（制冷及低温工程专业论文）磁场对氨水吸收过程影响的机理及实验研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 面临全球能源和环境问题的困扰，吸收式制冷在利用工业余热，和减小对环境污染中占据了一 定的优势。传统的氨水吸收式制冷机，存在着系统中设备多，体积大，钢材消耗量大，制冷循环c o p 值较低等缺点。为了克服氨水吸收式制冷系统的这些缺点，提高效率，扩大使用范围，本文提出了 对吸收过程施加磁场，通过磁场对氨水溶液熟物性的改变及对吸收过程的影响，从而提高吸收器的 吸收效率，并减小吸收器体积，节省钢材，扩大氨水吸收式制冷装置的使用范围。主要工作如下： 【l 】在气液界面传质的经典模型的基础上，根据磁场对流体作用力性质分析，将磁应力张量引入吸 收界面传质方程，将磁体力引入液膜主体的动量方程，建立了关于磁场对吸收过程影响的预测 方程。 【2 】分析了氨水降膜流动的流动特性，传热特性，传质特性和动量，热量，质量的耦合关系，在对 实际的氨水降膜吸收过程进行简化假设下，提出了磁场强化氨水吸收的数学模型。考虑到求解 区域的不规则，引入了流函数，进行变量代换，使得求解区域规则化，然后采用乘方定律对方 程进行离散化求解。 【3 】分析了预测方程的求解结果，观察氨水吸收过程中的各项参数在磁场作用下的变化趋势以及其 它因素对吸收效果的影响，得出了磁场在一定程度上增强了氨气吸收的结论。 【4 】实验方面包括设计磁场强化氨水吸收实验流程，各个实验设备的结构设计和理论计算，试验关 键参数的测量与采集，以及搭建试验台的实际问题。考虑到磁场对氨水吸收过程的两方面的影 响，确定了实验目的和步骤，确保能够了解各个因素对吸收过程的改变。 关键词：磁场降膜吸收传热传质氨水磁场应力张量 a b s t r a c t d t ot h e9 1 0 b a l c r g y u r s 孤l de n v i 加枷e m a lp i d b l e m s 曲s o r p 蛀地衔g e r 砒i 掣s t e mh a s m u c hm o f es u p 喇。嘶i nt h e 峨o fi n d 哦r i a lw a 啦h e 砒h o w c v 盯也ec o po fc o n v 础o n a l 捆瑚伽i a w a l 盱曲s o f p t i 蛐r e 衔g 盯幽ns y s 胁i s l m i v e l ys m a l kb a u o fi 铒m o ”c q l | i p m 砷，l a l g c v o l 啪e 锄dm o 坤s t l m n p 廿虮f 伽t h es a k eo fo v 盯c 鲫i n gt h ed e 南c to f 也e 锄m o n i a - w 蛔 a b s o r p 咖丘i g 酬衄s y s t e m 柚d i m p r o v e i 乜c o e j n 血i s t h e s i s w ep t l t f o 埘枷t o p ma m 鸭n 拍c 丘e l d o nt h ea b s 优b e lt h em a 驴e t i cf i e l da f f 毫c t s 也ep 1 1 y s i c a lp r o p e r t yo f 觚衄n j a l 硼o na n dt h ed b s o r p 吐 p m s s ，w b i c h 蛐h 锄c c st h e 曲s o r 两o ne m c i e m yo f t h e 曲s o r b 盯锄d 删e v e st h ep u f p 0 o f 饽d u c i n gt h e s i o eo f a b s o r b e r t h em a i nw o r k sa r ea st b l l o w s ： 【l 】b e d 吐呛c l 私s i c a l 咖l d e l so f g a s - l i 哪d i n t e r - p h 部e m 鹪s 椭n s 向a n d t l l ea n a l y s i so f c h a 删e r o f m a 印e 6 cf o r c eo nn q l l i dn l | i d ，l l s e dt h ee l 仃饥拢哆n e 如g h 臀st e n s 甜i n 螂s 仃a i l s f he q i l 舐o no f 址咖f b e dj n t e r 自柚dt h ee l e c t m a g 删cb o d yf b r c ej nm o m e n t i l me q u a t i o no fn l l i d 丘l b 也e f b c d n ge q 嘶o f t h e ”s i d to f m a g n e 6 cf i e l dc 丘b c to n 锄m o n i a - w a t c ra b r p 6 0 m 【2 】1 1 l cc h 础i c t e r i s t i co fn o w ，h e