（化学工程专业论文）吸收式循环工质对与gax循环关键过程研究.pdf

北京化工大学硕士研究生毕业论文 吸收式循环的工质对与g a x 循环关键过程研究 摘要 吸收式循环是采用混合工质对构成的热转换循环，是一项重要的 节能技术。g a x 循环是一种新型高效吸收式循环，得到研究者的广泛 的关注。g a x 循环能量耦合结构复杂，其中吸收器和发生器的传热传 质性能对于整个循环效果起到了极其重要的作用，是整个过程的关键。 以新型循环工质对、吸收式循环模拟分析和关键过程单元结构特性的 研究为重点，本文对先进吸收式循环的开展了研究。 提出利用离子液体作为新型吸收式工质对的吸收剂。离子液体是 一种绿色的介质，本身除了是很多物质的优良溶剂，再加上其高沸点、 低蒸气压等优点，很适合作吸收剂。测定了离子液体 e m i m 】b f 4 和h 2 0 二元体系的比热容数据，并建立了其比热容与温度和浓度的经验关联 式；建立了t f e 一 b m i m b r 为工质对的升温型热泵( a h t ) 循环的工质 物性模型以及循环计算模型，考察了t f e - b m i m b r 为工质对的a h t 循环特性。与水溴化锂体系相比，t f e - b m i m b r 的a h t 循环具有较 宽的工作范围，可以利用更高温度的废热，产出温度更高的蒸汽。 以垂直降膜技术和升膜技术背景为参考，建立了一套间歇法操作 的双膜传热一传质过程实验装置。该实验装置高3 0 0 0 m m ，膜管有效实 验高度2 0 0 0 m m ，内管降膜直径1 6 m m ，外管升膜环隙当量直径1 m m ， 装置耐压1 m p a ，温度测量采用实时显示在线采集并存储。 通过双膜装置进行冷模实验。测定了降液量变化为1 2 5l m i n 一， t 北京化工大学硕士研究生毕业论文 1 7 5l m i n 1 和2 o ol m i n 。1 时，对系统传热性能的影响。并对实验数据 进行模型拟合，在本实验条件下，实验运行稳定，测得温度沿管长分 布的实验值与模拟值平均偏差小于2 o 。计算表明，双膜传热较普通 对流降膜传热的传热系数约可提高2 5 o 。 在冷模实验所得到的传递性质的基础上，开展了降液量为1 5 0 l m i n ，降膜h 2 0 入口温度和升膜冷却水入口温度均为2 1 5 ，逆流 纯n h 3 压力稳定在o 2 m p a 水平下的内部氨水降膜吸收外部冷却水升膜 冷却的热模实验。获得总体温度趋势发展的定性实验结论，即沿管长 温度出现先迅速提升，而后将平稳下降。 结合n h 3 和h 2 0 的物性和相平衡模型，建立了内膜降膜吸收过程 与外膜升膜传热的热质耦合微元微分模型。利用氨水的物性模型和传 质传热模型编程模拟双膜传热过程，给出了数值积分模型的求解过程。 对相似实验条件下的双膜氨水实验系统进行了性能模拟分析。从系统 内部d g 吸收热变化，d q c 冷却负荷变化，d g m 氨吸收量和厂氨饱和气 相浓度的变化情况上分析了系统内部的能量变化情况以及传质的过 程。 为进一步研究以 e m i m b f 4 一h 2 0 和t f e 一 b m i m b r 为工质对的吸 收式循环提供了基础数据和a h t 循环的特性研究参考。双膜传热传 质的方法、双膜实验装置以及双膜热质耦合微元微分模型为进一步研 究g a x 循环吸收解吸过程的能量耦合特性提供了实验研究和理论分 析的基础。 关键词：工质对，g a x 循环，降膜，升膜，实验与模拟 北京化工大学硕士研究生毕业论文 w o r l ( i n gp a i r sa n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a l s t u d yo fg a xa b s o r p t i o nc y c l e a b s t r a c t u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h es o c i e t yw h of o c u s e so ne n e 唱ys a v i n g ，t h e t e c h n 0 1 0 9 yo fa b s o 印t i o nc y c l eh a sb e e ng r e a t l yp a i da t t e n t i o ni nr e c e n t y e a r s g a xa b s o r p t i o nc y c l ei so n eo ft h en e wa b s o 印t i o nc y c l ew i t hh i 曲 e 伍c i e n c y a b s o r b e ra n de v a p o r a t o ro fq 垅a b s o 印t i o nc y c l ea r ei i n p o i r t a n t e l e m e n t so ft h ee n e r g yc o u p l i n ge q v i p m e n t ，w h i c hp l a