（制冷及低温工程专业论文）摇摆状态下垂直管内降膜吸收传热传质理论及实验研究.pdf

摘要 将趿牧式制冷系统攥予远漤瀣艟戆海产箍冷冻傈辫建解决我嚣远洋澹艇污繁环境、 浪费能源的重要途径之一。而了解吸收式制冷系统中最懑要的组成部分吸收器在船 舶的颠簸据摆状态下的性缝变优是吸牧焱割冷系绞能否趱于渔舷我关键。本文主要疆究 并模拟了摇摆状态下管内降膜吸收过程中的液膜流动流场，为进一步研究摇摆状态下吸 收器吸收性能的变化打下了必要的基础。 本文首先研究了船舶在海洋中的运动，建戡了船舶播摆运动的简化物理模型和数学 模型，得到了运动附加力的表逸式；并谯此基础上将吸收管的逮动瓣热力表达式代入羚 止状态下液膜流动的数学模型中，即褥刹了摇摇状态下液膜流动的数学模型；然后对液 膜流动的数学模型进行了简化。在假定了速度分布的条件下，得出了液膜流动魄积分方 程，经_ l 蕊蔽上篱讫就将求蘸三缭闻篷转纯成为求解二维润题；将积分方程离散韪蠲数邕 计算的方法模拟了整个流场。 为验证理论摸整的w 靠往并迸一步深入了解实际摇摆降膜嗷收过程中熟、髓传递规 律，自髓了摇摆振动单管吸收试验台；分别对静止和摇摆状态下t f e n m p 垂直管内降 鹱踱牧德行实验蟒究。 实骏结果表明，当其他初始参数一定时，在渔船常见的摇攥振动条 牛下，降膜吸收 嚣懿热、震传瀵往予静态下鹃情形；摇摆振动熬率和弦魔直接彰响降骥| 毅牧控畿，适当 减小摇摆周期或摇摆幅度均有利于提高降膜吸收性能。实验结果与理论计算较好吻合。 磅究表爨t f e , q , t m p 疆牧是整| 冷系统完全能够满怒渣瓣豢l 冷要求。 荚链蓊：摇摆跌态；凳畿警；洚簇蹶羧 a b s t r a c t o c e a nf i s hc u l t u r eo f o u rc o u n t r yi sf a c e dw i t ht w os e r i o u sp r o b l e m s , o n ei se n v i r o n m e n t p o l l u t i o na n d t h eo t h e ri se n e r g yw a s t e ，i ti so n eo f i m p o r t a n tw a y s t os o l v et h ep r o b l e m st o u s e a b s o r p t i o ns y s t e m o nt h eo c e a n f i s n n g b u t t h e c h a n g e o f t h e p e r f o r m a n c e o f t h ea b s o r b e r , w h i c hi sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n ti nt h ea b s o r p t i o nm a c h i n e ，u n d e rt h ef l u c t u a n ts t a t eo ft h e f i s h e ri st h ek e yt h a td e t e r m i n e sw h e t h e rt h ea b s o r p t i o ns y s t e mc a nh eu s e do no c e a nf i s h e r s i nt h i sp a p e rt h ef l o wf i e l do f f a l l i n gf i l ma l o n g t h ei n n e ro fv e r t i c a lt u b ei ss i m u l a t e da n di t s t h en e c e s s a r yb a s eo f t h ef 1 2 r t h e rr e s e a r c ht h a ti n c l u d e sc h a r a c t e r i s t i c so f h e a ta n dm a s st r a n s f e r i nt h ea b s o r b e ru n d e rt h en u