a t 胁s f 巩m a 站恤s 协j n1 h en d w o fa q m o u sa 姗o t l i a 脚l i n gd o w n t h ev 硎c a l “b e 锄dt h ec o u p l i l 坞o f m o i m 札t m n ，h e 砒锄d 蝴s si sr c a l i z c d a f t 盯s i 呷h f i e dt h el e a i p r a 渤s ，t b em 抽锄鲥c a lm o d e lo f 衄g n e 啦丘e l dp r 伽i o 虹n g 也ea b s 唧吐o no f 锄脚n i ai sp m f b 刑a r d c s i d e r i i 培也ed b n o r m i i yo f t h ep h y s i c sd 鼬c 匕s b mf i l 邛；t i o ni si n 】p o r i e d 锄dw l r i a b k 仃觚s f o 加】e d ，t h ee q 嘶咄a 撑d i s p e 嘴dm i n gp ，w 盱l g w 【3 】a f b 盱懈u l t1 h ef b r 嬲血培烈l u a o nh 鹪b e e na n a l y 拍d ，锄d 枷t h cp 缸a i n e t 盯o f 缸衄n i a - w 栅 曲s 唧丘p f s t h ee l 协m 城g 删cf i c l dh a sb e 吼c o m i d e r e d ，i tw 咖c l u d c 血砒h ee 位c to f m g n 甜c f i e l d l i s e d 舢o n 融w a t 盯a b s 唧n 0 1 l i s 矾 【4 】t h e “拼= r i m 删脚h c 吒i m l l i d i n gf h e 既班! r i l 眦咀ts y s t e mo f m a 驴e t i c6 e l dp r o m o 吐n gt h ea b s o r p t i o f 缸叫m i a ，t h e 蛐m 慨d e s i g na n d1 h 托! t i cc a l 删1 a b o no f e h 既p c 响m c n te q l l i p l n 吼t h em e 鼬u a n dc o l l e 嘶o f k e yp a 埘眦c m 塔i 捌n gt h ee 触o f 删蜘c d c 矗e l d0 恤e 曲s 唧石舯) c e 龉， t h ep i 唧l o 辩a n ds 印o f 眈雕! r i m e 吡d of o n ，w h i c hm a k e 鲫他c o m p h e n dt b ee 侬咀o f v 撕a 璐 囱西叫u l cd b s o 删p l o c 嘲 k e yw b f d s ：m a 印甜c6 e 地伽i n g 丘1 m 曲删衄，b e 砒a n dm 舾s 仃锄s f 札a q u 吣锄珊舳氓 d 岔跚m g n 鲥cs 细s st e 喊 - 一 b 磁感应强度，t ； c 物质的量浓度，m o l 一： c p 定压比热容，k j ( k g k ) d m 质量扩散系数，岔s ： g 质量加速度，m s 2 正磁表面力，p a 矗磁体力，p a g 吉布赫函数，3 船 肌界面质量流率，k g ( 一s ) m 分子量，k 出n o l ； 日磁场强度，a ，m ； l 降膜管长，m ： 厶动力系数： j 】l 妇马拉格尼数 n u 努塞尔数； p 系统压力，k p a p e 彼克列数； p r 普朗特数； r 气体常数； r e 降膜雷诺数； s c 斯密特数； 鼢施伍德数； t 温度，； 物理量名称及符号表 物理量名称及符号表 5 2 t 时间，s ； u 内能，k j k g ： ux 轴方向速度，m s ： v y 轴方向速度。m s ： 动力粘度，k ( m s ) ； a 导热系数，w ( m k ) ； v 运动粘度，m 2 ，s ； 巧液膜厚度，m ； p 溶液密度，k g ，m 3 ： 甲亨利系数，k p a ； 盯表面张力，n m ； f 溶质质量分数； r 溶液流率。k m 2 s ； z 质量磁化率，m 3 k g ； 儿组分a 的活度系数 下标： b 溶液主体： w 壁面； s 气液界面； i 界面阻力膜层 1 液相膜层i m 进口： o u t 出口； 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：醉钦 日期：司垆 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：豫钦 导师签名：杠圯匆日期：，卅 。、 第一章绪论 第一章绪论 1 1 氨水吸收式制冷系统的发展背景 随着世界生产力水平的日益提高，全球化进程的不断加速，环境污染和能源枯竭也已经逐渐地 威胁到了人类的繁衍生息，如何有效利用资源，减小环境污染成为全球广泛关注的重大课题。