yak e yr o l eo nat o t a l p e r f o n n a n c eo ft h er e 衔g e r a t i o no rh e a tp u m ps y s t e m t h i sp a p e rs t u d i e s o nt h ec r u c i a ls u b je c t s ：n e ww o r k i n gp a i r s ，s i m u l a t i o no ft h ea b s o 叩t i o n c y c l ea n dp e r f o 珊a n c ea n y l a s i so fm ek e yp r o c e s so fg a xa b s o 印t i o n c y c l e b ys u m m a r i z i n ga n da n a l y s i st h er e c e n tr e s e a r c ho nt h ew o r k i n gp a i r so f t h ea b s o 印t i o nc y c l e ，t h ep a p e ri n t r o d u c e di o n i c1 i q u i da san e ww o r k i n g n u i d t h ei o n i c “q u i dh a ss e v e r a ls p e c i a lc h a r a c t e “s t i cu s e di na b s o 叩t i o n c y c l ea se n v i r o n m e n t a l l yb e n i g nm e d i u m ，s u c ha se x c e l l e n ts 0 1 u b i l i t y ，h i g h b o i l i n gp o i n ta n dl o wv a p o rp r e s s u r e t h eh e a tc 印a c i t i e so fi o n i cl i q u i d s e m i m b f 4 a n di t s a q u e o u s s 0 1 u t i o nw e r em e a s u r e d b y c a l v e t m i c r o c a l o r i m e t e r t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eh e a tc a p a c i t ya n di t s t e m p e r a t u r ea sw e l la sc o n c e n t r a t i o nh a sa l s ob e e nb u i l t s e tu pt h et h e m a l p r o p e n ym o d e l so ft h ei o n i c1 i q u i d a n dt h ec a l c u l a t i o np r o g r a mo ft h e a b s o 巾t i o n h e a tt r a n s f o 彻e ( a h t ) c y c l e b a s e do nt h em o d e l s t h e p e r f o m a n c eo ft h ea b s o 巾t i o nh e a t t r a n s f o r m e rw i t ht h ew o r k i n gp a i r t f e 一 b m i m b rw a ss t u d i e d c o m p a r e dw i t ht h eh 2 0 - l i b ra h ts y s t e m ， t h et f e 一 b m i m b ra h t c y c l ec o u l db eu s e di nab r o a dw o r k i n gc o n d i t i o n a n dh a sh i g ht e m p e r a t u r eo u t p u t t a k i n gt h et e c h n o l o g i e s o ff a l l i n g 行1 ma n dc l i m b i n gf i l ma st h e b a c k g r o u n d ，ad e v i c eh a sb e e ns e tu pw h i c hc o n t a i n saf a l l i n gf i l mp r o c e s s i n s i d ea n daf o r c e dc l i m b i n gf i l mo u t s i d e t h i sd e v i c ei s3 0 0 0 m mh i g ha n d w i t hah e a t t r a n s f e 卜l e n g t ho f2 0 0 0 m ml o n