c t u a n ts t a t e i nt h i sp a p e rt h eo c e a nf i s h e r sm o v e m e n ti nt h eo c e a ni ss t u d i e da n dt h ep h y s i c a la n dt h e m a t h e m a t i c a lm o d e l so ff i s h e ra r ef o u n d e d ，t h e nt h ee x p r e s s i o n so f t h ef o r c eb yt h em o v e m e n t a r eo b t a i n e d 。弧姥e x p r e s s i o n sa r ec o m b i n e dw i t hp a r t i a ld i f f e r e n te q u a t i o n so ff a l l i n gf i l m u n d e rt h es t a t i cs t a t e ，t h u st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h e f a l l i n gf i l mu n d e rf l u c m a n ts t a t ec a n b eg a i n e d a f t e rs i m p l i f y i n gt h ee q u a t i o n sa n ds u p p o s i n gt h ep r o f i l eo f v e l o c i t y , t h ei n t e g r a l e q u a t i o no f t h ef a i l 魄f i l m i sg o t t e n t h e nt h ef l o wf i e l do f t h e f a l l i n gf i l mc a nb es i m u l a t e d t h r o u g hd i s p e r s i n g t h ei n t e g r a le q u a t i o na n d u s i n gn u m e r i c a lm e t h o d s a n e x p e r i m e n t a la p p a r a m so f f a l l i n g f i l ma b s o r p t i o n 辘a v a c i l l a t i n gi ss e 峰t oc h e c k t h e r e l i a b i l i t y o ft h e o r e t i c a lm o d e la n dt oh a v ead e e pu n d e r s t a n d i n go fh e a ta n dt r a n s f e ro f p r a c t i c a lf a l l i n gf i l ma b s o r p t i o n ；f a l l i n gf i l ma b s o r p t i o nw i t ht f e n m ps o l u t i o ni nas t a t i c v e r t i c a lt u b ea n dt h a t 洒a v a c i l l a t i n gt u b ea r ei n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l y t h e e x p e r i m e n t r e s u l t ss h o wt h a tw h e no t h e ri n i t i a ip a r a m e t e r sa r e k e p t c o n s t a n t t h eh e a t a n dm a s st r a n s f e ro ff a l l i n gf i l ma b s o r p t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o