在不 断开发各种新型能源的同时，合理有效地利用现有能源，同时尽可能降低对环境的污染，直是各 国科研工作者不断追求的目标。而吸收式制冷，以其具有可直接利用低品位热源驱动、不使用对臭 氧层有破坏作用的c f c s 为工质等的优点，越来越受到人们的青睐。研究如何高效利用工业余热、太 阳能和地热，采用吸收式制冷循环进行制冷，提高吸收式制冷循环的性能系数( c 0 p ) ，减小制冷设备 的体积，对保护环境、节约能源具有重要的现实意义。 目前常用的吸收式制冷系统主要分为氨水吸收式制冷系统和溴化锤吸收式制冷系统。后者制冷 温度由于受到制冷剂的限制，通常不低于5 ，一般仅用于空调或工业冷却。前者的制冷温度范围 一般在+ 1 0 一6 0 ，不仅可用于空调，而且更重要的是可用于o 以下的普通制冷场合。因此，在 利用工业余热制冷系统中，氨水吸收式制冷系统明显地优于溴化锂吸收式制冷系统，同时氨水吸收 式制冷系统还具有节电、设备易于制造和维修、对安装场所要求不高、系统运行平稳可靠、嗓声小、 便于调节、可以在同一系统内提供给用户不同温度的冷量、单个系统的制冷量很大等优点。但传统 的氨水吸收式制冷机，因其系统中的设备多，体积大。钢材消耗量大，制冷循环的性能系数较低， 应用受到了一定的限制。如何克服氨水吸收式制冷系统的缺点，提高氨水吸收式制冷循环的性能系 数，将是我国推广氨水吸收式制冷系统应用于余热可再生能源制冷的关键所在。 国内外学者对氨水吸收式制冷机系统进行了很多研究，如瑞士m a 鲫h u h ，n 和1 协m b i t s s l ”对以氨水溶液为工作介质的单级工业用压缩吸收式熟泵进行了研究，并搭建了实验平台， 当吸收器的工作压力为螺杆压缩机所能达到的最大压力，并在立式壳管型吸收器和解吸塔中使用了 长降膜管时，压缩吸收式热泵c 叩增加了l o ；美国爱荷华州州立大学j m m e h a m 和s g a 血l l a 【2 l 对 以氨为制冷剂的空调系统采用微通道吸收器进行了试验研究，对氨水吸收式制冷机中所采用的超小 型微通道吸收器进行了吸收过程的可视化试验，为家用机型的小型化创造了条件；德国亚琛科技大 学d a w i b a i ，1 对氨水吸收式制冷系统进行了理论分析，提出了连续循环单级风冷氨水吸收式制冷 系统。该系统采用热驱动溶液泵，在吸收一冷凝温度为2 0 6 0 和蒸发温度为一7 财，c 0 p 值达到 o 3 o 7 之间；东南大学杜垲对利用低位余热的双级氨水吸收式制冷机进行了研究，并在工业 生产中得到了实际运用；西班牙f a n d s mj l ”研制了渔船用氨水吸收式制冷原型机，其冷量为 5 k w 。蒸发温度为一1 5 ，发生器采用载热剂加熟，c 卯为o 4 左右。北京化工大学郑宋平，郑丹星 州对太阳能和地热结合利用的氨水吸收式循环进行了理论分析，认为该系统无论是应用于制冷还是 热泵，其性能都有一定程度的提高 1 2 氨水吸收式系统研究现状 在目前的理论实验研究中，为了提高氨水吸收式制冷循环性能系数。克服其体积大，耗材多的 缺点，吸收器中的吸收过程成为科学人员的主要研究对象。在现有技术条件下，吸收器在吸收式制 冷系统中所占的换热面积比例最大，约占总换热面积的4 0 【7 l ，并且吸收器吸收过程的吸收效率直 接影响到整个制冷循环的性能。因此对吸收器的吸收机理进行更深入的研究，寻求强化吸收的途径， 是目前吸收式制冷的研究重点。 1 2 1 吸收器的种类 目前吸收式制冷机吸收器有膜式吸收器嗍，鼓泡式吸收器【9 】和喷洒( 喷雾) 吸收器【1 0 l 等多种型 式，其中工程中氨水吸收式制冷机多采用膜式吸收器。 - l - 东南大学硕士学位论文 1 ) 膜式吸收器 膜式吸收器是指氨水溶液在吸收器中冷却壁面上呈膜状流动，因此氨水溶液与氨气的接触面积 相对较大，同时与冷却壁面也充分接触，有利于热质交换，提高吸收效率。膜式吸收器分为卧式吸 收器，降膜式吸收器和板式膜反转降膜吸收器l 】”。 卧式喷淋吸收器由若干个壳管式吸收器组合而成，氨水稀溶液进入吸收器后，经喷淋孔板在冷 却水管表面形成液膜向下流动吸收氨气。这种吸收器的优点是：氨气和稀溶液处于逆流状态，冷却 水和溶液也处于逆流状态，因而浓溶液的浓度接近理论值，另外，由于设备内空间较大，可以容纳 大量的氨气，因此系统负荷波动对吸收器的运行影响很小，同时在运行时设备内溶液填充量也很小。 降膜式吸收器结构类似于立式冷凝器，稀溶液由上部进入，经过管端的布膜装置，使得溶液沿 管壁形成液膜向下流动，氨气沿管子自下向上流动，与下降的溶液接触两被吸收。降膜式吸收器具 有占地面积小，喷淋密度大等优点。 板式膜反转降膜吸收器是由一系列有间隙的内通冷却水的竖板换热元件构成，氨水溶液通过布 液器在第一块板式元件一侧形成酶膜，当第一块板下溶液流入第二块板时，与第一块板冷表面接触 的溶液在第二块板侧反转到暴露在蒸汽中界面一侧，由于此时它具有较低温度，较低浓度，所以界 面氨蒸汽吸收可以达到强化的目的；而第一块板界面溶液吸收蒸汽后在第二块板反转与冷表面接触， 促进了热交换。依次经过更多类似的板式元件，由于膜内速度，温度和浓度的反转，促使暴露的膜 表面溶液不断的更新，可以维持较大的吸收势，增加吸收效率。 