（热能工程专业论文）吸收式热变换器过程模拟与优化研究.pdf

大连理丁大学硕士学位论文 摘费 摘要 本论文以北京燕山石化公司上的国内第一套吸收式热变换器 ( a h t ) 系统为r ：程背景和研究对象，建、z 了包括吸收器强化传热传 质、过程模拟和有限时间热力学在内的分析于段，并存此基础上 发 出了模拟优化软件a s s ，最后利用工，一的实测数据对软件的计算结果 进行了测试和对比，具体工作： 1 本文对光滑管和d a c 双侧强化管的热、质传递实验数据进行了 比较和分析。实验表明，d a c 强化管无论是在传热方面还是在传质方 面，均明显优于光滑管，是一种高效的传热传质加强管。通过这些数据 得出了一些有用的强化传热、传质的结论，f 司时也为整个a s s 软件系 统中吸收器部分的过程模拟计算提供了可靠的理论依据。 2 对吸收式热变换器( a h t ) 的基本原理和行为特征在系统层次 上进行了分析，进而根据质量平衡、能量 ，衡和相平衡方程对系统进 亍 数学表述，建立了系统的过程模拟模型，外提了a h t 吸收循环数学 模型的求解机制。在此基础上，利用v b 集成丌发环境，展丌了a f i t 吸收循环系统模拟优化软件的丌发工作，并丌发出软件a s s ，实现了过 程模拟优化计算，包括：过程模拟、热力学分析和比供热率优化等计算 模块。 3 建立了溴化锂吸收循环的热力学分析和评价手段。在首先利用 热力学第一、二定律分析方法的基础上，建立了吸收式热变换器的理想 联合卡诺循环模型，然后针对经典热力学分析方法的不足，利用了当前 很流行的有限时间热力学分析手段，建立了a h t 系统内可逆联合卡诺 模型，根据热变换器的功能、投资等方面的特点，导出了吸收式热变换 器比供热率与操作参数、比供热率与热力学性能系数的优化体系。 关键词：吸收式热变换器：优化；模拟；传热；吸收器 大连理t 大学硕卜学位论文a b s t r a c t a b s t i - a c t t h ef i r s ts u c c e s s f u li n d u s t r i a la p p l i c a t i o no fa b s o r p t i o nh e a tt r a n s f o r m e r f a h t ) h a sb e e np u ti n t op r a c t i c ei ny a n s h a np e t r o c h e m i c a lc o r p o r a t i o ni n c h i n a o nt h eb a c k g r o u n do ft h i se n g i n e e r i n g t h et h e s i ss e t su pt h em e t h o d so f a b s o r b e r se n h a n c e dh e a ta n dm a s st r a n s f e r , p r o c e s ss i m u l a t i o na n df i n i t et i m e t h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i s t h em a i nr e s e a r c hw o r ki sf o l l o w e da s ： 1 i nt h et h e s i s p l a i nt u b ea n dd a ct u b ea r es t u d i e dt h r o u g hc o m p a r i s o n a n da n a l y s i so ft h e i re x p e r i m e n t a ld a t a t h er e s u l t so fc o m p a r i s o na n da n a l y s i s s h o wt h a tt h ed a ct u b es u r p a s s e st h ep l a i nt u b eo nt h ea s p e c t so fn o to n l yh e a t t r a n s f e rb u ta l s om a s st r a n s f e r t h e s ed a t aw i l lh e l pu st os e tu pt h er e l i a b l e t h e o r i e sp r o v i d e df o rt h ep r o c e s ss i m u l a t i o nc a l c u l a t i o no fa b s o r b e ri nt h e w h o l es o f t w a r es y s t e m 2t h ep r i n c i p l ea n db e h a v i o rf e a t u r eo fa h tw a sa n a l y z e do ns y s t e m1 e v e l t h es y s t e mi sd e s c r i b e dm a t h e m a t i c a l