g t h ed i a m e t e ro ft h ef a l l i n g 北京化工大学硕士研究生毕业论文 f i l mi s16 m m ，a n dt h em i c ko ft h ec l i m b i n gf i l mi s1m m t h ed e v i c ec o u l d b e a rt h ep r e s s u r eo flm p a ，a n dc o n t a i n sat e i n p e r a t u r ed a t aa c q u i s i t i o n s y s t e m c a 埘e do u tt h ec o l dm o d e le x p e d m e n ta 1 1 dg o tt h ed i f r e r e n th e a t t 啪s 危r p e r f o m a n c e so ft h ed o u b l e f i l md e v i c ew i t hd i f f e r e n tw a t e rn o wr a t e s o n - s i t ee x p e r i m e n t a lo p e r a t i o ns h o w st h a tt h ep r o p o s e ds y s t e mi ss t a b l e ， t h er e l a t i o n s h i po ft h es i m u l a t i o nd a t aa j l de x p e r i m e md a t ah a sac e n a i n c o n s i s t e n c yt h a tt h ea v e r a g ed e v i a t i o ni sl o w e rt h a n2 a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t ，t h e r ei sa2 5 p e r f b m a n c ei m p r o v e m e n tc o m p a r e dw i t h t h eo r d i n a 哆f a l l i n gf i l mp r o c e s s b a s e do nt h et 啪s f e rp r o p e r t yo ft h ed o u b l e - f i l md e v i c eg o t 矗o mt h e c o l dm o d e le x p e r i m e n t ，t h eh o tm o d e le x p e r i m e n tw a sc a 币e do u ta 1 1 d s i m u l a t e d ah o tm o d e le x p e n m e n tw a sc a m e do u ta tt h ec o n d i t i o n ：f l o wo ft h e f a l l i n gf i l m ，1 5 0l 。m i n “；i n l e tt e m p e r a t u r eo ft h ef a l l i n gf i l m ，21 5 ；i n l e t t e m p e r a m r eo ft h ef o r c e dc l i m b i n gf i l m ，21 5 ；p r e s s u r eo ft h en h 3 ， o 2 m p a aq u a l i t a t i v et e m p e r a t l l r ed i s t 曲u t i o nc u r v ew a so b s e r v e d am o d e lf o rt h ec o u p l i n go ff a l l i n gf i l ma b s o 印t i o np r o c e s si n s i d ea n d f o r c e dc l i m b i n gf i l mh e a t m a s s t r a n s f e rp r o c e s sw a sp r e s e n t e db a s e do nt h e p r o p e n i e so ft h ea m m o n i as o i u t i o na n dt h eh e a t t r a n s f e rm o d e lo ft h ec 0 1 d m o d e le x p e r i m e n t t h ea u t h o rs i m u l a t e dt h ed o u b l e - f i l mp r o c e s sw i t ht h e w o r k i n gp a i ro fn h 3 一h 2 0 ，a n da n a l y z e dt h eh e a ta n dm a s sc h a n g e si n s i d e o ft h es y s t e m t h e s ee l e m e n t sw e r ea n a l y z e d ：a b s o 印t i o nh e a tc h a n g e ，d q x ； c o o l i n gl o a dc h a n g e ，d q 。