氨水溶液降膜蒸发实验.pdf

化 工 进 展 20 1 1 年第 30 卷第 9 期 C H E M IC A L IN D U STR Y A N D EN G IN E ER IN G PR O G R E SS 1889 氨水溶液 降膜 蒸发实验 骆超 龚宇烈 2 马伟斌 中 国科学 院广州 能源研 究所 广东 广 州 510640 中国科学 院可 再生能源 与天然气水合物重 点实验室 广东 广州 510640 摘要 发生器和吸收器的传热性能是影响制冷机组和X L Y 质发 电机组做功效率的关键因素 为了提 高中低温 地热 余热 在热泵机组和地热双工质发电系统中的利用效率 本文选用 50 和 60 的氨水溶液作为循环工质 对约 6 1TI 长的竖管降膜蒸发器的传热特性进行实验研究 分别讨论喷淋密度和热水温度对垂直降膜蒸发器的传 热系数 氨蒸气量和蒸发压力的影响 结果表明 降膜蒸发器的传热 系数和氨蒸气量随喷淋密度的增加先增大 后减 小 传热系数和蒸发压力随着热源温度 的增大而增加 50 和 60 的氨水溶液喷淋 密度 最佳值分别在 0 2200 0 2500 kg m s 和 0 2600 0 2900 kg m s 传热 系数 和热源温度呈 线J陛关 系 氨水溶 液的实验传热 系数 明显 高于现有 文献 中水 的实验传 热 系数 通过 两种 不 同浓度 的溶 液对比发现 60 的氨水溶液传 热性能明显优 于 50 的氨水溶液 关键词 氨 水溶液 降膜 蒸发 传 热性 能 中低温地 热 余热 利用 中图分类号 T Q 028 文献标志码 A 文章编号 1000 6613 2011 09 1889 05 E x p eri m en t o f a m m o n i a w ater fal l i n g fil m ev a p o ra ti o n L U O C ha o 2 G O N G Yul i e M A W ei b i n G u an g zh ou In sti tute o f E nerg y C on versi o n C A S G uan gzh ou 5 10 64 0 G uan gd on g C hi na K ey L ab of R en ew ab l e E n ergy an d N atural G as H ydrate C A S G ua ng zh ou 5 10 64 0 G u an g don g C hi na A b stra c t A n exp erim ental i n vesti gati on of verti c al out tub e fal l i n g fil m h eat transfer w i th di ff erent i n l et spray densi ti es of am m on i a w ater m i xture an d i nl et h ot w ater tem p eratu res w as c on duc ted T he fall i n g fil m ev ap orator h ad a total hei gh t o f 600 0m m an d th e c yc l i ng w orki n g flui d s w ere hi g h c on c entrati on 60 an d 50 am m on i a w ater W e m ai nl y stu di ed th e i n flu en c e of spray d en si ty and i nl et tem p erature of h ot w ater o n heat transfer c o effi c i ent am m o ni a v ap or am ou nt and evaporati on pressure T h e ex p e ri me n t sh o w e d th at h e a t tra n sfe r c o e ffi c i e n t a n d a m m o n i a v a p o r amo u n t i n c re a se d fi rst an d th en d ec reased w i th i nc reasi n g i nl et spray densi ty T he h i gh er the ho t