l yo nt h eb a s i so fm a s sb a l a n c e ，e n e r g y b a l a n c e a n dp h a s ee q u i l i b r i u mt h em o d e lo fp r o c e s ss i m u l a t i o no ft h ea h t s y s t e mi s s e tu d t h es o l u t i o ns y s t e mo fm a t h e m a t i c a lm o d e lo fa b s o r p t i o n c y c l e sw a sp u tf o r w a r do nt h eb a s e ，i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to f v bi su s e dt od e v e l o ps o f t w a r eo fs i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no fa h tc y c l e s y s t e m a t i e rt h es o f t w a r ea s si sd e v e l o p e d i ti s a p p l i e dt o a ni n d u s t r i a i i n s t a n c e ，i n c l u d i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n ，t h e r m a la n a l y s i sa n ds p e c i f i ch e a t i n g l o a df s h l lo p t i m i z a t i o n f u r t h e m n o r e ，as u c c e s s f u lt e s ti sc o n d u c t e dt oc h e c k t h es i m u l a t i o nf u n c t i o n 3 t h em e t h o d so fa n a l y s i sa n de v a l u a t i o no ft h e r m o d y n a m i c so fl i b r - h 2 0 a b s o r p t i o nc y c l e sa r es e tu p f i r s t l y , b a s e do nt h eu t i l i z a t i o no ft h ef i r s ta n d s e c o n dl a wo ft h e r m o d y n a m i c s t h ei d e a ic o m b i n e dc a m o tc y c l em o d e l i ss e t u p s e c o n d l y a i m e da t t h ei n s u f f i c i e n to ft h ec l a s s i c a it h e r m o d y n a m i c s a n a l y s i sm e t h o d t h ep o p u l a rm e t h o d f i n i t et i m et h e r m o d y n a m i c sa n a l y s i si s a p p l i e dt os e tu pt h em o d e lo fe n d o r e v e r s i b l ec o m b i n e dc a r n o tc y c l e f i n a l l y ， t h eo p t i m i z a t i o nr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h es p e c i f i ch e a t i n gl o a df s h l ) a n d o p e r a t i n gp a r a m e t e r sa n db e t w e e ns h la n dc o pa r ec o n d u c t e da c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef u n c t i o na n di n v e s t m e n to fa h t k e y w o r d ：a b s o r p to nh e a tt r a n s f o r m e r ( a h t ) ；o p tmz a to n s i m u i a t i o n ：h e a tt r a n s f er ； a b s o r b e r 符号表 4传热露积，。下标 a c吸收式制冷机 a h t吸收式热变换器 a h p吸收式热泵 c h化1 浮 a h t教收式燕交换器c p d 诧台物 c o p 性能系数 c v敞开系统 e能蛙，艚d 损火 e 1指数 e l e元素 e x，可刚能，有效能k j ， “可川能 a e x麓，k ji t 罩可逆 4 g ?