（轮机工程专业论文）基于强制吸收技术的溴化锂制冷实验研究.pdf

e x p e r i m e n t a ls t u d yo fl i t h i u mb r o m i d er e f r i g e r a t i o nb a s e d o nm a n d a t o r y a b s o r p t i o nt e c h n o l o g y d i s s e r t a t i o n at h e s i ss u b m i t t e dt o d a f i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f d l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f t y p e so fd e g r e e b y d e n gl i n g ( m a r i n ee n g i n e e r i n g ) d i s s e r t a t i o n t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rg a o h o n g t a o m a y 2 0 1 1 r 一一 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 = = 基王塑剑亟蝗基丕数遗丝堡剑猃塞殓婴塞：。除论文 中已经注明引用的内容外，对论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。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公 开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密囱( 请在以上方框内打“) 论文作者签名：印屈心 导师签名： 刎弋 1 日期：砷c 1 年6 月2 8 日。 中文摘要 摘要 在工业流程之后，多余的热量会被当作废弃物排放到周围环境中，造成极大 浪费的同时也会对环境造成热污染。溴化锂吸收式制冷技术以其制冷剂环保和能 够利用工业余热的特点得到了广泛的关注和应用。要进一步发展吸收式制冷技术， 对吸收器进行小型化和高效化改进是十分必要的。 液一气引射式吸收器为实现传热传质过程分别强化提供了可能。基于提高传质 效率的目的，本文采用液一气引射式吸收器来研究其结构性因素和外部环境因素对 制冷量的影响。 实验结果表明：对于收缩喷嘴和缩放喷嘴，增大溶液流量均能促进制冷量的 提高。但由于缩放喷嘴与收缩喷嘴影响吸收效果的原理不同，在喷嘴最小截面积 相同的情况下，缩放喷嘴的制冷效果要好于收缩喷嘴。采用较小出口直径的扩压 器能够在不影响系统制冷量的情况下减小吸收器的体积。冷剂蒸汽压力与溶液蒸 汽分压力之间差值的增大促进了溴化锂水溶液对水蒸气的吸收；采用缩放喷嘴时， 添加剂的使用使吸收器的性能得到很大的提高；溴化锂水溶液的最佳浓度范围是： 5 6 6 1 w t - - 5 7 6 1 w t ；较低的扩压器背压有利于制冷量的提高。 综上所述，在对采用溴化锂水溶液作为工质的液一气引射式吸收器进行优化设 计时，采用缩放喷嘴和出口尺寸较小的扩压器有利于提高制冷量的同时减小吸收 器的体积。另外，在降低扩压器背压的同时，使溶液工作在最佳浓度范围并使用 添加剂、高流量泵和温度较高的热源也有利于制冷量的提高。 关键词：溴化锂水溶液；液一气式引射器；吸收性能；实验研究 英文摘要 a b s t r a c t a f t e ri n d u s t r i a lp r o c e s s ，r e d u n d a n th e a ti sr e l e a s e dt ot h es u r r o u n d i n g , w h i c h c a u s e sa b u n d a n tw a s t ea n dt h e r m a lp o l l u t i o n n ea b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nt e c h n o l o g yi s w i d e l ya p p l i e df o ri t sc h a r a c t e r i s t i c so fu s i n ge n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yr e f r i g e r a n ta n d i n d u s t r i a lw a s t eh e a t i ti si m p o r t a n tt om i n i m i z et h es i z eo