w ater tem peratu re the h i gh er th e e v ap o rati o n p re ssu re H e a t tra n sfer c o e ffi c i e n t i n c re a se d l i n e a n y w i th i n c re a si n g h o t w a ter tem p erature T h e ex perim ental heat tran sfer c o effi c i ent o f am m o ni a w ater so l uti o n w as si g ni fi c an tl y hi gher th an th at of w ater report ed i n l i terature F or 5 0 w ater op ti m um sp ray den si ty w as b etw een 0 2 200 an d 0 25 00 kg m s for 60 am m on i a w ater op ti m um sp ray d ensi ty w as betw een 0 260 0 an d 0 2900 kg m s In thi s experi m ent heat transfer perform anc e of 60 am m oni a w ater w as better than 5 0 a m m o n i a w ater K e y w o r d s ammo n i a w a ter fa l l i n g fil m e v ap o ra ti o n h e at tran sfe r p erfo rm an c e m i d l o w te m p e ratu re g e o th e rm a l w a ter w a ste h ea t u ti l i z ati o n 收稿 日期 20 11 03 23 修改稿 日期 20 11 05 05 基金项 目 国家高技术研究发展计划 国家 863 计划 2009A A 05Z433 及 中 国科 学 院可再生 能源 与天然 气 水合物 重 点实验 室基金 项 目 y l O7j2 第一作者及联系人 骆超 1982一 男 研究助理 主要从事地热 能发电技术的研究工作 E m ai l l uoc hao m s gi ec ac c n 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 化 工 进 展 2011 年第 30 卷 降膜式 蒸发具有传热 效率高 传热温差损失 小 无静压头引起 的沸点升高及物料停 留时间短等 特点 广泛应用于化工 轻工 化纤 食品加工 海水淡化和医药等工业部 门 1 21 发生器和吸收器 是制冷机组和双工质发 电机组的重要设备 研究 高效的降膜蒸发器和吸收器对于提 高中低温地热 余热 在热泵机组和发 电系统中的利用效率有重 要意义 降膜蒸发器在理论研究方面 主要研究液膜的 流动状态 液膜传热传质的机理及液膜传热传质的 数值模拟 并在实验的基础 上利用实验数据得到经 验或半经验的实验关联式 在实际应用领域 主要 是对降膜蒸发设各及系统进行优化 利用各种节能 技术 提高蒸发器的传热和传质系数 研究高效的 降膜蒸发器 Chun 等 6 以水为工质 在 电加热竖管 外进行常压降水膜蒸发 根据实验得出了经验公式 很多研 究者 在验 证理 论 模拟 的准 确 性 时也 多 以 C hun 等的实验数据为准 G ropp 等 以 R 1l R 113 混合物为工质对垂直管外 降膜蒸发的传热特性进行 了实验研究 研究结果表 明 在表面蒸发情况下 传质阻力对传热系数的影响可 以忽略 由于传质造 成传热系数的下降在工程应用中也可以忽略 齐和发等 8 选用在工业 中较有代表性的物料 如甘油 葡萄糖和硫氰化钠的水溶液 在水平光滑 管中进行了实验 结果表明 不同工质具有不同的 蒸发特性 而且混合物浓度对传热系数有明显的影 响 Z eng 等 通过数值模拟分析了在不同喷淋密度 下 研究表明随着热通量的增加 氨水溶液降膜蒸 发的总传热系数是逐渐增加的 fang 等u ul采用盐水 热水 出 一 出口4 而f T P P 为工质 对 2 m 高的光滑管进行 了降膜蒸发实验 在喷淋密度一定 的情况下 随着传热温差 的加大 降膜蒸发的总传热系数增大 