2 ) 鼓泡式吸收器 鼓泡吸收器中，被吸收气体以气泡形式进入吸收溶液，吸收过程中气泡被完整地包围在溶液中快 速上升，传质表面的溶液浓度在吸收过程中的提高量很小。从原理上分析，鼓泡吸收比降膜吸收具有 更好的吸收效果。鼓泡吸收广泛应用在化工行业中，而在氨水吸收制冷系统中，鼓泡吸收依然处于 理论研究阶段。 3 ) 喷雾吸收器 喷雾吸收器是由板式换热器和绝热的喷雾吸收腔所组成，板式换热器分别连接冷却水和吸收溶 液，被冷却后的溶液进入喷雾吸收腔，通过喷雾装置与来自蒸发器的待吸收气体充分接触并迅速将 其吸收，从而达到吸收过程中传燕传质分离，使得传热过程中可以使用高传熟效率的板式换熟器， 大大的提高了换热系数和换热效率，并且具有体积小，生产成本低等优点。但目前此吸收器仍然处 于理论研究阶段。 1 2 2 氨水吸收机理研究现状 m d s 协i v i c j 提出了热质交换的非平衡现象理论，在物理化学反应过程中由非平衡状态热力 学力决定热量和质量的传递。所有这些过程都包含一个非常重要特征一i p a 效应，i p a 效应是 指气液交换过程中的热质流朝着某个理想状态点持续增加，比较于非平衡状态点，这种增加幅度从 百分之几到几百倍，相反，当系统趋向平衡过程中热量传递和质量传递不是联合发生的时候，系统 的热力学力趋近于o 。利用i p & 效应可以定性的为氨水发泡吸收问题提供满意的解释。同时认为： 1 吸收过程不是像现在大家所认为的一个表面现象：2 ，现有的通过分析热量传递来确定界面质量传 递的方法是不合适的。非平衡理论和传统的平衡理论并不相违背，相反，它可能成为传统理论的一 个等价替代，或者接合传统方法去确定热质的联合传递过程。 r e i n d c r th w 1 9 e 一”1 建立了氨水降膜吸收器的热量传递。质量传递和动量传递模型，并计算 了氨水溶液和氨气逆向流动时的传热传质结果。结果表明当扩散与对流的比率不能忽略( 气体通道 小于5 m ) 时，顺流吸收效果好于逆流吸收。 j a e _ c h li 【i ”等对鼓泡式吸收器进行了理论分析，建立了数学模型，得出了理论分析结果， 并通过实际实验进行了验证得出了结论：吸收器入口的氨气和氨水溶液的流量，温度，浓度和流动 方向对氨水吸收有一定的影响。随着氨气流速的增加，氨气的吸收区域也随之扩大；当气液处于逆 流状态，而各自入口温度和浓度相对较低时，氨气吸收区域将缩小；另外对于直径3 厘米的吸收器 进行的试验数据证明在实验条件下鼓泡式吸收过程需要的最大吸收高度为7 0 厘米；在经验数据很难 得到的情况下，此数学模型可以被用来做吸收器的优化设计和设计高温高压吸收器的吸收器高度。 m d s t a i c o v i c i l l 封使用非平衡现象理论来分析了氨水发泡吸收法的燕质交换模型，提出了在发泡 吸收过程中，吸收过程是个整体过程而不只是表面过程。同时认为增加吸收强度将取代目前普遍使 用的扩大吸收面积成为改善吸收过程、提高吸收效率的主要途径，因此发泡吸收将成为更有效的吸 2 蔓二童箜堡 收过程。这个过程的优点如下：1 吸收效率更高；2 气体侧压力损失更小：3 厦适合现代的紧凑型机 组；4 能源消耗更少。通过非平衡现象理论的分析在一定程度上解释了n g o n i 现象。最后通过氨 水发泡吸收实验验证了前面的理论分析预测的结论。 k y o n g m i i ik w o 一”1 等人通过实验的方法研究了在螺旋管降膜吸收器中氨蒸汽的流动对吸收过 程中膜态传热传质的影响，研究了氨气与吸收液对流、顺流情况，分别采用了三种不同浓度的吸收 液( 3 ，1 4 和3 0 ) 。结果表明：无论蒸汽流动方向如何，吸收过程的传热量随着溶液流量和溶 液温度的增加而增加；在对流的情况下，如果蒸汽流速过高。使得溶液附管壁的液膜分布不均， 将使吸收器内传热传质的效果明显下降。 j 6f e m 枷e p s n d ”1 对顺流立管式吸收器中氨水的传热传质过程进行了详细的分析，首先为 了更好的理解吸收器的状况而根据质量和能量守恒及热质传递方程建立了一个特别的数学模型，在 这个模型中分别考虑了团块状流动，弹状流动，泡状流动这三种流动模式。 a m s e l i m i ”j 建立了填料式吸收器( p b a ) 中氨水溶液和氨气水蒸气混合物之间的界面传热传 质模型，并编制了计算机程序来证明模型能够预测填科床中不同运行环境下界面的氮气吸收速率， 预测了在给定运行条件下的界面处的质量流率。 1 2 3 强化吸收途径研究现状 目前，强化吸收过程主要有以下途径：一是改进吸收器结构，从而改善两相流动和接触。促进传 热和传质；二是引入外加添加剂( 即表面活性剂和具有活性的分散相细小粒子) ，改变两相接触面处的 物理性质，从而达到促进吸收的目的。分散相活性粒子主要包括催化剂或反应性固体细粉、吸附剂 细粉和有机小滚滴；三是引入附加能量场( 如磁场、电场、超声场，激光等) ，利用不同频率的外场 对体系内各个组分的相互作用产生影响，达到改善吸收的效果，如选择性激发和选择性吸收，改变 其中一种或几种组分的物理性质，实现组分的吸收和分离。 