；f l o wo ft h en h 3a b s o r b e db yh 2 0 ，d 9 m ； c o n c e n t r a t i o no fn h 3i nt h ev a p o rp h a s e ，广 t h i sp a p e ro f f e r st h eb a s i cd a t aa n dp r o v i d e sr e f e r e n c ef o rt h ea b s o 叩t i o n c y c l ew i t ht h ew o r k i n gp a i r so f e m i m b f 4 一h 2 0o rt f e 一 b m i m b r t h e t e c h n i q u e o fd o u b l e f i l m ，t h ed o u b l e f i l md e v i c ea n dt h ed o u b l e 一6 l m m o d e lc o u p l i n gt h e h e a ta n dm a s st r a n s f o rs e tu paf o u n d a t i o nf o rt h e f 0 1 1 0 w i n ge x p e r i m e n ta n dt h ep r i n c i p l ea n a l y s i si nt h er e s e a r c ha r e ao ft h e g a xc v c l e k e yw o r d s ：w o r k i n gp a i r g a xc y c l e ，k e yp r o c e s s ，f a l l i n g f i l m ， c l i m b i n gf i l m ，e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n i v 北京化工大学硕士研究生毕业论文 符号说明 面积，i n 2 比热容，j 茁1 k - 1 传热管直径，m 摩擦系数， 重力加速度，m h - 2 质量流量，k g h 以 比焓，u k 9 1 界膜导热系数，k c a l m 之h k 1 ， w m k - 1 总传热系数，w m k 1 液体的导热系数，w m 。2 k 1 传热管长，m 单位宽度质量流量，蚝m h 1 传热管根数 n u s s e l t 数 压力，k p a 单位时间热量，w 体积流量，l - m i n 。1 质量流量，k g - s 。1 气体常数，妞仰o l ，k 一1 r e y n o l d s 数 面积，m 2 s h e n v o o d 数 温度， 对数平均温差，k 热力学温度，k 流速，m h ，m s 1 质量速度，k g m h 1 总传热系数，w m k 。l 体积，m 3 单位时间功，w 液相质量分数 v i i 彳 邰n厂 g g 矗 砂 k 岛l 胍 p 9 知 足 胎 s 册 ，出 丁 甜 u y 研 北京化工大学硕士研究生毕业论文 y i 希腊字母 万 p 罗 下角标 1 ，2 l ， j l n h l m 0 u t a b s c o n e v a g e n r p v 气相质量分数 状态差值 液膜厚度，m 密度，k g m 。3 黏度，k g m 一h 1 制冷系数 效率 同类状态或物流序号 组分i 或组分j 输入 高温 低温 中温 输出过程 吸收器a b s o r b e r 冷凝器c o n d e n s e r 蒸发器e v a p o r a t o r 发生器g e n e r a t o r 富液r i c hs o l u t i o n 贫液p o o rs o l u t i o n 气相 北京化工大学硕士研究生毕业论文 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己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，均己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：望益日期：塑暨三望兰望 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，在土年解密后适用本 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 日期：塑坌塑塑 日期：一! p 丝芏 裔一隧 刁一型二 牲 檄 微 戮 荆 黼 鼎 o 黪 北京化工大学硕士研究生毕业论文 1 1 课题的研究意义 第一章综述 在全球能源危机的大背景下，减少能耗，保护环境，实现可持续发展，成为 人类面临的最具挑战性的问题之一。