（轮机工程专业论文）单级溴化锂溶液气泡泵提升特性实验研究.pdf

i 吒 l l 3 气 l e x p e r i m e n t a ls t u d yo nl i f t i n gc h a r a c t e r i s t i co fs i n g l es t a g e l i t h i u mb r o m i d eb u b b l ep u m p at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l 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 i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o r t h e d e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g b y w a n gx i a o l u m a 血ee n g i n e e r i n g 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 11 一 6川9眦0训6 9洲8 ii i 舢y 0 r 一 恪 ip a j 0 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 硕士学位论文兰望级遗丝堡渣邃氢泡壅堡丑挂丝塞坠珏究 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 量尘 堕 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 请在以上方框内打 寸 论文作者签名 立小盛导师签名 j 州弋 日期2 争1 1 年6 且甏日 一 小 参 a 叩j 妒0 pi 卅 0 中文摘要 摘要 节约能源和保护环境是目前国际社会上普遍关注的两大焦点问题 溴化锂吸 收式系统因其不仅可以使用太阳能 工业废热等低品位能源来节约能源 并且对 环境友好而受到人们的关注 为了更好的提高能源利用率 本文提出利用气泡泵 代替吸收系统中传统的机械溶液泵 并对气泡泵提升管做了大量的实验研究和理 论计算 本文主要工作如下 1 根据气泡泵的理论知识 设计搭建气泡泵实验台 2 针对气泡泵不同提升管直径 加热量和浸没高度来研究这些因素对气泡 泵工作性能的影响 3 实验研究采用水和不同浓度溴化锂溶液作为工质的气泡泵工作性能 结 果表明 对于相同管径 不同工质对应有不同的最佳浸没高度 对于相同工质 不同管径对应不同的最佳浸没高度 对于工质为溴化锂溶液来说 在溶液浓度较 大时 5 4 1 2 m m 管径气泡泵输运能力最好 4 采用理论方法计算了气泡泵性能 并与实验结果进行了对比分析 关键词 气泡泵 提升性能 溴化锂 1 pj o砖 r 0 英文摘要 a b s t r a c t e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na r et h et w oi s s u e st h a ta l ec o n c e m e db yt h ei n t e r n a t i o n a lc o m m u n i t ya tp r e s e n t l i t h i u mb r o m i d ea b s o r p t i o ns y s t e mi s n o to r a yc a nu s es o l a r i n d u s t r i a lw a s t eh e a ta n do t h e rl o wg r a d ee n e r g y b u ti t sa l s o f r i e n d l yt ot h ee n v i r o n m e n t f o rt h e s ea d v a n t a g e s i ti sp a i dm u c ha t t e n t i o nb yp e o p l e i nt h i sp a p e r i no r d e rt oi m p r o v et h eu t i l i z a t i o no f e n e r g y b u b b l ep u m pi su s e dt or e p l a c et h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ls o l u t i o np u m p a n dal o to fe x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o u tb u b b l ep u m pa r ec o n d u c t e d 乃em a i n w o r kc a nb ed e s c