（轮机工程专业论文）平板式吸收器工作特性研究.pdf

中文摘要 摘要 溴化锂吸收式制冷机以水为制冷剂，使用热水、蒸汽或燃气作为驱动热源。 在大气污染和能源短缺的大环境下，具有冷剂环保和热驱动两大显著特点的吸收 式制冷机，受到了更为广泛的关注。吸收器作为溴化锂吸收式制冷机中最主要的 部件之一，其体积与性能指标对整个吸收式系统都有着重要的影响。本文从制冷 机小型、高效的实际方向出发，以单效溴化锂吸收式制冷系统为基础，构建竖直 平板降膜吸收器工作性能实验装置。所采用的平板式吸收器，结构简单，外形为 立式长方体，容易布置，占地面积小，而且其负荷与尺寸调整方便。通过对实验 台的设计计算、搭建和调试，实现对溴化锂吸收式制冷系统中平板式吸收器工作 条件的设定、相关参数的测量以及对吸收现象的观测等功能。另外，通过对吸收 设备进行改进或改造，也可以对其他型式的吸收器的性能进行测试。 在完成实验台搭建的基础上，对平板式吸收器的工作性能进行了一系列测试。 实验采用单层光滑换热平板，研究系统冷却水流量，进1 3 溶液的温度、流量等参 数对平板式吸收器吸收热以及传热系数的影响。实验中，溴化锂浓溶液的浓度为 6 2 州；冷却水入口温度为3 l ；蒸发器内的蒸发温度为1 1 c ；溶液入口温度范 围3 5 7 5 ；液膜雷诺数5 0 - - 2 0 0 。并且，实验测定了在不同的浓溶液温度和溶 液流量的情况下，使用界面活性剂2 - e t h y l 1 h e x a n o l 作为添加剂对吸收热和传热系 数的影响。 实验结果表明，吸收热随着溶液温度的降低而升高，并且随着冷却水流量的 增加丽增加；随着冷却水流量的增加吸收器传热系数减小。添加剂对吸收的促进 作用明显，添加后的吸收热和传热系数最高可比添加前增加一倍多。 关键词：吸收式制冷；平板式吸收器；溴化锂；工作性能 英文摘要 e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no np e r f o r m a n c eo fp l a t ea b s o r b e r a b s t r a c t t h el i b r - h 2 0a b s o r p t i o nc h i l l e ri sd r i v e nb yh o tw a t e r , s t e a mo rb u r n i n gg a s ；a n d t h er e f r i g e r a n ti sw a t e r i nt h ec a s eo fa i rp o l l u t i o na n de n e r g ys c a r c i t y , a b s o r p t i o n c h i l l e r sh a v eb e e na t t a c h e dm o r ea t t e n t i o nf o rt h et w od i s t i n c te l l a r a c t e r s ：t h eu s eo f e 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 dt h eh e a td r i v i n g a sam a j o rc o m p o n e n to fa n a b s o r p t i o nc h i l l e r , t h ea b s o r b e rh a sa l li m p o r t a n te f f e c to nt h ep e r f o r m a n c ea n ds i z eo f a b s o r p t i o ns y s t e m d i r e c t i o nf r o mm a k i n gac o m p a c ta n de f f i c i e n ta b s o r b e r a n e x p e r i m e n t a ld e v i c ew a s s e tu pf o rt e s t i n gt h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo fav e n i c a lp l a t e f a l l i n gf i l ma b s o r b e rb a s e do nt h es i n g l e e f f e c tl i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o nc o o l i n g s y s t e m t h ec h a r a c t e r so f t h ep l a t ea b s o r b e ra r es i m p l ec o n s t r u c t i o n ，v e r t i c a l l yc u b o i d s h a p e ，e a s ya r r a n g e m e n t ，s m a l lf l o o ra r e a , f a c i l i t yo fa d j u s