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北京化工大学硕士研究生毕业论文 g a x 循环氨水双膜传热传质过程的实验和模拟研究 摘要 吸收式制冷是一种可以直接采用低品位的热能作为驱动能源的制冷 方式，并且利用天然工质作为制冷剂，是一种节能环保的绿色技术。在能 源危机和环境问题日益严重的今天，吸收式制冷吸引了越来越多的研究者 的注意。 如何提高吸收式循环系统的效率是近来吸收式循环研究的焦点。目前 吸收式制冷循环高效化的手段，主要着眼于三个方面：一方面是工质对的 研究，试图寻找新的，性能更好的替代工质对；另一方面是从循环的构型 出发实现制冷循环的多级、多效化以及循环内部能量耦合的优化；再一方 面就是循环关键过程的传质传热的强化，减小过程的推动力。 本文主要从事g a x 循环双膜分离过程传质传热特性以及模拟和实验 研究。研究工作分为两个组成部分：g a x 循环热集成分析与双膜过程传 质传热的实验研究。热集成分析研究采用a s p e np l u s 流程模拟软件模，拟 了氨水g a x 吸收式制冷循环中的氨分离过程，提出了增设中间再沸器模 拟g a x 氨分离过程的方法，并考察了中间再沸器的热交换效率、进出口 位置和塔内采出物流流量对精馏塔的操作成本的影响。通过热集成度分析 发现，增设中间再沸器的方法可以降低精馏和高温塔釜液换热过程的损 失，从而提高系统的热集成度。增设中间再沸器后，塔釜热负荷、塔顶热 负荷分别降低了1 0 5 l 和1 3 4 5 ，系统热集成度提高了1 2 8 7 。双膜 过程研究提出了一种新型g a x 系统氨水双膜分离器，分离侧采用垂直降 i 北京化工大学硕士研究生毕业论文 膜分离过程，加热侧则采用环隙强制升膜，整个换热过程为对流换热过程。 首先通过以水为工质的热膜实验验证了小环隙这种特殊的几何结构的传 热特性；又通过氨水分离实验验证环隙操作条件对分离效果的影响。文章 考察了环隙雷诺数、温度和环隙尺度对传质传热的影响。并归纳出与环隙 尺度有关的数学模型。 本文在g a x 循环中氨分离过程的热集成中提出了以增设中间再沸器 的方法减小g a x 循环中氨分离过程的能耗。实际上，中间再沸器的设置 是对高温塔釜液能量的梯级利用，把高温塔釜液的能量再次用于高浓度氨 水的发生过程。立式双膜热交换器的研究正是为中间再沸器的设置提供新 的思路。从立式双膜热交换器的结构而言，环隙强制升膜流体为管内降膜 高浓度氨水提供分离所需的热量。换言之，将立式双膜热交换器应用于 g a x 循环的氨分离过程，环隙升膜液可为高温塔釜液，管内降膜液可为 待分离的高浓度氨水。这样的配置，可以减小因增设中间再沸器而导致的 系统复杂性增大，大幅度减小了设备尺寸。为开展新循环的实验研究奠定 了理论基础。 关键词：双膜，传热，传质，升膜，降膜，环隙，g a x 循环，氨分离， 热集成 北京化工大学硕士研究生毕业论文 e x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o ns t u d yo nd o u b l e f i l mh e a ta n dm l a s st r a n s f e rp r o c e s si nt h e a m m o n ia r w a t e rg a xc y c l e a b s t r a c t a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ni sa ne n e r g ys a v i n gr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g ya n d a ne f f e c t i v ea p p r o a c ht ou t i l i z el o wg r a d eh e a ta sd r i v i n gp o w e ra n di t s w o r k i n gf l u i di sn a t u r a lc r y o g e n s o ，m o r ea n dm o r es c h o l a r sp a i da t t e n t i o nt o a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n m o s ts c h o l a r sf o c u so na ne f f e c t i v e t e c h n i q u e t o i m p r o v e t h e p e r f o r m a n c eo fa b s o r p t i o nc y c l e n o w , t h r e ew a y sa r eu s u a l l yt a k e ni n a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l et om a k es y s t e mm o r ee f f i c i e n t ：f i r s t ，t r yt o r e s e