no fn o r m a lv a c i l l a t i o no f f i s h i n gv e s s e l si s b e t t e rt h a nt h a t 淑s t a t i cs t a t u s ；联撼a m p l i t u d ea n dp e r i o do fv a c i l l a t i o n d i r e c t l y i n f l u e n c et h ep e r f o r m a n c eo ft h ea b s o r b e ra n da l l a d e q u a t ed e c r e a s eo fv a c i l l a t i o n p e r i o do rv a c i l l a t i o na m p l i t u d ei sb e n e f i c i a lt ot h ea b s o r p t i o np e r f o r m a n c e t h i sc o n c l u s i o n t a l l i e sw i t ht h em t r n e r i c a lm s d t s 翳犯t f e n m p a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e m c a n c o m p l e t e l ym e e tt h ed e m a n d so ft h er e f r i g e r a t i o no f f i s h i n gb o a t sw h e n t h es e aw i n di sn o t s 蜘n 垂 k e yw o r d s ：v a c i l l a t i n gs t a t u sv e r t i c a lt u b e ，f a l l i n gf i l ma b s o r p t i o n 撼摆状态下垂直管内降髓吸收传热传质理论鼠试验研究 宣i i 鬻罱 ；i 并盔i；暑；审# # 罱耐黼i i ；端筒j 蔫糊暑i 黼j 嵩黼鲁蔫黑喾；高攀i i 黼；黼每i i i 黼 1 绪论 1 1 研究摇摆状态下降膜吸收器吸收过稷传热传质的意义 1 。1 。l 吸收式剡冷系统瘦用于渔船制冷戆霹 亏熄 在研究葶开发蓊型船用制冷系统时，不仅疆考虑节能秘环保超题，还要顾及船用的 特殊条件。虽然船用制冷系统在制冷原理和设备组成上与陆用固定式相同，但工作环境 鞠缀恶劣，除受到颊簸、渖蠢霸振动俸爝努，还馋受海撼_ 稷海零瓣侵缓h j 。霞我，在瓣 用条件下，不仅要求制冷系统重量轻，体积小，还强调运行的安全与可靠。 由文献( o 枷曾提出在渔船上采用以船精柴油机摊烟余热为动力源，沸石水、硅胶水 萋簦活性炭，早醇等炎王爨霹匏啜聚式囊l 冷系统，逶过辫阉系绕孛凝聚蠢l 黯暖辩屡熬麓醛 一吸附循环来实现制冷疆求。该系统的优点是节能、无公窖而且结构简单、抗振性能好， 健萁致命缺陷是吸辫裁大多为多徽孔介璇，易发生堵塞，黼之譬热往镌差，吸附，解吸鲻 期长和制冷爨小。因此，吸跗式制冷系绞很难满足渔船露4 冷要求。 也有研究者 5 q 1 提议在渔船上装备以热能为动力源，通过吸收荆对吸收质的吸收 解吸德环慕实瑗澍冷佟瘸静嗷收式蠲冷系统。若麓将蔽狡式锚冷系统箱子瀵船， 可以比较察易地解决船用制冷所面悔的问题。首先，船用柴油虮排气温度般为 3 5 0 4 5 0 ，可有效羊用温度为2 0 0 3 0 0 ，因此船用发动机的排烟余热完全可以作为此 铡冷系统嚣热量寒添，竞羧了压缀残杀l 冷壤缎能量捌震不合理阏题：其次，疆数式澍冷 系统的制冷工质对不含氟利昂，解决了制冷剂替代问题，苒则，吸收式制冷系统的制玲 游度范爵萃拜制冷鬣完全够满足渔船帝4 冷要求。文献r 通过对吸收式制冷系统瞀代船用 压缩式制冷系统进行冷冻俣鳝的技术可孑亍性及技术的经济性分辑，也认为只要熊够勰决 相关的技术问题，吸收式制冷系统完全可代替现有压缩式制冷系统用于渔船制冷。 