近年来能源问题也成为我国国家生活乃至全 社会关注的焦点，日益成为中国战略安全的隐患和制约经济社会可持续发展的瓶 颈。而提高我国能源利用效率水平，研发节能技术则是开发新能源之外最有效、 最直接的解决能源问题的手段之一，也是落实我国节能减排和可持续发展战略的 重要措施【l 】。 我国能源消费最大的用途是工业用能。今后相当长时期内，工业用能仍将在 我国的能源消费中占最大的份额，工业部门节能十分重要。在目前经济技术条件 下，能源利用设备中会产生许多没有被利用的能源，也就是多余、废弃的能源。 它包括高温废气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、高温产品和炉渣余热、化 学反应余热、可燃废气废液和废料余热以及高压流体余压等多种。其中最主要的 是余热，我国在石油化工，轻工等行业中，存在着大量低温位工业余热( 1 0 0 以 下) 。根据调查，各行业的余热总资源约占其燃料消耗总量的1 7 6 7 ，可回收 利用的余热资源约为余热总资源的6 0 。这些余热由于不能被生产工艺过程所直 接利用，大部分都被排放到了环境中，这不仅造成了巨大的能源浪费，而且也造 成了环境的热污染【2 1 。 吸收式循环是采用混合工质对构成的热转换循环。它既可用于动力发生，也可 用于热的温度位改变( 制冷或泵热) ；在民用建筑能源系统、过程加工业的能源网 络等领域有广泛应用，是一项重要的现代能源利用技术【3 】。目前，国内外对于吸收 式循环相关的研究包括应用于循环的新型高效工质对的选择以及循环内部结构分 析和新循环的提出。对上述两个方面的进一步研究对于吸收式循环所对应的制冷 和热泵技术创新具有重要的意义。 1 2 文献综述 1 2 1 吸收式循环的研究背景 吸收式循环技术从最基本的单效、单级循环发展到近年来多效、多级循环， 以及g a x 循环、复叠式循环、吸收压缩式循环等。在不同的工况下，都能够取得 较高的性能系数4 9 1 。 北京化工大学硕士研究生毕业论文 其中所提及的g a x ( g e i l e r a _ t o r a b s o r b e r h e a te x c h a n g e ) 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。a l t e l l l ( r i c he 于19 13 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 收器的排弃热可以被发生器回收利用【1 0 】。这些发现直至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 l l 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 1 】。 基本g a x 循环的描述见图1 1 ，从状态点1 出发，子循环1 2 3 4 5 6 1 构成 的是溶液循环。状态点1 是浓氨溶液进入发生器前的状态，氨浓度为最高，压力 在高压段。在高温热源珀的作用下，浓氨溶液温度不断升高，浓度逐渐变稀。与 此同时，在该热源的驱动下，氨蒸气被分离出来并进入到子循环1 7 8 6 1 的冷凝 器中，然后节流到蒸发器内从外界热源吸收热量蒸发。浓溶液被分离出氨、浓度 降低到一定水平后，从发生器出来，到达状态点3 ，此时变为稀溶液。稀溶液经过 节流后压力降低，变成气液相混合物进入到吸收器中( 状态4 5 6 ) 。从蒸发器中出 来的氨蒸气( 状态点8 ) 在吸收器中被吸收，溶液浓度升高，其饱和温度也相应升 高。 o k 3 o k 山 磊v a ( 瓦) ， ， ， ， ， ， ， ， ? ， ，j t e n l p e r a t u r e 图1 1g a x 循环p - 丁图 f i g 1 1p 丁d i a g r 锄o f g a xc y c l e 在8 0 年代初期，美国能源部资助的3 个项目中，有2 个项目推荐将g a x 循 ， h ， 忑 ，i ，呲 ， 口 ， 北京化工大学硕士研究生毕业论文 环作为高效吸收式热泵的理论基础。近年来，在能源与环境保护的可持续发展政 策的指导下，美国的能源开发计划，依然将g a x 循环技术作为民用供冷与供热领 域的发展重剧1 1 】。在分布式冷热电技术开发与应用方面，日本政府与产业界对g a x 循环技术研发的投入也十分引人注目。8 0 年代中期9 0 年代初期，美国p h n l i p s 公司、t r a l l e 公司和c a m e r 公司，以及r o b u r 公司先后完成了商品化g a x 循环样 机的开发。9 0 年代在德国与荷兰2 0 0 k w 3 0 0 1 ( w 的机组已经投入应用。9 0 年代后 期，日本的大金公司等也分别推出了规模化的类似技术【3 1 。 尽管如此，g a x 循环技术在实际应用领域依然没有得到广泛的展开。