a r c ha n df i n dn e ww o r k i n gf l u i dw i t hb e t t e rn a t u r a lp r o p e r t y ；s e c o n d ， i m p r o v ea b s o r p t i o nc y c l ec o n s t r u c t i o nt og e tm u l t i s t a g ea n de f f e c ta n dm o r e e x c e l l e n ti n t e r n a le n e r g yi n t e g r a t i o n ；t h i r d ，e n h a n c ee f f i c i e n c yo fh e a ta n d m a s st r a n s f e ro fk e yp r o c e s so fa b s o r p t i o nc y c l et or e d u c er e s i s t a n c eo fh e a t a n dm a s st r a n s f e r i nt h i s s t u d y , e x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i n gr e s e a r c ho nd o u b l ef i l m s e p a r a t i o no fg a xc y c l ei sc a r r i e do u t t h e r ea r et w op a r t si nt h i ss t u d y ：h e a t i n t e g r a t i o nf o ra m m o n i as e p a r a t i o nc o l u m n o fg a xa n d e x p e r i m e n ts t u d yo n 1 i i 北京化工大学硕士研究生毕业论文 d o u b l ef i l ms e p a r a t i o n i nh e a ti n t e g r a t i o ns t u d y , a s p e np l u ss i m u l a t o rw a su s e dt os i m u l a t e w a t e r - a m m o n i as e p a r a t i o ns y s t e mi ng a x a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nc y c l e t h e m o t h e do fs e t t i n gm i d d l er e b o i l e rw a sp r o p o s e d ，a n dt h es i m u l a t i o no fg a x a m m o n i as e p a r a t i o nw a ss t u d i e d t h e e f f i c i e n c yo fh e a te x c h a n g e r ，t h e p o s i t i o no fi n l e t o u t l e ta n df l o wr a t eo fs i d ep r o d u c ta l la f f e c t e dt h eo p e r a t i n g c o s to ft h es e p a r a t o r t h ea n a l y s i so fh e a ti n t e g r a t i o ni n d i c a t et h a tt h ee n e r g y l o s so fs e p a r a t i o na n dh e a te x c h a n g ed e c l i n eb y s e t t i n gm i d d l er e b o i l e r a st h e r e s u l t ，t h eh e a td u t yo fb o t t o ma n dt o po fs e p a r a t o rd e c r e a s e db y10 51 a n d 13 4 5 r e s p e c t i v e l y , a n de f f i c i e n c yo fh e a ti n t e g r a t i o ni n c r e a s e d12 8 7 i nd o u b l ef i l ms e p a r a t i o ns t u d y , an e wa m m o n i a - w a t e rd o u b l ef i l m s e p a r a t o ri sc a r r i e do u t f a l l i n gf i l mi st a k e ni ns e p a r a t i o ns i d ea n dc l i m b i n g f i l mi st a k e ni na n n u l