里叶变量分离方法给出方程 的解。分析表明，除了边界条件外，在此模型中，解的结果只与四个无纲量次的 参量有关：刘易斯数、普朗特数、雷诺数和h 矗a c d g - r o s s m a n h 4 解决等厚度降膜在竖直绝热或等温壁面上的热传导方程( 1 ) ( 2 ) ， 以及假定的充分的层流努赛尔速度表达式( 3 ) 一o t , ：仅堡 ( 1 ) 一= 0 c k l ， 缸 砂 其中u 为降膜流速，t 是溶液内温度，x 为水平坐标，y 是纵向坐标，0 c 为热 扩散率。 “等= 等 o x洲一 其中d 柏为二元流质扩散率， “( y ) = 三订【2 ( 考) 一( 軎) 2 】 ( 2 ) 巳吸收剂溶液的摩尔浓度。 ( 3 ) 其中万为降膜平均流速，万为降膜的膜厚。 假设恒定吸收热对温度和浓度依赖很小，c n o s s m a n 用傅里叶及其扩展方程和 基于有限差分俩种方法解决了这一问题。划出了界面温度、溶液温度和壁面温度 和浓度在等温或绝热条件下随流向位置的变化图。结果表明与预想的传热传质吸 收有2 0 的偏差。 在n a k o r y a k o v 和g r o s s m a n 等人的早期传热传质理论基础上，y i g i t 4 5 】提出了 一维竖直管降膜吸收的模型，管内冷却水方向由下向上，蒸汽吸收过程在管的外 表面进行，假设吸收液是充分发展的牛顿流体。将g r o s s m a n 用于平板吸收表面的 能量守恒方程和离散方程用于竖直管表面，结合圆柱表面速度分布和边界温度浓 度条件，用c r a n k - n i c h e l s o n 法解这些柱坐标的有限差分形式偏微分方程组，得到 温度和浓度的分布情况，并和p a m a i k 的实验值进行了比较，其中降膜内的浓度分 布情况吻合的较好。同时，作者通过计算并引用c o n c l i s k 和p a m a i k 的实验说明冷 却水