究其原 因，z i e 西ef 认为是由于g a x 循环的供冷与供热运行模式的参数差异大，运行操 作弹性使得利用g a x 循环吸收器和发生器的温度滑移重叠的可能性大大减小，导 致循环的实际效率下降。另外，设备成本高也是重要因素。他指出该项技术的研 究与开发比人们预期的要复杂得到1 3 】，其内部过程还需要进一步研究。 传统上认为，适用于吸收式装置的冷媒吸收剂，其工作温度范围应较大，且 要求在工作温度内必须是稳定的。若综合考虑这些，吸收式装置采用的冷媒可以分 为水系、氨系、乙醇系、氟里昂系等四大类。由于早期制冷空调热泵行业广泛采 用氟里昂类，即c f c 与h c f c 类物质对臭氧层有破坏作用以及产生温室效应，由 于禁用和限定，实用化可能性是愈来愈小。 迄今为止，有应用意义的吸收式循环工质对只有“b r h 2 0 和h 2 0 n h 3 两种。 n h 3 + h 2 0 工质对在欧美广为使用，缺点是发生压力太高，需要精馏设备，热效率 低，而且氨本身具有的易挥发、毒性和易燃性的特点。h 2 0 + “b r 工质对使用得较 为普遍，缺点是以水为制冷剂，不能制取0 以下的冷源，腐蚀性强，对设备真空 要求高。这些缺点也就促使人们去寻找更适合吸收式循环的新型工质对。 因此，为提高吸收式制冷热泵机组的热效率，其途径就包括对循环内部关键 过程的分析以及新工质对的研究。 1 2 2 前人研究情况 1 2 2 1 对新工质的研究 人们进行工质对的理论研究的目的，更多在于寻找性能优良的新工质对。其 他国内外工作的报道，也限于直接运用新工质对的应用研究。近年来研究较普遍 的工质分类情况见表1 1 。 北京化工大学硕士研究生毕业论文 醇类 甲醇 t f e ，h f i p 溴化锂，z n b r 2 等 d m e t e g ( e 1 8 1 ) ，n m p ，d m p u 等 氟氯烃类 r 1 2 3 纛1 3 4 a d m e t e g ，d m a c ，d m e t r e g 等 d m e t e g 等 注：l ，4 b u t 锄c d i o l ：l ，4 丁二醇；仃e ：嘣n u o r o e t h 柚o l 三氟乙醇；h f i p ：h e x 胡u o m i s 0 p m p a l l o l 六氟异丙醇； d m e l r e g ：t r i e t l l y l 蜘eg l y c o ld i m e t l l y le t l l 盯四乙二醇二甲醚( 四甘醇二甲醚) ；d m a c ：n ，n - d i m e t h y l a c c t a r n i d e n ，n 二甲醚乙酰胺；n m p ：n - m e t h y l 2 p y 盯o l i d o n en 甲基吡略烷酮；d m e t r e g ( d 吣) ：州e t h y l eg l y c o l d i m c i l l y le t h 盯三乙二醇二甲醚；d m p u ：二甲基丙脲；d m e d e g ：d i e t y l 部e g l y c o ld i m e t h y le t l l e r 二乙二醇二甲 醚 徐士鸣等【1 4 】研究得到了采用t f e t e g d m e ( 三氟乙醇二甲醚四甘醇) 工质 的吸收式制冷热泵循环分析计算所需的各种热力参数值计算式，并分析了此类吸 收式制冷热泵循环。党洁修【1 5 ，16 1 ，钟理【1 7 1 8 】等认为h 2 0 “b r - z n c l 2 c a b r 2 是一种 有应用价值而值得开发的混合工质对，另外还对水甘油，水乙二醇等高温热泵替 代工质进行了定的研究。x us 和l i uy 关于t f e n m p ( 三氟乙醇n 甲基吡 咯烷酮) 体系的工作【19 1 。国外学者如k s t e p h a n 【2 0 】和c o r o n a s 【2 1 】等人均对以 t f e t e g d m e ( 即t f e e 18 1 ) 为工质的吸收循环作过比较深人研究。k a w a d a 【2 2 1 ， k a s h i w a 西，g e l l s s l e 【2 3 1 ，赵宗昌【2 4 】等以t f e e 18 1 为工质对各类吸收式制冷热泵进 行了研究。另外一些国内外相关专家学者的工作致力于传统工质的改进，如针对 l i b r 的腐蚀问题，可采用添加第三种组分的方法，已经有l i b r - z n c l 2 h 2 0 ， “b r c a c l 2 h 2 0 等工质出现。另一方面出现了一些新的工质，如l i c l h 2 0 ， n a o h h 2 0 ，以及p 弘t f e ( 吡咯酮三氟乙醇) 等有机工质。 近年来，有研究者推荐咪唑类离子液体与制冷剂( 如t f e 、r 1 3 4 a 等) 构成吸 收式工质对，并对离子液体的热容、工质体系的饱和蒸汽压等热物性进行了研究。 k i mk ，z i e g l e r l 2 5 】等测量了 b m i m b f 4 与t f e 以及f b m i m b r 与t f e 二元体系 的比热容和不同温度、浓度下的蒸汽压，提出这两种工质对应用在吸收式热泵循 环上具有一定潜力。 