a rs i d e ，h e a tt r a n s f e rs t y l eo ft h i ss y s t e mi sc o u n t e r c u r r e n t e n h a n c e m e n to nh e a tt r a n s f e re f f e c t i v eo ft h ea n n u l a rs t r u c t u r ei s p r o v e d i n e x p e r i m e n t o fh e a tt r a n s f e rw i t hw a t e ra s w o r k i n gf l u i d ， i m p r o v e m e n to nm a s st r a n s f e re f f e c t i v ei sp r o v e di ne x p e r i m e n to fm a s s t r a n s f e rw i t ha m m o n i aw a t e ra sw o r kf l u i d t h ei n f l u e n c e so nh e a ta n dm a s s t r a n s f e rh a v eb e e ni n v e s t i g a t e d ，f o re x a m p l e ，r e y n o l d so f a n n u l a r , t e m p e r a t u r e o ff a l l i n ga n dc l i m b i n gf l u i d ，a n n u l a rg a p c o r r e l a t i o nm o d e lw i t ha n n u l a r g a p i so b t a i n e d i nt h i ss t u d y , t h em e t h o do fs e t t i n gm i d d l er e b o i l e rt or e d u c ee n e r g y c o n s u m ei na b s o r p t i o nc y c l ew a sp r o p o s e d i nf a c t ，s e t t i n gm i d d l er e b o l i e ri s i v 北京化工大学硕士研究生毕业论文 a l la p p r o a c ht om u l t i s t e pu t i l i z e sc o l u m nb o t t o mf l u i d t h r o u g hs t r u c t u r eo f d o u b l ef i l mh e a te x c h a n g e r , i n n e rf a l l i n gf i l mc o m b i n e sw i t ha n n u l a rc l i m b i n g f i l m t h es t r u c t u r ei sf i tt os e t t i n gm i d d l er e b o i l e r i tc a l ls i m p l i f ys y s t e ma n d r e d u c ee q u i p m e n ts i z e k e yw o r d s ：d o u b l ef i l m ，h e a ta n dm a s st r a n s f e r , c l i m b i n g f i l m ， f a l l i n gf i l m ，a n n u l a r , g a xc y c l e ，a m m o n i as e p a r a t i o n ， h e a ti n t e g r a t i o n v 北京化工大学硕士研究生毕业论文 符号说明 面积，n 1 2 n u s s e l t 系数关联因子 n u s s e l t 系数关联因子 摩尔浓度，m o l u 1 能效系数 n u s s e l t 系数 n u s s e l t 系数关联因子 比热容，j g - 1 k 1 传热管内径，m 传热管外径，m 传热量修正系数 摩擦系数 重力加速度，m s - z 质量流量，k g h - 1 降膜侧传热系数，w m - 2 k - 1 环隙侧传热系数，w i n - 2 k 1 降膜侧传热系数，w m 之k - 1 降膜过度区传热系数，w i n 2 k 1 降膜发达区传热热系数，w m - z k 1 炯损失，k w 液体的导热系数，w m - 2 k - 1 传热管长，m 单位摩尔质量，g m o l 质量，k g n u s s e l t 数 压力，k p a p r a n d t l 数 热量，k w r e y n o l d s 数 完全层流r e y n o l d s 数 熵，k j k - 1 温度， 对数平均温差，k x i i 彳 4 6 c 倒岛 c 唧础f厂g g砂幼助，向l m m m p q 胎c l i s 丁 北京化工大学硕士研究生毕业论文 v u 矿 工 希腊字母 a 6 p a 叩 口 下角标 0 1 ，2 ，3 c f i i l o u t 体积流量，l p m ，l r a i n 。