r i b e da sf o l l o w 1 b a s e do nt h et h e o r e t i c a lk n o w l e d g eo fb u b b l ep u m p t e s tp l a t f o r mi sd e s i g n e da n d b u i l t 2 t h ee f f e c t so ft u b ed i a m e t e r h e a ta n dd r i v i n gh e a do np e r f o r m a n c eo fb u b b l e p u m pi si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l y 3 s t u d yo nt h ed i f f e r e n tp e r f o r m a n c eo f b u b b l ep u m pi sc o n d u c t e dw h e nu s i n gw a t e r a n dd i f f e r e n tc o n c e n t r a t i o no fl i t h i u mb r o m i d es o l u t i o n t h er e s u l ts h o w st h a ta st u b e d i a m e t e ri sc o n s t a n t t h eo p t i m u md r i v i n gh e a di sd i f f e r e n tf o rt h ed i f f e r e n tw o r k i n g m e d i u m w h i l ea sw o r k i n gm e d i u mi ss a m e t h eo p t i m u md r i v i n gh e a di sd i f f e r e n tf o r t h ed i f f e r e n tt u b ed i a m e t e r w h e ns o l u t i o nc o n c e n t r a t i o ni sg r e a t 5 4 t h ep u m p i n g c a p a c i t yo f b u b b l ep u m p 析m12 m m t u b ed i a m e t e ri st h eb e s t 4 t h ep e r f o r m a n c eo fb u b b l ep u m pi sc a l c u l a t e dt h e o r e t i c a l l y a n dc o m p a r e d 航t l l e x p e r i m e n t a ld a t a k e yw o r d s b u b b l ep u m p l i f t i n gp e r f o r m a n c e l i t h i u mb r o m i d e l j量 0 一 j 0 目录 目录 第1 章绪论 1 1 1 课题的背景和意义 1 1 2 气泡泵的国内外研究进展 2 1 3 运行状态时气泡泵压力模型 4 1 4 本文的主要研究内容 7 第2 章实验台的设计和搭建 一8 2 1 垂直上升不加热管中的流动型式 8 2 2 汽化核心的形成 9 2 3 溴化锂水溶液的性质 9 2 4 实验装置 9 2 4 1 实验台构成 9 2 4 2 实验数据测量设备 1 3 2 4 3 实验数据采集设备 1 4 2 6 实验前期准备 1 4 第3 章加热功率和浸没高度对气泡泵工作性能的影响实验分析 1 7 3 17 7 m m 管径实验情况 1 7 3 1 1 工质为水时的实验结果 1 7 3 1 2 工质为4 5 5 溴化锂溶液时的实验结果 1 8 3 1 3 工质为5 0 5 溴化锂溶液时的实验结果 2 0 3 1 4 工质为5 4 0 溴化锂溶液时的实验结果 2 1 3 1 5 工质为5 7 5 溴化锂溶液时的实验结果 2 2 3 1 6 工质为5 9 5 溴化锂溶液时的实验结果 2 3 3 1 7 小结 2 4 3 29 5 m m 管径实验情况 2 4 3 2 1 工质为水时的实验结果 2 4 3 2 2 工质为4 5 5 溴化锂溶液时的实验结果 2 5 3 2 3 工质为5 0 5 溴化锂溶液时的实验结果 2 6 目录 3 2 4 工质为5 4 0 溴化锂溶液时的实验结果 2 7 3 2 5 工质为5 7 5 溴化锂溶液时的实验结果 2 8 3 2 6 工质为5 9 5 溴化锂溶液时的实验结果 2 9 3 2 7 小结 3 0 3 31 2 o m m 管径实验情况 3 0 3 3 1 工质为水时的实验结果 3 0 3 3 2 工质为4 5 5 溴化锂溶液时的实验结果 3 2 3 3 3 工质为5 0 5 溴化锂溶液时的实验结果 3 3 