Shi等 111对溴化锂溶 液管内降膜蒸发进行 了实验研究 指出随着进 口溶 液浓度的加大 降膜管的总传热系数加大 有关水 平管降膜和竖管降膜的对 比状态也有人做了实验 X i a 等l 1 J以水 为工质通过对管外降膜蒸发 的数值 模拟和实验研究 指出竖管降膜的传热系数要明显 高于水平管 牛晓峰等l 1 J以工业过程中大量应用的 氨水工质为研究对象 在 H arri ot理论的基础上提出 一 种新的垂直降膜吸收传质模型 并通过实验得出 了传质系数随雷诺数的变化曲线 本 文作者前期对管外液体 降膜 的流态和蒸发 器进行 了实验研究l 1引 研制了一种竖管降膜效果较 好的蒸发器 在此基础上 本研究针对不同浓度的 氨水溶液 通过实验对比分析了喷淋密度和热水进 口温度对传热系数 氨气量 以及蒸发压力的影响 1 实验 流程和 方法 1 1 实验装置和方法 实验流程如 图 1 所示 因为实验工质为氨水 溶液 故全部的实验装置 连接 管 附属材料均 为不锈钢 而且 为了防止泄漏 实验设备的连接 部分使用 了四氟 Tefl on 垫 实验系统主要 由发 生装置 吸收装置 加热装置 冷却装置和测量 系 统 组 成 浓氨水溶液从氨水储液罐 9 中经过溶液泵 7 加 压 电磁流量计 5 测量和调节阀调节后 进入换热 器 6 与降膜蒸发器 1 降膜蒸发后的稀溶液换热 然 掣 P P 4 5 T l 囤一1 I l l 一 8 厂 10 3 l l 5 7 6 图 1传热实验流程图 1 降膜蒸发器 2一视镜 3一热水泵 4一减压阀 5一流量计 6一换热器 7一溶液泵 8一降膜吸收器 9一氨水储罐 1O 冷却塔 1 1一热水箱 T P 一分别表示温度和压力测点 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 9 期 骆超等 氨水溶液 降膜蒸发 实验 后 送入 降膜 蒸 发器 的布 膜装 置 在 降膜蒸 发器 管 外 形成均匀的液膜 液膜和管内的热水形成逆向流 液膜吸收热量后在套管 内蒸发 氨蒸气经过减压阀 4 减压 被送入 降膜吸收器 的布膜装置 与降膜蒸 发后的稀溶液一起进入降膜吸收器 8 从而氨水溶 液形成一个连续封闭的循环系统 浓氨水和稀氨水 流量 由流量计积算仪测量 压力和温度通过二次仪 表被送入计算机中保存 降膜蒸发器 降膜管管长 6 Il l 材质为不锈钢 降膜管规 格为直径 5 ra m 2 m m 套管为直径 7 m m x3 m m 固定热水流量和 温度 调节进入降膜蒸发器 的浓氨水流量 待系统 稳定后 记录数据 实验采集了不同热水工况下的 数据进行分析对 比 系统平衡时 进入 降膜蒸发器 的浓氨水溶液量和流出的稀氨水溶液量 的差值恒定 并且蒸发器和吸收器 的压力变化波动在允许 的误差 范 围 内 1 2数据处理和计算 高浓度氨 水溶液 的配 制方法 已经 申请 并授权 专利 实验初始条件如表 1 所示 喷淋密度 表示单位 时间 内沿 降膜 管圆周方 向 单位长度 的降液流量 计算式见式 1 i 7 3 6 1 以测得 的实验数据计算 得到 的热水放 热量为 计算和作图依据 为了验证热水 的热损失 以实验 数据 间接计算得 到的氨 水溶液 的吸热量 为 比较对 象 通过计算热水和氨水溶液的热负荷发现 两者 的误差小于 5 这主要是 由于热水侧有热损 失以 及氨水热物性存在误差造成 基于热水放热量的降膜蒸发器热负荷 Q G 由式 2 计 算 Q c c p pw 1 T1 T2 2 降膜蒸发器的热平衡见式 3 Q G l A G 3 降膜蒸发器基于外表面的总传热系数见式 4 1000Q o A G 4 式中 h 为外表面的总传热系数 W m 2 K 表 1实验条件 名称 数值 氨水溶液进口浓度 热 水进 口温 度 T K 喷淋密度 Tkg Ill 1 s一 6 5 O 34 3 15 3 5 8 15 O 15 O O O 35 0 0 Q G 为蒸发器的热负荷 kW A 为蒸发器降膜管的 外 表 面积 i n 为 热水 的 定压 比热容 kJ kg K P 为 热水 的密 度 kg m W 为热水 的体 积流 量 m s 为平均对数温差 K 见式 5 Atl A t2 A n A t1 Ate 5 式 中 Atl T1一T4 At2 T2一T3 rl T2分别为 热水进 出口温度 K 分别为降膜蒸发器溶 液 进 出 口温 度 K 降膜蒸发器氨水溶液的质平衡如式 6 所示 m i n W m 0uI 