（热能工程专业论文）波纹板片上溴化锂溶液降膜吸收过程的强化传热传质研究.pdf

东南大学硕士学位论文 波纹板片上溴化锂溶液降膜吸收 过程的强化传热传质研究 摘要 由于节能和环保的需要，溴化铿吸收式制冷机得到越来越广泛的应用。燃气 型演化锂制冷机采用的燃料( 柴油、天然气等) 是高品位能源，而目前普遍使用 的双效溴冷机性能系数c o p 偏低。解决问题的出路之一是三效化，因为二效燃 气型溴冷机可比双效机组节省约3 0 的燃料。目d 扩三效燃气型溴冷机尚未达到商 业应用的关键问题是由于其高压发生器中工质温度提高后，溴化锂对普通金属材 料的腐蚀性剧增，同时温差热应力也更大，而采用耐高温腐蚀的优质材料( 如钛 等) 制作高压发生器传热管元件盼成本又太高，难以商业化。另一方面，澳化锂 制冷机组紧凑性已成为反映机组性能和厂家技术水平高低的主要指标。但传统溴 化锂制冷机大多采用铜材料制作的管式换热器，其紧凑性指标偏低。 板壳式换热器具有板式换热器高效、紧凑和管壳式换热器灵活、应用范围宽 广的特点，且其具有材料消耗少，成本低、耐腐蚀等优点，是解决燃气型溴化锂 吸收式制冷机三效化和紧凑化问题的钥匙。 本论文围绕一种新型交叉双尺度波纹板片组成的板壳式吸收器进行研究，这 种新型传热元件的相邻板片的竖直大波纹相互顶靠，形成曲折的板内通道和菱形 板外通道，可强化板内侧冷却水的对流传热，而其水平小波纹则可对布膜的溴化 锂浓溶液和冷剂蒸汽产生连续的扰动，使液膜分布均匀，传热传质得到强化。 降膜式吸收过程是一类传热传质相互耦合的复杂过程，其机理迄今仍未被人 们完全认识，丽在连续的波纹板片上与在间断的管柬上的降膜传热传质问题有着 较大的差别，因此有必要对这方面进行专门的研究。本文正是通过理论和实验计 算两方面来分析波纹板片上的强化吸收传热传质问题。 本文在分析了溴化锂溶液降膜吸收器传热传质特点的基础上，考虑了吸收过 程中传热传质的相互耦合、板片结构参数的影响，建立了溴化锂溶液在波纹板片 上降膜吸收冷剂蒸汽的传热传质数学模型，并进行了数值汁算，得出了液膜内速 东南大学顾一l 学位论文 度、温度和浓度分布，分析了影响传热传质效果的因素，揭示了传热系数、传质 系数随喷淋密度的增大，而稍有增大的规律。 由于吸收过程影响因素的复杂性，进行实验研究是一种有效而可靠的手段， 为此建立了能进行各种板片的吸收实验的实验台，不仅研究了双尺度波纹板两种 小波纹尺寸参数对吸收过程中的传热传质的影响，面且与普通波纹板和，1 2 板的性 能进行比较，并对结果进行了讨论。实验误差在工程允许范围之内。 关键词：强化传热；交叉双尺度波纹，板壳式换热器，溴化锂吸收制冷，下降液 膜 东南大学硕士学位论文 s t u d y o ne n h a n c e m e n to fh e a ta n dm a s s t r a n s f e r d u r i n ga b s o r p t i o n p r o c e s sw i t h f a l l i n g f i l m a q u e o u s l i b rs o l u t i o no n c o r r u g a t e d p l a t es u r f a c e ab s t r a c t f o r e n e r g yc o n s e r v a t i o n a n de n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n t h el i b ra b s o r p t i o n c h i l l e r s h a v eb e e nw i d e l yu s e d t h eo i lo rg a s e o u sf u e lu s e di nl i b ra b s o r p t i o nc h i l l e r si so f h i g he n e r g yl e v e l h o w e v e r , t h ec o po fo r d i n a l d o u b l e - e f f e c t i v el i - b ra b s o r p t i o n c h i l l e r sj sr e l a t i v e l yj o w o n eo ft h ea l t e r n a t i v es o l u t i o n st ot h ep r o b l e mi st om a k e t h e c h i l l e r st r i p l e e f f e c t i v e , b e c a u s et h ef u e ic o n s u m e di nt r i p l e - e f f e c t i v el i b ra b s o r p t i o n c h i l l e r si sa b o u t3 0p e r c e n tl e s st h a nt h a ti nd o u b l e - e f f e c t i v eo n e sa tp r e s e n t , t h em a i n r e a s o nt h a tt r i p l e e f f e c t i v