（动力工程及工程热物理专业论文）不同浓度溴化锂溶液层流降膜传热性能实验研究.pdf

heat transfer performance experimental study on different concentrations of lithium bromide laminar falling film a thesis submitted to chongqing university in partial fulfillment of the requirement for the degree of master of engineering by shi-ji gong supervisor: associate prof.cheng-ming shi major: power engineering and engineering thermophysics college of power engineering of chongqing university april, 2008 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 i 摘 要 节约能源和保护环境是人类一切活动中面临的两大关键问题。溴化锂吸收式 制冷机在环境保护方面的优势已被公认,具有广阔的应用发展前景，但其充分利用 低温热源的潜力尚未得到充分发挥,本课题针对气体类低品位热源驱动的溴化锂- 水溶液吸收式制冷而提出采用竖管内降膜的发生器，其特点是溴化锂溶液薄液膜 在竖管内自上而下流动，气体热源在外部加热，便于加装肋片实现强化传热。 溴化锂机组发生器在不同浓度运行工况下的传热性能，历来是人们所关注的 焦点问题，对此我们进行了溴化锂机组降膜发生器不同进口浓度的传热性能实验 研究。根据对溴化锂物性和降膜流动的特点，设计固定进口液位下的实验工况范 围：热流密度 w q为10kw/m225kw/m2,溶液进口浓度 in w为50%58%。 本文通过量纲分析得出体积流量与 re 数的关联式，对一定液位下同一布膜器 的进口流量进行了标定，得到了进口流量与进口温度、溶液运动粘度间的关系式 0.15940.3643 0.0196vt。实验得到了不同浓度、热负荷下的降膜发生传热系数、放 气范围、冷剂蒸汽产量。实验结果表明，在层流降膜时，降膜传热系数随溶液进 口浓度升高而减小，随热流密度增加而增大。放气范围和冷剂蒸汽量随浓度升高 而减小，随热流密度增加而增大。 对实验所测数据进行分析处理，通过多元线性回归，得到层流(re500)降膜时 传热系数关联式： 0.80580.2422 77.3469 minw hwq 通过显著性检验，方程的 f 值是 106.6097，复相关系数 r 为 0.9624，回归方 程的计算值与实验值的偏差在5.01%之间，方程具有较强的显著性。 本实验研究具有工程适用背景，实验得到的竖管内降膜发生器传热系数的方 程式可以为工程设计提供参考。 关键词：溴化锂溶液，竖管，降膜，发生器，实验研究 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 ii abstract energy conservation and protection of the environment are the two key issues in all human activities.it is recognized that the lithium bromide absorption chiller has some advantages in the field of environmental protection.but its full potential for using low-temperature heat source has not yet been fully played,and it has broad application prospects for future development.this topic proposes the generator with falling film in the pipe riser in view of the gas claxx low-grade heat source actuations lithium bromide-peroxide solution absorption type refrigeration. its characteristic is the lithium bromide solution thin fluid film flows from top to down in the pipe riser.and the gas heat source is a external heat source.in this way,it is advantageous for the addition rib piece to realize the strengthened heat transfer. the lithium bromide unit generators under different density operating condition heat-transfer property,is always the focal