1 ) 吸收器结构的改进 对吸收器结构的改进目前主要集中在对传热管的研究上面，主要通过改变管件的结构，对管表 面进行处理提高溶液覆盖率，改变管件的材料来达到强化吸收传热的目的。目前应用较广的是强化 传热管，因其具有不规则的表面，增大了接触表面积，增强了溶液流动过程中的扰动，强化了吸收 过程。强化传热管的典型形式有：橹型管，锯齿形翅片管，花瓣型管等。 目前s ，n e 鲫y 【堋对竖直波纹板降膜吸收的流体流动形式和传热传质特性进行了层流数值研究。 数值计算结果表明表面波导致在波谷产生回流区。雷诺数增加，回流区在大小和强度上都增加。回 流区的产生表示了膜厚的增加，从而影响传热传质。 y o n gt k 矿等人在实验的基础上分析了带有偏移的条状翅片和矩形翅片的换热器中氨水 降膜吸收过程。通过实验获得了传热传质系数( 努塞尔数和舍伍德数) ，也得到了液体进口过冷度和 进口浓度差对吸收率的影响。这些实验数据可以为分析氨水吸收过程机理提供基础，也可为氨水吸 收器的结构设计提供指导。 f y c h u r lc h o 1 等人探讨了微观凹凸管的表面租糙度对吸收性能的影响，试验结果表明，表 面有凹凸度的管子的吸收性能比光管高1 倍。 y o i l g1 kk a n g 吲对带有增强表面的平板热交换器中的氨水降膜吸收过程进行了实验分析。通 过实验验证分析了溶液和蒸汽的流动特性，及溶液的进口局部冷却和进口浓度差对传热传质性能的 影响。 j c o n gs 田】对管壁表面粗糙度影响水平管降膜润湿情况进行了研究。分析了管子表面的凹凸度对 管子表面润湿性的影响通过试验在吸收器和蒸发器中采用1 种光管和6 种表面靼糙的管来观察强化 吸收的传热与传质效果。 程金明刚对光管及不同螺距的螺纹管管外降膜氨水吸收过程进行了试验研究，研究发现螺纹管 对氨水吸收过程具有明显的强化作用，其传质系数比相同吸收条件下的光管管外氨水降膜吸收高2 到3 倍。分析表明螺纹管使得气液接触面积增大，并且由于外螺纹的扰动作用，使液膜内不同温度， 不同浓度区域的液体得以充分混合，从而影响了传质系数，促进了吸收。 2 ) 外加添加剂强化吸收研究现状 表面活性剂可以减小溶液表面张力，增加溶液与蒸汽的结合能力，另外表面活性剂在气液表面 - 3 东南大学硕士学位论文 上的定向排列作用可以提高吸收时的选择性和降低溶质的表面分压力。因此可以通过向氨水溶液中 添加表面活性剂来达到促进吸收的目的。目前吸收式制冷系统表面活性剂研究的重点集中在表面活 性剂强化传热传质的机理，活性剂添加量的确定和活性剂种类的选择这三个方面。 由于吸附于气液表面的表面活性剂同时影响组分扩散系数和界面流体力学性质，所以用经典的 传质理论很难确定其对传质速率的影响程度。 黄文瀛“”对湿壁塔中添加了表面活性捌十二烷基苯磺酸钠的水吸收氨气的传质系数进行了测 定，得出传质系数随表面张力的降低而减小，并得出了不同表面张力值下气膜传质系数的计算公式。 高洪涛“”采用w i m e l i n y 平板法，对未加入添加剂和加入添加剂的溴化锂水溶液的表面张力进行 了测量，通过与相关添加和对溴化锂水溶液吸收水蒸气速度影响的测试实验结果进行关联分析，结 果表明，对于酒精类添加剂，在含碳原子数相同的情况下，使溶液表面张力降低越大的添加剂使溶 液吸收水蒸气的速度越快。 z h o u x 田1 等提出了蒸汽表面活化剂强化吸收和冷凝的理论模型，称为“蒸汽表面活化剂理论”。 用这一理论可以解释试验中观察到的强化现象，并归纳在单纯以m a 1 9 0 l i i 对流为基础的理论框架。 在吸收过程中，溶液的表面张力随温度和浓度变化而变化，当汽液界面的温度和浓度分布不均 匀时，将在界面处产生表面张力梯度，从而引起表层溶液和深层溶液的对流，这种现象称之为 m m g o n i 效应。添加表面活性剂后，可以强化m a m 昭0 1 1 i 效应，从而提高吸收系数。 j m - k y n gk j i n 对在n h 3 h 2 0 吸收过程中m a m 唱砸效应强化传热进行了研究。研究者通过 使用了h e - n e 激光全息干涉仪使得氨水吸收过程中添加异辛醇时的m a m n g 明j 效应量化并使 m a 呜o n i 对流可视化。 y o i l g1 如k a n g 和t a l 【a ok h i w a g i u ”通过实验方法研究了在氨水中加入辛醇引起的m 嘴o n i 效 应。实验中加入辛醇后，在气液分界面处可观察到马格拉尼效应产生，马格拉尼效应在吸收刚开始 时非常强烈而随着时间的推移而消失热量边界层的厚度比扩散边界层的厚度增加的快，而加入少 量表面活性剂可以增加扩散边界层的厚度，促进吸收。 j a k ek 吼i j u l 对氨水中加入添加剂对吸收过程表中面张力对流影响的不稳定性进行了分析。在有 添加剂时，珑氨液浓度的增加，表面张力增大，结果表明，斯密特数s 硝0 0 和相对厚度g l o 时，对 m 嬲i n 雩舯耐流的稳定性准则的影响最大。 1 3 磁场对水合溶液的影响研究现状 在氨水吸收式制冷循环中，水和氨均为极性分子。磁场作用于极性分子时，可以改变分子的结 构和能级状态，从而对溶液的表面张力和溶解度等物理性质产生影响。 