1 总传热系数，w m - 2 k 1 功，k w 液相质量分数 状态差值 炯损耗降低程度 液膜厚度，m 密度，k g m - 3 粘度，k g i t i 1 s 。1 摩擦因数 热交换器效率 环隙管径比，础 初始状态 内管标号 环隙侧 降膜侧 进口 出口 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 堑臣生 日期：2 丝：竺篁：墨2 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的 规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京 化工大学。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 和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学 位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 导师签名： 日期刃脾7 北京化工大学硕士研究生毕业论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着人民生活水平的逐渐提高，我国能源问题日益突出。1 9 8 0 至1 9 9 5 年间，居 民消耗能源的增长速率从每年的3 达到1 2 ，时至今日每年可达1 6 3 的增长态 势。其中，制冷耗能量就占居民用电量总量的5 0 。据统计，我国的制冷耗能在未来 的十年间可达6 0 1 0 亿千瓦时，每年的能源产量不得不增加5 7 0 0m w ，这相当于每年 将增加6 0 0 0 万吨碳排放量。所以，解决制冷过程能耗严重的问题已经刻不容缓【1 1 。 吸收式制冷作为一种可以直接采用低品位的热能作为驱动能源的制冷方式，并且 利用天然工质作为制冷剂，是一种节能环保的绿色技术。在能源危机和环境问题日益 严重的今天，吸收式制冷吸引了越来越多的研究者的注意。吸收式循环的优点主要体 现在两个方面：第一，可以利用低品位的能源，如：太阳能、地热、生物质燃料和废 热，有利于实现多能源互补和能量的梯级利用；第二，吸收式循环的工质对较传统制 冷剂更为环保，如氨水，水溴化锂和离子液体等等【2 j 。 如何提高吸收式循环系统的效率是近来吸收式循环研究的焦点。目前吸收式制冷 循环高效化的手段，主要着眼于三个方面：一方面是工质对的研究，试图寻找新的， 性能更好的替代工质对【3 5 】；另一方面是从循环的构型出发实现制冷循环的多级、多 效化以及循环内部能量耦合的优化【】；再一方面就是循环过程传质传热的强化，减 小过程的推动力陟1 1 】。 氨水是传统和高效的吸收式循环工质对，作为环境友好型的工质对其应用前景十 分广阔。g a x 循环是氨水吸收式循环中很大的突破，g a x 热集成方法着眼于改善氨 水发生压力太高，不易分离，精馏能耗大的缺点。但是现阶段国内氨水吸收式机组产 品往往为单效循环，g a x 循环机组产品非常罕见。这是因为我国的g a x 机组的制造 工艺并不成熟。所以，研究g a x 循环的能量耦合机理和关键过程将对我国g a x 机组 的制造创造有利条件。在研究工作中，循环构型创新和强化过程传质传热的研究对进 步改进g a x 循环最为重要，这两方面将为氨水工质对在吸收式循环的应用开辟新 的道路。 北京化工大学硕士研究生毕业论文 1 2 文献综述 1 2 1g a ) ( 吸收式循环 g a x ( g e n e r a t o r a b s o r b e rh e a te x c h a n g e ) 循环是氨水吸收式循环中很大的突破， 相对于单效循环而言，它具有更高的性能系数。由于g a x 循环机械化的优点和潜力， 近年来受到了广泛关注【1 2 1 。g a x 循环意指有热负荷需求的发生器与排弃热的吸收器 之间换热，而使循环的输入热减少，循环的热转换效率提高。在氨水吸收式制环中， 吸收器和发生器存在一段温度重叠区间，循环系统将发生器分为两个部分，温度较高 部分由外界热源驱动( g e n ) ，而温度较低部分由吸收器的排弃热驱动( g a x ) 。如图1 1 示吸收式循环，图中将两个发生器整合成了一个发生器，其中温度重复的区间由吸收 器的排弃热进行驱动。g a x 循环的特点十分鲜明。一方面，可以将其看做是单效循 环，因为吸收式循环的主要部分，如吸收器，发生器，溶液泵，发生器和冷凝器都只 出现了一次，只有溶液热交换器被g a x 换热器所取代；另一方面，也可以将其看做 是双效循环，因为由吸收器排弃热驱动的发生器( g a x ) 减小了系统的发生热，从而 使性能系数获得了很大的增益，趋近于双效循环。 图1 - 1 吸收式循环 f i g 1 - 1s c h e m eo f a b s o r p t i o nc y c l e a l t e n k r i c he 于1 9 1 3 年首先发现某些工质对在离开吸收器和离开发生器时的浓度 差增大，使吸收器和发生器的温度滑移重叠，以至在温度重叠处，吸收器的排弃热可 2 北京化工大学硕士研究生毕业论文 以被发生器回收利用【1 3 1 。