eg a sf u e l e dl i - b ra b s o r p t i o nc h i l l e r ss t i l lh a v en o tr e a c h e d c o m m e r c i a le x t e n ti sd u et ot h e h i g hc o s to ft h ea n t i c o r r o s i o n m a t e r i a lw i t ht h e i n c r e a s eo ft e m p e r a t u r ei nl l i g h p r e s s u r eg e n e r a t o ro f t h ec h i l l e r , t h el i - b rs o l u t i o n s h o w sm o r es e v e r ec o r r o s i o ne f f e c tt on o n n a lm e t a lm a t e r i a l s a n dt h ee x p a n s i o ns t r a i n o fc o m p o n e n tp a r t sd u et ot e r n p e r a t u r ed i f f e r e n c ei sa l s om o r ea c u t e i tw i l 】l c a dt o e x t r e m e l yh i 曲c o s tt h a ta d o p t i n ga n t i e o r r o s i v ea n dh i 曲t e m p e r a t u r e p r o o f m a t e r i a l s u c ha st i t a n i cf o rh e a tt r a n s f e rs u r f a c e si nh i g hp r e s s u r eg e n e r a t o r s o nt h eo t h e rh a n d ， t h ec o m p a c tf e a t u r eh a sa l r e a d yb e e ns o u g h ta so n eo ft h em a i ni n d e x e so fl i b r a b s o r p t i o nc h i l l e r st or e f l e c tt h et e c h n o l o g yl e v e l so f m a n u f a c t u r e r s a n dt h u sr c v e a i t h e i rc o m p e t i t i o nc a p a b i l i t i e s n e v e r t h e l e s s ，t h et r a d i t i o n a lc h i l l e r sc o n s t r u c t e dw i t h t u b e - s h e l lh e a te x c h a n g e r sc a n n o ts a t i s f yt h ea b o v em e n t i o n e d r e q u i r e m e n t sw e l l t a k ea d v a n t a g eo ff e a t u r e ss u c ha sh i 曲e f f i c i e n t , c o m p a c ti ns t r u c t u r e , l e s s m a t e r i a le o n s u l e i p t i o n ，l o wc o s ta n da n t i c o r r o s i o no fp l a t e s h e l lh e a te x c h a n g e r s ，i ti s o p t i m i z e t h a tc o m p a c ta n d t r i p l e - e f f e c t i v eg a s f u e l e dl i b f a b s o r p t i o nc h i l l e r sm i 曲t b e r e a l i z e d t i nt h i sp a p e r , r e s e a r c hi sf o c u s e do nt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rf e a t u r e sd u r i n g a b s o r p t i o np r o c e s s o nt h et w o - s c a l ec o r r u g a t i o n p l a t e s u r f a c e so fp l a t e - s h e l lh e a t e x c h a n g e r s t h i sn e wk i n ds t r u c t u r eh a sv e r t i c a ll a r g ec o r r u g a t i o n sa n dh o r i z o n t a l