3 3 4 工质为5 4 o 溴化锂溶液时的实验结果 3 4 3 3 5 工质为5 7 5 溴化锂溶液时的实验结果 3 5 3 3 6 工质为5 9 5 溴化锂溶液时的实验结果 3 6 3 3 7 小结 3 7 3 41 4 o m m 管径实验情况 3 7 3 4 1 工质为水时的实验结果 3 7 3 4 2 工质为4 5 5 溴化锂溶液时的实验结果 3 8 3 4 3 工质为5 0 5 溴化锂溶液时的实验结果 3 9 3 4 4 工质为5 4 0 溴化锂溶液时的实验结果 4 0 3 4 5 工质为5 7 5 溴化锂溶液时的实验结果 4 l 3 4 6 工质为5 9 5 溴化锂溶液时的实验结果 4 2 3 4 7 小结 4 3 第4 章管径 浓度和添加剂对气泡泵工作性能的影响实验分析 4 4 4 1 管径的大小对气泡泵提升性能的影响实验分析 4 4 4 1 1 浸没高度为3 7 8 m m 时实验结果 4 4 4 1 2 浸没高度为4 2 8 m m 时实验结果 4 7 4 1 3 浸没高度为4 7 8 m m 时实验结果 5 0 4 1 4 浸没高度为5 2 8 m m 时实验结果 5 3 4 1 5 小结 5 6 4 2 浓度的大小对气泡泵提升性能的影响实验分析 5 6 目录 4 2 1 浸没高度为3 7 8 m m 时实验结果 5 6 4 2 2 浸没高度为4 2 8 m m 时实验结果 5 8 4 2 3 浸没高度为4 7 8 m m 时实验结果 6 1 4 2 4 浸没高度为5 2 8 m m 时实验结果 6 2 4 2 5 小结 6 4 4 3 添加剂对气泡泵提升性能的影响实验分析 6 5 4 3 1 小结 6 5 第5 章理论计算 6 6 5 1 理论计算方法 6 6 5 2 理论计算结果分析 6 7 5 3 小结 7 1 结论与展望 7 2 参考文献 一7 3 致谢 7 7 砖 4 0 单级溴化锂溶液气泡泵提升特性实验研究 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 制冷 的目的 就是使某一物体或某一空间的温度低于周围环境的温度 因此 在有制冷需求的生产生活过程中 必须采用另外的一种办法 人为的把热量不问 断地从某一空间或某一物体排放到周围环境中去 以维持所需的低温 热量从低 温物体 或空间 向高温物体 或空间 的转移是一个非自发的过程 要实现这 个过程 根据热力学第二定律 不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起 其他变化 i l 必须消耗一定的能量 即必须同时实现一个消耗能量的补偿过程 用于补偿过程的能量 可以是电能 热能 也可以是机械能 通常 吸收式制冷 机组则以热能作为消耗能量的补偿过程 同时能够利用各种低品位能源 使用对 环境无害 对大气臭氧层无破坏的工质 这是吸收式制冷受到关注的原因 在溴化锂吸收式制冷机中 能量补偿部分的设备包括发生器 吸收器 节流 阀和溶液泵 溴化锂溶液在发生器中被加热 分离出冷剂水蒸汽 在冷凝器中凝 结成液体 经节流后进入蒸发器吸热蒸发并进行制冷 在吸收器中 冷剂蒸汽被 来自发生器的另一部分溴化锂浓溶液所吸收 然后重新进入发生器 稀 溶 液 水汽 溶液泵 冷 剂 水 图1 1 吸收式制冷机原理图 f i g 1 1s c h e m a t i co fa b s o r p t i o nc h i l l e r 溶液泵在传统的吸收式制冷系统中的任务有两个 1 是将溶液从吸收器输送 第1 章绪论 到发生器 2 是将压力提升至冷凝器压力产生适当的冷凝器和蒸发器之间的压差 如图1 1 所示 2 溶液泵是这个系统中最主要的部件之一 但是它需要高品位能源 才能工作 例如机械能和电能 在无泵型溴化锂吸收式制冷装置中用气泡泵代替 传统的溶液泵 有着节省能源的明显优势 特别是在小容量制冷单元中 气泡泵的作用是将溶液从较低部位的发生器提升到较高部位的气液分离器 使之获得足以克服系统阻力的位能 以实现溶液在制冷机中的循环 为了更好的 观察气泡泵的提升性能 系统中省去了蒸发器 冷凝器和热交换器 同时提升管 部位采用可视玻璃管结构 1 2 气泡泵的国内外研究进展 气泡泵是吸收式制冷循环装置中的关键部件 是整个吸收制冷系统的动力发 生部件 其运行效率的高低直接影响整个吸收制冷装置的性能 国内外学者对此 进行了大量研究工作 国内学者对气泡泵的研究主要集中在以溴化锂水溶液和以 氨水为工质的气泡泵研究 1 9 8 9 年 彭 w l 等1 3 5 对不同管径和不同浸没比的气泡泵进行了实验研究 根 据气液两相流理论提出了气泡泵性能的计算公式 计算结果表明 适当选择较小 的上升管直径和较大的浸没比对提高气泡泵的效率是有益的 阙雄才等1 6 9 应用两 相流 溶液热力学和吸收式制冷循环的基本理论 对无泵l i b r 吸收式太阳能制冷 机中的热虹吸泵在绝热弹状流工况下的热虹吸特性进行了研究 研究结果揭示了 浓溶液提升高度 稀溶液浸没高度 