标准生成自由蚺，肼 可7 k n动能 艘不可逆性，肼 低温热源 k传熟系数，m - 2 k m中溢稳源 m质蜒，蛔 m b c混合物 0传热量， o u t赫比的掳流域能滚 尺通触气体常数 尸片物瑗 s 比熵。嘻7f pt 蓼能 s总滴船r 7 i ；逆过程 a s 熵变，止，= f 。 s y s 系统 s h l眈供熬率，渺m 旃热力学 r温艘k 0环境或低温i ：质 “ 比内，移豫。 ， 中瀑 + 质 v 比体积，m 3 女矿 2高濡l ：质 功彬 x滚秘组分簿尔努装 y 气相组分摩尔分数 希腊字母 y化合物中元素的汁量系数 目热娃辜，纂一定襻效率 目( _ ( 刊效率 f温度矫止系数 第一章绪论 第一章：绪论 第一节：吸收式热泵的发展历史与特点 一、发展历史 随着工业的发展，人类对能源的需求和依赖性越来越大。能源的消费和 使用情况也成为衡量人类社会经济发展和人民生活水平的一个重要标志。人 类所主要依赖的传统能源总量快速减少与人类社会对能源的需求不断的增跃 之阳j 的矛盾已经成为遏制经济发展和社会进步的两个重要因素。因此， 丌发新型可再生能源和寻求现有能源转换利用的最优途径已成为从科 研部门到政府，乃至全社会关注的问题。 作为溴化锂吸收式热泵a h p ( a b s o r p t i o nh e a tp u m p ) 的理论依据的吸收 循上不技术始于2 0 世纪中叶。这种循环技术在实际应用中，能量转换和用能 结构优化方面的优势越来越明显。此后该技术在美、同等国的研发进展迅速， 在多效制冷循环、吸收式热泵、热变换器、吸收压缩循环等方面得到应用。 但由于世界能源价格的影响，加之有氧条件下溴化锂对金属材料的腐蚀问题 未得到很好的解决，所以溴化锂吸收技术的实际应用在2 0 世纪6 0 年代一度 走入了一个低谷，但随后的能源价格上涨因素又使人们对吸收式热泵这种高 效节能技术重新引起了重视和加大了投入，在1 9 7 6 年美国b c l ( b a f f l e c o l u m b e r l a b s ) 首先进行了第一类吸收式热泵( a b s o r p t i o nh e a t t r a n s f o r m e r ， 简称a h t ) 的市场预测，确信a h t 具有实用价值。1 9 8 7 年将1 8 0 t o n s ( 冷吨) 制冷机改装成输出5 8 0 k w 的a h t ，并进行了应用实验。1 9 8 1 年，b cl 与 a c c o ( a d o l p hc o o r sc o m p a n y ) 合作共同丌发较为完善的a h t ，于1 9 8 3 年丌 始f 式成套生产这种装置，将其用于炼油厂、造纸厂和食品加工过程中的废 热回收。此外，美国o a kr i d g e 国家实验室在能源部和联合碳化物公司( u n i o n c a r b i d ec o r p o r a t i o n ) 资助下开展了几乎相同的工作。f 、法、德、英、意、 瑞典等国家都进行了大量的工作，并开始在生产上取得a h t 的实际效益， 尤其是能源紧缺的国家，如日本、西欧等，在a h t 的制造应用方面更领先 一步。a h t 的一次性投资虽然较高，但其投资费用均可在1 2 年内回收，故 经济效益十分明显。 大连理工大学硕一l 学位论文 2 0 世纪8 0 年代以来，热泵技术在日本得到迅速发展，以至于其应用装 置占到世界半以上。美国在这方面也不甘落后，其能源部( d o e ) 已将i ： 业用热泵列入其研究、发展和应用计划，对热泵做了大量应用性研究，得到 热泵的基本参数如操作时间、有效温升、经济上的扶益率等。根据可行性和 有效性，对其在不同行业应用的可用程度做出评估。计划到2 0 1 0 年，美国 2 7 个工业领域将采用热泵装置，数量将达到l l l o 套。 国内吸收循环技术从2 0 世纪6 0 年代丌始发展，但长期计划经济的影响， 企业粗放运营，对节能技术扶持力度不够，这样国内溴化锂吸收式热泵a h p 和热变换器a h t 技术起步较晚，但近几年在改革开放的形势下，吸收式热 泵技术得到了迅速的发展。国内第一台5 0 0 0 k w 工j 世吸收式热变换器由大连 理工大学和燕“l 石化公司合作丌发，于2 0 0 0 年初投入运行，该装置采用溴化 锂水1 ：质对，是国内溴化锂吸收技术发展的又一阶段性标志【2j 。 二、a h t 的技术特点” 吸收式热泵是利用工质的吸收循环实现热泵功能的一类装胃，它采 用热能或余热直接驱动，而不是依靠电能、机械能等其他高品位能源 将热量从低温位传送到高温位，从而达到节能的目的。 吸收式热泵可以分为两类。通常所浣的吸收式热泵( a b s o r p t i o n h e a tp u m p ，简称a h p ) 指的是第一类热泵，其工作原理如图1 1 所示， 在发生器高温热源的驱动下，制冷剂从蒸发器低温热源吸热，并通过 吸收器和冷凝器放热，中温流股先后经过吸收器和冷凝器，并吸收热 量，作进一步利用。