t i n gl o a da n ds i z e a f t e r d e s i g n i n g , s e t t i n ga n dd e b u g g i n g , t h ef u n c t i o n so fs e t t i n ge x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ， t e s t i n gp a r a m e t e r s ，w a t c h i n gp h e n o m e n o ni nt h ep l a t ea b s o r b e rs h o u l db e e na c h i e v e d i na d d i t i o n ，t h ep e r f o r m a n c eo fo t h e rt y p e sa b s o r b e r sa l s oc o u l db et e s t e di nt h i ss y s t e m e x p e r i m e n t a ls t u d yo np e r f o r m a n c eo ft h ep l a t ea b s o r b e rw a sc a r r i e do u ta f t e rt h e e x p e r i m e n t a ls y s t e mw a sf i n i s h e d as i n g l ep l a t ew a sa d o p tt os t u d yt h ee f f e c to ft h e p a r a m e t e r ss u c ha sc o o l i n gw a t e rf l o wr a t e ，i n l e ts o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，i n l e ts o l u t i o n f l o wr a t e0 1 1a b s o r p t i o nh e a ta n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n to fp l a t ea b s o r b e r a l lt e s t s w e r ec o n d u c t e dw i t ha na q u e o u sl i b rs o l u t i o nw i t h6 2w t c o n c e n t r a t i o n ，a l li n l e t c o o l i n gw a t e rw i t h3 1 ( 2t e m p e r a t u r e ，l l * ce v a p o r a t i n gt e m p e r a t u r e a n dt h ei n l e t s o l u t i o nt e m p e r a t u r er a n g ei sf r o m3 5 7 5 t h er e y n o l d sn u m b e ri sf r o m5 0 2 0 0 t h e e f f e c to fa d d i t i v e ( 2 e t h y l - 1 - h e x a n 0 1 ) o na b s o r p t i o na n dh e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n ti s t e s t e dw i t ht h ev a r i e ds o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n df l o wr a t e t h er e s u l t si n d i c a t et h a ta b s o r p t i o nh e a ti n c r e a s ew i t hc o o l i n gw a t e rf l o wr a t ea n d d e c r e a s ew i t hs o l u t i o nt e m p e r a t u r e ，t h ee f f e c to fa d d i t i v eo np r o m o t i n ga b s o r p t i o ni s o b v i o u s ，a b s o r p t i o nh e a ta n d h e a tt r a n s f c rc o e f f i c i e n ti n c r e a s e dm o r et h a no n et i m ew i t h a d d i t i v et h a nt h a tw i t h o u ta d d i t i v e 英文摘要 k e yw o r d s ：a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n ：p l a t ea b s o r b e r ：l i t h i u mb r o m i d e ； w o r k i n gp e r f o r m a n c e 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， 撰写成硕士学位论文：垩拯式咝蝗矍王挂挂丝班峦：。