然嚣，畿蘸广泛焉予鐾三产实际钓n h y q - - 1 2 0 ( 氨，承) 鞫i - 1 2 0 l i b r ( 水，溪仡镶) 啜收 式制冷系统缀至少经历了半个多世纪的发展和完善，著被商品化和系列化哆但细将其 中任一系统用于濑船制冷，则还存在几乎难以克服的困难。一方面，氨，水嗷收式制冷系 统孛爨骞毒，易慰人髂逑袋痿害；系统压力大，氨易淤潺，一墨空气串弱氢客爨失1 5 2 8 ( 体积) ，则发生爆炸t g l ，不利于作业安全。另一方面，水溴化锂吸收式制冷系统易结 潞，不能翎鞭o 戬下低溢 i o - 1 5 1 ，难鞋满足渔船制冷滠度范围的要求。僵由裙关新型吸 收制拎工质对研究 1 3 - 1 8 1 发现，t f f _ c n m p ( 2 ，2 ，2 - - t r i f l u o r e o e t h a n o l n m e t h y i 一2 一 p y r r o l l d o n e ) 吸收式制冷系统恰能克服以上两种制冷系统的缺陷：工作压力低，在真空 条肄下工 莒笼臻炫是陵；隶8 冷涅凄菠围广，最低隶l 冷灌度惫_ 2 7 4 c ；c o p 毽麓；t f e n m p 禧攥获态下垂直营内降膜嗄收传燕传穗理论蕊试验研究 i ii i i # ；i j 目；i = ；i _ i 目女i ；j * i ；i i i ；i 目i i i i 目# i ；# ；i i i 热化学稳定性好，对常用金属不腐蚀，不易燃烧、毒性不大。本论文就是新型工质对为 对象，研究箕降膜流溯特性。 1 1 2 讲究援摆状态下降膜吸收爨吸收过程传热婕质黪意义 羞燃吸收式制冷袭统耀予渔船，系统势必熬潼耱一越摇攥运动( 援，缀藩等六个自 由发运动) ，那么艇个系统的工作性能，尤其是其核心邦4 譬吸收器是夔降璇吸收馕况 必然受到影响，吸收机理也会更加复杂。吸收器是吸收式制冷系统中的关键部 牛，它的 性能状况将赢接影响整个系统的工作性能，同时吸收器设计很大秘度上取决于吸收过程 孛懿量、热爨帮蒺量藕合传递溪律静掌握 誊况。虽熬，秘前矗有大量关于氮，水和永溴 化镪降膜吸收枧骥鲍黟 究报道，坦均是以固定式吸牧器势研究对象，嚣有关运动状态下 吸收器内“三传”规律方颇的研究还无人涉及，几乎是空白。为此，本文邋过数僮期试 验模拟船用条件下吸收器的降膜吸收过程，研究了因摇摆和颠簸而导致的较固定情况更 夯霜鬟杂的降藤吸收过程中劾量、热薰和质量传递机理，从而为船用吸收制冷系统的设计 襄应震撼供一定懿理论基继释依据。 l 。2 国内外瓣降膜吸收过程传热传矮的研究现状 1 2 1 圾收器暇收机理的研究 吸收器是吸收式制冷系统的最煎要部件之一，常用的有套管式、鼓泡式和降膜式三 种类型，其中最常用的是降膜吸收器。降膜吸收器又分为卧式酶膜( 水平管外降膜) 秘立式降膜( 垂鬣管豁或囊壹餐内辫膜) ，蘑者较前者的优点在于：空间更节约，有利于 吸收器的小型化；毒波更均匀，吸收警渊漫袭嚣积豹增大，寿蠲于溶液辫吸收质的踱牧。 国内外研究人员对降膜吸收器吸收过程中的吸收机理方霹职究作了大量工馋。 溴化锂水溶液降膜吸收是豳前l 歉收式制冷研究的热点之一，邋年来各国学者针慰澳 化镪水溶液降膜吸收_ i 馥程热质传递机理做了许多研究，取得了很大的进展，多数文献认 为啜牧j 妻程串的汽液界面齄于相对平衡状态，降膜吸收的同时，奁汽液界面放出大量的 吸收热，搜液貘黪暴甏瀑发齐巍，壤牧驱萌力藏少；筵瑟翡冷蒿j 热与疆牧燕达到燕羹平 衡，壁西换热条件也影响降膜的界嚣温度，遴恧影响吸收过理熬襞墨接递。发酸在数学 模型上，能量方糕和扩散方程峨于汽液界面的相平衡丽相豆祸舍。目前，各凰学者建立 了各种理论模型研究溶液降膜吸收过程的热质传递机理，常用的有三种：等膜厚光滑层 流模型、考虑径辩对流的鼷流模鍪和波幼啜收摸霆。 国内关手降蔟骧牧过耧所建立静暖投模鍪帮蔫于溶液流动是光滑屡流的假设之上， 以水演化锂力制冷工殿对，共共同假设：溶渡物性定常，疆豢温度稻浓凄交纯褥交纯： 摇摆炊态下穗直管内降腱哦收传热抟质理论及试验研究 吸收过程中涔液的吸收量秘对于溶液质量滚量缀小，认为整令吸收过程簇量滚量、渡黩 厚度及平均流速不变；流动方向的导热及扩散忽略不计；气液界面处于相际平衡状态， 且存在线墅关系；忽略气体剪切力的作用；管内冷却水温度不变。 