fa b s o r b e ra n de n h a n c e h e a t m a s st r a n s f e rf o r t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fa 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 d g a se j e c t o ri sa d o p t e df o rt h ep u r p o s et os t r e n g t h e nh e a tt r a n s f e ra n dm a s s t r a n s f e rr e s p e c t i v e l y i no r d e rt oi m p r o v em a s st r a n s f e r , a b s o r b e rw i t hl i q u i d - g a se j e c t o r i su s e dt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fs t r u c t u r ef a c t o r sa n de n v i r o n m e n t a lf a c t o r so nc o o l i n g c a p a c i t y n l er e s u l t ss h o wt h a t ，f o rc o n v e r g e n t - d i v e r g e n tn o z z l ea n dd i v e r g e n tn o z z l e ，t h e i n c r e a s ei nf l o wr a t ep r o m o t e st h ei n c r e a s ei n c o o l i n gc a p a c i t y h o w e v e r , t h e m e c h a n i s mi sd i f f e r e n tf o rt h ei n f l u e n c eo fc o n v e r g e n t d i v e r g e n tn o z z l ea n dc o n v e r g e n t n o z z l eo na b s o r p t i o ne f f e c t w i t ht h es a m em i n i m u mc r o s sa r e a , t h ec o o l i n gc a p a c i t y w i t hc o n v e r g e n t - d i v e r g e n tn o z z l ei sb e t t e rt h a nt h a t 、舫mc o n v e r g e n tn o z z l e b y a d o p t i n gd i f f u s e rw i t hs m a l lo u t l e td i a m e t e r , t h ev o l u m ec a nb em i n i m i z e dw i t h o u ta n y i n f l u e n c eo nc o o l i n gc a p a c i t y l a r g ed i f f e r e n c eb e t w e e nr e f r i g e r a n tv a p o rp r e s s u r ea n d s t e a mp a r t i a lp r e s s u r eo fs o l u t i o ne n h a n c e sa b s o r p t i o no fw a t e ri n t oa q u e o u sl i t h i u m b r o m i d es o l u t i o n w i t hc o n v e r g e n t d i v e r g e n tn o z z l e ，t h eu s eo fa d d i t i v e b r i n g s i m p r o v e m e n ti nc o o l i n gc a p a c i t y 1 1 1 eo p t i m a lc o n c e n t r a t i o nr a n g eo ft h es o l u t i o ni s 5 6 6 1 w t 5 7 6 1 w t c o o l i n gc a p a c i t yi n c r e a s e s w i n lt h e d e c r e a s i n go fb a c k p r e s s u r e i nc o n c l u