s m a l lo n e s w h i c hc a ne n h a n c et 1 1 ec o n v e c t i o nh e a tt r a n s f e ro f c o o l i n g w a t e ra ti n t e m a l p l a t ec h a n n e ls i d ea n d m a k et h el i q u i df a l l i n gf i l mu n i f o n n l yd i s t r i b u t e da n dt u r b u l e n t b yt w i s t i n gp a t h ，s ot h a tt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sa tb o t hs i d e sc a nb e e n h a n c c dw h i l es u f f i c i e n tf l o wa r e af o ra d e q u a t er e s i s t a n c er e q u i r e m e n ti sa l s om e t s i n c et h ef a l l i n gf i l ma b s o r p t i o np r o c e s si sac o m p l i c a t e do n ew i t hc o u p l e dh e a t a n dm a s st r a n s f e rii,tsm e c h a n i s mi sn o tf u l l yu n d e r s t o o ds of a r , i t s q u i t ed i f f e r e n ti n i v 东南人学硕士学位论文 h e a ta n dm a s st r a n s f e rf o rf a l l i n gf i l ma b s o r p t i o no nt h ec o n t i n u o u sc o r r u g a t e dp l a t e s a n do ns e p a r a t et u b eb a n k s , t h u se x t e n ts t u d yo nt h es u b j e c ts h o u db en e c e s s a r y i n t h i sp a p e r lt h e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h e so nt h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ro n c o r r u g a t e dp j a t es u r f a c e s a r ec a m e do u t b a s e do nt h ea n a l y s e so fh e a ta n dm a s st r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c so fa q u e o u s l i t h i u mb r o m i d es o l u t i o nf a l l i n gf i l ma b s o r p t i o na n dc o n s i d e r a t i o no fs o m ep r a c t i c a l f a c t o r sa n dp a r a m e t e ro fd l a t e s ，m a t h e m a t i c a lm o d e i so ft h eh e a ta n dm a s st r a n s f e ro f f a l l i n g f i l m a b s o r p t i o n o nt h e c o r r u g a t e dp l a t e s a r ee s t a b l i s h e da n dn u m e r i c a l c a l c u l a t i o np e r f o r m e d ，t h er e s u l t sf o rv e l o c i t yp r o f i l e ；t e m p e r a t u r ea n dc o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t t o nf i e l d si a s i d et h ef i l ma r ep r e s e n t e d , a n da l s ot h ei n f l u e n c eo fs o m ef a c t o r s o nh e a ta n dm a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d n ec a l c u l a t i o nr e , s u l t sr e v e a it h a t h e a tt r a n s f e rc u e