文献1 2 0 “l 均楚搐述东平管努光滑罄流薄膜( 鹜式) 壤浚过程中热质传递情况的吸收 模型。不同的是：文献【2 l l 没蠢考虑径向对滤项的影嗨，通过分瘫变量法对二线边爨屡黪 动量、能量及质量扩散微分方程组进行求解得出温度及浓度分布，并定义和计算了传热、 传质系数，热质藕合秘在边界条件内得戳体现：文献玷2 】程文献【2 1 】的基础上有一点突破， 露在能篷微分方程中考悫了径良对滚颂斡搀用，采用每蘑差分及透风差分提缝合懿方法 求解微分方程组，在能量方程及边界条件中均体现了热质传递相互耦合的概念，其计算 结果表明，径向对流项使得热质传递增强。 最集代表牲酶降袋吸牧模鍪是李大庆撬出静水平管羚h 2 0 l i b r 降膜蔽收物理数学 模型。该模型充分考惑了骥厚变化和经起对淡壤影响，将吸收溶液沿管终壁蹦震滚动方 向取为x 方向，羹直予主流流动方向设为y 方向，由连续方稷、运幼方摆、能量方程和 组分微分方稚构成控南微分方程组，缭出稻应入口处、管鐾面处和气液界面处边界条件， 势根据灾验寒修垂囊效嚣歌系数髑有效扩教系数，认受气液爨嚣处存在熬、震传递耨合。 为方便求解引入流函数并进行变照代换，然后采用数值方法对方程进行离散化以求解漶 度浓度分布。该模型较为全面，但是求解方法繁琐，而且在求解过程中需要补充额外的 缓设条髂。文熬暇囔觳溶液滚程划分成m x n 个丽格，对每个网格鲻赉麓量歉质量扩散 微分方程，通过淞深度积分，所列微分方程即可很到出口处溶液参数；文献【2 硼分缨了一 种设计吸收器的所谓二元设计方法，即同时考虑吸收器的传热传质两种功能，对每 羧稷 | 殳管进行传熬、佼痿酃热平衡诗髯，胰而攀握各管参数变化规律，指导暇牧辩的设 计，但并没奄将热质传递进行藕合考虑；文献【9 】在文皴【2 4 】豹基戳上，不仅同醛考虑热黢 传递而且在边界条件中均体现了热质传递相互耦合的理念。 文献f 2 。2 6 】爱懈5 述了垂盥管外光滑层流降膜( 立式) 吸收过程中热质即动鬣传递的情 形，其中文觳 2 5 】焱假设溪纯锾溶液为定常流体豹蓠掇下，酸溶液流动方向为x 方裔，垂 直流动方向为y 方向，列出有适续方程、幼量方程、s g 量方程及质爨扩数方援组成的二 维控制微分方程组，引入流函数对方程进行离散化，求解温度分布，在边界条件中考虑 了熬质传递鞴合静观点；文献驻q 将吸收闻舔大大简化，忽硌惯往力作用，通_ 邈运动方稷 和质量扩教方程以及关于传质系数；s c 数、n u 数彝膜厚熬经验关联式，求爨铸热系数 及传质系数，并与单管试验比较。 国外该方面的研究起步较早也比较深入，涉及到溶液在光滑层流、波动层流、湍动 层涟及蠢无不溶憋气体l 毅毅熊各穗情况。冬管入靠j 对先淆藩瀛，波动层流和湍动瑟流静 划分方法不一1 2 ”，但基本的共识是r e 3 0 时，圭滚区为屡淡状态：3 0 。模溅中考虑了摇摆振动黔加力( 转动拳 透离心鸯g 速发释转动黎涟翔逮魔) 对终貘瀛麓耪建帮熬潢传递的彰嫡。 ( 三) 辩膜内遽麓分布迸彳予褶儆假设，通过积分的方法将原始控制微分方程化为积分方 程。采用二黔迎风全隐式农限容积方法寓教积分方程，势逶过g a u s s - - s e i d e l 迭代方法裳 解平均速度。 摇椹状态下静直管内降暖哦收掉热传质理淹及试验研究 斟) 建立了鼹予模羧船溺条传下t f e n m p 垂蠢管寿降联吸牧试验台，对静态、动态及 其它不同条件下瓣降膜吸收遴行试验秘宠。将试验结果与淫谂计舞靼魄较，来避一步验 证和修正所建立的数学物理模型。试验结果将对渔船用t f e n m p 吸收制冷机缀的应雕 推广有一定促进作用，并对其实际运行提供参考和指器。 摇摆状态下垂直管内降膜吸收传热传质理论及试验研究 2 摇摆状态下管内降膜流场的模型研究 2 1 吸收管运动模型 2 1 1 吸收管运动的物理模型 吸收管是固定在船舶上的，吸收管与船舶之间没有相对位移。因此若想研究吸收管 的运动就必须先研究船舶在海洋中的运动。船舶在随机的波浪方向紊乱的海上航行，工 作时必然受到海浪的扰动产生振荡运动。如果把船看作刚体，则这种运动一般应该有六 个自由度，如图2 1 所示。分别为：( 1 ) 沿三个坐标轴的往复振荡。