赵福麟1 等人研究表明外磁场的作用能使水溶液中离子的极性增强，离子的水化程度增强，溶 解度增加。朱元保田1 等人发现蒸馏水经磁场处理后，对氧气和难溶解盐的溶解都有所增强。李冠成 1 等认为磁场处理水对盐的溶解度有所增大，某些气体在磁场处理水中的溶解度也增大。s h 0 0 即 u o 1 等学者实验研究表明，在不同磁感应强度的作用下，处于磁场中部的3 个纯水样本溶解氧的 浓度均有所增加。 s 枷h a n 【j ”对外加磁场对水和n a c l 水溶液粘度改变的影响进行了研究。当磁感应强度从 8 0 0 0 0 s 到2 3 0 0 0 g s 变化时，当磁场平行于流动方向，蒸馏水、曝气水，n a c l 水的粘度升高但比值 小于3 1 0 ，；当磁场垂直于流动方向时，其改变更小，不超过2 l 旷。 h o l y s z 【刈等人对碳酸盐溶液在磁场作用下相关性质的变化规律进行了研究，结果表明碳酸钠水 溶液在s s 磁场或n s 磁场作用下，其表面张力均有所下降。但当溶液浓度增大时，表面张力又会 有所上升 张军p 7 】等人采用分子动力学模拟( m o l e c u l a r 功i c ss i l i l u l 鲥简称m d ) 方法对不同磁感应 强度和温度条件下水体系的表面张力系数进行了计算。结果表明水的表面张力系数和磁感应强度b 之间的关系曲线呈多极值特征，当b 在o 0 8 - o 1 2 t 或在o 2 _ 0 3 t 时磁处理水的表面张力系数降低，当 温度在2 8 8 - 3 0 8 k ，b = 0 2 5 t 时，磁场对水的表面张力系数和径向分布函数的影响最为明显，而在低 温和高温情况下磁化效果减弱。作者认为磁场对水的表面张力系数的影响主要是由于磁场改变了水 - 4 - 第一章绪论 的径向分布函数，使水的结构发生变化，导致水分子间的相互作用减弱，活性增加，表面张力系数 降低。 刘芳玲田】等人对磁感应强度与水的表面张力的关系进行了研究，并且定量的分析了表面张力的 下降同磁感应强度增加之问的波动关系。试验结果表明：经磁场处理以后，无论是自来水还是去离 子水，表面张力均有下降。 k 1 s 【3 9 提出，表面活性荆水合溶液在磁场作用下，随着磁感应强度的增强，表面张力曲线呈 波浪式下降。 1 4 本课题的研究内容 由于磁场对于磁场中的流动极性溶液会产生磁场力，同时又会对极性分子结构及极性溶液的物 理性质产生影响，改变其表面张力和溶液的溶解性，因此这种现象对于提高吸收器内的传热传质、 开辟新的吸收模式具有极高的研究价值。对于同为极性物质的氨水溶液，当对吸收过程施加一定强 度的磁场时，将影响其吸收时氨气通过气液界面处的阻力，使得氨气能更加容易的进入氨水溶液主 体，达到强化吸收的目的：同时因为磁场可能会改变氨水溶液的表面张力和溶解性，使得在同等条 件下吸收过程结束后氨水溶液浓度增大，从而可以使得氨水吸收式制冷循环中的溶液循环量相应减 少，从而可以减小吸收器体积，有利于氨水吸收式制冷设备的小型化。本课题将从理论和实验两方 面对磁场影响氨水吸收过程展开研究： ( 1 ) 理论方面研究了气液两相相际传质机理，将磁场对氨水溶液的作用力分为磁体力和磁面力 两部分，并重点分析了磁面力对氨气吸收过程的影响以及磁体力对溶液降膜过程的影响， 找到磁场影响传质过程的理论依据，建立磁场强化氨水吸收过程中的气液传质方程，分析 降膜流动的特性，根据试验条件和假设简化条件建立有磁场时的氨水降膜吸收数学模型， 分析磁场和其他因素对吸收效率的影响。在微观层次上初步分析氮水溶液在磁场作用下其 物理性质及表面的特性变化机理对气液两相传质过程的影响的根本原因。 ( 2 ) 实验方面包括确定磁场强化氨水降膜吸收实验流程，对实验中各设备进行设计选型，确定 实验方案及实验步骤，搭建试验台并解决搭建期间所遣蓟的实际问题，并根据实际情况对 实验流程和实验设备进行修正改造，确定实验关键参数，进行实验，测量和采集关键参数 数据，根据实验数据对先前建立的磁场强化氨水吸收模型进行检验、修正。 - 5 - 东南大学硕士学位论文 第二章相际传质及磁场作用理论基础 2 1 降膜吸收传热传质模型研究 气液相际传质广泛存在于化工，制冷，炼油和生化等多种领域中，在所提出的相际传质理论中， 为人们所熟知且时至今日仍被广泛应用的有膜模型理论，渗透模型理论及表面更新模型理论，以及 在以上模型理论基础上发展起来的膜一渗透模型、涡旋扩散模型等机理模型。在所有模型中，膜模 型由于模型简单，且具有与其他模型类似的精度而得到了广泛的应用。因此降膜吸收中的传热传质 数学模型也是建立在膜模型的基础之上。 2 1 1 双膜模型理论 双膜模型理论是由刘易斯( l e w i 3 ) 和惠特曼( w b j n l l a n ) 提出的。其模型的基本假设如下： ( 1 ) 在两相的相界面的两方，每个相都存在一层边界薄膜。这种膜就是物质从一相进入另相的阻 力来源。 ( 2 ) 在两相的界面上，即相应地两层膜之间的界面上，建立了动平衡条件，也就是说，达到了稳定 的传质过程。 ( 3 ) 在每个相的范围内的组分的扩散流，与该组分在主体内和界面的浓度差或者分压差成正比。 