6 基于氨 水溶液吸热量 的降膜蒸发器热平衡 如 式 7 所示 Q G m Inhi n m h nuf 7 氨水溶液的热平衡如式 8 所示 h G A m th0uI W h 一 m i hi 8 发生器基于外表面的总传热系数如式 9 所示 hG m th叭 n W h 一m i h A 瓦 9 式 中 m i m W 分别为进入 降膜蒸发器浓 氨水流量 流出蒸发器稀氨水流量和蒸发的氨蒸气 量 kg h hi h h 分别为进入蒸发器 的浓氨水 焓值 流 出蒸发 器稀氨水焓值和蒸发 的氨焓值 H kg 2结果与讨论 2 1 喷淋密度对传热系数的影响 图 2 给 出了在热水进 口温度 T 353 15 K 时 60 与 50 的氨 水 溶 液在 热 水 流速V I 0 m s 和 V 2 0 m s 时喷淋密度 厂和传热系数 h 的曲线 曲 线的变化趋势一致 h 随着 厂的增加先增大后减小 不同之处在于 h 达到最大 时 最佳喷淋密度 厂 0的 取值范围不 同 曲线趋势变化的原因是 在 厂 to时 液 膜厚度 的增 加 使管壁面与液膜之问的传热和传质阻力增加 膜厚 阻碍传热的作用占主导地位 同时液体在管壁表面 呈一股一股的下降 迫使管外壁出现液膜变薄 甚 至出现干壁的现象 使有效传热面积减少 导致传 热量降低 h 随着 Jr1的增大而逐渐减小 由于热水 工况和氨水浓度不同 大致实验中出现 厂 n的范围不 一 致 工程中 应根据使用条件选择最佳的氨水浓 度和热水工况 60 的氨 水溶 液 的传 热 系数 在1800 1900 W m K 此时 厂 0在 0 26 0 29 kg m S 50 的氨 水溶液的传热系数在 1500 W m 2 K 左右 但是 厂 0 受热水工况的影响较大 V I 0 m s 时 厂 n在 0 21 0 24 kg m S V 2 0 m s 时 在0 24 0 27 kg m s 同样实验条件下 高浓度氨水溶液的传热 性能 明显优于低浓度的传热效果 传热系数越大所 对应的最佳喷淋密度范围也较大 2 2 喷淋密度对氨气量的影响 图 3 给 出了 T 353 15 K 时 60 与 5O 的氨水 溶液在 V I 0 m s和 V 2 0 m s 时喷淋密度厂和产生 氨气量 的曲线 与图 2 比较 两者变化趋势类似 先增大后减小 厂 0出现的范围也一致 不 同之处在 于 60 氨水溶液产生的氨气量的变化幅度要远远 大于 50 的氨水溶液 说 明在实验范围内的热源温 度和喷淋密度内 氨气量受浓度的影响较大 王长 庆等 l 叫 解释 了出现这种现象 的原因 对于氨水溶液 厂 m s 图 3氨气量和喷淋密度 的关系 降膜式蒸发器来说并不是 厂越大越好 厂太大 蒸 发器的放气范围 小 溶液发生的氨气量少 但 是 厂太小也不好 尽管降膜蒸发器的 大 但溶 液量少 因此产生的氨蒸气量也少 故氨水溶液的 喷淋密度有一个最佳值 60 的氨水溶液在最佳喷淋密度范围内产生的 氨气量约为 12 kg h 50 的氨水溶液在最佳喷淋密 度范围内产生的氨气量约为 5 8 kg h 60 的氨水溶 液产生的循环倍率可达 6 3 而 50 的氨水的循环 倍率为 11 说明在相同的热源温度下 浓度对产生 氨气量具有显著的影响 2 3热水温度对传热系数的影响 图 4 给出了F 0 2500 kg m s 60 和 50 的 氨水溶液在 V I 0 m s和 V 2 0 m s 时热水进 口温度 和传热系数 h 的曲线 由于实验系统的平衡 比较 难调节 实验只采集了 4 种温度工况下的数据 4 条 曲线都随着温度的变化近似呈线性变化 热水流 速相 同的曲线变化趋势更为相近 当 T 355 K 时 h 随 的变化趋势增加的较慢 热水进 口温度越大 传热系数越大 但热水温差减小 热水 的利用效率 降低 因此 热水 的进 口温度是地热 余热 利用 的先决条件 当 T 355 K 时 h 的曲线趋于平缓 上升幅 度很小 固定实验条件下 也进一步验证 了高浓度 氨水溶液 的传热性能明显优于低浓度氨水溶液 2 4热水温度和蒸发压力的关系 图 5 给出了F 0 2500 kg m s 60 与 50 的 氨水溶液在 V I 0 m s和 V 2 0 m s时热水进 口温度 和蒸发压力 P 的关系图 由图可见 P 随着 的 增加而增大 越高 P 越大 产生的氨蒸汽量也 图 4传热系数和热源温度 的关系 学兔兔 w w w x u e t u t u c o m 第 9 期 骆超等 