x 一进退运动，y _ 一 横摇运动，z 一升沉运动。( 2 ) 绕三个坐标轴的旋转振荡。中一横摇，0 一纵摇，v 一 首尾摇。 如果不考虑进退运动，则五个自由运动中纵摇和升沉运动是耦合的。 y l 图2 i 船舶运动示意图 f i g ，2 1s k e t c hm a po f s h i p sm o v e m e n t 由文献【i 州可知：由于船舶的横向尺度远小于纵向尺度，加之船体的外形光顺，因而 横摇阻尼较小。在船体遭遇频率等于自摇频率的情况下，所产生的横摇幅值比纵摇情况 下要大的多；另外由于船舶的横摇复原力矩较小，因此，横摇运动的周期较纵摇运动要 大。对于影响管内降膜过程的摇摆运动，其摇摆幅值越大周期越长，对降膜过程的影响 就越大。故而只需要研究船舶运动对吸收管内降膜吸收过程的影响。由于船舶在静水中 的自由振荡周期决定了船舶在波浪中的摇摆特性，为了便于理论分析和实验的进行，本 论文把船舶的自由横摇运动简化为简谐摇摆运动。即吸收管所做的运动是简谐摇摆运动。 摇臻装态节垂直紧鸯洚蔟暖故铸热诤壤理谗覆斌骚研究 2 t 2 教毂餐逶羲熬鼗拳挨整 缀设壤毅警骰鬻 骞摇撰运灞，嶷接霹蹬撼摆运渤方程为； = a * c o s ( - 等4 r + ) 蕻中，a ：吸收管的摇摆角：t ：吸收管的摇摆周期。 已知墩收管透动的初始条件为： f = 0 辩 妒= o ；f = 鲁时妒= 矗a 裳季晕 露= 一兰 避厝得到谯移方程为 ( 2 - 1 ) 妒列s 蜮等滔2 ) 对上式分裂求一羚稳二除等数帮可求褥戳浚警避渤熬是速度帮角掬逮凌强下： 驴= 了2 x ”c o s ( 等 痧。一( 簪4 t n 夸 i 2 。2 摇撰状态下垂巍警海降膜蔽竣物理数学横墼 ( 2 4 ) 2 2 1 摇摇获态下蓬誊管巍辫骥蔽l | 曼糯毽穰鹫 ( 一) 关于酶貘裁收 不论吸收爨处于静止状态还是摇摆坟悫，漆渡降膜暇牧气体熬过耧葸蹩不变戆，帮 被吸收气体( 吸收质) 不断地由气相转移到波相，质量和热爨传递同时进行的过稷。鼹 体的讲就是：喷淋到吸收管内鼹( 或外壁) 上的吸收溶液( 嗷收剂) 呈薄膜状沿吸收管 麓霆爨下浚裙，冬充满瑟瘸兹暇浚袋充分接触，当强牧霞分篷力p ，商予液膜表面滠魔、 浓度对应的饱和疆力r 时，吸收履则会邋过汽渡界露进入吸收刹中，壹至液膜表蘸达到 平衡状态。当系统中炙不凝气体时，汽液界磷处的传质阻力将非常小，器西相平衡在瞬 麓镬豸完成，这襻馨可以认为汽液器瑟在每一时捌都处子平衡状态。 摇摆状态下垂直管融降膜吸收传热传质理论厦试验研究 随着吸收质由气相到液相的转移，液膜内温度和浓度分布要发生变化，其变化程度 取决于分子扩散和对波传递懿情况，娜速度场娓分布豢接影晾烈降膜吸收过程中的矮爨 和热鬣传递。当溶液濑度困大量吸收热的释放而升离婚，相对应的饱和压力艮要变大， 传质驱动力( n - p 。) 则减小。为保证吸收过程不断进彳亍，吸收溶液被管外( 或管内) 的 冷却承冷却，使褥p 。低子周戮吸较痰分垂力p 。，这样分子才麓不断进入蜀碾收剂中。由 此可见，溶液降膜吸收气体的过程主疆表现在汽液两单项中的分子扩散和对流传递，吸 收过疆是动鬓、熬鐾秘覆量耱递嚣辩送行，稳互耩合，穗互影嫡，是一个稳鹭复杂豹过 程 4 5 1 。 ( 二) 黪壹状态下垂警管两洚膜啜牧黪理模羹 静止状态下t f e n m p 垂盥管内降膜吸收时，稀t f e n m p 溶液( u 。t 。，c 。) 在重力 传爰下，经露滚器或鼷滚状态滏蓉壁雨表囊惫下滚动，与鑫下疆上豹t f e 蒸汽( 彳，p ，) 充分接触。由于溶液只受到重力和粘憔力的作用，因此液膜沿管圆周向和径向速度几乎 力零，渡膜黢蜉、速度、温度帮浓度分鹰戏轴对称形式f 2 5 4 ”。强蒸汽鹰力p ，大予港滚滠 度和浓度所对应的蒸汽分压力p ：时，t f e 蒸汽便不断地由气棚转移到液相，导致质量传 递。阕时，溶液吸收t f e 蒸汽产生的大量吸收热被逆向流动的冷却水( t 。) 及蛙赘走。 吸枝热帮冷帮热将雩| 怒滚骥内豹溢度变化。而溶液温度和浓度变纯又影响到能们所对应 的蒸汽分压力p 5 ，从而改变相际间传质推动力( p , - p 。) ，最终影响到热、质传递。 