界面 0 ) ，、 气膜 液膜 气相主体液相主体 、 ( p j 一扩散方向 图2 1双膜模型 双膜理论存在着较大的局限性，当具有自由相界面或高度湍动的两流体间的传质体系，相界面 是不稳定的，因此界面两侧存在稳定的等效膜层以及物质以分子扩散方式通过此两膜层的假设都难 以成立，但是该理论提出的双阻力概念，即认为传质阻力集中在界面两侧的两膜层中，而界面阻力 可忽略不计的概念，在传质过程的计算中得到了广泛承认，是目前传质过程及设备设计的主要依据 2 1 2 降膜吸收模型 在膜模型的基础上，为更好的表示降膜吸收过程中的传熟传质情况，降膜吸收数学模型考虑了 降膜溶液的各种流态。由于溶液在吸收过程中一般靠自身重力沿壁面向下流动。因此大多数情况下 处于光滑层流或者波动层流状态，极少数情况下才会出现湍流状态。鉴于此种情况，现在大多数降 膜吸收模型针对光滑层流及波动层流情况而建立。 1 ) 光滑层流降膜吸收模型 n a k 阻k o v 和g r i g o r e v a 【4 1 】【4 2 】在1 9 7 7 年率先建立了溴化锂溶液在绝热竖直板上光滑层流状态降 膜的吸收传热传质数学模型。n a k o r y a l 【o v 提出了一系列的假设条件，在此基础上建立简单的降膜吸 收模型，并对能量和质量方程进行了数值求解，得到了膜内温度和浓度的简单分布关系。虽然由于 假设条件中膜内速度设置为均匀而非实际状况中的抛物线分布，从而导致该模型计算结果与实际偏 6 液相中吸收质 气相中吸收质吸收分压 第二章相际传质及磁场作用理论基础 差较大，但是该数学模型及假设条件仍为以后降膜吸收数学模型的发展提供了理论基础。1 9 8 3 年， o r s 1 4 ”建立了描述溴化锂溶液沿倾斜壁面层流的热质传递模型，与n a k o r y a k o v 建立的方程相 比，本方程膜内的速度分布根据层流边界层理论由n l l s s e h 分析解直接给出的，且v = o 忽略了膜厚变 化和径向对流项，虽然求解更加简单，但并不合理，有较大缺陷。r e i n d e f t h w 酗s g 日i l 习h 从溶质 角度出发考虑氨气与氨水溶液顺流和逆流两种流动模式，在相关假设基础上建立了氨水降膜吸收模 型和气体控制方程，并采用有限元方法对控制方程进行了求解。但该方程忽略了膜厚变化和膜内径 向速度，气液界面处的边界条件不适合降膜吸收的实际情况。崔晓钰州则考虑了物性变化、膜内横 向对流、波动层流流动等因素，并分别建立了吸收模型进行计算论证，计算结果表面在进口浓度或 吸收压力较大的情况下吸收率较高，应该考虑物性变化对吸收过程的影响；膜内横向对流的影响是 不能忽略的；对于波动层流采用卡彼查波动降膜流动速度分布，计算结果表明波动明显增强了传热 传质。毛雯萍m 1 在综合考虑提出了膜厚变化和径向对流项影响的基础上建立了垂直管外溴化锂降膜 吸收模型，构建了微分方程组，引入流函数进行变量代换，然后对方程进行离散化，求解得到了降 膜过程中的速度、温度和浓度的分布情况。 2 ) 波动降膜吸收模型 随着流速的增加，液膜雷诺数也相应增加，进而影响到液膜表面，产生波动。目前对波动降膜 吸收模型中流速分布一般采用的简单正弦波动流型m j 通过有限差分方法进行数值求解。廖运文。赵 玉萍【4 7 1 则对降膜速度分布采用f o 埘级数型波动膜流解，利用垂直降膜的波动理论，通过非振荡特征 差分方法数值方法对方程进行求解，得到了膜雷诺数变化对传热传质的影响变化关系，以及降膜波 动对传热传质过程的影响规律。王补宣，杜小泽删等采用能量分析方法研究降膜蒸发过程开尔文 亥姆霍兹( k e l v i n h e l m h o l 乜) 不稳定性的影响。在研究中详细分析了管径、干度、液膜表面张力、扰 动波长以及相变等因素对液膜波动的影响，分析表明，影响降液膜波动和破断的主要原因有热流密 度、吸附能力、液膜表面张力等。 3 ) 湍流降膜吸收模型 由于降膜吸收器内部很少出现湍流情况，而且湍流结构的研究至今尚未取得令人信服的成果， 所以降膜吸收在湍流下的吸收机理研究较少。司华峰，郭开华1 在湍流吸收模型中运用局部线性化理 论对相平衡条件进行膜化，从而描述出热量传递与动堑和质量传递的相互作用关系式，并引入新的 无因此准则数p e ，p e 数表现了动量传递和质量传递在液膜表面处同热量传递的耦合情况。通过有限 差分法结合r g 抽曲方法对模型进行数值模拟计算。计算结果表面p e 数是吸收过程的一个重要参 数，当其较大时会增强对流，加大液膜表面的扰动，加速传质过程。 2 2 磁场对相际传质作用分析 电磁场作用下的流体，在稳态电磁场中受到电磁力洛仑兹力的作用，而在非稳态电磁场中 则同时受到洛仑兹力和磁化力的作用，并且电磁场也为流体提供附加的热源焦耳热。这些因素 将会影响流体状态和热状态，因此电磁作用下的流体流动问题相当复杂。 2 2 1 磁场弹性力学模型 研究电磁对流体流动的作用，首先要建立电磁流体力学模型。