直至8 0 年代才逐步受到重视。随着人们对吸收式制冷循环 的深入研究，g a x 循环也出现了不同的结构形式，其中p h i l l i p s 于1 9 9 0 年提出了较 为成熟的g a x 循环方式，称为基本g a x 循环【1 4 】。此后又出现许多针对g a x 循环及 先进循环的研究。 d o u g l a sk 等人【1 5 】对1 7 6k w 氨水g a x 制冷机组展开了实验和模拟研究，研究考 察了制冷量、性能系数、过程热负荷和工质状态点，研究发现系统制冷量最大时，c o p 可达0 6 8 ，研究比较了实验值和模拟值，其结果十分接近。有学者从循环构型内部耦 合方面研究，认为g a x 循环其循环内部能量耦合比其他单效循环更加复杂而利用系 统余热是提高g a x 循环系统性能系数的有效方法。在利用系统余热的过程中，改善 子循环过程耦合结构，减少拥损失，可获得整个循环的增益【1 ，1 纠7 1 。s t a i c o v i c imd 【1 8 】 的工作研究了多分支结构的g a x 循环( p b r ( g a x ) ) 。研究选取n h 3 i 1 2 0 - l i b r 为工质 对，分别在单效至三效的循环中，选择特定的评价准则，最大化g a x 循环的性能系 数。研究工作比较了p b r 循环的c o p 和文献中g a x 循环和多效循环的c o p ，结果 表明，三效的p b r 循环的c o p 提高了1 2 5 1 9 0 倍，卡诺系数提高了7 1 8 2 。c h a r t w 等人【1 9 】研究了g a x 循环对冷却水和热水供应的影响。研究分析了三种不同模型的 热水供应情况，并通过参数分析发现了性能最好的工况，其中最关键参数是热水出口 和分流率。结果表明，新工况在热水供应方面取得了6 0 的增益。e r i c k s o nd 等人 2 0 1 认为分支结构的g a x 循环( b g a x ) 更具有市场竞争力，因为b g a x 可以更全面的应 用系统温度重叠部分提高系统的热集成度从而获得更高的c o p 。研究提出的构型在换 就温度为3 0 6 0 c 的c o p 为o 8 7 。k u h l e n s c h m i d td 等人【2 l 】对g a x 循环进行了改进， 在原循环的基础上增加了第二制冷剂循环从而获得了更高的c o p 。r a m e s ha 等人田】 提出了以氨水为工质体系的g a x a c ( g e n e r a t o r - a b s o r b e r - - e x c h a n g ea b s o r p t i o n c o m p r e s s i o n ) 循环。文章考察了发生器，冷凝器，吸收器和蒸发器温度对c o p 的影响。 研究发现g a x a c 循环比基本的g a x 循环c o p 高出2 6 。 此外，还有学者关注g a x 循环工质对，试图寻找新的工质对获得更好的性能系 数。x us 等人【2 3 】选择t f e - n m p 和水为g a x 循环工质对，尝试使循环不仅可以将低 温位能量提高品位，还可以从低温位获得更多的能量用于循环。与h 2 0 - l i b r 和 n h 3 h 2 0 工质体系相比，t f e n m p 和水具有更宽的操作温度范围，不至于结晶，更 低的操作压力，更低的结晶温度更好的热力学稳定性。 现阶段氨水吸收式机组产品往往为单效循环，这类机组的研究工作【2 4 - 2 5 】集中在将 高温塔釜出料用于预热发生器进料液来提高系统的热集成度。所以，改善单效循环机 组的氨分离过程的热集成度才可以实现g a x 循环。增设精馏塔中间再沸器的方法是 精馏塔节能的重要手段之一。中间再沸器可有效使用品位和价格较低的热源，从而节 省操作费用，尤其在再沸器使用高温热源的情况下，费用节省更为显著。而且可以使 操作线更加靠近平衡线，增大精馏过程的可逆性，提高热力学效率。中间再沸器作为 3 北京化工大学硕士研究生毕业论文 精馏过程节能的有效方法在改善再沸器热源，利用低品位废热，降低塔盘负荷等研究 领域得到了广泛关注【2 6 - 2 7 1 。 总而言之，g a x 循环是氨水吸收式循环中很大的突破。本文在g a x 循环的基础 上，本文提出以增设中间再沸器的方法将现有的单效循环机组改进为g a x 循环。考 察中间再沸器的热交换效率、进出口位置和塔内采出流量对精馏塔操作成本的影响， 并对比了增设中间再沸器后，系统的热集成度的变化情况。 1 2 2 吸收式循环的传热和传质 如何提高吸收式循环系统的效率是近来吸收式循环研究的焦点。目前吸收式制冷 循环高效化的手段，主要着眼于三个方面：一方面是工质对的研究，试图寻找新的， 性能更好的替代工质对1 2 8 之9 】；另一方面是从循环的构型出发实现制冷循环的多级、多 效化以及循环内部能量耦合的优化【3 0 啦】；再一方面就是循环过程传质传热的强化，减 小过程的推动力【3 ”4 1 。 