氨水溶液降膜蒸发实验 1893 山 图 5 蒸发压力和热源温度 的关系 越大 说明能够从热源 中获得 的功越多 从而动力 循环能够利用 的功也就越多 对 比图 4 可 以看 出 传热系数随着蒸发压力的增大而增大 60 的氨水溶液在热源温度为 358 K 时的蒸发 压力可 以达到 1 2 M Pa 固定实验条件下 高浓度 氨水溶液的蒸发压力明显大于低浓度氨水溶液 的压 力 热水流速对蒸发压力的影响较小 热源温度和 溶 液浓 度 是蒸 发压 力 的决 定 因素 3 结 论 通 过对两种不 同浓度 的氨水溶液 降膜蒸发 实 验对 比 得 出以下结论 1 在相 同的热源温度和喷淋密度下 高浓 度氨水溶液 的传热性 能明显优于低浓度 的传热效 果 传热系数越大所对应 的最佳喷淋密度范 围也较 大 60 的氨水溶液传热系数约为 1800 W m 2 K 50 氨水溶液约为 1500 W m 2 K 2 在相同的热源温度 时 353 15 K 浓度 对产生的氨气量有显著的影响 60 N 50 的氨水 溶液在 最佳喷淋密度范 围 内产生 的氨气量 分别为 12 k g h 和5 8 k g h 3 传热系数 随着温度的增加近似呈线性增 大 热 水流速 相 同的曲线变化趋 势更为相近 当 T 355 K 时 h 随 丁的变化趋势增加的较快 热源 温度超过 355 K 时 氨水溶液的降膜蒸发传热系数 趋于平缓 上升 的幅度很小 4 同样实验条件 下 高浓度氨水溶液的蒸 发压力明显大于低浓度氨水溶液的压力 热水流速 对蒸发压力的影响较小 热源温度和溶液浓度是蒸 发 压 力 的决定 因素 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1 5 16 参考文献 路慧霞 马晓建 水平管外降膜蒸发的传热实验 J1 化工进展 2009 28 2 203 205 杜亮坡 孙会朋 张继军 水平管外降膜蒸发的传热性能的实验 研究 J1l 化工机械 2006 33 6 329 331 C h oi Y J Y a m ag uc hi T N ak ao S A no v el se pa ra ti o n sy ste m usi n g porous therm osensiti ve m em branes J Ind Eng C hem Res 2000 39 7 249 1 2495 M a W B D en g S M T he oretic al a na l y si s of l o w tem p eratu re h ot sourc e driven tw o stage L i B r H 20 absorption refr i gerati on system J Int Refri g 1996 19 2 14 l 一 146 K l i na A I C om bi ned c yc l e system w i th novel bottom i ng c yc l e J A SM E Jou rnal of E ngi neeri ng for G as Turbi ne and Pow er 1984 10 6 7 3 7 7 4 2 C hun K R S eban R A Heat transfer t0 evaporati ng l i qui d fil m J A SM E H eatTransfer 1971 11 39 1 396 P al en J W W ang Q Heat transfer to evaporati ng l i qui d fil m J A IC hE J o u rn a l 1 99 4 4 0 20 7 齐和发 沈吟秋 影响水平管降膜蒸发传热性能的因素 J 高校 化 学 工程 学报 1995 9 3 270 274 Z en g X C h y u M C A yu b Z H E x p erim e ntal i n v esti g ati o n ON am m o m a sp ray ev ap o ra to r w i th tri a n gu l ar p i tc h p l ai n tub e b u n dl e Part evaporator perf orm anc e J Internati onal Journal of H eat and M ass Transfer 200 1 44 2081 2092 Y an