f l i c i e n t 、m a s st r a n s f e rc u e f f i c i e n t h e a tt r a n s f e rr a t ea n dm a s st r a n s f e r r a t ew i l la l li n c r e a s ew i t l lt h es p r i n k l ef l o w f i n a l l y , s o m ec a l c u l a t i o nr e s u l tc h i v e so f t h eh e a ta n dm a s st r a i l s f e rc o e f f i c i e n tv e r s u st h es p r i n k l ef l o wa r ep r e s e n t e d t ov c r f yt h ec a l c u l a t i o nm o d e l sa n dt h er e s u l t s as e r i e so fe x p e r i m e n t sa r e p e r f o r m e d ，d u f f n gw h i c h t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rp e r f o r m a n c eo ns u c h p l a t e sa sw e l l a so nt h ec o n t r a s t e do r d i n a r yc o r r u g a t i o np l a t e sa n dp l a n eo n e sw e r ec o m p a r e da d i 腩r e n t s p n n k l ef l o w s t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa r cp r e s e n t e d , a n dd i s c u s s i o n p e r f o r m e d ，t h e e l t o g sa r ec o m p a r a t i v e l ys m a l la n dw i t h i nt h e e n g i n e e r i n g a l l o w a n c e k e yw o r d s ：h e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n t ；t w o - s c a l e c r o s s w i s e c o r r u g a t i o n ； p l a t e - s h e l lh e a te x c h a n g e r ；l i - b ra b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n ；l i q u i df a l l i n gf i l m v 东南大学碳：l 学位论文 主要符号表 英文字母 f 溴化锂溶液的溶剂质量浓度， 矿 无量纲y 轴方向速度： k g m 3 g溴化锂溶液的入口溶剂质量浓 度， k g m 3 o比热容，j k g k 以溴化锂溶液的质扩散系数， 职= 3 1 j 0 册2 s ， 传热面积， b , 1 2 岔 吸收量， k g s g溶液喷淋量， k g s 沿流动方向一个节距距离 m p压力，p a j x 方向节点数 u ， y 方向节点数 膏 传热系数，k w m 2 k m 单位面积吸收量， k g m 2 s m 质量，妇 ，1 温度 瓦叛内冷却水平均温度，： 溶液在板片顶部入口温度，： 咒环境温度， l 双尺度波纹板长，m ： 3 喷嘴管中心线到传热板片顶部 的距离， m 无量纲工轴方向坐标； y 无量纲y 轴方向坐标： ( ， 无量纲工轴方向速度； “ 方向的速度， ”方向的速度， m s m s 心 板内冷却水侧放热热阻 m 2 k k w 托 单位板长的板壁导热热阻， g 重力加速度， 希腊字母 溴化锂溶液的动力粘度，k g m s ； 溴化锂溶液的导热系数， w m k ； r 溶液的喷淋密度，k g m s ： 传质系数，田s ； d 角度 掌溶液中溴化锂的质量分数， k g k g 万 液膜厚度，m i l l ： p密度，k g m 3 ： 护 无量纲温度； 国 无量纲浓度； 乞溶液在板片顶部入口质量分 数，k g k g 第一章绪论 第一章绪论 1 1 论文研究的背景和意义 1 1 1 换热器“以板代管”潮流和节能节材的板壳式换热器 换热器是石油、化工、机械、冶金、造纸、船舶、动力、纺织、食品、医药， 城市集中供热等工业生产过程中。泛应用的设各。换热器的主要型式有管壳式、 螺旋管式、螺旋板式、板翅式和以波纹板片为换热元件的板式、板壳式换热器。 后面的几种板型换热器具有结构紧凑，强化传热效果突出等优点，在中等压力以 下的应用场合正逐步取代传统的管壳式换热器。 板壳式换热器足由板束和壳体组成的换热器l 】j ，它与板式换热器相比较主要 有以下几点区别，首先是密封方式不同，前者采用焊接密封，后者则一般是可拆 型的，密封垫片是其薄弱环节，限制了它的使用温度、压力和密封性能。