s h i n e t tmb 等【2 6 】测量了r 1 3 4 a 在多种室温离子液体中的溶解度和扩散率，对 所得溶解度实验数据进行了非随机二元n r t l 溶解模型关联，并利用修正的 s t o k e s e i n s t e i n 公式对扩散率数据进行分析。 另外，v e r e v k i nsp 等测量取得了乙醇和苯与1 甲基3 丁基咪唑二( 三氟硫) 4 北京化工大学硕士研究生毕业论文 酰亚胺的二元混合物的蒸汽压与活度系数数据【2 7 1 ；z h a 0j i l l 等测量了水醇在离子液 体中的二元或三元溶解度及蒸汽压数据【2 8 】；z l l a l l gz h i h e i l g 等测得了硫酸乙酯1 甲基3 乙基咪唑e m i e s 的热容及其生成焓数据【2 9 】；杨家振等通过实验获得含稀散 金属铟的离子液体e m i m c l 4 和e m i c 在水中的反应溶解热数据【3 0 】等。 离子液体是一种有机盐，它具有热稳定性好，无腐蚀性，几乎没有蒸汽压等 优点。作为一类新型的绿色溶剂在反应催化，萃取和吸收分离等领域的研究极为 活跃。将离子液体用于吸收式循环可以扩展循环的工作温度范围，强化吸收质的 分离与发生过程。含离子液体的适当组合很可能形成新的性能优异的循环工质材 料，具有引人的良好研究潜力。 尽管上述新工质克服了传统工质性能上的一些缺点，但由于人们对离子液体 的研究尚处于初步阶段，其物性数据非常缺乏，因此，这种新型工质离实际应用 还有一定距离，有待进一步研究。而对于离子液体相关体系工质在吸收式循环的 应用研究至今更是未见有文献提及。 1 2 2 2 对循环及关键过程的研究 对于基本g a x 循环，p h i l l i p s 循环结构在g a x 发生器及g a x 吸收器中均采 用汽液逆流，以达到最佳传热、传质工况，但该循环必须用一外加封闭热媒载流 循环，以将g a x 发生器和g a x 吸收器联接起来，并将g a x 吸收器的吸收热通 过热媒流循环传到g a x 发生器【3 1 1 。 m o d a l l l 和h a y e s 于1 9 9 2 年提出了另一种g a x 基本循环结构，此结构省略了 这一外加封闭热媒载流循环，直接将g a x 发生器与g a x 吸收器结合为一体，这 样g a x 吸收器中仍为汽液逆流传热、传质，但g a x 发生器中溶液与冷剂蒸汽间 为顺流传热、传质，然而在g a x 发生器中采用汽液顺流所导致的性能下降可以有 绝热分离器予以补偿。在绝热分离器中进入发生器前的浓溶液先同来自发生器的 冷剂蒸汽逆流接触，使冷剂蒸汽在进入精馏器之前先脱出部分水蒸气【3 】。 在基本g a x 循环的基础上，人们提出了许多改进的循环。例如，s t a i c o c i c im d 提出了p b r g a x 循环( p 0 1 y b r a n c h e dr e g e n e r a t i v eg a xc y c l e ) ，认为p b r g a x 循环比简单g a x 循环效率提高3 0 4 0 1 3 2 】。而e c k s o nd c 提出了v x g a x 循 环( v a p o re x c h a n g eg a xc y c l e ) ，认为v x g a x 循环比简单g a x 循环后者要提高 5 0 以上【3 3 】。o r n l 近年的“h i c o o lr e s e a r c hp r o 料啪”研发工作也是此循环【3 1 。此 外，针对不同工况e 五c k s o nd c 还提出了分支g a x 循环【3 4 】和半g a x 循环【3 5 】。k a n g t y 和a k i s a w a a ，k a s h i w a 西t 介绍了用于废热回收的w g a x 循环1 3 6 j ，并根据工 作状况对三种不同w g a x 循环进行比较，指出了最优操作工况。并最后认为他所 研究的系统不僚可以降低精馏塔加热温度，而且使得系统的制冷系数提高到o 9 北京化工大学硕士研究生毕业论文 1 o 左右。y o n gt k 等研究了四种不同类型的吸收一压缩式q 议循环，分析了它 们的优缺点及应用场合【3 刀。这些不同种类的g a x 循环都是应用( h 气x 基本原理在 不同工况不同应用条件下所提出的一些新型的改进循环，适用于比较特殊工况或 条件下的吸收式制冷循环中。而且对于普遍化的循环内部单元结构，这些研究都 是基于一定假设进行的模拟计算，对实际过程的研究还比较缺乏。 在实际应用和研发过程中，只有美国、日本等少数公司推出了具有一定实际应 用价值的技术，并进行了样机的研制，但是国内鲜有这方面的实验研究或应用技 术开发。g a x 循环能量耦合结构复杂，其中吸收器和发生器的传热传质性能对于 整个循环效果起到了极其重要的作用，是整个过程的关键。对该关键过程进行实 验研究，有必要寻找一种较好的传热方式，能够有效的提高传热效果，从而优化 整个吸收循环的性能。 