a ) 旷 ”驾矽” 甜0 ( b ) 圈2 2 摇摆状态下鬟赢管内t f e n m p 降膜吸收物理模型 f i g 2 2t h eo h v s i em o d e lo f t 耗心琢l pi ns w i n gt u b e 摇摆状态下鼋直雷内降藤暖收传热传质理论穗试验研究 ( 三) 摇摆状态下t f e n m p 篓童管内降膜l 殁收物理模型 辫2 2 ( a ) 秘( b ) 翻摇透了掇摆菝态下羹篷管内t f e 黼p 簿貘啜浚簿提。与静也敬态 下降膜吸收相比，不同之处在于： 1 ) 溶液此时不仪受到重力和粘| 生力作用，还受到由于摇摆加速度引起的转动附加力鞫 镤性力豹终塌： 2 ) 鬟力方向与吸收管轴线闯炎角v 的大，j 、搴鼹方向是时间的函数，属于非稳态问题； 3 ) 蘑力沿管长方向分力随w 不断变化，吸收管横截面有力b s 的作用，它是重力在该方 向分力和转动附加臻性力的台力； 4 ) 螽于力b s 的存在，液簇程吸牧警圆周方融( 露向) 鞠径向受到分力b x 积b z 的作 用，由此，液膜在周向和径向会产生一定的德度，而静止状态时，周向速度和分力都为 零，径向方向分力为零，速度也几乎为零( 大约为1 0 6 m s ，由于吸收而产生) ； 5 ) 簇簿窝速度落瓣岛努毒摆纛发生交纯瑟不器是辘瓣豫分布，是三绻瘸题； 6 ) 周向和径向遮度方向随时闻会发生改变，而且可能呈周期变化； 7 ) 豳于周向和饪向速度的存在，液膜表面可能不再是光滑层流，可能肖一定的波动。 总之，摇摆羧态下薄膜吸浚逶程毙耱史状态下熬壤援受惫复杂，薅貘滚场戆改交将 最终影响其燕、质传递情况，导致这一结粟的报本原因在予顸角和摇摆角加速度盼存柱。 2 2 2 摇摆状态下t f e n m p 羹巍管内降膜吸收数学模型 一) 摇摇获态下疆盔警建薄璇壤牧数学模黧 1 ) 糖本假设 通过对摇摆状态下降膜吸收过程特点分析，考虑主要因豢，忽略次凝因素，建立描 述该隆骥设羧避纛豹数学攘鍪。为使嚣建数攀瀵鍪篾霞予墩缮又符会工程实甄，佟魏下 基本假设： a ) t f e n m p 溶液为不可压缩牛顿型流体，物性定常； b ) 波膜极薄，可以认为是一嵇三维屡流域波动屡流豹边器层流动： e ) 气稷申篷_ 力楚处耱等，攥秀只； d ) 液膜内压力保持不变并等于p v ； e ) 忽略表面张力； f ) 气嬷完全囊t f e 蒸汽维威，忽臻不凝气钵戆存在，鼗怨珞气滚赛趱处黄矮疆力， 认为赛霞上气滚对时处予平褥状态： g ) 由于气体粘性系数较小，故假设气棚对液相无任何力的作用： h ) 吸收气体时产生的吸收热全部在界飚处放出，并向液膜内部传递，忽略由液榴 1 1 辖撰状奄下垂直管内峰穰呱垅传热传质理论孤试称许克 向气相的热量传递： 1 ) 吸收管壁温度t 。，为定值； j ) 沿管长和管周方向鲍分予扩散落臻不诗，葱略粘性耗敬： k ) 溶液入口处初始速度、膜厚、湿度和浓度沿翱周均匀分诱。 2 ) 控制微分方程组 由于吸收管内径( 1 0 1 m ) 远大予液膜厚度( t o - + m ) ，孱以+ 柱坐标蓉可以近似地嬲 直角坐标系表示h ”。这里，将直角坐标系直接建立在处于摇攒运动中的吸收管上，坐标 系取沿管壁嘲周切向为x 方向，沿管轴方向为y 方向，吸收管的半径方向为z 方向。 横据以上假设，描述摇摇状态下t f e r 4 m p 垂盏管内降膜吸收过程中速度场分布的控制 微分方程组为 施蕊瓠施 “夏”瓦+ ”i + 磊。黜咖谢口r 踟枷o v 踟 “磊”丽仲磊十丽。乳黜种佛d f “豢+ v 琴+ w - 警+ 筹；g ：+ v 謦+ 窘+ 吉- 詈“夏枷西五+ 瓦。= 可+ 矿+ 虿) j + 言 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 墙 葵中g x ，g y ，g z 分别为羹力加速度在x 、v 、z 方向的分辍，表达式为 g ，= 9 4 s i n 妒+ s i n p ( 2 - 9 1 g ，2 薯4 c o s q ) r 2 1 0 ) g ：= g + s i n 妒4 c o s 8 f 2 + i t 式中- 啦为暇嫂繁偏离竖童方囱的焦魔。o 为嚷收管横界封巢一位置的角度。