其次是 板壳式换热器具有敞开的板外侧通道。板壳式换热器的板内侧流体的流动和传热 方式与板式换热器中的流体类似，另一侧流体的流动方式则因板外通道是敞开的 而比较灵活，既可强迫流动传热，又可实现液膜传热传质过程，如冷凝、蒸发、 发生和吸收等过程。而对于板式换热器来说，由于两侧流体都要通过板片上的导 通孔，流量就受其尺寸限制，一般不适合用于两侧流体容积流量相差较大的场合， 更无法在传热面上分布液膜，故不能用于需要靠液膜传热传质的过程。与传统管 壳式换热器相比，板壳式换热器容易实现逆流传热，热回收率高。此外，由于板 壳式换热器不存在折流板与管子支撑处的振动疲劳损坏问题，自身的波纹可吸收 热膨胀应力，因而有较长的使用寿命和较低的维修费用。所以，扳壳式换热器适 应各种过程的灵活性远优于板式换热器，而共传热传质的效率则又优于管壳式换 热器。出于板壳式换热器具有许多优点，在国外的应用程度已相当普遍，国内的 开发研制工作目前也正逐步展开。 1 i 2 溴化锂吸收式制冷机紧凑化、二效化要求迫切 随着现代科学技术的发展和社会物质生活水平的提高，空调已成为现代化的 标志之一，需求剧增，形成新的消费热点。同时，节能和环保的要求越来越强烈。 溴化锂吸收式制冷机( 简称溴冷机) 采j f j 水和溴化锂作为工作介质，不含对臭氧 层有破坏作用的传统致冷剂氟氯烃化合物( c f c ) ，并且可以利用工业余热，属于 环保型制冷装置，故倍受人们的青睐，国内外在近二十年来发展十分迅速，成为 大型公共建筑中央空调的主选设各之一。随着“西气东输”工程的实旌，将为燃 气型溴冷机带来更好的应用条件和新的机遇。但是，燃料( 柴油、燃气等) 是高 品位能源，而目前普遍使用的双效溴冷机中工质的最高工作温度只有1 6o l7 0 ， 性能系数c o p 偏低。解决问题的出路之一是三效化，因为三效燃气型溴冷机可 比双效机组节省约3 0 的燃料，考虑发电效率后其能量利用系数将略高于压缩式 制冷机。目前国内外都在对三效燃气型溴冷机攻关，但尚未达到商业应用程度。 东南大学硕士学位论文 所暴露的关键问题是由于三效燃气型溴冷机的高压发生器q 。工质温度提高后，澳 化锂对普通金属材料的腐蚀性剧增，同时温差热应力也更大，而采什j 耐高温腐蚀 的优质材料( 如钛等) 制作高压发生器传热管元件的成本又太高，难以商业化。 因此，本文通过对溴冷机中换热器结构的研究，探索解决问题的新思路和i 新途径。 溴化锂制冷机组作为中央空调的主机，用户总是希望在满足其它性能的条件 下，体积和重量越小越好，以减少机房的面积和建筑费用。在寸土寸金的商业楼 字更是希望能使机组安装在楼房的顶层、地下窒或中问层，这就对机组的紧凑性 提出了更高的要求。紧凑性已成为反i 畎厂家技术水平高低的主要指标，成为厂家 间相互竞争，争夺市场份额的主要手段之一。溴化锂吸收式制冷机是热交换器的 集合体，换热器传热面的性能直接关系到整机的性能，传统的溴化锂吸收式制冷 机的各个换热器大多采用卧式布置的管壳式换热器结构，其传热面一般使用铜 管。国内外对纵槽管、花瓣管、斜槽管等各种强化传热管进行了大量研究和开发 应用。膨刚强化传热技术后，目前，先进厂家生产的溴化锂制冷机的体积、重量 指标已 f ：初期降低一半。但是，管壳式换热器固有的结构特点决定了在日前已经 采用了强化传热管的基础上很难再有重大的突破，因此不行豳黼光转向更为紧 凑的板型换热器。板型换热器主要包括板式、螺旋板式、板翅式j 板壳式等。其 中只有板壳式换热器是唯一可能替代管壳式换热器用于溴化锂制冷机的板型换 热器，因为板壳式换热器是一类由板柬和壳体构成的换热器，它具有与管壳式换 热器相类似的通流截面较大的壳侧通道和空间，并有分布液膜的良好条件。 板壳式溴冷机的其它优点： ( i ) 除了紧凑外，传热效率高也是板壳式溴冷机的突出优点。不仅板内流体在 波纹板通道内流动可大大增强对流换热系数，而且可以通过采用双尺度波纹使板 外侧流体的换热系数也得到强化，因而板壳式换热器的总体传热系数可比管壳式 换热器提高2 5 - - 4 0 以上。 ( 2 ) 耐腐蚀，寿命氏：传热板片由耐腐蚀的不锈钢材料制造，可确保澳冷机有 较长的使用寿命。此外，高发管子与壳体不同的热膨胀而造成泄漏历来是溴冷机 棘手的老大难闯题，在板壳式澳冷机中则因波纹板弹性好而迎刃而解。今后随着 滨冷机j 由三效化发展，普通材料将因溴化铿的高温腐蚀问题而难以胜任，采刚彳i 锈钢材料的板壳式换热器将更显得有用武之地。 ( 3 ) 制造成本较低：板壳式溴冷机虽然采用优质不锈钢材料，但其制造成本却 可以比现有管壳式溴冷机更低。其原因在于：不锈钢板材比无缝铜管的单位重 量价格约低2 0 ；由于板片较薄，且不锈钢比重比铜小，按面积算，0 6 m m 厚 的不锈钢板与1 i f l n l 厚的铜管的材料重量之比为0 5 3 倍，壳体材料也因紧凑而消 耗较少；板壳式换热器的传热效率高于管壳式，完成相同任务的换热器的传热 面积可减少：板壳式换热器传热面t 要采用电阻焊接，质量可靠，机械化程度 较高，且不消耗焊条、焊剂和惰性气体，有利于降低制作费用。计算表明同样规 格的机组可i 坶低成本1 4 1 3 ，为销售价格的降低腾出j 空问。不仪使产品行：市场 竞争中处于有利位置，而且有可能拓展住宅小区等新的应用领域。 