s i o n ，t h ef o l l o w i n gf a c t o r ss h o u l db ec o n s i d e r e dw h i l em a k i n go p t i m a l d e s i g nf o ra b s o r b e r 谢t hl i q u i d g a se j e c t o r t h eu s e o f c o n v e r g e n t d i v e r g e n tn o z z l e ，t h e d i f f u s e rw i t hs m a l lo u t l e td i a m e t e rd e c r e a s e st h ev o l u m eo fa b s o r b e r i na d d i t i o n , b a c k p r e s s u r eo fd i f f u s e rs h o u l db er e d u c e d c o n c e n t r a t i o no fs o l u t i o ns h o u l db es e ti nt h e r a n g eo fo p t i m a lc o n c e n t r a t i o n m o r e o v e r , t h eu s eo fa d d i t i v e ，p u m pw i t hh i g hf l o wr a t e a n dh e a ts o u r c ew i t hh i 班t e m p e r a t u r ea l s oi m p r o v e sc o o l i n gc a p a c i t y 1，tlj 1 j p：，0 i 一一 k e yw o r d s ：l i t h i u mb r o m i d es o l u t i o n l i q u i d - g a se j e c t o r ；a b s o r b a b i l i t y ； e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，l， f j p ：j 目录 目录 第1 章绪论l 1 1 吸收方式研究现状综述1 1 1 1 降膜吸收概述1 1 1 2 鼓泡吸收概述7 1 1 3 降膜吸收与鼓泡吸收的对比1 l 1 1 4 引射式吸收1 2 1 2 添加剂研究现状综述1 6 1 2 1 添加剂的高效性1 6 1 2 2 添加剂强化机理1 7 1 3 本文研究的主要内容2 0 1 4 小结2 0 第2 章吸收式制冷循环2 2 2 1 单效吸收系统2 4 2 1 1 单效吸收循环2 4 2 1 2 单效吸收循环过程热力分析2 5 2 2 吸收式制冷系统的工质对2 8 2 2 1 工质对性能要求2 8 2 2 2 常用工质对2 8 2 3 吸收过程的改进及其他循环方式2 9 2 3 1 吸收式变热器3 0 2 3 2 多效吸收制冷循环3 1 2 3 3 带有g a x 的吸收制冷循环3 4 2 3 4 半效吸收制冷循环3 9 2 4 小结4 0 第3 章实验台组成及操作流程4 1 3 1 实验台组成4 l 3 1 1 溶液系统4 l 3 1 2 冷剂系统4 3 3 1 3 冷却系统4 4 3 1 4 测量及其他设备4 4 3 2 实验操作流程4 6 3 2 1 实验前的准备4 6 3 2 2 实验操作规程4 8 3 2 3 实验台停机4 9 3 3 小结5 0 第4 章实验结果及讨论5 1 4 1 结构因素对制冷量的影响5 2 4 1 1 采用缩放喷嘴时质量流量变化对制冷量的影响5 2 4 1 2 采用收缩喷嘴时质量流量变化对制冷量的影响5 3 4 1 3 在相同质量流量时缩放喷嘴与收缩喷嘴的制冷量对比5 4 4 1 4 扩压器出口直径对制冷量的影响5 4 4 2 外部环境因素对制冷量的影响5 6 4 2 1 蒸发温度对吸收效果的影响5 6 4 2 2 使用添加剂前后浓度对制冷量的影响5 7 4 2 3 扩压器背压对制冷量的影响5 8 4 3 小结5 9 第5 章结论与展望6 0 参考文献6 1 攻读学位期间公开发表学术论文情况6 6 致谢6 7 基于强制吸收技术的溴化锂制冷实验研究 第1 章绪论 1 1 吸收方式研究现状综述 为了获得蒸汽或者热量，绝大多数工业流程都会通过燃烧化石燃料的方法来 产生热能。流程结束后工业废热直接被排放到环境中造成浪费。如果采用由热量 驱动的制冷循环，比如吸收式制冷循环，这些废弃的热量就可以被转换为有效的 制冷量。因此，消耗的电能就大量减少了。这种由热量驱动的制冷系统若能够得 到广泛使用，全球变暖的问题将得到一定的缓解。 采用的工质不同也是吸收式制冷与传统的蒸汽压缩式制冷的一个主要区别所 在。