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。 论文作者签名：南u沙7 年；月己笋日 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“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于；保密口 不保密口( 请在以上方框内打“”) 论文作者签名：。弓艰导师签名：毛r 气竹 日期：7 年，月归 平板式吸收器工作特性研究 第1 章绪论 1 1 背景 近年来，资源与环境问题已经成为困扰人类发展的全球性问题，其中与制冷 密切相关的两大环境问题是生产和生活中大量排放的二氧化碳导致的全球温室效 应，以及氟利昂制冷剂对大气臭氧层的破坏，严重威胁着人类的生存环境。而在 夏季，特别是在城市里，对制冷量有大量的集中需求，会导致用电高峰期的电力 供应紧张。在这种情况下，吸收式制冷机热泵由于具有下列优点而受到广泛的关 注：首先，吸收制冷机热泵可以使用工业余热、地热、太阳能等低品位能源作为 补偿能量，几乎不使用电力，因此不仅有利于平衡用电峰谷，而且对于能源的综 合利用、调节能源结构具有重要意义；其次，吸收式制冷机热泵的工作介质为溴 化锂、水、氨等不含氟的物质，因此对臭氧层不具有破坏性，对环境非常友好；一 在全世界都在致力于为使用c f c 、h c f c 等物质作为工作介质的压缩式制冷机寻 找替代制冷剂的时候，吸收式制冷技术被认为是压缩式制冷机的替代制冷技术， 并且是一种值得发展的制冷技术。拥有上述优点的吸收式制冷机热泵的缺点是装 置偏大、制冷效率偏低，造价较高。由于这个原因，到目前为止吸收式制冷机，热 泵仅仅应用于自行发电的工厂车间、大型楼宇等可以使用大型设备，有较大的制 冷量需求的场所。而有中低制冷量需求的住宅以及一些商业用户却因此受到了使 用的限制。为了扩大吸收式制冷机热泵的制冷量范围，能够降低成本，普及应用， 机组的小型化和高效化十分必要。 1 2 文献综述 1 2 1 吸收式循环 为实现小型高效的吸收式制冷，近些年，许多研究者作了大量研究探索工作。 提高机组性能的方法之一就是改善机组循环。k a i t a 卜2 1 在现有的双效系统的基础上 增加了一个高温发生器来组成三效系统，构成了并联、串联和回流三种型式的三 效循环。其中串联循环是指浓溶液流程的串联，回流循环是指稀溶液流程的串联。 第1 章绪论 他在g r o s s m a n 的研究的结论的基础上，对这几种循环进行了计算机模拟，比较了 循环的c o p 值、最高蒸汽压力以及溶液温度。通过计算发现并联循环的c o p 值最 高，但设置了溶液旁路的回流循环也具有很高的c o p 值。在回流循环中，最高蒸 汽压力和最高溶液温度的值要低于其他两种循环，因此，这种相对较低的最高蒸 汽压力和最高溶液温度有利于机组的调节管理以及金属的耐腐蚀性的增强。另外， k a i t a 在计算模型中加入了换热器，用来回收离开低温发生器的冷剂水的热量，这 样可以提高c o p 值0 0 3 一o 0 5 。并且他给出了高温区溴化锂水溶液热力学特性的 计算方程，这对于三效溴化锂吸收式制冷机的设计和模拟有很大的帮助。k i m 等 3 1 开展了压缩机辅助的溴化锂三效制冷循环的模拟研究，通过模拟计算比较了基本 串联式三效循环以及四种基于串联循环的压缩机辅助的三效循环，各种蒸汽压缩 单元都具有不同的吸气压力，以降低高温发生器的温度。通过研究，提高蒸汽的 压缩比可以有效的降低发生器的温度。温度降低4 0 k 大约需要的机械能相当于制 冷量的3 5 。结果表明，在蒸发器和吸收器之间设置一台压缩机会获得最佳的 效果，并且循环的性能最优，从而为解决溴化锂三效循环的腐蚀问题提供了一个 方法。但是此方法同时也存在润滑油污染、换热系数低、蒸汽过热以及盐分夹带 等问题。a n l n 等【4 1 分析了双效并联和串联溴化锂吸收循环，指出在通常的运行条 件下，并联系统所能达到的最大c o p 值始终比串联系统大；与串联系统相比，并 联系统受蒸发温度变化的影响加大，而冷凝器和吸收器温度对其影响较弱。同时， 低压发生器中外部热量的输入对并联系统也有很大的影响。 y o o n 等【5 l 把双效吸收循环高温发生器中燃烧器的排气重新利用，对从吸收器 流向低温发生器的稀溶液进行预加热，以实验结果为基础，对吸收式热泵的总的 性能进行了分析。采用废气换热器回收高于2 0 0 c 的排气中的废热，用来预加热稀 溶液。循环使高温发生器中的能耗以及冷却和加热过程中的能耗分别降低了2 8 和5 1 ，并且系统的c o p 值有了显著的提高。在快速启动模式下，系统达到稳态 的延迟时间缩短了9 m i n ，快速启动模式提高了高温发生器中溶液的温度，从而提 高了废气的温度，这样可以提高系统的废热利用率。