强化关键过程的传热传质的方法多种多样。有学者通过在工质中添加辅助材料的 方法实现强化传质传热。k a n gy 等人【3 5 】通过实验测量了纳米流体降膜流量对吸收效 率与传热效率的影响，发现吸收效率随着铁纳米颗粒和碳纳米管的二元纳米流体的浓 度和质量流率的增加而增加，对于铁纳米颗粒和碳纳米管的二元纳米流体的传质强化 要比传热强化更为明显。 1 2 2 1 降膜装置的应用 更多的学者更加关注改变热交换器的几何构型的方法。如图1 2 示降膜过程示意 图，研究者通过改变热交换器内部的构造达到两个目的：其一，使冷却端可以从吸收 侧带走更多的热量，从而使相平衡移至更低的温度区间；其二，强化气液间的传质， 获得更高浓度的氨水溶液。k a n gy 等人p 6 j 通过实验分析了氨水垂直降膜吸收过程。 通过改变气相和液相操作条件，如进口冷却水的流量，进口气、液相的浓度，测定过 程的传热传质性能，得到了n u s s e l t 系数和s h e r w o o d 系数模型。y a n gs 等人【3 7 】实验研 究了沸腾池表面管的几何特性的传热强化特性，认为管表面形状，壁面过热和饱和温 度是关键的特征参数，沸腾池的传热系数随着壁面过热度的增大而减小，有螺旋角涡 轮的沸腾池传热系数高于没有螺旋角涡轮的沸腾池。j e o n gy 等人【3 8 】展开了焊接式钢 板的传热和压降特性的数值模拟和实验研究，通过比较发现计算流体动力学的结果与 实验结果相吻合，结果表明带有椭圆型压花的焊接式钢板的传热系数和压降要好于带 有尖角型压花的焊接式钢板。k w o nk 等人【l i 】分析了降膜螺旋吸收器研究了蒸气流动 方向对传热传质的影响。测量了顺流和逆流时的传热传质系数。在逆流中，如果溶液 4 北京化i 大学硕研究生毕业论文 蒸气的分压力很大，将阻碍传热传质：随着溶液浓度的上升，蒸气流动方向的影响将 减弱。不考虑蒸汽流方向时，总传热速率随着溶液流速和温度而上升。逆流时，蒸汽 流速过高，降膜热传递恶化。界面剪切力引起的降膜不规则流动降低了吸收器的传熟 传质系数。尽管降膜处于层流区域流速增加还是会加大传热系数的。r e i n d e r th 等 3 9 1 等建立了二元气相并流和错流降膜冷却模型，模型考虑了自然对流扩敷系数的影 响。研究采用氨水作为对象比较了并流和错流条件下的吸收效果指出气相的流通通道 尺寸对对流扩散有较大影响。 目1 - 2 降膜过程示意图 f i g , l - 2s c h e m e o f f a u i n g f i l m n e g n ys t ”i 研究了波状壁面上的层流降膜，对降膜流经竖直波纹板的流体流动形 式和传热传质特性进行层流数值研究，为了直接在传熟传质速率里包含流动参数，数 值模型分成两个部分第一部分有自由表面的降膜的流动充分发展，第二部分传热传 质与流场结合在一起。结论是表面波导致在波谷产生回流区。雷诺数增加，则回流区 在大小和强度上都增加。回流区的产生表示了膜厚的增加，对传热传质产生了很大的 影响。c h u n 和s e b a n 4 1 1 对垂直管电加热内降水膜的传热性能进行了详细的研究，通过 测定热流量、壁温、饱和蒸汽压确定传热系数，得到了实验关联式。他们的数据是目 前是常引用的数据，很多研究者在验证理论模拟的准确性时也多以c h u n 和s e b a n 的 实验数据为准，在纯组分降膜蒸发器设计计算时，也常常推荐使用c h u n 和s e b a n 的 实验关联式。 早期的模型建立在等温吸收基础上，即认为降膜内温度处处相等。例如，p i g f o r d t 4 2 】 北京化工大学硕士研究生毕业论文 在求解等温降膜强制对流传质问题时，速度分布采用n u s s e l t 解，在求解质量方程时， 忽略沿板长方向的扩散与沿膜厚方向的对流。在某些情况下，传热的影响比较小，可 以认为是等温吸收过程，若在相界面有大量吸收热产生，且温度场对传质的影响较大 时，降膜吸收不能作为等温吸收过程。 g r o s s m a n 4 3 】分别用分析法和数值计算方法对斜板层流降膜气体吸收求解，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系。g r o s s m a n 的模型采用了 n u s s e l t 解的速度分布，忽略膜厚变化，不计扩散热效应，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。但在某些情况下，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。c - r o s s m a n 4 4 1 又分析了扩散热效应对解的影响，入口段的扩散热效应比较显著。入口段的分析解表 明，与不考虑扩散热效应的解相比，两者的n u 数相差c n u 因子。j a v i e ru h 5 】认为竖 管壁面升膜的蒸发过程分为是受对流换热影响和受沸腾换热影响的两个过程。升膜的 流动分为集结沸腾控制区域和对流沸腾控制区域。