point question which the people pay more attentions.regarding this,we carried on the lithium bromide unit to fall the membrane generator different importing density in the heat-transfer property experimental study.according to analyse the characteristic of the lithium bromide unit and the falling film fluent,we design the fixed importing fluid position experiment operating mode scope:heat flux is10kw/m225kw/m2,solution import density is50%58%. this article obtains the rate of volume flow and the re number connection type through the dimensional analysis.the membranes importing current capacity is also identified,and obtained the relationship of the importing current capacity and the intake temperature,the solution kinematic viscosity: 0.15940.3643 0.0196vt.the experiment obtained the falling film heat transfer coefficient,the deflation scope,the freezing mixture steam output under the different density and the heat load.the experimental result indicated that the falling film heat transfer coefficient reduces,when the heat flow density increases in the condition of laminar falls.the deflation scope and the freezing mixture steam quantity increases along with the density reduces and increases along with the heat flux obviously increases. this paper analysed the data measured.through the multi-dimensional linear regression,we obtain the heat transfer coefficient connection type when the laminar falls film (re500): 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 iii 0.80580.2422 77.3469 minw hwq . through the significance examination,the value of f and duplicate correlation coefficient r in the equation is 106.6097 and 0.9624 respectively.the deviation of predicted value and the actual value of the regression equations is 5.01%, the equation has a strong significance. this experimental study is suitable to the practical project.the equation of the heat transfer coefficient of the fall membrane generator in the pipe obtained by the experiment obtains can provide the reference for the engineering design. keywords: libr/h2o solution,vertical tubes,falling film,generator,experimental study 重庆大学硕士学位论文 目 录 目 录 中文摘要中文摘要 . 英文摘要英文摘要 . 主要符号表主要符号表 . 1 绪论绪论 . 1 1.1 课题背景课题背景 . 1 1.2 降膜发生特点及降膜发生器降膜发生特点及降膜发生器. 3 1.2.1 降膜发生特点 . 3 1.2.2 降膜发生器 . 4 1.3 降膜发生传热的研究进展降膜发生传热的研究进展. 