此外随着油价的大幅提高，对三效直燃型溴冷机的研制和实用化已迫在眉 睫。利用板壳式换热器在节省材料和耐高温腐蚀方面的优势进行研制有可能赢得 第一章绪论 先机。 2 吸收器中传热传质研究现状 溴化锂水溶液吸收器中进行的是复杂的传热传质过程，影响吸收器中传 热传质的因素又很多，如喷淋溶液的浓度、温度和喷淋密度，冷却水的流量和温 度，吸收器中的压力以及传热管的排列方式、管径、壁厚、表面情况等都直接或 问接地影响着吸收器的性能。而吸收器性能的好坏又影响着机组的造价和运行的 经济性。因此，如何优化吸收器的设计，改善吸收器中溶液的吸收效果，提，每吸 收器性能，是目前吸收器研究所面临的一个重要课题。 早在1 9 3 4 年，g r a e t z 和n u s s e l t 就推出了忽略沿流动方向扩散时的古典吸收 公式，此后又有许多学者在挣种假设的情况下，对其模型进行j ，改进和分析汁算， 为后人进一步研究降膜吸收的机理打下了基础。1 9 4 0 年，g y a z o v o f 2 1 在巍豫魄基础 上，提出了等温降膜吸收的模型可以粗略地估算吸收过程的传质系数。1 9 6 7 年， o l b r i c h 和粥耐称v y 啦o v o 的理论推广到几种典型几何形状的物体寝面上的 层流降膜吸收过栏；j ：警同年，r o t e m 和嬲5 瓜d p 】进一步考虑_ ：r 沿流动方向上的扩 散对吸收过程的影响，指出当r e 1 0 0 时，该扩散相可以忽略不计。之后( 1 9 7 1 年) ，j a m i r 和7 h i r e 研究1 r 汽液界面存在一个定量传质阻力的情况。1 9 7 2 年， l a m o w r e l l e 和s a n d a l l f 4 1 对紊流下降膜吸收过程进行了研究，1 9 7 3 年，c h a v e n 等 还研究了非牛顿流体的传质情况，以上研究的共同特点是只研究质量的传递过 程，没有考虑热量的传递过程对吸收性能的影响。 七十年代一 | 期，才有有关研究吸收器中传热传质同时进行的文章发表。日本 的井上修行分析了溴化锂溶液沿定壁温竖壁f 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 r 比较。松田晃等建立了竖壁上二 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足利用连续方程和 动量方程联立求解的，因此结果存在一定误差。 1 9 8 0 年，m 和& a g r a c e 分析r 变物性下的降膜吸收过程。作者假设温度沿 膜厚呈线形分布，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 g ，d 哪m 册【5 1 研究了斜壁上层流降膜流动时的吸收过程。其中假设吸 收溶液总量与膜厚近似保持不变，并利用理论和数值计算方法分别对模型进行求 解。1 9 8 4 年，g r o s s m a n 又用类似的方法研究了斜壁上紊流降膜流动时的吸收过 程。1 9 8 7 年，l ：k a , v h i w a y i 研究了表面活性剂对强化传热管外降膜吸收的影响。 1 9 8 8 年，u l d h o l m 考虑了降膜流动过程中液膜波动对传热传质的影响； 丑z ( 二v a n d e r w e k k e r 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。1 9 9 1 年，m h o z a w a 等研究了表面活性剂 产生的马兰戈尼效应对溴化锂溶液吸收水蒸汽的影响。1 9 9 3 年，r 一可以也用计 算和实验的方法对降膜式吸收器进行了研究。 我国在吸收器吸收机理方而也开展了许多工作。蔡小荣【6j ( 1 9 8 4 年) 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。周兴禧、尉迟斌等( 1 9 8 6 年) 将g g r o s s m a n 方法推广到水平圆管外， 东南大学硕士学位论文 得到了数值解。唐劲松( 1 9 8 7 年) 提出了一种修正的降膜吸收过程的物理数学模 型，模型中考虑了横向对流项对传热传质的影响。王长庆1 7 j 利用p a t a n k a r - s p a l d i n g 边界层处理方法，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。但在以上数学模型的建立和计算中，都忽略了物性 参数随温度和浓度变化的影响，而在实际吸收过程中由于液膜内各点的温度和浓 度不同，因此物性参数也不同；而各点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。 东北工学院的王凯旋，张如一对液膜在真空状态下吸收水蒸汽的特性进行了 实验分析，并把液膜的传热传质整理成无因次形式：n u 彤，删和励i 解e 7 对于管型，由于水平光管束降膜吸收传热传质系数小，吸收效果不理想，吸 收器结构偏大，目前国内外逐步采用多种强化管型。刘存芳( 1 9 9 6 ) 弘1 对水平斜 槽管外的降膜吸收过程进行了数值求解和实验分析研究。 