s t e i n c rd 4 6 1 和s a b o n ia 【4 7 】分析了竖 管升膜流量和液体密度对传热系数的影响，无沸腾下环状流动下的换热研究表明影响 传热传质效果的原因在于随着蒸汽的流动在竖管上部出现过热度较大，使升膜出现大 量气泡的沸腾换热影响了传热传质效果。利用螺旋槽管来强化传热传质性能已经得到 公认，但是管外换热只是对竖管喷淋在管壁上形成液膜进行了理论和实验研究。升膜 能够使溶液在管外呈液膜状流过受热表面，迅速蒸发，缩短了加热的停留时间，提高 了传热系数。c h e n 【4 8 】对沸腾换热的研究，被认为是广泛适用的模型。1 9 7 6 年，s h a h 4 9 1 开始对光滑竖管蒸汽在管壁上凝结后沿管壁面蒸发上升形成的液膜进行了研究，将液 膜分为下部的非沸腾区和上部的沸腾区。u c h c 5 0 】等对上述模型进行数值分析得出 c h c n 模型最适合竖管升膜蒸发的换热系数计算，并得出换热系数与壁面过热温度、 质量流量、饱和温度等参数的关系。 总而言之，改变热交换器几何构型、测定操作条件对传质传热的影响，最终得到 数学模型是吸收式循环关键过程的传质传热强化研究的主要内容。但这些研究往往集 中于传质传热的一侧的操作条件，例如：溶液密度、温度与浓度、吸收压力等，对吸 收过程的影响。但对于g a x 循环来说，由于要实现热量由吸收过程向发生过程的传 递，该过程是吸收过程和发生过程相互之间能量耦合的过程，因此除了发生吸热侧的 操作条件对装置性能的影响外，吸收放热侧的操作条件对装置性能也有重要的影响。 1 2 2 2 环隙传热特性 环隙的换热结构具有换热效率高，设备尺寸小等特点。具有环隙几何结构的换热 6 北京化工大学硕士研究生毕业论文 器广泛应用于工业与民用设备中，如电导设备的冷却，制冷，空调和核工业等等。大 量学者通过在一定直径范围内对小环隙进行研究，发现其传热特性较普通的换热结构 有着较大的不同。由此，针对环隙几何结构热交换效果的影响因素的研究大量开展起 来。如图1 3 示环隙的几何结构图，多数有关环隙特性的研究都是以环形套管构成， 所谓环隙是指外管与内管之间的间隙。与普通套管不同的是，内外管之间的间隙非常 小。 l ugv 5 1 】等实验研究了以水为工作介质的水平套管环隙传热现象。实验结果表明 环隙传热特性不同于其他套管对流换热器。从层流到湍流的传热效果转变要比普通套 管换热器要早。当雷诺数低于1 5 0 时，轴向的热导率对总体传热效果和传热阻力都有 很大的影响。p e n gx f 5 2 】实验研究了以水为工作介质的方形环隙管道的强制对流传热 特性，其水力直径为o 1 3 3 0 3 6 7r l l r n 。结果表明环隙管道几何构型对单相对流传热和 流动特性均有很大影响。层流的传热效果很大程度上受到水力直径的影响；湍流的传 热效果受流动摩擦力的影响更为显著。a d a m stm 5 3 - 5 4 1 等人实验研究了圆形环隙管道 的传热特性。其中，水力直径为0 1 0 2m l n 至1 0 9r a i n ，雷诺数( i 蛐范围为2 6 0 0 - 2 3 0 0 0 ， 普朗特数( p r ) 为1 5 3 6 4 3 的。结果表明，对流传热系数n u s s e l t 数高于一般圆形管道。 实验关联模型与理论值偏差小于1 8 6 。在此基础上，又实验研究了水力直径为1 1 3 m i l l 的非圆形环隙管道，并得到了环隙当量直径限制的启示性准则。c e l a t agp 等人p 习 实验研究了层流状态下环隙传热特性。实验的研究对象为1 2 0 呻5 2 8 岬的微型环隙 管道，考察流体温度，黏度等流体特性对传热特性的影响。实验结果表明，环隙对流 传热系数( n u s s e l t 数) 随环隙当量直径的减小而减小。 7 北京化工大学硕士研究生毕业论文 图l - 3 环隙几何结构 f i g 1 - 3g e o m e t r i co f a n n u l a r 此外，c e l a t a e 5 6 】还尝试在环隙中加热黏度较高的流体，以测试环隙的传热特性。 并通过数学模型描述了其传热行为，该数学模型的关联误差不超过1 0 。w a h i bo 等 人【57 】实验研究了以r 1 3 4 a 为工作介质的环隙传热特性。实验对象为0 8n l l n ，1 2m m 和1 7t o n i 环隙间隙的同心圆套管。结果表明，在层流区域环隙传热特性明显，且3 种不同的环隙的传热系数不同。w uyw 等人【5 8 】在环隙间距( a n n u l a rg a p ) 为 0 9 5 m m 1 5 m m 的环隙中进行了临界热通量( c r i t i c a lh e a tf l u x ，c h f ) 的研究实验，其 压力范围为0 6 4 2 m p a ，质量流率为6 0 - 1 3 0 k g m 2 。并在内管内表面和外管外表面进 行了传热过程的实验研究，并最终得到了关联效果较好的经验模型。l e ekl 等人【5 9 1 开展了以r - 1 3 4 a 为工质的垂直管环隙临界热通量实验研究，比较了流动阻力对c h f 的强化以及水为工质的环隙实验数据，发现在高温高压的条件下r 1 3 4 a 与水为工质 的的环隙实验数据具有很高的相似度。