由于a h p 以增加热量为目的，故又称增热型吸收 图1 1 第一类吸收式热泵原理简圉 第一章绪论 式热泵。由此可以看出，第一类吸收式热泵利用高温热能驱动，回收 低温热量，提高能源的利用率；其工作原理与吸收式制冷循环相同， 只是由于应用目的不同，将冷水机组的冷水回路切换成热源水回路就 成了第一类热泵。 吸收式热变换器( a b s o r p t i o nh e a tt r a n s f o r m e r ，a h t ) 也就是第二 类吸收式热泵，是一种新兴的废热回收技术，其循环原理如图1 - 2 所示。 从原理上分析，它与吸收式制冷、热泵存在两点差异：一是热源系统 不同。制冷和热泵从高温和低温输入热量，并在中温输出，而热变换 器f 好相反，驱动热源是中温的废热，并且分别在高温和低温两个温 位上输出热量；二是操作压力区不同。制冷、热泵循环中，蒸发器、 吸收器处于相对低压区，而发生器、冷凝器相对低压区压力较高，而 热变换器恰恰相反，蒸发器、吸收器在高压区，而发生器、冷凝器在 低压区。中温废热依次或同时流经蒸发器和发生器，在发生器中低压 下工质对被加热，制冷剂蒸气在较低温度下被解吸，并在冷凝器中凝 结成液体，然后泵入蒸发器，蒸发产生的制冷剂蒸气进入吸收器，在 高压下被来自发生器的浓吸收剂吸收，在较高温度 ：达到吸收平衡并 放出高品位吸收热，被重新利用，最后稀吸收剂经节流进入发生器， 完成一个循环。因为第二类热泵主要是以提高温度为目的，所以也称 它为温升型热泵。 低品位热镳 咳翮一 慷品虚热疆 图i 2 吸收式热变换器的原理简目 3 大连撑丁大学矮 ，学位沦文 第二蒂a h t 的国癣外溪究进展 一、薮工矮对( 剿冷翔暇牧裁) 翡开发 k h t 所使用的工质对，在相当程度上决定了它的操作装件及掇作性熊， 设备果溺豹材辩以及投炎澳摸等。在a h ? 酶定静运行螽 孛下，工璜对应其蛰 隧下的特性： i 王质对溶液其有邈叠斡平衡滚凄_ 穰疆力，( 使a h t 在超过霸接近大气 旋的条俘下运钽：) ，最溢度隧压力凌浓凄的变化率离，在啜收解析过程孛青较 大夔热效应。 2 + 溶滚串洛壤数馋，镪浓凄要是够鸯，以傈谶运芎亍条 孛下不褥出结晶， 并且溶渡戆檀对撂发凄赢，使溶液比较安翳再生。 3 。 委袋互蠢对具有较骞豹导热系数、扩教系数、鞍羝的嚣痰等优毫熬 传递性能。 4 。 鬟求工袋对的纯学稳定谯好，不翁燃易瀑，无毒缝孝弱薅镪，徐捂藏 潇等。 溪诧争永( l i 8 r - 琏雾氮二永( g * 广疆囝) 燕霹翦应愆羧广泛静工囊对。 凌予东瓣冻结鞠浚纯键的结晶、藕爱蠢等问熬，龌涮了它麓蕊掰温度( 5 1 5 0 ) 。露凝；熬毒经阕题，也疆毒了n h 。# 妇麴适e l 范圈。职以关予王质翁研 发工 筝麸寒蘸没稳努壹过。嚣静电找到了一些改遴馋统工蒺斡办法，比翔戎 传统工质怼中考虑添趣第三释成分，如h 。o - l i b r - z n c l ：、h ：0 一l i b r e 蕊 ! 以及 凝工爱跨h 互卜l i c i 、h 固一n a o h 等，为簿决露镰阉熬，还开燕了一婺鸯枧系列 工质对的磷究，已经建立了采用t f e - p y r ( 三氟乙醚毗咯酮) 工质对a i - i t 实 验装置。蠡熬薪工餍对克辙了传凌工震毪麓上豹些缺点，但褰实掰应蠲还 有一定爵：) 躐离。 二、辍收德琢兹改逢 在前颟提到简单吸收缀环的基础上，为使吸收过程向黼温升、黼效率、 簿经济睫、多臻途、柔强纯等方淘菠震，对暇投镶环本身静改进遂亏亍了多方 尝试。如出二级a h t 组成的二次溅升a h t 可以得到7 09 c 的温升鸭握高性 缝系蒙c o p 篷懿双麓、三效蔽浚箨g ：节蠢投资戆歼式穗! | ；| ：强褥蔽浚热爱 予器生造稷静先遗静g l x 褥嚣p ”；两类热聚结合翦具有多搿途酶薹 强循环 唑瓣荣溪压器提蕊摄搏黍矬熬压镶一吸收笺会缓环节省设蚤投琵及操 窜 。t 。 第一帚绪论 费用的热虹吸式自循环1 1 0 】：可采用室外空气或t 壤做热源的扩散吸收循环i 等等。此外，在利用太阳能、地热能等可再生能源驱动吸收循环的研究中， 循环本身也要作相应的调整。上述改进型的吸收循环大多处于研究与发展阶 段，尚不具备或只有极少数技术发达国家具备推广使用的条件，目前吸收循 环领域百家争鸣，热泵技术是我国的弱势项目，应给予特别的重视，培养自 己的技术力量，关注世界前沿，丌发自主产品，加强国际交流与合作，参与 国际竞争，使我国在国际吸收循环技术领域占有一席之地。 三、热、质传递过程强化的研究” a h t 系统是一个热交换器的集合，实现能量转换的目的是建立在传质 传热的基础之上，传质传热的效果直接影响到整个循环的热效率，对传质传 热过程的研究是吸收循环领域一个重要的组成部分。目前在a h t 系统中的蒸 发器、吸收器和再生器等均采用垂直管外降膜传热传质的形式，垂直管外降 膜传热传质同时进行的设备具有以f 特点： 1 传热温差小、热损失少。 2 液体在设备内停留时问短。 3 占地面积小。 4 传热膜系数和传质分系数大，热一质传递的效果均优于水平管外 的降膜传热和传质。 5 在垂直管外降膜情况下，液膜内外的压力不沿流动方向而变化，无流 体阻力。 上述特点也正是a h t 系统选用垂直管外降膜设备的依据。 