日本霉洋电机株式会社研究出花瓣管，总传热系数比光管大3 0 以上，管外 传热传质膜系数大4 0 。日本野世源等研究出纵槽管，与光滑管比较。传热量大 3 0 ，传质系数大2 0 。 此外，近年来国内外还进行了立式降膜吸收器的实验研究，结果表明，传热 传质系数较水平管显著提高。 1 3 本文工作简要介绍 本文建立了与溴化锂水溶液吸收器的实际情况近似的波纹板片传热传 质物理数学模型，该模型考虑了流动传热、传质以及物性变化的互相影响。采用 有限差分计算方法和计算程序，对所建立的双尺度波纹板数学模型中的控制微分 方程进行数值计算。在计算中，将溶液的密度、比热等看作是温度和浓度的函数， 用澳化锂溶液物性参数与温度、浓度和压力等有关参数的关系式逐点计算液膜中 各物性参数值。并对计算出的双尺度波纹板外液膜内速度、温度和浓度分布以及 传热传质情况进行了分析，还讨论了一些冈素对双尺度波纹板传热传质情况的影 响，并对平板、斜波纹板以及双尺度波纹板的传热传质系数进行了对比分析。 建立了溴化锂水溶液吸收实验台，并且对平板、普通斜波纹板和双尺度 波纹板进行了传热传质的对比实验，并根据实验中的具体参数，用上述程序进行 了计算。实验结果和计算结果总的趋势是一致的，误差在工程应用允许范围内。 第二章板壳式换热器及其降膜吸收过程的强化传热传质机理 第二章板壳式换热器及其降膜吸收过程的 强化传热传质机理 2 1 板壳式换热器和板壳式溴冷机 板壳式换熟器早期的型式与管壳式很相似，只是用板片缝焊成的扁平的扳管 代替圆管而已。这种换热器虽比管壳式换热器紧凑，但由于板管还足平滑的直管， 从强化传热的角度还远远不够。 波纹板壳式换热器有2 种主要结构型式，板管型和导通孔型p l 。图2 l 表 示了板管型板壳式换热器芯子的结构示意图，图2 2 则为导通孔型板壳式换热 器芯子的结构示意图。两种不同的板壳式换热器型式各有优缺点，前者的板管与 齿形连接板之间的焊接工艺比较麻烦，但由于不受导通孔直径的限制，在总体布 置方面比较简洁；而后者的焊接工艺较容易。这两种类型都可作为溴冷机的换热 器型式。为了整体布置方便和美观，吸收器、蒸发器等换热器宣采用扳管型。 图2 一l 板管型板壳式换热器芯子示意图图2 - 2 导通孔型板壳式换热器芯子示意图 溴冷机是热交换器的集合体2 创，换热器传热面的性能直接关系到整机的性 能。市场上现有的溴冷机的各个换热器均采用管壳式结构，体积庞大，传热效率 较低，己成为溴冷机进一步向三效化和紧凑化发展的瓶颈。在几种紧凑型换热器 中，可拆式板式换热器不适合作为溴冷机的换热器，焊接式板式换热器则可以作 t 为溶液热交换器；螺旋板式换热器虽然可以实现液膜型传热传质，但若干个圆柱 形换热器难以组合成紧凑的机组；板翅式换热器主要靠肋片传热，优质耐腐蚀材 料往往导热系数较差，不适合作为肋片，所以尽管也有可能用于小型溴冷机中， 但难以在大型机组中应用；唯有板壳式换热器才真正可以替代管壳式换热器用于 溴冷机。板壳式澳冷机的方案是将溴冷机的所有换热器都采用板壳式换热器p j 。 板壳式换热器是由波纹板束和壳体组成的、集板式换热器高效率和管壳式换热器 灵活性两者优点的换热设备。由于板壳式换热器具有与管壳式换热器相类似且通 流截面较大的壳侧通道和空问，并有连续分布液膜的良好条件，是唯一可以替代 管壳式换热器用于溴化锂制冷机的紧凑型换热器。由于- 车l s t j 过程比较容易，板材 比相同材质的无缝管子价格便宜得多，加上从强度角度由于相邻板片的波纹之间 东南大学坝士学位沦义 柑互顶靠使得受力条件较优，故可采用较薄的材料，同时由于结构紧凑而使得简 体尺寸也相应减小，加上板壳式换热器制造工艺机械化程度较高，焊接质量主要 是由机器来保征的，适合于批量生产，因而可节省材料、降低生产成本。以板壳 式换热器取代传统管壳式换热器用于溴冷机，将使机组重量和体积比目前最紧凑 的机组下降3 0 左右，且可降低制造成本。特别是紧凑和材料消耗少的优点，可 在制造成本得到控制的情况下将钛板等具有耐溴化锂高温腐蚀的材料作为传热 面应用于三效燃气型机组的高压发生器，伎溴化锂高温腐蚀的难题也迎刃而解。 图2 - 3 板壳式双效蒸汽型溴冷机的流程示意图 h g ，l g 一高压、低 压发生器，c 一 冷凝器，a 一吸收 器，e v 一蒸发器， h e l e 一高温、低 温热交换器， c e 一凝水热交换 器，g p 一发生泵， e p 一蒸发泵，1 一 挡液板，2 一真空 隔板，3 一传热板 片 图2 - 3 为本人的导师陈亚平老师所设计的板壳式双效蒸汽型澳冷机的流程 示意图【】o l 。所有换热器都采1 j 板壳式换热器，且都呈卧式布置。 板壳式溴冷机与传统的管壳式溴冷机只是换热器型式不同，并未从制冷原理 上根本改变，因而是可以实现的。 由于吸收器是溴冷机中最大的换热器，对吸收过程的强化传热进行研究的意 义更大。在吸收过程中，强化的方向是使液膜分布均匀并尽量延长液膜的逗留时 间。根据高效强化吸收管水平纵槽管的结构，设计了交叉双尺度波纹板的方 案( 如图2 4 所示) ，大波纹主要起让蒸汽进入传热面的通流作用，而小波纹 则起增强扰动效应，使液膜分布均匀并尽量延长液膜的逗留时间的作用。由于板 外流体不需要沿板片纵向流动，故大波纹无需倾斜布置，这为模具制作带来方便， 板外侧相邻大波纹的脊线互相顶靠形成竖直的菱形通道：而板内侧则是波流型通 道，即流体在基本平行的波流型板片通道内流动。 