许多压缩式制冷机采用氟氯烃作为工质，吸收式制冷机的应用能够限制导致 臭氧层破坏的氟氯烃的使用，因而具有可持续性。虽然吸收式制冷机在环境保护 和节约能源方面占有优势，但是由于吸收式制冷机体积大、维护麻烦等缺点，压 缩式制冷机仍是大多数客户的选择。为了促进吸收式制冷机的使用和推广，关于 提高性能和降低成本的进一步研究是迫切需要的【l 】。 1 1 1 降膜吸收概述 热质传递过程在吸收器内发生，其传热面积约为整个机组传热面积的4 0 ， 因此其尺寸大小与性能状况对整个机组的尺寸与性能有着非常重要的影响。对溴 化锂吸收式制冷机组进行小型化、高效化改进的关键在于对吸收器进行改进，国 内外众多学者都对此进行了研究。采用溴化锂水溶液作为工质时，主要吸收方式 包括了降膜吸收和鼓泡吸收。基于降膜吸收方式的主要研究内容如下： ( 1 ) 竖直管降膜 竖直管降膜技术大多应用在溴化锂吸收式制冷机的吸收器中，该技术包括了 竖直管管内降膜和竖直管管外降膜两种形式。m e d r a n o 【2 1 等人对在光滑竖直管内的 溴化锂水溶液降膜吸收水蒸气的过程进行了实验研究，竖直管管壁光滑，两管之 间通冷却水。该实验的变量为：吸收压力、溶液质量流量、溶液温度、冷却水温 度。反映吸收器性能的参数为：被吸收冷剂质量，出口溶液的过冷度和降膜传热 系数。实验中，首先通过观察孔观察溶液在管内流动的状态，研究发现：若雷诺 数低于4 0 ，液膜将出现破裂。接着对反映吸收器性能的参数进行了研究。结果显 绪论 示，管内降膜与管外降膜吸收的传质效率无明显的不同；出口 过冷度，这表明在吸收器处于较低位置的管段主要进行的是传热过程，因此可以 通过缩短管的长度来减小出1 ：3 溶液过冷度。同时，t a k a m a t s u 4 1 等人认为如果增大 管长度，会导致降膜过程不完全，即在处于较低位置的管段液膜发生破裂导致吸 收效果不理想。在相同的实验条件下，采用水冷方式的传质效率为 0 0 0 1 0 0 0 1 5 k g m s ，采用风冷方式的传质效率为0 0 0 0 3 0 0 0 0 7 5 k g m s o 发生压力由 发生器控制，发生压力增大，即驱动力增大，能使被吸收冷剂质量增大。当发生 器压力由1 1 k p a 增至2 1 k p a 时，被吸收冷剂质量增大4 倍。 t a k a m a t s u 3 】等把由两个竖直同心管组成的换热器作为吸收器，内部不锈钢管 的内径为1 6 0 5 m m ，外径为1 9 0 5 m m ：外部铜管的内径为2 2 1 m m 。降膜在不锈钢 管内部发生，不锈钢管外部通过冷却水进行冷却。作者使用工业内窥镜，通过与 测试管同心的玻璃管来观察管内薄膜的流动情况。基于对管内液膜流动情况进行 观察，在对长度为4 0 0 m m 和1 2 0 0 m m 的吸收器的实验数据进行后，得出结论t 对 于长度为4 0 0 m m 的管，当r e - 1 3 0 的时候，管表面被液膜完全覆盖。另外，溶液 流速的降低会导致液膜破裂进而产生溶液流，这会导致热质传递效率的明显降低。 对于长度为1 2 0 0 m m 的管，更高的雷诺数也会导致液膜被破坏。热质传递系数与 溶液的过冷度有关，而与冷却水的温度没有太大的关系。这是因为吸收效果的好 坏主要由浓溶液在入口处的过冷度决定。 t k i m 4 等以实验的方式研究了5 0 w t 和6 0 w t 的溴化锂水溶液在竖直管外降 膜吸收水蒸气的过程。通过研究发现了液体扩散率，浓溶液分子性质和不凝性气 体对吸收过程的影响。实验结果表明：雷诺数为1 5 - - 9 0 时，液膜形成波状薄膜且 具有较大的无量纲次质量传递系数。随着流速的增大，以s h e r w o o d 数为表征的质 量传递系数也呈1 3 次幂曲线增大。若气相时含有1 的不凝性气体，那么在气液 界面处就会有1 0 的不凝性气体，这将使质量传递效率降低5 0 。 ( 2 ) 水平管降膜 水平管管外降膜技术多使用在溴化锂吸收式热泵中。冷却水流经管内以带走 吸收过程中释放的吸收热。水平管吸收器主要有水平管束竖直排列和交叉排列两 种形式。溶液从项部喷入，沿着管簇层层滴落。此过程中相继出现三种流动方式： 2 基于强制吸收技术的溴化锂制冷实验研究 在管上表面是降膜，在管下形成液滴，在管间是液滴下落。 k i l l i o n 掣5 】以实验方式对水平管降膜吸收过程中液膜与液滴的真实状态进行 了研究，并指明现阶段对水平管降膜吸收过程进行数值模拟的不足之处：1 ) 假设 降膜流动是层流流动；2 ) 假设液滴在相邻管之间的降落过程中没有参与吸收冷剂； 3 ) 假设每根管路上方进口溶液的浓度和温度相同。实验过程中，作者在使用高速 数码摄像机获得的的图像中发现即使在流速很低时，水平管降膜的三种相继出现 的流动方式也非常复杂，例如液膜的形成过程、液滴的脱离与下落、由于撞击与 脱离引起的波纹以及相邻液滴之间的影响。