另外，强化传质传热技术在吸收循环产品中得到越来越广泛的应用，如 在蒸发器中采用低肋管或c 管，吸收器采用纵槽管或f 管，发生器采用低肋 管或微细多孔管，溶液热交换器采用小孔径的无缝钢管或大波纹小i l 径高效 传热管等等。此外管内插件技术以及旋转换热技术在一定场合也得到应用。 基于马兰格尼效应引，采用向工质对中添加第i 组分表面活性剂，降低溶液 表面张力，增强传热效果的研究已取得了较好的效果。吸收器在吸收循环中 是最关键的部件，因此有关吸收机理的研究直在国内外受到特别的关注。 本论文也只对强化传热传质吸收过程作了一些试验研究。 四、热力学的研究 对吸收循环早期的热力学研究是围绕理想循环和第一定律效率进行的。 大连理t 大学颂 - 学位论文 典型的是性能系数( c o p ) 的确立，该指标沿用至今仍然是衡量吸收循环性 能的重要指标。第定律效率无法反映过程的热力学完善性，因此不能全面、 f 确的对过程加以评价，因此热力学第二定律分析方法得到越来越广泛的应 用，建立了针对吸收循环的熵分析方法和炯分析方法| i ，并提出了炯效率、 炯指数等相关指标。随着非平衡态热力学的发展，非理想吸收循环的性能和 规律也逐步得到揭示，以有限时间内进行的不可逆过程作为研究对象的有限 时问热力学理沦有望成为分析非理想吸收循环的得力工具。随着理论和实验 研究手段的进步，使得对诸多过去难以涉及的过程动态特性的研究成为可能， 热力过程动态学为吸收循环有别于稳态性能的动态特性的研究提供了基础， 但是除丌停车外，f 常运行的吸收循环具有一定的自适应、自调节能力，其 动态特性并不是主要的方面。 五、建模、模拟与优化设计问题的研究 随着计算机技术的迅猛发展，已渗透到各个工业领域。a h t 循环的设 计和优化要借助计算机辅助手段来完成，鉴于现有c a d 和通用流程模拟软 件不能很好用于吸收循环的设计与模拟，因此需要丌发专用的流程模拟和优 化设计软件。以g g m s s m a n 教授为代表的荚嘲t , o a kr i d g e 国家实验摩近 2 0 年来在吸收式制冷、a h p 和a h t 领域做了人昂：系统的工作，包括过程的 热力学分析，循环的改进以及过程的模拟与优化，其中不少二 ：作是丌创性的， 其丌发的吸收循环模拟软件a b s i m 就是例1 1 5 。a b s i m 软件通过网络、书 籍等各种媒体的宣传，在本领域有着良好的声誉，并对其它类似的工f 乍产生 一定的影响。包括瑞典、f 1 本、法国、英国以及我国在内的许多国家的学者 也围绕吸收循环系统做了类似的工作，但未形成有影响的软件。 另外，a h t 由多个单元设备组成，在给定操作条件下他们之间将存在 一个合理的匹配，所以设计时就存在着系统的优化问题。优化的目标是在装 置每年节省能源费用和设备投资费用之问寻找最短的投资回收期。 总之，随着吸收循环的改进，采用不同的工质对及各种不同结构、多级 复杂循环的出现，都要求用计算机对整个过程进行模拟。本文的重点是丌发 直接面向石化系统的a h t 装置的过程模拟及优化系统专有的软件( a s s ( a h ts i m u l a t i o ns o f t w a r e ) ) ，具体情况在后面的章节中将进行详细的阐述。 6 第一章绪论 第三节本课题的意义和主要研究内容 一、理论意义 现代社会经济发展，能源紧张闩益突出，节能工作愈发显得重要。a h t 系统作为一种重要的节能技术，在钢铁、石油、化工、造纸等有大量的低温 位余热的行业中势必有着广泛的使用场合和价值。有效地回收这些余热，对 节约能源、提高经济效益具有重要意义。 本课题的研究是以国内第一台由大连理工大学和燕山石化公司合作丌发 的5 0 0 0 k w 澳化锂吸收式热变换器。由于这台a h t 于2 0 0 0 年初才投入运行， 运行过程还不是很稳定，所以对整个系统的运行中的各个流股的参数和整体 性能要做测试和监控。计算机模拟仿真与优化技术【i “可以大幅度减少研究试 验费用和周期，可以生动、真实地描述出系统的工作状态和过程，预测系统 的性能和特征参数，研究影响系统性能的因素，优化系统和部件的设计。鉴 于现有c a d 和通用流程模拟软件在a h t 进行过程的详细设计时体现出其先 天的不足，尤其对一些相对特殊的情况，随着吸收循环研究和应用领域的不 断扩展，这种特殊情况是大量存在的，此时有必要结合燕山石化新建立的 a h t 系统的实际情况，进行专门的建模与模拟工作，丌发出专用的流程模拟 和优化设计软件。 二、本文的主要研究内容 本文以北京燕山石化2 0 0 0 年投入使用的首台a h t 系统为工业应用背 景，建立了包括过程模拟、设备强化传热、传质试验和热力学优化在内的一 系列吸收循环的分析手段。完成了溴化锂吸收循环系统优化软件a s s 原型与 界面的开发工作。并利用工厂的实测数据对软件中过程模拟部分的功能进行 了成功的测试，具体工作有： 1 对a h t 系统中的d a c 强化传热、传质管进行实验研究，总结出一 些有用的传热、传质经验关联式，对整个a h t 系统中吸收器部分的设计和 过程模拟与优化计算中吸收器部分提供可靠的理论依据。 2 在面向对象的思想方法指导下，进行a h t 吸收循环系统模拟研究， 进而根据a h t 的质量平衡、能章平衡和相甲衡方程对系统进行数学表述， 提出循环过程数学模型的求解机制，并对实际过f 譬进行模拟研究。 