本论文将围绕交叉双尺度波纹板吸收器方案，进行理论和实验研究。 第三章板壳式换热器及其降膜吸收过程的强化传热传质机理 图2 4 吸收器和其它液膜型换热器的波纹板传热面 2 2 降膜吸收过程分析 溴化锂溶液的吸收过程是一个传热传质互_ 卡f l 耦合互相制约的复杂过程i j ”。 由于溴化理所吸收的冷剂蒸汽是商浓度的单组份，吸收剂较少，浓度高，一般已 接近其饱和浓度，所以溴化锂水溶液吸收水蒸汽的过程与化工中常见的吸收过程 不同，不能简单地套用化工吸收过程的理论和方法，来解决这样的吸收过程。 溶液半衡理论指出，在一定的温度和压力下，当吸收剂( 溶液) 与被吸收 气体( 水蒸汽) 接触时，气相的被吸收物质不断的向液相转移，同时液相中的被 吸收气体也不断的向气丰l j ；i 转移。当气相物质向液相转移的速度大于液相向气相转 移的速度时，就称为吸收，反之就称为解析。当气液两相的浓度不再变化时，就 达到相际的动平衡，此时的溶液浓度称为平衡浓度，溶液四周的被吸收物质的胍 力称为平衡压力，溶液处于平衡状态。溶液处于平衡状态，不会发生宏观的传质 过程。 根据传质理论，吸收过程的传质对动力时溶液周围水蒸汽的平均分压力只 和与溶液浓度、温度相对应的水蒸汽的饱和压力只之差。要使吸收过程能不断进 行，就必须使得鼻小于只。溶液吸收了水蒸汽之后，浓度降低，温度升高，与 之相对应水蒸汽的饱和压力置也随之升高，当e = 只时，吸收过程就不能继续 进行了，因此必须靠板内流动的冷却水来降低溶液的温度，以此降低溶液中水蒸 汽的饱和压力，从而保证吸收过程的继续，直到溶液从吸收器中排出为止。可见， 在整个吸收过程中，冷却水的温度流量与传热传质效果是密切相关的。 东南大学硕士学位论文 溴化锂溶液的蒸汽分压表示为： p a = p a 。( 1 一x s ) p a 给定温度下纯组分水的蒸汽压 x 。澳化锂溶液浓度 当气楣中水蒸气压力与溶液的水蒸气分压棚等时，溶液是平衡状态，也即 溶液的浓度不再变化。由于这种平衡意昧者水蒸汽分压与浓度的一一对应关系， 所以在某一温度下，对应一系列浓度，就会有与之相应的一系列分压存在，反映 在压力浓度图上，可得到一条直线，称为平衡曲线。 溴化锂溶液吸收水蒸汽的过程同时也是一放热的吸收过程，由于吸收中吸 热的作用使溴化锂溶液温度升高，吸收能力下降，为了进一步促进水蒸汽的吸收 过程，常常利用冷却介质使溶液进行冷却，所以，吸收过程同时也存在着热的传 递。 相际传质过程中，有三个传递过程： ( 1 )传递组分从一相的主流部分到相界面： ( 2 )传递组分穿过相界面，到达第二相： ( 3 )传递组分到第二相的主流部分； 重 菱 羹 相界面 气膜! 液膜 p 1 l ，| | 气相主流 p 2c 2 液相主流 、 e l 图2 - 5双膜理论示惑图 这三个传递过程的传质阻力之和即为相际传质的总传质阻力。用惠特曼的 双膜理论来解释气体吸收过程相际传质的机理，如图2 - , 5 ，其基本论点如下： ( 1 )气液相之间有界面，相界面两旁具有两层稳定的气、液薄膜，不管 液相中组分a的浓度 第二章板壳式换热器及其降膜吸收过程的强化传热传质机理 气液主流流动状态如何，两膜总呈滞流状态。 f 2 )两膜以外的气、液两相主流，由于流体的充分流动，没有任何传质 阻力。因此在相际传质过程中，传递组分先必须阻稳定分予扩散的 方式出气相主流依次穿过气膜，相界面，溶解后穿过液膜，而后进 入液相主流。 f 3 )在相界面上，传递组分在气、液两相中的浓度已达到平衡，相界面 本身无传质阻力。 ( 4 )尽管气、液两膜很薄，却为主要的传质阻力所在。 双膜理论主要优点是将复杂的相际传质过程简化成通过汽液两膜的稳定分 子扩散过程，在此理论的基础上，下面将对传热传质耦合的吸收过程进行数值摸 拟。 单相中的质量传递过程依赖子分子扩散和对流传递，这样流场的变化就对 质量传递过程有着重要的影响，同时质量的传递反过来又影响流场的分布，而热 量的传递也通过使溶液或水蒸汽的物性发生变化来影响流场，并通过使传质推动 的变化影响传质的大小。在传质推动的作用下，水蒸汽不断地由气相向液相转换， 结果使溶液的浓度不断地发生变化，从而在液膜中形成浓度梯度，导致液膜中的 质量传递。同时，伴随着水蒸汽由气相向液相的转移，放出大量的吸收热，使得 汽液界面处的温度升高，而由于冷却水的作用，传热管壁面上溶液的温度较低， 从而在液膜中产生温度梯度，导致液膜内的热传递。而液膜中的浓度和温度的变 化又改变了溶液的平衡压力，从而改变了传质推动力，最终又对质量传递和热量 传递产生影响。 由上所述可知，吸收器中的过程包含着自然现象中普遍存在的因浓度( 分压 力) 、温度和动量三种小平衡而引起的传输过程，它们相互影响，是一种极为复 杂的过程。吸收器中的热力过程是吸收式制冷循环中的关键过程。作为热交换设 备，它的热负荷最大，且其体积与金属耗量也最大。为了提高吸收效果，对于喷 淋液流量、降膜流态及其分布、传热板面排列及传热而的几何形状、尺寸等，以 及这些因素之问的优化匹配关系，都是一些重要而复杂的因数。它们对于减小机 组尺寸、降低其金属耗量、提高l i b r 吸收式制冷机的经济性有重要的作用。简 单的逻辑可以明了：实现吸收是过程的目的，传热则是保证吸收过程完成的必要 手段。 可见，l i b r 吸收过程主要表现为