为吸收式制冷机中能量的回 收利用提供了参考。 平扳式吸收器工作特性研究 为避免多效循环给系统带来的复杂性，有人在单效循环基础上做些改进来提 高循环效率。e a l n e s 和w u 【6 1 做了一种新型喷射器驱动的吸收一再压缩循环制冷机的 理论研究。循环中，外部热源加热水，产生的水蒸汽在被喷射器压缩后，用来加 热溶液，溶液中产生的水蒸汽一部分进入冷凝器中，另一部分进入喷射器中。经 过理论计算，结果表明这一循环的c o p 值优于传统的单效循环，不仅可以使用高 温热源，也降低了成本。v e g a l 7 】等研究了把发生器、冷凝器和回热器都用板式换热 器替代的溴化锂吸收式制冷系统。通过对板式换热器中的蒸发、冷凝和液一液热 交换来计算吸收器、冷凝器和溶液回热装置的总换热系数，变量是外部热源的温 度。吸收器中，进口热流温度范围是7 5 1 0 5 。冷凝器和吸收器中进口冷却水的 温度范围是2 0 - - 4 0 。冷量范围2 - - 1 2 k w ，c o p 范围0 5 0 8 。由于大量使用板式 换热器，使得系统具有很高的冷量体积比，并且在2 0 的环境温度下可获得0 8 的 系统c o p 值。顾兆林等【8 1 0 l 对三压四压吸收一喷射复合制冷循环的性能以及经济性 进行了分析，三压循环是以单效制冷循环为基础，在发生器与冷凝器之间加了一 个气体喷射器，用来自发生器的高压水蒸汽引射蒸发器的二次冷剂蒸汽流；四压 循环是针对热源温度较低的情况下对三压循环的改进，在蒸发器和吸收器之间又 增加了一个液体喷射器。通过理论计算结果表明，吸收一喷射复合制冷循环的c o p 值接近于双效吸收循环，在1 0 左右，其流程和结构简单，有利于降低初投资费用。 另外，k a y n a k l i 1 1 】等对单效溴化锂吸收循环进行了全面的热力学分析，研究了 所有性能参数，总结出各参数之间的相互关系。如随着发生器和蒸发器温度的提 高，吸收器和发生器的热负荷降低；发生器热负荷的降低提高了c o p 的值等。 t o m a s z 1 2 】对波兰波兹南市的一台空调用单效吸收制冷机组的热力学性能和经济性 指标进行分析，机组制冷量为4 9 5 k w ，热源为1 0 m p a ，2 5 0 c 的过热蒸汽，冷水温 度为6 。研究的目的在于确定制冷机实际负荷对系统能量效率的影响。 1 2 2 添加剂 提高机组性能的另一方法是通过使用添加剂来改善吸收过程。溴化锂水溶液 粘性大传热系数小，为了提高吸收器和发生器中的热量和物质的传输效率，除了 采用高性能传热管、扩大传热管的传热面积和增加流体的紊流度等通常的提高传 第1 章绪论 热的手段外，界面活性剂等添加物对于提高传热传质效率是极其有效的。1 - o c t a n o l 和2 - e t h y l 1 h e x a n o l 等在商用吸收制冷机中被广泛的作为添加剂使用。 研究发现，少量的传热添加剂就可以增强界面扰动。然后，使其在液相中更 好的混合可以明显的提高热质传递效率。界面扰动通常被叫做表面对流或马拉格 尼效应，在吸收、提取和结晶增长等过程中起着一种非常重要的作用。已知，表 面运动是由界面张力的局部变化所导致，因此，界面扰动基本上是与界面张力与 浓度和温度的依存关系有关。界面张力梯度产生强烈对流并导致传热传质率的明 显增大。为了增强吸收式制冷系统中传热传质的激烈程度，在没有提供外部驱动 力下的强制对流扩散的情况下，界面扰动是克服传热传质限制作用的一个有效的 方式1 1 3 l 。 由于溴化锂水溶液在吸收式制冷机的发生器中沸腾时，会发生许多气泡而使 得溶液表面很不安定。为抑制气泡的生成，人们试图使用界面活性剂降低溶液的 表面张力。而在实验过程中，比对发生器中气泡的抑制效果，更为引人关注的是， 由于界面活性剂的加入使得吸收器性能被大大提高。于是，晃面活性剂被作为吸 收促进剂而开始被使用，而人们对界面活性剂促进吸收的机理几乎完全不清楚， 对于表面活性介质的选取、添加量的确定都只是凭借经验。从z i e g l e r 和g r o s s m a n l l 4 j 的阐述中可知，人们对于界面活性剂的吸收促进机理有了一定程度的理解，但仍 未得到一个公认的正确解释。目前针对其具体强化机理，国外有了一些研究，如 日本的学者柏木1 9 8 5 年提出浮岛理论、宝泽等1 9 9 1 年提出盐析效应理论、美国 学者h e r o l d 提出气相表面活化剂理论等，但仍没有一个十分清晰并且公认的强化 吸收的机理。国内近年来也进行了一些相关研究，如程文龙【1 5 - 1 7 j n 试了添加正辛 醇和异辛醇后的溴化锂溶液的表面张力，高洪涛【1 8 - 冽则从以下几个方面进行了研 究：1 ) 对添加多种醇类添加剂的溴化锂溶液的水蒸汽效果进行定量测量；2 ) 对不同 添加方式，如液相添加和气相添加进行了比较；3 ) 对添加了多种醇类添加剂后溴化 锂溶液的表面张力进行了测量等。 平板式吸收器工作特性研究 1 2 3 吸收器 在结构上，吸收式制冷机热泵由四个主要部件组成发生器、吸收器、冷 凝器、蒸发器。其中吸收器的传热面积占机组总传热面积的4 0 ，作为机组的一 个主要的组成部分，在吸收器内产生复杂的传热传质过程，其尺寸与性能的好坏 对于整个机组的尺寸与性能有着至关重要的影响，同时也影响着机组的制造成本 及使用费用。