1 2 2 3 降膜过程的研究 近年来国内外对于降膜式传热、吸收现象开展了很多有意义的工作。降膜传热 作为一种具有传热效率高、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，广泛应用于化工、轻工、化纤、食品加工、海水淡化和医药等 工业部门，在吸收式制冷热泵机组中的应用也非常普遍。因此应用降膜式吸收、 蒸发来强化传热传质过程一直是国内外有关研究的主要着眼点之一【3 8 3 9 】。 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 【4 0 】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 1 】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 j l 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。g r o s s m a n 【4 2 j 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。 y o n gt a ek a n g 掣4 3 】通过实验分析了氨水垂直降膜吸收过程。通过改变气、液 6 北京化工大学硕士研究生毕业论文 不同的特性：包括进口冷却水的流量，进口气、液相的浓度，测定了该过程的传 热传质性能。并对n 1 l s s e l 系数和s h e 刑o o d 系数进行了实验修正。 k y o n g m i nk w o n 等【删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。得出了在逆流中，如果溶液蒸气 的分压力很大的话，传热传质将恶化；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 吸收器的传热传质系数。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 nh w a s s e i l g 一4 5 】等建立了二元气相并流和错流降膜冷却模型，模型考 虑了自然对流扩散系数的影响。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。 s n e g n y 【4 6 】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。为了直接在传热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。 热传质产生了很大的影响。 回流区的产生表示了膜厚的增加，对传 c h 蛐和s e b a l l 【4 刀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 据是目前最常引用的数据，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 l l 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 啪 和s e b a j l 的实验关联式。 北京化工大学的王明华等【4 8 】建立了垂直结构的吸收器实验系统。研究了“c l 水溶液与空气的液气体积流量比和溶液初始浓度对垂直降膜结构吸收器性能的影 响，发现垂直降膜结构的吸收器优于鲍尔环填料结构的吸收器。 中国科学技术大学的程文龙【4 9 】等对风冷垂直管降膜吸收器及其传热传质问题 进行了研究，提出了风冷吸收器的设计方案，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。并在此基础上，对风冷垂直单管内溴化锂 水溶液吸收过程的传热、传质问题进行了数值研究，得出了一些基本结论。 大连理工大学的刘艳丽等【5 0 】对垂直管内t f e n m p 降膜吸收过程中热质传递 进行了试验研究，建立了单根管吸收试验台以研究t f e n m p 降膜吸收过程中热、 质传递规律。 为模拟降膜吸收器吸收过程中的热、质传递情况，应该根据降膜溶液的不同流 态提出不同的物理数学模型。由于常用吸收式制冷系统一般均处于固定状态，溶 7 北京化工大学硕士研究生毕业论文 液靠自身重力沿壁面流下，因而吸收器内溶液沿吸收管壁的流动大多呈光滑层流 或波动层流状态，极少有湍流状态出现。相应地，所建立的吸收模型也大都针对 光滑层流及波动层流的情况，只有少数研究者考虑了湍流流动情况。 目前，各国学者建立了各种理论模型研究降膜吸收过程的传热传质机理，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。等 膜厚层流吸收模型认为相对于溶液降膜流量，吸收量很小，可忽略不计，降膜溶 液的膜厚不变，速度剖面引用n u s s e l t 凝结降膜流动的分析解【5 1 】；能量方程与扩散 方程中认为沿降膜流动方向的速度分量引