6 1.3.1 降膜传热的理论研究 . 7 1.3.2 降膜传热的实验研究 . 8 1.3.3 降膜传热的应用研究 . 12 1.4 降膜发生有待解决的问题降膜发生有待解决的问题. 14 1.5 本课题的主要工作本课题的主要工作. 15 2 实验内容和流程实验内容和流程 . 16 2.1 实验研究的目的实验研究的目的. 16 2.2 实验原理实验原理 . 16 2.3 实验装置介绍实验装置介绍. 17 2.3.1 实验装置 . 17 2.3.2 实验装置中主要部件及作用 . 18 2.4 实验工况的设计和调节实验工况的设计和调节. 22 2.4.1 实验工况的设计 . 22 2.4.2 实验工况的调节 . 22 2.5 实验测试实验测试 . 22 3 实验数据的测量及处理实验数据的测量及处理 . 24 3.1 实验溶液特性及参数实验溶液特性及参数. 24 3.1.1 溴化锂溶液物性 . 24 3.1.2 实验溶液参数 . 25 3.2 数据测量数据测量 . 25 3.2.1 实验数据的测量 . 25 3.2.2 实验测量仪表 . 26 重庆大学硕士学位论文 目 录 3.2.3 实验中应注意的问题 . 27 3.3 数据处理数据处理 . 27 3.3.1 传热温差t . 27 3.3.2 传热系数的计算 . 28 3.3.3 热平衡分析 . 28 3.3.4 误差分析 . 30 4 实验结果与分析实验结果与分析 . 32 4.1 实验现象分析实验现象分析 . 32 4.1.1 趋于稳定的变化曲线 . 32 4.1.2 干烧现象 . 33 4.2 流量的测量计算流量的测量计算 . 34 4.3 不同浓度流量与不同浓度流量与 re 数关系数关系 . 36 4.4 影响降膜发生传热性能的因素影响降膜发生传热性能的因素 . 38 4.4.1 浓度对降膜发生传热系数的影响 . 38 4.4.2 热流密度对降膜发生传热系数的影响 . 38 4.5 不同工况下的放气范围不同工况下的放气范围 . 39 4.6 不同工况下的冷剂蒸汽量不同工况下的冷剂蒸汽量 . 41 4.7 降膜发生器与沉浸式发生器传热系数对比降膜发生器与沉浸式发生器传热系数对比 . 42 4.8 实验值与模拟值的比较实验值与模拟值的比较 . 43 4.9 降膜发生传热系数关联式回归降膜发生传热系数关联式回归 . 44 5 结论结论 . 46 5.1 工作内容总结工作内容总结 . 46 5.2 研究成果总结研究成果总结 . 46 5.3 课题发展前景课题发展前景 . 46 致致 谢谢 . 48 参考文献参考文献 . 49 附录：附录：a 溴化锂溶液物性方程溴化锂溶液物性方程 . 52 b 作者在攻读硕士学位期间发表的论文作者在攻读硕士学位期间发表的论文 . 55 重庆大学硕士学位论文 主要符号表 主要符号表 a 面积, m2 降膜厚度,m cp 比热,j/(kgk) 导热系数,w/(mk) d 质量扩散系数,m2/s 溶液的动力学粘度,pas di 垂直圆管内径,m 溶液的密度,kg/m3 g 重力加速度,m/s2 表面张力,n/m h 总传热系数，w/(m2k ) 运动粘度,m2 /s h+ 无因次传热系数 单位管周边质量流量,kg/(ms) hg 水蒸气的汽化热,kj/kg x 相邻两界面间纵向距离,m hm 降膜平均传热系数,w/(m2k) y 相邻两界面间径向距离,m i 电流，a 热扩散率, m2/s 下标 l 竖直管长,m a/a 水 mev 蒸发速率,kg/s b/b 溴化锂 min 降膜管入口液相质量流量,kg/s ev 蒸发 mout 降膜管出口液相质量流量,kg/s in 进口 nu 努谢尔特数 m 平均 p 压强,mmhg out 出口 pr 普朗特数 s 饱和 q 体积流量,ml/s eq 气液平衡 qw 热流密度,w/m2 w 管壁 re 雷诺数 rec 临界雷诺数 t 温度, k u 电压，v u 平均流速，m/s u 纵向速度,m/s v 径向速度,m/s w 溶液质量百分比浓度,wt% x 距入口处纵向距离,m y 距管内壁面的径向距离,m 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题背景 能源是国民经济的基础,能源作为最基本的资源,制约着整个国民经济的发展, 目前世界各国在内部和对外能源利用方面都作了重大调整,制定了适当的能源对策, 由于现代化大生产和现代化生活对能源的巨大需求,能源问题已成为世界各国在制 定经济发展对策及实施经济发展方案时首先要考虑的问题。我国是一个能源资源 相对贫乏的国家, 人均资源占有量仅为世界平均水平的1/2 ,而能源利用水平仍然 很低,能源平均利用效率仅为32%,低于发达国家10到20个百分点1。如果能将我国 的能源利用率提高到中等发达国家的水平，每年节约的能源折算标准煤上亿吨， 由此可见我国有巨大的节能潜力。 在高效发电技术方面，冷热电联产(cchp，combine cooling heating0y =，u=v=0 通过一系列变换，最后可以得到： 1/3 2.4 () g u = (1.5) 王永福等人30提出了二元溶液在垂直圆管中降膜发生的传热传质耦合数学模 型及其相应的数值解法。该模型考虑了传质对传热的影响，但是没有考虑径向速 度和膜厚的变化对传热传质的影响。 