对以后的数值模拟，该实验具有很高 的指导价值。 h o f f m a n n l 6 1 通过实验研究了多个因素对水平管降膜吸收传热性能影响。吸收器 的换热部件有两种表面结构：光滑铜管和滚花铜管。选用了正辛醇和异辛醇作为 添加剂。实验考察了溶液运动粘度、雷诺数、表面张力、不同铜管外表面和添加 剂的使用对吸收器传热系数的影响。其中，随着溶液粘度和表面张力的增大，传 热系数减小；由于添加剂的使用，使传热系数增加了6 0 1 4 0 ；采用滚花铜使传 热系数增加了2 0 - - - 4 0 。 p a r k 7 - 9 等研究了管表面粗糙度对吸收性能的影响。因为管表面湿润程度对降 膜有重要影响，因此，在换热管外表面加工了微距刻线以增加表面粗糙度，实验 在不同的溴化锂溶液浓度条件下进行。结果表明：相对于光滑管，有微距刻线的 换热管能将吸收性能提高两倍。 ( 3 ) 平板式吸收器 国内很多学者也对其他形式的降膜吸收器进行了探索研究，结构示意图如图 1 1 所示。 3 绪论 冷剂蒸气入 板 冷却水出 冷却水入 图1 1 降膜吸收过程示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ff a u i n gf i l ma b s o r p t i o n 李美玲等 1 0 - 1 1 】选用板翅式热交换器做为吸收器，针对溴化锂水溶液吸收水蒸 气的过程搭建了实验台，并对实验数据进行了分析。实验结果表明：降膜平均对 流换热系数和热效率随降膜雷诺数增大呈近似线性的增长；当雷诺数适中时，质 量传递系数随雷诺数增大而增大，当雷诺数较大时，增长趋势逐渐放缓；随着溴 化锂水溶液浓度的提高，平均对流换热系数、传质系数、平均降膜吸收率均逐渐 增大，且降膜吸收的热质传递效率在溶液浓度为5 9 - - - 6 0 时变化较大。与管壳式 吸收式制冷机的传热部件占用体积相比，在保证传热性能的基础上，若采用平板 式吸收器能够节省5 8 的体积。 高洪涛 1 2 - 1 3 】也开展了平板式吸收器以的研究。溶液分布器被安装在吸收器中以 确保溴化锂溶液的流动状态。实验表明，可通过以下几种方式可以促进吸收过程： 1 ) 在雷诺数一定时，提高蒸发温度或降低溶液温度；2 ) 在溶液的温度一定时，可尽 量增大雷诺数，即增加浓溶液流量，但对于高温溶液，增大流量对吸收热的增加 几乎没有影响；3 ) 增加冷却水流量；4 ) 使用添加剂。在此基础上，针对换热板溶液 侧开有纵向沟槽和横向沟槽时对吸收器的性能影响进行了实验研究，并与使用光 滑换热板时进行对比。实验结果表明，开有宽度为l m m 的纵向沟槽换热板的性能 4 基于强制吸收技术的溴化锂制冷实验研究 最佳，在液膜雷诺数为7 5 时其热量传递系数是采用光滑板时的1 4 4 倍。 此外，众多学者已经就采用降膜吸收的氨水系统进行了数值模拟和实验分析， 明确了热质传递性能与不同的溶液流动状态和吸收器内冷却管路的安排有很大的 关系。溶液入口条件的改变以及不同吸收器构造对降膜吸收性能的影响都已经通 过实验的方法进行了研究。 1 ) 吸收器构造 冷却管路表面的充分湿润和能够使溶液均匀流动的溶液分配器对降膜吸收性 能的影响至关重要。m e a c h a m 和g 泌妇e l l a 【1 4 】采用了一批具有微小通道的冷却水管 路来设计氨水降膜吸收器。这批管束由竖直叠放的水平管构成。浓溶液从吸收器 顶部进入，到达具有微小通道的冷却水管上，氨蒸汽与下降的溶液逆向流动。很 多技术被采用来优化浓溶液的分布和管束表面的湿润程度。例如，精心设计的穿 孔溶液滴落分配器，每个穿孔的末端管材截面都很小；喷砂处理被应用在冷却管 路表面。实验测定，在表面积为1 4 5 6 m 2 的吸收器中，其制冷量为1 5 k w ，这显示 了该种设计方法巨大的提升潜力。模拟结果显示，只有3 0 的表面处于湿润状态， 即成为有效吸收表面，如果采用更好的设计方法，性能的提升仍可能【1 5 】。 g o d 和g o s w a m i t m7 】使用了与m e a c h a m 和g a r i m e l l a 1 4 】类似的吸收器结构，设 计了一种金属网，以十字交叉的形式放置在临近的竖直排列的冷却管路之间来优 化溶液分布和冷却水管路表面的湿润程度。研究结果表明，这种设计给吸收器热 传递系数带来了近5 0 的性能提高。在制冷量方面，与不使用这种金属网的吸收 器相比，最多能够产生2 6 的制冷量增加。同时，数值模拟的结果显示，由于金 属网的采用，在达到相同制冷量时，能够节约2 5 的体积。采用这种设计，在体 积为0 0 0 4 8 m 3 的测试部分中，能够产生4 k w 的制冷量。 k w o n 和j e o n g 1 8 】采用使氨蒸汽与溶液同向流动和逆向流动的方式，研究了降 膜吸收器中流型对吸收性能的影响。这种结构的吸收器具有在竖直方向上紧密堆 叠的盘管。