目前根据流体力学中的质量守恒 方程、动量守恒方程、能量守恒方程及电磁场中的麦克斯韦方程组建立的模型有：从磁偶极子物理模 型出发的磁体力偶模型d 毗、磁体力模型p ”：从公理化体系与理性力学原理出发的三维磁介质体磁弹 性力学模型 ”“ ：以及从变分原理出发的二维磁弹性力学模型口s 蚓和复杂磁场环境中铁磁板模型 删。 1 ) 安培分子电流模型 在安培分子电流模型中，磁介质中的磁极化被认为是由分子电流引起的记m 为磁介质中的磁化 强度矢量，则有如下的等效体电流密度j v 和面电流密两s ： 矗= 肘在v 中 五= 一月m 在s 上， 其中n 为铁磁介质表面的单位法向矢量当铁磁介质内的磁感应强度记为b 时，由l o r e n t s 公式得到 - 7 东南大学硕士学位论文 作用在磁介质上的磁体力力与面分布磁力五为 矗= ( m ) 矗在v 中 五= 一( ，朋r ) 曰在s 上 2 ) 磁极子模型 在磁极子模型中，磁介质的磁化被视为体分布的磁极子一a m 和面分布的磁极子n m 。应用 磁极模型得到作用在可磁化介质上的磁力分布为 工= 一( m ) 口在v 中 z = 肿坳在s 上 3 ) 磁偶极子模型 在安培分子电流模型基础上，视分子电流为电流环，则分子电流环与磁场的相互作用就相当于磁 偶极子与磁场的作用。从l o r e n t s 磁力公式出发计算各微观分子电流环上的磁力与力偶，再通过宏观 磁化强度的定义，得到作用在可磁化介质上的磁体力f 与磁体力偶c 如下： ，= ( a b ) m 在v 中， c = m 占在v 中 在这一模型中，并不认为有边界面分布的磁力存在可以证明：以上3 种磁力分布模式的整体效果是等 效的。 4 )与m a e l l 应力张量有关的模型 在电磁弹性力学中，另一种广泛用来计算作用在磁介质上磁力分布的方式是采用妇h e l l 电磁应 力张量记r “为m a n e l l 电磁应力张量，则磁体力与面分布磁力为 石= z “在v 中， 石= 一【r “】在s 上， 其中 表示其量在表面两侧的跳变值。 5 )基于磁弹性相互作用的广义变分原理采用磁偶极子物理模型的磁体力计算公式嗍 将对线性、均匀和各向同性可磁化的三维铁磁体的非线性磁弹性相互作用建立任意磁场环境下 的磁弹性力学模型。设铁磁介质处在外加磁场b 中，铁磁介质内部和表面上没有电荷与电流。 力= ( 矿) 日+ = 生掣( 日+ ) 在v 中。 二 铲：一幽警业( 彤) 在s 上 2 2 2 电磁场对溶液表面张力的影响 根据j l a e 1 1 方程、b a l 【k e r 方程和拉普拉斯方程，l i 踞i e r i 【6 1 1 建立了根据压力张量变化确定电磁场 影响表面张力变化的理论。对于任意一曲线正交坐标系( u 1 ，l | 2 u ，) 1 )静磁场对表面张力的影响 静磁场中m 姗e l l 应力张量r = 曰日一( 三日2 一 卜占) ( ， z 式中b 为磁感应强度，h 为磁场强度，m 为磁化矢量，u 为单位张量 3 第二章相际传质及磁场作用理论基础 仃= 斯砒一脚和 + 弘( 暖壶h c 聃田丢) 一j 咖马陪鲁+ 砉等 一弘呸睦鲁+ 硅壶h c 蝴 一扣只陪鲁+ 咯者h c 蝴) 一击卜c 肌训毒 2 ) 均匀电磁场对表面张力的影响 加入磁场前后的表面张力变化量 州一争+ 斑”c 嘭云h 岛+ 霹丢h 啪们铡 i z 日2 ( + 以) ( 法向) 俨咿程地悃2 ( 删 一= 够2 揣 即当磁场为流体法向方向时，磁场应力张量表现为拉应力，而当磁场为流体切线方向时表现为 压应力 - 9 - 东南大学硕士学位论文 第三章磁场强化氨水吸收模型 3 1 降膜吸收的物理模型 溶液吸收气体的过程也就是被吸收气体由气相转移到液相的质量传递过程。这个过程是传热传 质同时进行的过程，溶液成膜状向下流动吸收周围的气体，同时溶液被流动的冷却水冷却，带着吸 收热，并且使得液膜表面温度降低，从而保证吸收过程的持续进行。 物理模型如图3 一l 所示，氨水溶液沿着冷却水管成膜状向下流动，吸收周围氨气；氨气由下向 上运动，由于吸收空间全部充满氨气，并随时从氨气瓶向吸收器中补充，所以认为氨气气相主体在 吸收过程中压力不变；管内冷却水也由下向上流动，带走吸收产生的溶解热，并冷却氨水溶液；整 个吸收过程均处于垂直方向的磁场中，由于磁场有磁场线圈提供，故认为整个磁场为均匀磁场，即 吸收过程中任意位置处磁感应强度相等。 鼍 t 善 上b毒 t 差 图3 一l 磁场强化降膜吸收示意图 为建立降膜吸收的数学模型，并便于方程求解，通过分析管外降膜吸收特点，对模型进行一定 的简化和假设： ( 1 ) 假定整个气相为均匀的纯氨气，压力保持恒定不变，气相内无任何传质阻力； ( 2 ) 氨水溶液在冷却水管外壁均匀布液，在降膜过程中流动速度相对比较缓慢，气液两相的粘 滞阻力比较小，故忽略不计，并认为整个吸收过程中氨水溶液均处于层流状态 ( 3 ) 氨气在降膜表面被吸收，假定溶解热全部向液膜释放，从而造成液膜内产生温度梯度，热 量也只由气液界面向液膜内部传递。 ( 4 ) 冷却水处于流动和传热的充分发展区，带走所有由吸收产生的溶解熟，并冷却氨水溶液。 ( 5 ) 氨水溶液液膜沿管壁周向的温度梯度远小于径向温度梯度，故忽略周向导热，管壁外为一 维导热。 l o - ll