王长庆等人31建立了溴化锂水平管降膜式发生器溶液发生过程传热传质的数 学模型，该模型考虑了流动、传热与传质同时进行相互耦合的特点，对不同布液 方式下的液膜流动初速进行了修正，对模型进行求解，并建立了实验台对降膜式 发生器的传热传质进行实验。该模型是针对水平管降膜，不适合用于垂直管降膜。 目前，国内外对溶液降膜蒸发的理论研究方面，以bryan c. hoke 和john c. chen32对二元溶液降膜蒸发过程的研究较为全面，他们联立动量方程、传质方程， 通过数值方法求解出了传质系数。 胡慧莉33-34在bryan c.hoke的模型基础上加入能 量方程，建立了溴化锂溶液在垂直圆管中降膜蒸发的数学模型，通过数值模拟， 得到了溴化锂溶液降膜发生传热系数，并根据模拟数据得到了相应的准数关联式： h=1.1161re-0.3159,将模拟数据与相关关联式比较， 发现模拟数据较chun和seban关联 式平均要小20%左右，说明溶液中传质效果对传热具有不可忽略的影响。 1.3.2 降膜传热的实验研究 关于液膜的流动，有关专家学者己经做了一定的研究。经过实验观察及分析 表明，由于自由面的存在，膜内运动可以有多种不同状态，其基本类型可以概括 为层流、波动层流、湍流及波动湍流等。而区分流型的一般参数仍然是雷诺数re： rel u = (1.6) 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 9 其中的特征尺寸是液膜厚度，特征速度是液膜截面上的平均速度u。当 rel3050时，产生了波动的流动状态，在液膜中除了前进运动外，还出现波动。 表面出现波动时，波峰处的膜较厚，该处可能变成局部湍流区域，波向下游移动， 较厚处膜的速度大于层流膜的速度，造成波中的扰动，波通过后，膜又回到层流 状态，不会发展或过渡到湍流。当rel=250500时，层流将转变为湍流。在湍流状 态下，雷诺数比临界值大很多，但是液膜中相当厚的一部分仍将是具有层流性质 的“粘性底层” 35。 对于降膜蒸发器液膜侧传热性能的实验研究，很多研究者做过这方面的工作， 并得到了不同的实验关联式:chun和seban、fujita和ueda、赵起、邓鸿等等。比较 有影响的实验关联式是chun和seban得出的关联式。 chun和seban36以水为工质， 对垂直管电加热外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，得到的实验关联式 如下: 波纹层流区(rel3200)： 0.40.65 0.0038repr l h+= (1.8) 以上二式是在电加热不锈钢垂直管外表面进行降膜蒸发传热得到的。实验管 上部安装有烧结金属制成的多孔管式液体分布器以使液膜沿管壁均匀流下，实验 管子尺寸为28.60.1mm，有效加热段长292mm，热通量的范围为829kw/m2, 进口液膜雷诺数rel为32021000， 料液水的饱和温度为28.3100oc， 实验中无泡核 沸腾发生，在式(1.7)中考虑了汽液界面波动的影响。 由于此关联式是在蒸发量很小的情况下得到的，因此该传热系数关联式不能 用于蒸发量很大或液膜内有泡核式沸腾的情况;另外，由于此关联式未能考虑二次 蒸汽的影响，所以在rel很大时，计算值比实验值低。 fujita 和 ueda37等人也曾进行了电加热不锈钢管外降膜蒸发传热实验，在进 口段安装了 70mm 长的多孔管液体分布器，液体从管内透过多孔管流到管外，从 而沿管外壁环向均匀流下。其管径为 160.93mm,管长分别为 0.6 和 1m，在热通量 为 3070kw/m2范围内，对于大气压下的水也得到了与 chun 和 seban 相类似的结 果： 层流流动： 0.22 0.9reh+ = (1.9) 湍流流动： 30.4 6.0 10reh+ = (1.10) 其关联式与chun和seba的关联式比较，均是对纯水降膜蒸发的实验结果，且 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 10 都没有计入二次蒸汽的影响，但关联结果比chun和seba的关联高10%。第六次国 际传热会议认为chun和seban的关联式较为准确。 fagerholm38在长度为0.775m的蒸汽加热管外进行r114降膜蒸发实验，在 pr=4.2，remax=1000时，得出实验关联式： 0.31 0.026reh+= (1.11) 以上研究得出的传热系数关联式大都没有考虑二次蒸汽对液膜传热系数的影 响，而工业上应用的降膜发生器多为长管的管内蒸发，并且发生量较大，此时二 次蒸汽的影响是不可忽略的，故将这些结论应用于实际生产中是有一定误差的。 赵起39等人对长达 4m 的垂直管内的降膜发生传热特性进行了实验研究，研 究发现二次蒸汽对垂直管内降膜发生传热系数有明显影响，同时得到了湍流时的 传热系数实验关联式为： (1.12) 赵起等人在总结前人实验经验的基础上，改小型的降膜发生传热研究为在较 大的降膜管内进行传热研究，并计入了二次蒸汽的影响，为以后的研究奠定了基 础。 在对垂直管内引入载气时对传热性能产生影响的研究方面，孙平40等人研究 了在垂直管内引入饱和蒸汽时的湍流降膜发生传热，实验研究表明：管内引入饱 和蒸汽后，可提高传热系数的 1215%，降低液膜厚度 1020%，而对液膜传热温 差无太大影响，并且得到了相应的实验关联式： 3/123 . 0 23 . 0 3 prrere10462 . 