所以，吸收式制冷机小型化高效化的关键在于对吸收器的改进，强 化吸收器的传热、传质性能，减少吸收器的传热面积，从而减小吸收器的占地面 积，降低制造成本。 传统的溴化锂吸收式冷水机组采用管内水冷的卧式水平管束降膜吸收器，因 卧式布置难以减小占地面积而限制了机组向小型化发展。而立式吸收器占地面积 相对较小，传热传质效果优于水平管外降膜吸收。因此，立式吸收器开始受到了 人们的注意。而本课题研究提出的平板型吸收器则比垂直管式吸收器更易于布置， 占地更小。 ( 1 ) 水平管式吸收器 近年来，国内外很多学者对吸收器进行广泛的研究，研究对象分为降膜吸收 器和其他型式吸收器两个方面。 实际应用的吸收器型式为降膜式，因此研究者的目光主要都集中在降膜吸收 器上。目前被普遍使用的吸收式制冷机组中的吸收器多为水平管壳式吸收器。水 平管吸收器包括有直列或交叉排列的水平管束。溶液从顶部喷入，沿着管排一层 层滴落。此过程产生三种流动方式：在管子上表面产生降膜，管下形成液滴，管 间液滴下落。 h o 眈锄f 2 1 j 通过实验研究了水平管降膜吸收器在有无界面活性剂添加的情况 下的传热性能。吸收器内的换热部件由单层排列的2 4 根铜管组成，并分别用光滑 铜管和滚花铜管构成两种型式的吸收器，管内通冷却水。采用两种添加剂，分别 是1 o c t a n o l 和2 e t h y l 1 h e x a n o l 。实验考察了铜管外表面结构，溶液的运动粘度， 雷诺数、表面张力以及添加剂对吸收器传热系数的影响。其中，传热系数随着溶 液粘度和表面张力的增大而减小，并且传热系数也与溶液液膜的流态等因素有关， 第1 章绪论 随着溶液流量的增加而增大，实验获得的传热系数的范围为2 0 0 - - 1 9 0 0w m 2 k ：界 面活性剂的添加使传热系数增加了6 0 - - 1 4 0 ，滚花铜管的使用使传热系数增加了 2 0 - - 4 0 。s o t of r a n c e s 2 2 】等采用多因素分析方法，对水平光滑管吸收器进行多因 子实验测试，研究降膜平均对流传热传质系数的影响因素。同时建立数学模型对 吸收器性能进行预测，并考虑润湿性的影响。最后对模型和实验结果进行对比讨 论，验证预测模型的准确性。此模型能够精确的预测热负荷和水平管吸收器上液 膜的平均对流传热系数，但是对于传质的预测却不理想。研究表明单效池内的温 度和浓度是影响预测的主要因素。k i u i o n 等f 2 3 剥针对于数学模型的一些理想化假 设，如光滑薄膜，液滴不参与吸收过程，在每根管顶部溶液浓度相同等会影响结 论的正确性，通过高速摄像机显示出水平管的复杂的流动特性。文中指出，液滴 的形成与管间距，液膜流速，液体的热力性质，流体粘度，表面张力以及密度有 关。而这些参数影响吸收速率，它们是通过对液滴和液膜的影响从而影响吸收速 率的。并指出未来的研究可关注液滴的形成对吸收的促进作用以及液滴对膜的影 响途径。为建立更为准确的数学模型提供了一种现实依据。同时，针对液滴可能 在水平管降膜吸收中所起的主要作用，建立了自己的数学模型。 p a r k 等【2 5 御研究了管子表面粗糙度对吸收性能的影响。由于管子表面的润湿性 对降膜有重要的影响，因此，采用外径1 6 r a m ，长5 0 0 r a m ，外表面加工有刻度为0 3 8 6 - - 1 1 3 5 9 微米的微距刻线管作为换热管，浓度分别为5 5 、5 8 、6 1 的溴化锂溶液进 行实验，结果表明，相对于光滑管，微距刻线管把吸收性能提高了两倍，这是因 为进行微刻处理所得到的高润湿性促进了溶液向冷却水的换热，从而产生了较高 的吸收势。同时，他们又对有添加剂存在的情况下吸收特性以及管子表面粗糙度 对吸收性能的影响进行了研究。k ”n g 和h e m l d 【姗】建立了一个被实际应用的吸收 式制冷设备，通过一系列的实验，通过对水平光滑管吸收器入口溶液过冷度的测 量，对溶液喷入方式的讨论以及对添加剂异辛醇的物理性质的新的考虑，考察了 入口处溶液的过冷度、溶液流量、溶液质量分数，添加剂浓度，溶液侧换热系数 以及热吸收率，得出溶液过冷度对换热系数有明显的影响。此外，他们还按照液 膜在水平管吸收器内流动的过程：降膜，液滴形成和液滴下落，建立光滑水平管 平板式吸收器工作特性研究 束吸收器模型，通过联立解降膜二维能量和质量扩散方程，可以比一维的方法更 准确的预测传热传质特性。计算结果与实验结果相比较，验证了二维分析模型的 准确性。吸收器的热流量和溶液侧的传热系数都被作为溶液入口流量的函数，随 质量扩散率的变化而变化。同时，考虑了液滴的飞溅会降低吸收器的性能，使得 计算结果更接近于实验数据。与管子分离的液滴由于没有被进一步冷却，由于温 度较高，使得液滴不进行吸收。随着管子个数的增加，换热面积增大，换热系数 也有小幅度的降低然后稳定在一定的水平。但是吸收器的u a ( 总换热系数与面积 的乘积) 值和吸收器的热流量会随着换热面积的增大而相应的增加。 n o s o k o 等【3 1 】通过对水和氧气的实验，研究了水平管间距，雷诺数，管与布液 器距离以及管数对液体吸收空气的影响，实验表明，管间距在2 m m 时形成了连续 膜；r e 3 0 ，表面杂乱并有波动；管间距 = s m m 时，形成液滴。