人j 芏理”f 。凡学坝i 学位沦卫 3 从热力学基本定律和传热学基本原理出发，将二者进行有机的结合， 借鉴有限时问热力学理论对不可逆过程问题的处理方法，以有限热源a h t 为例，推导比供热率与c o p 、操作参数之j 、白j 的优化关系。 4 进一步探讨a h t 系统循环的优化路径。针对实际问题，兼顾过程经 济性和能量利用的合理性，在方法论体系指导下，逐步j 1 碾优化工作。详细 介绍了用v b 语言开发a s s 软件基本结构及用法，针对燕山石化橡胶厂凝聚 工段5 0 0 0 k w 溴化锂立式降膜吸收式热变换器实际装置，利用a s s 进行系统 优化研究。 8 第一二幸吸收器强化热质传递的实验研究 第二章吸收器强化热质传递的实验研究 a h t 系统主要是由再生器、蒸发器、冷凝器、热交换器和吸收器等热交 换设备组成的，其中吸收器是a h t 系统中的一个重要部件【i ，其性能好坏 对整机性能有重要影响。本文对光滑管和d a c 双侧强化管的实验数据进行 了比较和分析。实验表明，喷淋密度对总传热系数的影响很小，对传质系数 的影响是先升后降。冷却水流量对总传热系数的影响很大，雷诺数加大后， 总传热系数也加大，对传质系数的影响不很显著。实验表明，d a c 强化管无 论是在传热方面还是在传质方面，均明显优于光滑管，是一种高效的传热传 质加强管。这些数据可以得出一些有用的强化传热、传质的结论，而这些结 论在殴计高效的立式a h t 吸收器i j 以提供可靠的依据，同时也为整个a h t 系统中吸收器部分的过程模拟提供可靠的理论依掘。 第一节降膜吸收理论研究进展 早期的溴化锂降膜吸收是以无限吸收来求解的。尉迟斌等给出了水平圆 管定壁温情况下溴化锂膜式吸收过程的层流解，方法类似于g r o s s m a n 解”。 y a n g ，w o o d 数值求解定壁温竖板溴化锂层流降膜吸收问题，不同于g r o s s m a n 模型之处在于相界面采用了y a n g 的平衡关系式，而g r o s s m a n 采用线性吸 收关系。计算结果与a n d b e r g 竖板降膜溴化锂吸收实验结果口w 相吻合( r e z l01 。但与y a n g ，w o o d 的实验结果相比较，r e 7 0 时，则高于实验值，这是由于不凝性气体和波对吸 收的影响而造成的。 i b r a h i m ，v i n n i c o m b e 的模型口u 在边界条件卜做了“些改进，在相界面 包含了横向对流作用，壁面采用与板另一侧冷却水相关的第i 类温度边界条 件。将线性吸收和实际经验吸收的解进行了比较，两者的结果相近，汪明线 性吸收的假设是合理的。 实际设备通常是水平管束降膜吸收器。对于水平圆管、膜厚、速度是随 圆周角而变化的，模型与板式降膜吸收相比复杂一些。c h o u d h u r y 等数值求 解了水平单管层流降膜吸收问题。陆震等对水平管束溴化锂层流降膜吸收做 了数值求解。a n d b e r g ，v l i e t 对水平单管溴化锂降膜吸收提出了一种简便解法， 人连埋t 人学坝f 学位论义 遗度场采用n u s s e l t 解，浓度场用相似分析解，温度场则用有限差分法数值 求解毙量方程瑟 莓到。 王建平【2 2 等在研究澳化锂水溶液小r e 数的卜降膜吸收问题时，提出在 波动状惫“f 采用卡铍查豹薄膜波动速度分每。 各幽学者对溪化锶降膜吸收问题进仃了实验研究。b u r d u k o v t 和 b u f e t o 一2 3 1 锻了吸收压力为0 。9 3 2 ，67 k p a ，送z t 溪讫锂水溶液质超分数为 5 7 61 ，浴液进口温度、壁砸温度保持不变的吸收实验，包括水平管、 翅片管、些营三种降膜式积沸腾床四组形式。得出了进出口浓度差与流量线 密度的关系曲线，以及登管的截面膜平均浓度与截断膜平均温度陵管长的变 化关系，最后实测了不凝| 生气体对吸收的影响。 松爵凳等对溪化锤东溶液垂露管矫降膜吸收过程送行了研究。实验工况 压力为8 k p a ，溶液进口浓度2 0 、4 0 、5 5 、60 ，r e 数为3 2 5 3 3 2 ， 溶液遂团与冷去l 承出口滠凄差戈4 、6 、l04 c 。实验得凄了流量绞密度交彳皂 时进出口浓度差与温度差的应变关系，以及进口浓度改变对吸收率的影响， 慰时建立了半经验模型。松嬲晃等又薅吸收握力为1 3 ，5 0kp a 酶t + 瑰进暂了 炎似的实验。 j e o n g 、c h o 研究了以溟化锂水溶液及比侧为2 ：l 的溴化锂氯化钙水溶液 为工质的蓬直套管式f 吸收器的传热、传质特性。溶液在小管内壁形成降膜， 蒸气在小管中心流动，大小管之间为冷却水。实验内容包括溶液流攒、冷却 承溢度、溶液迸瞄温度以及蒸发溢度等对传热系鼗、吸收事的影响。k i m 等 也对垂直管外降膜吸收作了类似的实验研究。 第一章啦收龆强化热臆传递的蛮验研究 一、实骏装置 第二节实验装置及步骤 本实验通过对某高效换热元件总厂生产的d a c 双侧强化管和光滑管在相 嗣条件下测得传热系数和传质系数，遴过对比分析，来觋究表葱强化的换热 管外垂赢降膜吸收水蒸汽的传热传质的状况。 