冷却水从盘管内部通过，浓溶液从盘管外部竖直降下。冷剂蒸汽在吸 收器内沿着或上或下的方向流动，以产生与下降的溶液逆向流动或者同向流动的 流动方式。在o 0 0 5 5 m 3 的吸收器内，能够产生1 5 k w 的制冷量。研究显示，氨蒸 汽与溶液同向流动时，传热系数和吸收速率较高，这一现象在溶液进口浓度较低 5 绪论 时尤为明显。 l e e 1 9 】对板式吸收器的吸收效果进行了研究。其吸收通道位于中央，冷却水通 道并列位于中央通道两侧。浓溶液沿着中央通道壁面下降，氨蒸汽沿着溶液膜向 上流动。为了提高中央通道的表面湿润程度，采用砂纸进行了表面处理。在 0 0 0 0 8 9 m 3 的测试部分内，产生了近4 5 0 w 的制冷量。 2 ) 浓溶液流量、浓度和温度的影响 m e a c h a m 和g a r i m e l l a t l 4 1 ，k w o n 和j e o n g t l 引，l e e t l 明通过实验研究发现随着浓 溶液流量的增加，吸收器的热传递系数将会显著增加。m e a c h a m 和g a r i r n e l l a b s l 数值模拟研究的结果也符合这个结论。作为对比，g o e l 和g o s w a m i 1 6 1 也就这一趋 势进行了实验研究，他们发现即使通过增加浓溶液流量能够显著地增加吸收器的 制冷量，但是总体的热传递系数仍保持不变。这一结论是在如下实验条件得出的： g o e l 和g o s w a m i 1 6 】使用的冷却水管的内部直径是m e a c h a m 和g a r i m e l l a 所使用的 冷却水管的两倍，而流量却只是m e a c h a m 和g a d r n e l l a 实验条件的一半。因此， 冷却水从g o e l 和g o s w a m i 所使用的吸收器带走的热量有限，即使在浓溶液流量增 加时，总体传热量仍没有提高。 l e e 1 9 】的实验研究表明了浓溶液流量对质量传递系数几乎没有影响，但是k w o n 和j e o n g 关注到随着浓溶液流量增加，吸收速率也得以升高。 g o e l 和g o s w a m i l 2 0 的数值模拟研究发现在溶液入口温度处于8 c 1 5 c 的范围 时，随着溶液入口温度的升高，吸收速率增加。k a n g 1 8 】发现由于吸收热，降膜的 温度与界面的温度很快就能达到热平衡。因此，改变溶液入口温度对吸收效果几 乎没有影响。 k w o n 和j e o n g 18 】发现当入口溶液浓度较低时，在氨蒸汽与溶液同向流动的条 件下，溶液侧的热传递系数比蒸汽与溶液逆向流动时高。 3 ) 氨蒸汽的影响 m e a c h a m 和g a r i m e l l a 1 4 】通过实验发现，随着氨蒸汽流量的增加，总体的热传 递系数会增加；而l e e 6 等人的研究则发现，随着氨蒸汽流量的增加，对总体的热 传递系数没有影响或者使总体的热传递系数会降低。上述实验内容均在蒸汽与溶 液逆向流动条件下进行。而k w o n 和j e o n g l l 8 】贝0 宣称在蒸汽与溶液以逆流方式流动 6 基于强制吸收技术的溴化锂制冷实验研究 时，蒸汽流量的增加常常会导致总体热传递系数的增加，但是，当冷剂蒸汽的流 量超过一定数值时，它可能会影响到溶液的分配、流动情况以及冷却水管路表面 的湿润情况，这些影响都有可能使总体热传递系数降低。k w o n 和j e o n g 在蒸汽与 溶液以同向方式流动时的实验中也发现了溶液侧的换热与蒸汽流量并没有太大关 系。 4 ) 冷却水的影响 m e a c h a m 和g a r i m e l l a 1 4 】测量了在微通道冷却水管内，当冷却水流量增加时， 热量传递系数升高。但是，这种影响并没有浓溶液流量和蒸汽流量产生的影响大。 作者认为，总体的热传递系数的增加主要是得益于冷却水侧的热传递系数的增加， 这是因为管内流速的增加能够导致一种暂时的紊流状态。 g o d 和g o s w a m i t 2 0 对在较高的冷却水质量流量下的吸收速率进行了数值模拟。 结果显示，冷却水侧的热传递系数主要是由冷却水流的雷诺数决定，因此，他们 预期在较高的冷却水流量条件下能够获得较高的总体传热系数。 同时g o e l 和g o s w a m i 的实验研究还表明，采用蒸汽与溶液同向流动方式的吸 收器时，冷却水的入口温度对热传递系数没有较大影响。相反的，在对采用金属 网且具有微小通道冷却水管束的吸收器进行数值模拟时还发现当冷却水入口温度 较低的时，吸收器的质量传递性能会大大增加。 1 1 2 鼓泡吸收概述 鼓泡式吸收器内装若干层水平塔板，板上有将气体分散为气泡的特殊装置，并 装有溢流管。操作时，液体由塔顶进入，经溢流管逐板下降，并在板上积存液层。 气体由塔底进入，经过板上的特殊装置，穿过液层，鼓泡而出，因而两相可以充 分接触，使液体充分吸收气体中的易溶组分【2 1 1 。 