这为水平管吸收器的设计提供了借鉴。i s l a m 等1 3 2 】提出了一种具有 膜反转结构的管式降膜吸收器，这种吸收器采用水平管布置，在上下两管间装有 导流板，可实现上下两管上液膜的内外反转，使液膜的传热传质过程交替进行， 在试验工况下吸收率最大提高了1 0 0 。 由于水平管式换热器的设计制造技术已经成熟，因此目前使用的大部分溴化 锂吸收式制冷机组采用管内水冷的水平管束降膜吸收器，这种卧式布置的吸收器 难以减小占地面积，因而限制了机组向小型化发展。而占地面积相对较小的立式 吸收器受到了人们的注意，在相同的雷诺数条件下，溶液在沿竖壁降膜时对管壁 的覆盖率( 润湿度) 比水平时好，而且膜厚沿流动方向分布均匀，传热传质效果 优于水平管外降膜吸收。其中，有些研究者更是以空冷化为目的开展了管内吸收 的垂直管吸收器的研究。 ( 2 ) 竖直管和平板吸收器 实现吸收式制冷机中吸收器的空冷化是机组小型化方法之一。如果能实现空 冷化，象冷却塔这样的大型设备就可能省略。最近十年间日本和韩国的吸收机组 制造厂商以及煤气公司着手开发空冷式溴化锂双效空调原型机。开发这些空冷机 组的主要问题是，换热器的表面积要很大才行，而这就意味着成本的提高和设备 第1 章绪论 更加庞大。这不仅与小型化的初衷有些相违，而且，为了能将热量排到空气中， 吸收器和冷凝器的工作条件要转移到温度和浓度更高的工况，这又增加了溶液结 晶的风险。理论上，单效吸收式制冷机的吸收器和冷凝器在4 5 以下运行并且蒸 发温度保持在1 0 c 以上时，不会产生结晶。空冷吸收式制冷机，有在竖直管内表 面和外表面进行降膜吸收的两种形式。m e d r a n o 等【3 3 副1 研究了光滑竖直管内壁上的 溴化锂水溶液对水蒸汽的波动降膜吸收，吸收器采用两根长度1 5 m 的不锈钢管， 内管的内径为2 2 1 m m ，管壁光滑，两管之间通冷却水。控制变量：吸收器压力， 溶液质量流量，溶液浓度，冷却水温度。实验中，采用温度较高的冷却水来模拟 空气冷却的热力条件。通过质量吸收率，出口溶液的过冷度以及降膜换热系数来 评定吸收器的性能。结果显示，与其他的研究者相比较，管内与管外降膜吸收的 传质效率无明显的不同；实验产生了较高的过冷度，表明在吸收器较低的管段主 要进行的是传热过程，因此可以缩短管的长度来减小过冷度。在水冷条件下( 吸 收器压力1 0 k p a ，入口溶液浓度5 7 9 ，冷却水温度为3 0 ( 2 ) ，传质效率为0 0 0 1 0 0 0 1 5 k g m s ，而在空冷条件下( 吸收器压力1 3 k p a ，入口溶液浓度6 0 0 ，冷却水 温度为4 0 ( 2 ) ，传质效率的值降为0 0 0 0 3 - - 0 0 0 0 7 5k g m s o 在实验的基础上，他 们又提供了一个空冷吸收器竖直管内降膜吸收过程的数学模型，分析了在竖直管 吸收器中，入口处不凝气体浓度，出口处的放气率，吸收器压力以及冷却水温度 对吸收器降膜吸收过程的影响。对浓度为0 - - 3 0 不凝气体和0 - - 3 5 m s 的出口的放 气率进行分析，结果显示，出口的放气率对质量的吸收有很大的影响，特别是在 较高的不凝气体浓度下，影响更大。随着吸收器压力的提高和冷却水温度的降低， 质量吸收速率增加。在冷却水温度为3 5 c 时，当进口不凝气体的浓度从o 升高到 2 0 ，质量吸收流量会降低6 1 。 t a k a m a t s u 等f 3 5 】把两个竖直同心管组成的换热器作为吸收器，一个内表面光滑 的内径为1 6 0 5 m m ，外径为1 9 0 5 m m 的铜管，外部套一个内径为2 2 1 m m 的不锈钢管。 在铜管内部发生降膜，铜管外部通过冷却水冷却。经过对4 0 0 m m 和1 2 0 0 m m 长度管 的数据比较以及对管内液膜流动情况的观察，证实，当r e = 1 3 0 的时候，管子表面 被液膜完全覆盖。另外，溶液流速的降低会导致液膜的破坏产生溶液流，会使传 平板式吸收器工作特性研究 热传质效率明显降低，而对于1 2 0 0 r a m 的管，更高的雷诺数也会导致液膜的破坏。 由气液交界面的温度和浓度表征的传热传质系数与溶液的过冷度有关，而跟冷却 水的温度没有太大的关系。这是因为实际上的吸收过程更多的是依靠浓溶液在入 口处的过冷度，并且主要在轴向进行。 m i l l e r - 与k e y h a n i l 3 6 】使用具有温度记录功能的荧光粉来测量沿吸收器长度方向 上的温度分布，并且对质量分数为6 0 - - 6 4 范围内的溶液进行了实验，提供了局 部传热传质过程的相关数据。结果显示，吸收剂的区域体积温度不受降膜的影响， 由此可推断出，局部传热传质率在沿吸收器长度方向上呈线性变化，容积浓度梯 度也几乎恒定。由于通过局部温度的变化可计算出吸收器长度方向上溶液的容积 浓度。由容积浓度程线性变化可以推断在流动方向上的浓度梯度几乎恒定。t s a i 等【3 7 1 用3 4 英寸的竖直光滑铜管做传热管，研究管外降膜。并且在管顶部安装了一 个能够产生震动的机械装置。增加液面的扰动，用不同的频率做测试，研究其对 传质的强化作用。