k i msh 掣删展开了小环隙沸腾传热现象与临 界热通量的实验研究，c h f 随环隙尺寸和进口倾角角度的增大而增大，流动阻力系数 可以对c h f 状态有预测作用。 综上所述，小环隙是一种具有较高传热效率的几何结构，其最主要的缺点是管内 温度过高会引起临界热通量的现象，从而使它的热效率大幅度降低。然而对本研究而 言，经过小环隙的流体处于一直降温的过程，这使其可以有效避免临界热通量的现象。 故，将小环隙的集合结构与具有较高传热效率的降膜传热结构相结合所构成的g a x 双膜分离器是一种具有较高换热效率，传热温差较小的新型分离器。本研究针对这种 特殊的几何结构研究其传热传质特性。 8 北京化工大学硕士研究生毕业论文 1 3 本文研究内容 本研究题目是g a x 循环双膜分离过程传质传热特性模拟和实验研究，研究内容 分为两个组成部分：g a x 循环热集成分析与双膜过程实验研究。热集成分析研究室 在g a x 循环的基础上，本文提出以增设中间再沸器的方法将现有的单效循环机组改 进为g a x 循环。考察中间再沸器的热交换效率、进出口位置和塔内采出流量对精馏 塔操作成本的影响，并对比了增设中间再沸器后，系统的热集成度的变化情况。双膜 过程研究提出了一种新型g a x 系统氨水双膜分离器，其分离侧采用垂直降膜分离过 程，加热侧则采用小环隙强制升膜，整个换热过程为对流换热过程。首先通过以水为 工质的热膜实验验证了小环隙这种特殊的几何结构的传热特性；又通过氨水分离实验 验证环隙操作条件对分离效果的影响。文章考擦了相同降膜条件下，环隙雷诺数，温 度和环隙尺度对传质传热的影响。并归纳出与环隙尺度有关的数学模型。 9 北京化工大学硕士研究生毕业论文 2 1 实验原理及设计 2 1 1 实验原理 第二章关键过程双膜实验 在g a x 吸收式循环中，热交换的效率对循环的传热传质影响非常大，某种意义 上决定了整个循环系统的性能系数。图2 1 表现了基本g a x 循环示意图。图中，e h g 表示有能量输入的发生器，如高温燃料气、烟气和锅炉废热等。s h g 表示溶液加热发 生器，即e h g 发生器的高温出料。g a x g 表示由吸收器吸收放出的热量加热的发生 器。g a x a 为g a x g 提供热源的吸收器。s c a 溶液冷却吸收器。以上这些发生器构 成了g a x 吸收式循环的分离系统。实际上，在单效循环中以上发生器可以看做是吸 收式循环系统的精馏塔。值得指出的是，s h g 发生过程4 5 利用的是e h g 的高温出 料与其进料的温度差而形成的，g a x g 则利用吸收器段和发生器段存在温度重叠而形 成的。g a x 循环的特点是通过内部能量耦合，使得循环的输入热量减少，循环的热 转换效率提高。因此，本文以s h g 和g a x g 依靠内部能量作为热源的发生过程为研 究对象，并称之为关键过程，着重研究此类发生器的几何构型对氨水分离过程传热与 传质的影响。 图2 - 1g a x 循环示意图【2 1 f i g 2 1s c h e m eo fg a xc y c l e 1 0 北京化工大学硕士研究生毕业论文 g a x 循环的能量耦合过程中吸收器和发生器的传热性能对于整个循环效果起到 了极其重要的作用。本研究试图从改变热交换器的几何构型出发，得到较高的热交换 率，从而使关键过程的传热效果和传质效果得到提高。这样有利于降低了g a x 循环 输入能量消耗，提高了循环的性能系数。 降膜传热具有热交换效率高、传热温差损失小、无静压头引起的沸点升高及物料 停留时间短等特点。在各种工业操作以及吸收式制冷热泵机组中的应用非常普遍，因 此本研究的发生吸热过程选用降膜传热。与之相对应的，环隙的换热结构具有换热效 率高，设备尺寸小等特点。具有环隙几何结构的换热器广泛应用于工业与民用设备中， 如电导设备的冷却，制冷，空调和核工业等等。为了提高放热侧的热量利用效率，实 验选用环隙结构强制升膜传热。从而构成了双膜传热实验装置。 2 1 2 实验设计 2 1 2 1 降膜吸热侧的设计 为使流体沿传热面流动，形成液膜，进行换热的热交换器称为液膜式热交换器。 降膜液体是从立式降膜式热交换器的上部管端流入管内，沿传热管内壁形成液膜下流 装置。图2 2 示本研究的立式降膜式热交换器结构图。 图2 - 2 立式降膜式热交换器 f i g 2 - 2v e r t i c a lf a l l i n gf i l mh e a te x c h a n g e r 立式降膜式热交换器的总高度为2 1 8 2m m 。外管、法兰、进料管、出料管和其他 北京化工大学硕士研究生毕业论文 与环境接触的部分的材料是不锈钢材料，焊接连接而成。这些与环境接触的部件外部 均有绝热材料包裹，以减小系统自身的热损失。降膜主体结构长度为1 8 0 0m l n ，外管 为o2 7 x 3 的不锈钢管；内管共设有三个尺寸为别为0 2 0 x 3 ，q 1 8 x 2 和0 1 6 x l ，长度 为2 0 0 0m l i l ，其中测试单元长度为1 8 0 01 1 1 1 1 1 ，材料为导热性能较好的铝合金3 0 0 3 。 环隙由外管与内管之间的间隙构成。在下一节将具体介绍。 为保证测试单元环隙的间隙上下均匀和密封性，在上下法兰与管道接触的位置放 置橡胶o 型圈。降膜