现在的研究表明，采用鼓泡吸收的氨水系统的吸收器的热质传递性能与以下几 个因素密切相关：不同的流型，冷却水管路的几何安排，吸收器入口条件的改变 以及不同吸收器构造形式。 1 ) 吸收器构造 鼓泡吸收示意图如图1 2 所示。 7 绪论 溶 冷却水出 冷却水入 氨蒸汽入 口 冷却水出 冷却水入 图1 2 鼓泡吸收示意图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fb u b b l i n ga b s o r p t i o n 氨蒸汽的合理分布和鼓泡动力学对鼓泡吸收器的性能有非常大的影响。j c n k s 和n a r a y a n a i l 【2 2 】测试了三种不同几何表面和三种不同光滑通道深度的板式吸收器 的吸收性能，这种类型的板式吸收器上面布满了大量可供气体进入的小孔。这些 小孔占据了近2 3 的吸收器板面的长度。通道的深度在1 5 0 微米- 1 5 0 0 微米之间， 通道的表面布满了向各个方向散开的翅片。研究发现，当蒸汽质量分数较低时， 基于单相热传递理论，吸收器的热量传递性能随着通道深度的降低而增加。但是 这一趋势随蒸汽质量分数增加而有所改变。实验结果表明，通道深度为4 0 0 微米 时，热质传递性能最好。现在的研究结果表明，采用不同几何表面的板式吸收器 难以促进吸收性能的提高。这两名学者发现，最合适的通道深度在4 0 0 微米- 1 5 0 0 微米之间。对于0 0 0 2m 2 的热量传递面积而言，最大的热量传递系数和质量传递 系数分别为4 5 0 0 w m 2 k 和0 1 3 8 k g m _ - s 。 b o u r o u i s 2 3 】测试了一种使用型号为n b 5 1 的波纹板式换热器的鼓泡吸收器的性 能。试验部分包括了三条并列的通道，冷却水在外侧的两根管路，与在中间管道 流动的浓溶液逆向流动。鼓泡蒸汽则在浓溶液的入口处，通过| 7 r a m 直径的孔口 注入，混合之后与浓溶液一起流入吸收器。对于有效传热面积为o 1 m 2 的中央通道 基于强制吸收技术的溴化锂制冷实验研究 而言，最高的热量传递系数和质量传递系数分别为5 4 0 0 w m 2 k 和0 0 0 6 3 k g m 2 s k o y a m a t 2 4 】测试了采用由一根较长的派热克斯玻璃管制成的吸收器的性能。在 管内，浓溶液自上而下流动，蒸汽鼓泡则自下而上与浓溶液逆向流动。测试部分 采用了g a x 系统，在较低的溶液流速情况下( 1 6 7 9 m i n 5 8 9 m i n ) 。g a x 系统能 够利用吸收热来使稀溶液产生更多的蒸汽。派热克斯玻璃管的使用，使测试段可 以在无需冷却的条件下，用肉眼观察流动情况得以实现。k o y a m a 的观察发现在鼓 泡蒸汽的入口处，有涡流的形成。紧接着，在剩余的吸收部分，流型就改变为弹 状流型的泰勒鼓泡。对于内径为1 0 m m 的管路，如果流量为2 0 9 r a i n ，那么吸收部 分的长度就需要1 2 m 。在他的最新研究中，k o y a m a 研究发现了在涡流区的热量传 递系数比在弹状流区高，进而发现了鼓泡动力学对吸收效果的影响。 2 ) 浓溶液流量、浓度和温度的影响 l e e 和c h u i l 【1 9 2 5 】分别测试了采用鼓泡蒸汽与浓溶液逆向流动和同向流动两种构 造方式时，吸收器的性能变化。这两份研究都发现，吸收器的总换热系数随着浓 溶液流量的升高而增大。陆n 瞄筇】更具体地观察到了，在逆向流动构造方式内，传 热系数的增强只在涡流区域发生，在弹状流动区域是不会发生该现象的。j e n k s 和 n a r a y a n a n 【捌设计了一种鼓泡蒸汽与浓溶液以十字形式交叉流动的吸收器，发现了 传热系数与溶液流量之间更为复杂的关系。例如，当鼓泡蒸汽流量为l m i n 时， 通道深度为4 0 0 微米的光滑板式吸收器的传热系数随着浓溶液流量在l o e d m i n 3 0 e d m i n 之间递增。但是，当鼓泡蒸汽流量为3 9 m i n 时，在同样的板式吸收器上， 传热系数只随着浓溶液流量在l o g m i n 2 0g j m i n 之间递增；当浓溶液流量在 2 0 9 m i n 3 0 9 m i n 之间逐渐升高时传热系数却逐渐降低。相似的不可预知的变化趋 势在不同通道深度、不同表面结构的吸收器上都能够观察到。 另外，l e e 和c h u n 【1 9 ，2 5 】的研究还发现，随着浓溶液流量的变化，质量传递系数 并没有相应的变化趋势。l 渤阱2 6 】的研究结果表明，选择鼓泡蒸汽与浓溶液逆向流 动的方式时，如果采用较短的板式吸收器，则必须设置较高的浓溶液流量。