机器中的腐蚀和钝化以及泄漏都会产生不凝气体，如空气和氢 气等，它们会聚积在液相与气相界面之间，增大传质阻力，对吸收过程产生不良 影响，从而影响整个机组的性能。我国的尹铭等1 3 8 】对l i b r 溶液在光滑管和四种换 热强化管竖直管外降膜吸收过程进行了实验研究，得到了实验条件下的最佳管型。 分析了非绝热吸收过程中传热传质相互作用、相互影响的关系：建立了竖直管外降 膜吸收热质传递过程的数学模型，并对该过程进行了数值计算，计算值与实验结 果的比较证明该模型具有较好的适用性。 d a r z o z l 3 9 】等研究了溴化锂溶液对水蒸汽的绝热吸收。考察了吸收器中溶液三 种不同形式的重力流：独立的液滴、喷射和沿斜面的降膜。结果表明，喷射或降 膜的溶液比滴状下落的溶液更快的达到饱和，传质系数大于1 5 x 1 0 s m s 。降膜可以 在单位面积上获得更大的流量，同时在单位长度上可获得更多的与水蒸汽的接触 面积。因此，采用降膜就可以得到单位制冷量上更小的吸收室容积。e d r o g d a k i s 等【加l 认为前人的二维竖直管降膜吸收模型中固体表面温度不变或绝热的假设会导 致模型无法很好地接近实验值，因此在新的计算模型中加入对冷却水作用下能量 平衡的考虑，并对吸收热在蒸汽状态和在水溶液状态时的焓值加以区分。模型是 第1 章绪论 管内逆向冷却水，管外层流降膜吸收。计算溶液温度和浓度分布、管内冷却水温 度变化、过热水蒸气的热动力特性以及不断变化的吸收热对溶液温度的影响，用 层流模型量化研究吸收压力、溶液流速及进口冷却水温度的变化对吸收过程的影 响。计算结果显示r e 1 5 0 时模型与实验值吻合较好。 在竖直管状通道吸收器被研究的同时，一些学者也开始对其他具有平直型通 道的降膜吸收器进行了探索研究。李美玲等【4 1 4 5 】用板翅式热交换器作吸收器，针 对溴化锂水溶液沿竖直板翅通道以及矩形通道降膜吸收水蒸汽的过程，建立了开 式系统，间歇运行的实验台，并作了界面活性剂对平板吸收器( 0 6 m 和0 3 m 长) 吸收强化的研究。另外，他们在i s l a m 等【3 2 l 提出的具有膜反转结构的管式降膜吸收 器的基础上，提出了板式膜反转降膜吸收器，通过计算结果显示，这种吸收器可 减小吸收器的体积。东南大学的陈亚平等【拍1 提出吸收器采用板壳式换热器，传热 元件为交叉双尺度波纹板来强化传热。y o o n 掣钢针对水冷的竖直板吸收器建立了 一个数学模型，用来预测温度与浓度的分布，传热传质的量，总体的传热传质率 以及传热传质系数。高洪涛i , 阱4 9 1 在日本东京大学开展了平板型吸收器以及相关的 研究，通过实验数据对比，得出结论：开有宽度为l m m 的纵向沟槽换热板的性能 较好，在液膜雷诺数为7 5 时，其传热系数是光滑板的1 4 4 倍，解决了单层平板型吸 收器的板型优化问题。 ( 3 ) 其他型式的吸收器 其他型式的吸收器包括有喷雾式 s os ”，旋转鼓式，旋转盘式以及刮膜式等， 仅限于研究，没有实际的应用，而其中的研究也多倾向于喷雾式吸收器，这种吸 收器不是利用降膜吸收，而是将过冷溶液喷入一个充满冷剂蒸汽的混合室中，形 成液滴，液滴表面与蒸汽接触，具有吸收能力。由于蒸汽的导热性差，吸收过程 基本上处于绝热状态，吸收效率低，吸收前后溶液的浓度差很小。因此，喷雾式 吸收器通常需要有若干次中冷和再喷射过程来产生足够的浓度差，从而驱动吸收 式制冷机的连续运行1 5 2 i 。r y a n l 5 3 】建立了一个喷雾吸收器，通过实验测试了喷雾形 成的直径为1 5 0 - - 5 0 # m ，下落速度为2 8 m s 的溴化锂液滴对水蒸汽的吸收率，并 验证了吸收的数学模型。实验采用玻璃容器作为吸收器，用几种不锈钢喷嘴垂直 平板式吸收器工作特性研究 喷射来获得不同的液滴大小、喷雾类型、下落速度以及流量。结果表明，在一个 高度为2 5 c m 的吸收器中，最大的喷雾吸收率是0 0 0 4 ：1 ，这个值要比实际商用机组 小得多。v e n e g a s 等酬以硝酸锂一氨为工质对，计算了喷雾绝热吸收氨蒸汽的传质 系数，结果表明在液滴减速阶段，所进行的质量传递最多，约占总量的6 0 ；而 这一时间段约占液滴达到平衡状态所需时间的1 3 4 。国内的申江【5 5 6 1 等建立了喷 雾吸收器的计算模型，通过预冷却和绝热吸收，实现传热传质的分离，使其分别 得到强化。结果表明，冷却水较低制冷量较大时喷雾吸收效果较好，但是需要吸 收溶液的流量很大。 1 3 本文研究内容及意义 由以上内容，可以看出，虽然目前采用水平管束吸收器的吸收式制冷机组仍 被普遍使用。但是由于其卧式布置以及较高的制造成本，限制了其向小型化高效 化的方向发展。竖直管式吸收器如果是采用管束方式，则其布置和成本跟水平管 束相当；若采用竖直单管的方式无论管内还是管外吸收，其传热传质面积有限， 负荷无法达到实际应用的要求，故目前只能处在实验阶段，也没有实际应用。对 于平板式吸收器，由于其结构简单，外形为立式长方体，更容易布置，占地面积 也相对较小，而且其负荷与尺寸调整方便，所以也受到了关注，但目前研究主要 集中在建立数学模型，单层平板的板型，以及添加剂对其性能的影响等方面。