实验采用管蚝1 5 m ，管径9 0 r a m 的荦+ 管进行测蹬。文验装置如图2 - 1 所 示。 蚕2 一l 实验装置窝 l 。热工质部分 该部分包括加热釜、调压变压器、电加热器、换热套管、屏蔽电泵以及 输送l i b r 水滚滚捆水蒸汽的管道。换热套戆内的紫铜管顶端外缘设霄一螺旋 槽布膜器，它可以使l i b r 水溶液沿紫铜管外莹膜状流动。 2 冷潮东部分 包括水泵、真空泵、储水罐以及输送水的管路等。 ， 3 测量仪器 吸收器的压力用真空表测量，精度为0 1k p a 。所有温度包括冷却水进出 口温度、溴化锂溶液进出口温度、套管管腔温度均用铜一康铜热电偶进行测量。 这些温度测点都与计算机数据采集系统连接。数据通过计算机自动显示并纪 录，数掘采集速度由计算机设定。所有热电偶都经标准温度计标定。冷却水 和溴化锂溶液的流量都由转子流量计测定。溴化锂溶液进、出口处的浓度用 0 0 5 m l l 的标准a g n o 。另加入少量k ：c r o 。溶液来滴定。 二、实验过程 浓溴化锂水溶液在加热釜中被加热，直至沸腾，并产生蒸汽。水蒸气沿 输送管路上升；热的l i b r 水溶液由位于加热釜1 _ = j 方的屏蔽泵输送至换热管的 项部，并由此进入换热套管积液空问。在积液空m i 积累了一定的液位。此时， 这罩的浓l i b r 水溶液在布膜器的作用及重力的牵引作用下在管外壁呈降膜 流动。与此同时，由于釜内沸腾而产生的水蒸气也通过水蒸气输送管路进入 换热空问；在管外壁上被降膜流动的浓l i b r 溶液吸收，并于管内的逆流流动 的水发生热交换；管内冷却水水温升高。相应的，浓l i b r 溶液温度降低并且 浓度降低。稀l i b r 溶液温度降低并且浓度也降低。稀溶液经降膜流动至换热 套管的底部，并通过连接加热釜的回流管流回釜内，同釜内的l i b r 混合，再 由屏蔽泵泵至换热套管顶部进入换热区，如此循环，完成降膜吸收的传热传 质过程。 实验中，每次等系统达到稳定时，确定管内冷却水的流量，每次改变溴 化锂溶液的流量，这样得到了溶液降膜喷淋密度变化的吸收的传热传质状况。 反之，确定溴化锂溶液的浓度，改变冷却水的流量，就司。以得到管内冷却水 的雷诺数变化时的降膜吸收的传热传质状况。 第二章吸收器强化热质传递的实验研究 第三节实验结果及讨论 一、实验数据分析和处理 1 ) 计算传热系数 喷淋密度= 溶液流量溶液密度换热管外壁周长( k g m x s ) 换热量= 冷却水的质量流量冷却水的定压比热冷却水出、进口 温差 传热系数：换热量( 换热面积平均温度差) 2 ) 计算传质系数 传质推动力( p ) = 吸收过程中溶液的平衡压一气相冷剂水蒸汽的平均 压力 吸收量( q 。) = 溶液流量入、出lj 溶液的浓度差 传质系数k = q j 1 8 ( r x t g ) p x 传质表面积 ( m s ) 其中，1 8 为水的分子量；r 通用气体常数；瞻为水蒸汽的热力学温度。 二、实验结果分析 降膜吸收过程的热、质传递过程主要取决于冷却水的流动状态和溴化锂 溶液的特性。为此本实验对光滑管和d a c 双测强化管在变溴化锂溶液喷淋密 度和变冷却水雷诺数的情况下对传热和传质系数的影响分别进行测定。 1 喷淋密度对d a c 双侧强化管和光滑管总传热系数的影响 喷淋密度对光滑管和d a c 强化管的总传热系数的影响如图2 - 2 所示。首 先随管外溴化锂溶液喷淋密度的增加而使管外的溶液液膜变厚，使得溶液侧 传热系数降低，从而导致总系数有所降低。但是，喷淋密度进一步加大后， 溶液的流动状态由层流向湍流转变，所以总传热数又有所上升。总体上，因 为总传热系数主要取决于冷却水侧传热系数的变化，所以小范围内改变喷淋 密度对总传热系数的贡献不大。d a c 强化管的外侧布满横纹状螺旋刺片，内 大连埋t 人学坝1 擘位论义 侧也布有螺旋槽。与光滑管比较传热效果1 卜分明显，约是光管的1 5 2 0 倍。 2 0 0 0 一 j 1 5 0 0 基 1 0 0 0 蚤 5 0 0 d a c 强化管 毙淆管 一九涮管趋势线 一多m 式( d a c 1 0 2 03 04 0 rx 1 0 0 ( k g m s ) 圈2 - 2 喷淋密度时总传热系数的影响 2 ，嵝港塞度对d a c 双倒强让嚣_ 靼光滑饕绩质系数豹影骥 喷淋密度对光滑管和d a c 强化管传质系数的影响如图2 3 所示实验数据 也基本搿会转骥吸收理论。开始时，随喷濒密凄懿增大吸收增强，传覆系数 增大。但喷淋密度进一步增大时，溶液液膜厚度增大，液膜侧传质陬力加大， 所以传质系数又凹落下来。d a c 强化管在喷淋密度在小范困内传质系数可以 愚光淆管的2 倍左右，传瑷效果瞧中分明冠。 1 l 一 。 暑7 h 基5 3 l o2 03 04 0 rx 1 0 0 ( k g m 。s ) d a c 慢化管 毙漕管 d a c 管趋势线 一多瑚式( 先潜 世r 、 闰2 - 3 喷淋密度对传质系数的彩响 第一二章吸收器强化热质传递的实验州究 3 冷却水雷诺数对d a c 双侧强化管和光滑管总传热系数的影响 如图2 - 4 所示，冷却水雷诺数对传热系数的影响也是持续上升的。