对于 既定的鼓泡蒸汽状态，j e n k s 和n a r a y a n a n 2 2 发现了随着浓溶液流量的增加，质量 传递效率会降低，造成这一现象的原因在于浓溶液流量与鼓泡蒸汽流量的差值太 大了。 9 绪论 b o u r o u i s 2 3 】针对较低的浓溶液入口浓度条件下，热量与质量传递的效率进行了 测试。基于实验研究，他们发现当浓度较低时溶液浓度的变化对热量传递系数的 影响更明显，同时，溶液入口温度对传热传质系数几乎没有影响。 在国内，中国科学技术大学的程文龙教授等学者也从流量、喷嘴口径和添加剂 的使用等方面展开了研究。他们发现最大气泡体积和最高吸收高度随喷嘴口径的 增大而增加。使用添加剂能够促进溶液对氨的吸收【2 7 2 引。 3 ) 氨蒸汽的影响 l e e 1 9 , 2 5 1 测试了当蒸汽流量较高时溶液的整体换热系数。鼬m 【2 4 阗注意到只有在 涡流区，蒸汽流量的增加才能使传热系数增加，这一趋势在其他区域是不存在的。 j e n k s 和n a r a y a l l 缸圈没能得出蒸汽流量与传热系数之间的确切关系，因为这一趋 势还与其他因素相关，例如浓溶液流量、通道深度以及通道结构等。但是，对于 通道深度为4 0 0 微米1 5 0 0 微米的表面光滑的板式吸收器而言，传热系数是随着蒸 汽流量的增加而增加的。 l e e 1 9 , 2 5 】在较高的蒸汽流量实验条件下测量到了较高的质量传递系数。飚m 【2 4 2 6 】 等学者发现当蒸汽流量较高时，所需要的板式吸收器的长度需要相应地增加。在 蒸汽流量很大的情况下，k a n g 2 明在吸收器中观察到了弹状流动区域。而根据j e n k s 和n a r a y a n a n 的研究，在这一部分的吸收是不完全的。 t 4 ) 冷却水影响 b o u r o u i s 2 3 】认为随着冷却水流量的增加，质量传递系数会相应地增加，但是热 量传递系数几乎保持不变。根据k m z 4 的研究结果，通过增加冷却水的流量，可 以使板式吸收器的长度适当减小，相应地，吸收器的性能得以提高。 l e e 3 川通过实验发现吸收性能的提高可以通过降低冷却水温度来实现。 b o u r o u i s 2 3 】的研究结果发现，溶液侧热量传递效率的提高主要是由较低的冷却水温 度带走更多的热量实现的。y q l 1 - l 2 4 的研究结果也发现了通过降低冷却水的温度，达 到同样制冷量时板式吸收器的长度得以减小。 当蒸汽的流量一定时，稀溶液出口过冷度的提高可以通过以下两个方式来实现： 增加冷却水流量；降低冷却水温度。尽管冷却水的流量和冷却水的入口温度会发 生变化，b o u r o u i s 2 3 等学者仍然发现了最高o 7 的出口溶液过冷度。 l o 基于强制吸收技术的溴化锂制冷实验研究 i 。- 。- 。_ 。1 。- 。1 。一 1 1 3 降膜吸收与鼓泡吸收的对比 k a n g 2 9 年dl e e 1 嘣】一起就降膜吸收与鼓泡吸收的性能通过数值模拟与实验的 方法进行了对比。 1 ) 降膜吸收与鼓泡吸收的对比 数值模拟的结果显示，降膜吸收器的尺寸主要由热量传递性能决定，鼓泡吸收 器的尺寸主要由质量传递系数决定，而吸收性能主要是由溶液的质量传递阻力这 一因素来决定。采用鼓泡吸收器时，最佳吸收速率在如下条件下实现： l 浓溶液的流量为3 9 1 k m o l h ，浓溶液的温度为7 5 ； 2 蒸汽的流量为2 4 2 k m o l h ，蒸汽的流量温度为1 2 1 5 ； 3 冷却水的流量为1 3 6 0 8 k m o l h ，冷却水的温度为4 6 在这个测试系统中，通过对达到完全吸收所需要的吸收器长度进行比较发现， 鼓泡吸收器能够比降膜吸收器节省约4 9 的体积。实验结果显示，降膜吸收的热 量传递系数较高而鼓泡吸收的质量传递系数较高，综合以上结论，鼓泡吸收比降 膜吸收具有更大的优势。 一 k i m 3 1 。2 1 最近的实验结果显著地突出了由于采用纳米颗粒和二元纳米流体所 带来的鼓泡吸收性能的提高。在k i m l 2 4 后续的数值模拟中，他发现了如果使用添 加表面活性剂，则能够为鼓泡吸收节约近6 3 的体积；而如果使用纳米颗粒添加 剂，则能够节约近5 4 的体积。但是，这些添加剂的使用对于整个制冷过程的影 响仍然还未能完全考虑到。 2 ) 鼓泡吸收的新进展 鼓泡吸收与降膜吸收相比，在增强质量传递方面更有效，而且具有保持较高热 传递系数的潜力而得到了众多学者的一致认可，j e n k s 和n 绷a y a n a n 【2 2 】设计了一种 紧凑型微小尺度薄膜吸收器来进一步提高热质传递性能和减小吸收器的体积，如 图1 3 所示。这种紧凑型微小尺度薄膜吸收器由以下几部分组成：大宽高比的微小 浓溶液通道，微小的冷却水通道和如图所示的带孔的壁板，该壁板是蒸汽注入的 通道。 绪论 鼓泡蒸汽通过带孔壁面进入溶液 带孔壁面 上上土上上上上上土土上j r 上上土上 固体壁面