本 文主要工作是搭建吸收式制冷竖直平板降膜吸收器工作性能实验台，并采用单层 光滑换热平板，研究系统冷却水温度、流量，溶液的进出口温度、流量等各种参 数对平板式吸收器工作性能的影响。本实验中的吸收器包括整个实验装置在更接 近于实际应用的条件下运行，制冷量、热负荷等参数的设定也接近中小型制冷系 统。所以，本文的研究更具实际意义。 同时，本文的研究内容作为大连市基金项目：“吸收式制冷机小型化、高效 化关键技术的研究”的主要组成部分，会为整个项目的顺利实施做出重要贡献， 其所获得的实验数据，为设计吸收器提供依据。由于本文的实验装置具有较强的 可扩展性和兼容性，以此为基础，通过适当的调整，可以在采用单层平板的同时 第1 章绪论 也研究多层平板，考察不同的板型、布液方式、板间排列以及吸收器的相关参数 对其传热传质性能的影响；同时也可以进行其他相关的研究，为日后进行其他相 关课题的研究提供了一个实验平台。通过本项目的研究可使，溴化锂吸收式制冷 机的吸收器比原来的水平管式吸收器占地面积减：b 5 0 ，其中进行的传热传质效率 提高3 0 。这将会是对现有溴化锂吸收式制冷机组吸收器的重大变革，对吸收式制 冷机热泵小型高效化的巨大贡献。也将取代目前在大型制冷和空调市场占半壁江 山的吸收式制冷机，热泵的传统水平管式吸收器。具有重大的社会经济效益，无论 对能源的合理调配还是对保护环境都有重要意义。 平板式吸收器工作特性研究 第2 章吸收式制冷 吸收式制冷技术从诞生到现在已有将近两百年的历史，最早的吸收式制冷机 是苏格兰的j o h nl e s l i e 于1 8 1 0 年制造的。二十世纪初，吸收式制冷机并不引人注 目，第二次世界大战结束，美国c a r d e r 公司研制了大型空调用吸收式冷水机组， 并在1 9 4 5 年制造成第一台以水为冷剂、以溴化锂水溶液为吸收剂的吸收式制冷机。 近些年来，由于环境与能源问题日益突出，节约能源与制冷剂替代一直是人们研 究的热点，而主要采用溴化锂一水( l i b r - h 2 0 ) 以及氨一水( n h 3 - h 2 0 ) 作为工质对， 利用热能驱动的吸收式制冷技术受到越来越广泛的关注，但是吸收式制冷机较低 的c o p 值和较大的设备尺寸制约了其使用范围，而且氨水吸收式制冷循环还存在 安全性的问题。本文从小型、高效的角度出发，研究以溴化锂和水作为工质对的 吸收式制冷系统的核心部件一吸收器的工作性能。 2 1 吸收式制冷循环 2 1 1 单效吸收循环 吸收循环是采用热能驱动的一种制冷循环，跟传统的蒸气压缩式制冷循环相 比，其所耗电功极小。典型的蒸气压缩式制冷系统由蒸发器、压缩机和冷凝器组 成：纯制冷剂在蒸发器中吸热蒸发制冷，蒸发器中的制冷剂蒸气进入压缩机中被 压缩，产生足够的压力和温度，使其在冷凝器中可以放热冷凝，变为液态，制冷 剂液体再通过一个膨胀阀节流降压，进入蒸发器，开始又一个循环。 吸收式制冷循环与蒸气压缩式制冷循环过程的不同之处主要在于制冷剂是否 经过压缩。单效吸收式制冷循环用吸收器、循环泵和发生器代替了压缩机，并且 使用制冷剂和吸收剂所组成的溶液作为制冷工质对而不是使用纯制冷剂，最常用 的工质对是溴化锂水溶液和氨水溶液。由于目前吸收式制冷空调机组大都采用溴 化锂水溶液作为工质对，因此，本文所研究的循环针对于以溴化锂水溶液作为工 质对的吸收式制冷循环( 以下所提到的吸收式制冷也是指溴化锂吸收制冷) 。 第2 章吸收式制冷 吸收式制冷系统主要由蒸发器( e v a p o r a t o r ) 、吸收器( a b s o r b e 0 、发生器 ( g e n e r a t o r ) 和冷凝器( c o n d e n s e r ) 组成，以溴化锂吸收式制冷系统为例，如图2 1 所示。 图2 1 吸收式循环 f i g2 1a b s o r p t i o nc y c l e 在蒸发器中，液态水( 制冷剂) 吸热蒸发，变为低压水蒸气，与吸收器中的 来自于发生器的高浓度溴化锂水溶液接触而吸收，吸收了水蒸气的的低浓度溴化 锂水溶液，由溶液泵送往发生器，在发生器中被外部热源加热，当发生器中的溶 液温度升高到给定压力下水的饱和温度时，水开始从溶液中蒸发变成具有一定温 度和压力的蒸汽；这就相当于蒸汽压缩循环中的蒸发和压缩过程；从发生器中蒸 发出来的水蒸汽进入冷凝器中冷凝液化，节流降压后，进入蒸发器中蒸发制冷； 发生器中的溶液由于水的蒸发浓度增大，成为浓溶液进入吸收器中进行又一次吸 收过程，吸收器中的浓溶液不断吸收来自蒸发器的水蒸气，从而维持蒸发器中较 低的蒸发压力，使制冷过程得以连续进行。这种冷剂蒸气的吸收、升压、加热浓 缩、减压、冷剂蒸气的吸收等过程，组成了如图2 1 所示的吸收循环。 在吸收式制冷循环中，工质对在发生器中从高温热源获得热量( q 0 ，在蒸发器 中从低温热源获得热量( q e ) ，在吸收器和冷凝器中向外界环境放出热量( q 。+ q c ) ， 臼 平板式吸收器工作特性研究 而溶液泵只是提供在输送溶液时克服管路阻力和重力位差所需的动力，消耗的机 械功很小。对于理想的吸收式制冷循环，如果忽略溶液泵的机械功和其他热损失， 则由热力学第一定律得到如下热平衡关系式： q j + q ：一q 。+ q 。