同样， 雷诺数在增大时，管内冷却水侧的传热系数增大，致使总传热系数也增大。 另外，雷诺数较小时，光滑管和d a c 强化管的传热系数差得很小，但雷诺数 进一步增大时，两者的传热系数差距越来越大。 2 7 5 0 2 2 5 0 ；1 7 5 0 1 2 5 0 2 7 5 0 2 5 0 03 691 2 r e 1 0 0 0 d a c 强化管 光滑管 一f ：) ( 、管趋势 图2 - 4 冷却水雷诺数对总传热系数的影响 4 冷却水雷诺数对d a c 双侧强化管和光滑管传质系数的影响 如图2 - 5 所示，管外冷却水的雷诺数变化时，对传质系数是有贡献的。 雷诺数增大后，带走更多的吸收热，加大了传质推动力。但是，变化不显著。 因为，它不是传质系数的直接关联因素。从图2 - 6 中还可以看出d a c 管的优 势，传质系数一般为光滑管的2 倍左右。 1 2 1 0 8 6 4 2 o d a m 慢化船 辅兜i h 链 d a c 锆趋势线 一光滑管趋势线 0246 81 01 2 r e 1 0 0 0 图2 5 雷诺数对传质系数的影响 大连理t 人学硕 j 学位论史 三、结论与分析 1 喷淋密度对传质系数的影响很大，丌始，层流被打破变为湍流，传质 增强。随后液膜厚度又加大，导致传质阻力增大：刈总传热系数的贡献不大， 应为总传热系数主要取决于冷却水侧。所以变化是略有上升，不显著。 2 冷却水的雷诺数变化对传质系数的影响也不显著，因为雷诺数不是传 质效果好坏的直接关联因素，但还是呈上于 + 趋势；对总传热系数的影响十分 显著，先升后降。 3 通过四张曲线图的对比分析看，d a c 加强管的传热、传质效果明显优 于光滑管。一般的，在同等条件下，传热、传质系数为光滑管的1 5 2 o 倍。 4 这些实验数据可以为设计溴化锂制冷机、热泵的立式吸收器、选定管 材提供可靠依据，同时为过程模拟与优化计算中吸收器部分提供可靠的理论 依据。 第三章a h t 系统过程建模与模拟 第三章a n t 系统过程建模与模拟 概述 随着a h t 高效节能技术的广泛应用，对a h t 过程系统模型化、 模拟和系统优化设计就越来越体现出重要的理论价值和经济意义，相 应的过程模拟软件的开发工作更是不可缺少的。过程模拟系统的丌发 始于5 0 年代，凯洛格( k e l l o g g ) 公司开发了柔性系统( f l e x i b l es y s t e m ) ， 在大型合成氨开发中应用，获得显著的经济效益。近几年对于吸收循 环而言，不乏成功的模拟工具，通用流程模拟软件如p r o i i 、a s p e n 和h y s y s ，专业模拟软件如a b s i m 、s h p u m p 等等，上述工具可以 满足般条件下的循环模拟、分析与设计需要，但对于一些特殊热源、 特殊工质、特殊设备结构和循环结构，或者有特殊需求的情况，则往 往难以满足要求，需要进行针对性更强的建模和模拟方面的工作。 本章的重点工作针对北京燕山石化公ld 的l 热源立式降膜a h t 装 置，对在实践过程中占主要地位的稳态过程，丌展系统建模和模拟研 究。在能量平衡、物料平衡和相平衡的基础上，采用过程系统面向对 象的建模方法建立系统模型，并运用v b 程序语言编写了过程系统模拟 的计算机程序。 第一节a h i 系统过程模拟的研究进展 一、过程模拟发展历程 过程模拟是建立在模型基础上的。从具体的客观世界到抽象化的 模型实现步骤如图3 一l 所示。可见，模型只是对客观世界经过合理简 化、推演而得到的一个物理或数学的描述，而过程模拟的作用f 像是 数学或物理模型和现实客观世界的一座桥梁。这项集过程系统领域内 专业知识、相应的数学表述工具知识和计算机数值模拟计算知识的技 术始于2 0 世纪5 0 年代初期，当时的计算机只是用于企业的财务管理， 后来逐渐扩展了其应用领域，诸如基于平衡级概念的精馏过程计算， 换热器的计算等等，计算机在这些化工科学引算中向世人展示了其强 人连理丁人学坝i j 学位论义 大的威力。从此，计算机在化工过程计算领域声名鹊起，从单元设备 到整个工艺流程，很短时间内，过程模拟技术深入到过程工业的大部 分领域。这期间已经经历了四代，详情如表3 - 1 f 2 4 】所示。总之，在过程 模拟技术发展的近5 0 年罩，随着计算机性能的迅速提高，现代计算数 学的快速发展，以及软件丌发环境的丰富与完善，加之过程系统领域 激烈竞争造就的在产品生命周期各个环节卜对成本的降低，使得过程 模拟领域又出现了一些新的发展亮点【2 5j ，如稳态模拟与动态模拟相结 合，过程模拟与过程控制相结合，在软件产品的丌发上体现了工程化， 标准化，智能化和集成化的趋势。 图3 - 1 模型化工作程序图 辩= 葶a h t 系统过程建挂。j 攥拟 表3 。l 过程模拟技术发展历程 特点代表瞧软件 开发者软件名称 第一代不完善的数据库 k e l l o g g f l e x i b l e s y s t e m 6 0 年代简单的数学模型h o u s i o r lu n 物科、麓始计算 c h e s s 第，代较为完善的数据庠m o n s a f t t of l o w t r a n 7 0 年代复杂而精确的数学模刑 s i r el