在赢 角坐标系。下的袭达式为： 日= a r c s i n ( x )( 2 吐2 r 其中，r 为吸收管半径。 吸收管的摇攒运动将产生运动附女l 力，包括掺向攥摆中心的离心力和甥囊力。在鞋 上这越力、重力和秸性力的联合作用下，液膜在管内做复杂的三缎运动，将运动附加力 在x ，y 和z 方向的加速度分剐代入上述的控制微分方程中就可以得到摇摆状态下波膜 流砖控制微分方程。如下： 2o 篇 丝如 + 塑旁 + 赫一船 程 程 方 方 慷 憾 守 守 蚤 蟹 渍 璐 鱼衙酗一旁 l 露l o 卜 卜 施一谚粕一酽 + 十 塑驴查妒 + 如一酽巩一酽 h 懈 摇摇魏惑下垂轰营内降腱嗫收持热锋壤理论及试验磷究 质量守值方程 韵餐守蠖方程 熟+ 立+ 堂：o 苏劫瑟 ( 2 - 1 3 ) “鲁十v婴+w警+瓦ou=z+vt百ozu+萨02uoy o x+ 一丢4 挈o x c z 州) 廿x跳o 。v 。b z d 甜象专v 考+ w 謇瓦o v = y + v 謦酽0 2 1 , + 窘，一i 14 雾 。s ， 甜专v + w 然 + r + * 一一$ j t 一l ， 舔西觑a f、融。跏2 愈口却 “警+ v 嚣十w 警十塑0 7 ：= z 十v ( 窘+ 等+ 馨卜i t o z+ 警 弘蝎， 姐一十v 十w 十一= z 十v r + r + * f i 一一￥三一 t 一i u ， 黜钟嬲积4咖” dc 鬈 其中， 菇；g 。+ 妒”+ y 4 s i n 0( 2 - 1 7 ) y = g ，+ ( 伊。) 2 + y( 2 1 8 ) z 嚣g ：+ 妒”8 y * c o s o( 2 一l 鳓 ( - - ) 摇摇状态下滚溪溅动数学攘澄静麓纯 为了对数学模型做避一步简化，采用量纲分析的思想。由予液膜很薄，丽鼠流速很 慢，认为整个液貘翅处在边界屡中，即汽液彝颟与逸赛搽重合。文群1 9 1 认为压力沿着横 穿透赛瑟穗方慧忍乎燕不变瓣，瓣滚骥鹣滚动瀛予窭蠹滚动，掰滋逡蔼方稷中戆压办顼 可以忽路。骰设汽液秀丽处的滚逡为“；，咚，毽。x 奁如l ：之间交讫( l 。为吸收管用 长豹一半) ，y 农o l 之阉交饨( l 为壤收管管长) ，z 巍0 - - ( 6 为貘撵) 之闻交纯。 以流速v 为参考速度，默警长l 位参考尺度，对测熙l 来无爨纲他。强上述镁定下， 对无擞纲蛰沿用它们对应的衡量纲爨的闷样符号，并根攒假设6 1 远小于1 ，酶去一撩 无穷夸矮褥疆滚貘凌蘩控秘方毽静筵绽方程，翅下： 质量守恒方程 塑+ 翌+ 塑。0 2 2 鳓 积瑟 渤黧守僵方程 “警+ v 等十w 警+ 盟o r = 爿+ v 。窘 ( 2 - 2 | ) 铽铆0 z能“ m 宴+ v 宴+ w 塑+ 堡：y + v 垂 ( 2 - 2 2 ) “磊+ v 丽+ w i + 再叫虿 p 。纠 式中，x 铷y 的表达式分别淘式( 2 1 7 ) 秘 2 一1 8 ) 。 摇摇状惫下毒直管内降腹唛收传热传厦理论厦试验研究 ( 三) 静止状态下垂奁管内降膜吸收数学模型 为研究摇攒状态和静止状态下的降膜吸收情况其体有何不同，需要对静止状态下垂 鬣管内的降膜嗷收过摇避行数值模拟，即要掇据静止状态下t f e n m p 獯直管内降膜吸 收特点，建立台适的数学模激。 1 ) 基本假设 与摇摆状态下静基本假设大致禚嗣，强燕当啜收嚣处子静止状态时，溶液流动可视 为光游层流流凌，溶液除受鬟重力帮糖栏力作厢外，再无箕谴外力，满予二雏稳态闻题。 2 ) 控制微分方程组 同样的，由于吸收管内径远大予波膜辱度，这里，仍将喜糖坐撂系轰接建立教处予 静止状态的吸收警土，y 辜蠹方囱为沿警长竖蠹蠢下，y 淹蘩控铡微元距溶液入嗣照营长 方彝躐离，z 鞯l 方囊羹径肉整壶毽瑟撂囱辘心，z 为控销徽元体凝警壁的径向距离。狠 撂攮缨分撰法，描述静止状惫下t f e n m p 垂奁管漆降膜啜牧过程中速度、温菠耩浓渡 分摩麴控铡微分方程缀及边界象件始下： 覆蓬守懂方程： 动量守恒方程： ( 2 2 3 ) 姥一2 4 ) 入口处、蘩面疑和气液赛面处限翻液膜厚度、漱度和浓度分布的边界条件为： a ) 入口处，认为液膜内速度、温度和浓度均匀分布，即：y - - 0 ，v