2 lg h = (1.13) 栾善东41等人对在垂直管内引入惰性气体时的湍流降膜发生传热进行了实验 研究，结果表明，惰性载气的引入，起到了强化降膜发生传热，降低壁面过热度， 提高传热系数的效果。 schnabel 和 schlunder42综合分析了几位研究者的数据得出： 1/3 1.428re la h + = re3200 (1.15) 22 1/2 ()() latur hhh + =+ 400re3200 (1.16) 但各实验关联式有较大差别，这可能主要是实验条件不同引起的。 chen 和 palen43在研究中进一步发现，传质阻力对传热系数的影响不仅取决 于传热机制(表面蒸发或者核状沸腾)，而且取决于溶液的沸点范围(泡点和露点温 12 . 0 36 . 0 1 33 . 0 17 . 0 28 . 0 3 prrere1017 . 2 = l g g lg v h 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 11 度之差)。palen 等人以乙二醇水溶液为工质进行实验研究后发现，对宽沸点范围溶 液而言，传质阻力对传热系数的影响是非常严重的。 philipp adomeit 等44在雷诺数 re=27200 的条件下，采用特制的显微粒子成 象系统测量了降膜内的速度分布，采用荧光技术测量膜厚，进而详细分析降膜过 程的速度场以及降膜波的运动和形状特性。在实验中观察到当 re=75 附近时，首 先出现条纹状波动，并随 re 数增大向波涌状降膜转变的现象；当 re=200 时，波 形已经完全不能稳定。 齐和发和沈吟秋45选用在工业生产中较有代表性的物料：甘油、葡萄糖和硫 氰化钠的水溶液，在不锈钢光滑管上进行了发生实验，实验结果表明，不同的工 质具有不同的发生特性，不仅如此，而且混合物浓度对传热系数有明显的影响。 虽然他们的结论是在水平管降膜发生实验基础上得出的，该结论很可能也适用于 垂直管降膜发生。 表 1.1 另外几种实验条件下垂直管内降膜发生传热系数实验关联式 table1.1the additional formulas for calculating the falling film generation heat transfer coeficient 作者 实验关联式 实验条件 herbert46 *0.40.28 0.06954relht= 电加热管内常压水降膜蒸发 d=24.08mm,l=2.44m q=1580kw/m2,rel=500030000 邓鸿47 *0.1640.220.33 0.0049rerepr vl h = 蒸汽加热管内水降膜蒸发 d=22mm,l=1.55m,q=1790kw/m2 rev=330020000,rel=200010000 shmerler48 *0.350.95 0.0038reprh = 电加热管内水降膜蒸发 d=25.4mm,l=781m pr=1.755.4,re=500037500 struve49 0.41 0.0078reh+= 蒸汽加热管内 r11 降膜蒸发 l=0.251.25m,d=32mm remax=9000,pr=4.12 胡慧莉、徐灿君33-34对竖管内溴化锂溶液降膜发生进行了数值模拟和实验研 究，但仅限于对降膜式发生器的可行性研究和浓度为49.5%溴化锂溶液实验研究。 对于溴化锂吸收式制冷机组而言，不同工况运行时，溶液的浓度也不同，所以对 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 12 不同浓度的溴化锂溶液降膜发生换热系数的实验研究，对降膜式溴化锂机组的设 计有重要的指导作用。 由上述的研究结果可知，在液膜雷诺数较小时，大多数实验研究证明可以忽 略二次蒸汽的影响；在液膜雷诺数较大时，二次蒸汽对传热系数有一定影响，但 是其影响机理还有待研究。目前，国内外对溶液降膜发生的实验研究方面，主要 以chun和seban的研究较为全面。其实验得出的换热关系式也广为研究者采用。其 它的实验条件及关联式见表1.1。 1.3.3 降膜传热的应用研究 由于降膜发生具有传热系数高，传热温差损失小，易于实现多效操作等优点， 降膜发生器在化工、轻工、化纤、食品加工、海水淡化、医药、污水处理及核工 业部门得到了广泛的应用。 降膜发生在实际应用上，主要是提高降膜发生器的传热系数，研究高效的降 膜发生器。从降膜发生总传热系数计算式考虑8: 0 0 111 i i b rr kaa =+ (1.17) 式中： 1 k 传热热阻，k总传热系数，w/(m2k)； 0 1 a 管外侧蒸汽冷凝的热阻， 一般较小， o a为蒸汽的冷凝对流传热系数， w/(m2k)； b 一加热管壁热阻，b为蒸发管壁厚，为管壁材料导热系数，w/(m.k)； i r一管内液体侧垢层热阻，(m2k)/w； 1 i a 一管内液体对流换热的热阻， i a 为对流换热系数，w/(m2k)； r。一管外侧垢层热阻，(m2k)/w； 表面蒸发管壁热阻与管子的材料和壁厚有关，一般管壁热阻较小，可忽略， 因而对总传热系数影响最大的是垢层热阻、管外侧蒸汽冷凝热阻和管内液体的对 流换热热阻。垢层的形成机理非常复杂，发生器往往在运行一段时间后都需要进 行除垢或者在溶液中加入微量的除垢剂，以阻止在传热面上形成垢层。从以上分 析可知提高管内、外液体对流传热系数及减轻结垢是提高总传热系数的主要的途 径。 通过实验研究及分析，影响降膜发生传热系数的