热虹吸管内径等重要参数限制冷剂蒸汽 l i b r 水溶液的物性参数 流动参数之间的内在关系 并提出了用热虹吸特性曲线图分 析热虹吸泵运行工况的方法 求出了维持热虹吸泵正常工作所必须具备的加热负 荷范围 赵巍 1 0 试验研究了浸没比 加热功率 溶液浓度 管直径与输送溶液量 的关系 通过试验得到提升溶液量和溶液浓度差的拟合公式 李跃智等 l l 1 3 通过 试验表明采用弦月形管内流动沸腾形式的热虹吸泵 吸收式制冷机的启动温度最 低为6 8 试验结果也表明由于提升溶液流动速度较快 以致溶液流出提升管进 入气液分离器时仍没有达到饱和 溶液温度与热水出口温差相差达1 5 左右 因 此若能进一步强化换热 使溶液出口温差减小 那么将增加溶液的放气范围 制 冷量也将获得较大提高 刘振全等 悼1 7 1 应用两相流分相模型的压降理论 对无泵 2 单级溴化锂溶液气泡泵提升特性实验研究 溴化锂吸收式制冷在静止状态与制冷状态下气泡泵的压力特性进行了较详尽的分 析 得出了相关的数学模型 对气泡泵的结构设计具有理论上的指导意义 可以 为无泵溴化锂吸收式制冷的进一步优化仿真提供数学模型 陆蕾颖等 1 8 采用带有 气液分离的精馏装置 使发生后的混合氨 水蒸气充分冷凝 提高氨气的纯度 降 低进入冷凝器气体的温度和冷凝器的负荷 试验结果表明进入冷凝器的温度略有 降低 王汝金等 1 9 则结合爱因斯坦制冷循环对单压吸收制冷技术中气泡泵设计 系统运行参数调整 低品位热能的利用和工质的选取等方面的研究进展进行阐述 展望单压吸收制冷技术未来的研究方向 e i n s t e i n 循环 2 0 2 5 1 可以充分利用余热 太 阳能等低品位能源做为装置的驱动力 具有一定的应用前景 武俊梅 2 6 2 9 提出直 燃式无泵溴化锂吸收式空调器在我国还未形成产品 原因有二 第一人们还没有 充分认识到该种空调器的独特优点和应用前景 第二研制它有一定的难度 国外学者对气泡泵的研究进行得更早 在1 9 5 1 年和1 9 6 7 年s e l l e r i o 和l u c u s 就对气泡泵的设计进行了改进 2 9 7 k i m 3 0 3 3 1 等研究了通过化学添加剂改变氨水溶液 表面张力的方法来观察表面张力的大小对气泡泵泵起现象的影响 通过在氨水中 添加氧化铜和三氧化二铝可以将增加吸收性能5 3 2 倍 s r i n i v a s 等 3 4 3 8 1 研究了热交 换添加剂在气体冷凝过程中的应用 通过实验和理论分析的方法表明在冷凝器中 使用添加剂可以改变冷凝器的热交换系数 与传统的冷凝器相比热交换系数可以 增加1 4 7 倍 e a m e s 3 9 1 通过用阀控两用的发生器代替应用溶液泵的发生器 实验 结果表明两者c o p 相近 同时通过数学模型分析了一些结构上的变化对制冷性能 的影响 l i 4 0 总结了太阳能吸收式空调系统的发展 一些研究员已经采取了一些 措施来完善太阳能驱动空调系统 本文揭示了发生器冷却水进口温度在太阳能空 调系统设计中是最主要的参数 k o y f m a n 等 4 1 设计了使用d m a 甲基乙酰胺 和 1 7 2 2 为工质连续工作的气泡泵试验装置 2 0 0 w 的热量输入可以获得7 0 w 的制冷 量 对应的制冷剂流量为o 4 9 s 试验结果表明 驱动压头是影响气泡泵性能的最 重要因素 压头变化1 0 能够引起4 0 的溶液输送量的变化 试验装置的最大平 均发生温度低于9 0 c 为使用太阳能等低品位热能提供了可能 z o h a r 等 4 2 研究 了气泡泵 发生器的结构对吸收式制冷效率的影响 实验结果表明 对于同样的热 量的输入 当热量只输送给浓溶液没有热量输送给稀溶液时的效率是最低的 当 第1 章绪论 热量输送给浓溶液在通过一个环形结构输送到稀溶液时的效率是最高的 当热量 先通过稀溶液在输送给浓溶液时的效率处于前两者之间 对以后气泡泵的结构设 计提供了依据 r e i s t a d 4 3 研究分析了通过焓 浓度图的方法来计算气泡泵的热量输 入和溶液浓度 溶液温度的关系 c h e n 等 设计了一种新型的气泡泵 目的是进 一步利用系统中的废热来提高系统的效率 这种新型的结构能更好的利用能源 提高了c o p s r i k h i r i n 等 4 5 通过实验表明蒸发器出口气体混合物的温度会随着蒸 发器进口的液体温度的增加 压力的升高和蒸发器进口氨水的浓度和氢气的流量 的升高而升高 m a i y a 4 6 通过计算机模拟气体混合物的循环过程 证明了在氨水吸 收制冷系统中使用氦气比使用氢气具有优势 即使氦气密度大需要较高的驱动压 头 印度学者m a r c u s 等 4 7 5 1 1 分析了气液混合物成滞留状态时最利于溶液的提升 同时测试了气泡泵的直径 驱动压头等和气泡泵提升高度之间的关系 随着人们对环境的要求 无污染的吸收式制冷技术在各个行业的应用越来越 广 所以气泡泵的研究是非常必要的 通过对国内外关于气泡泵文献的研究 本 文根据气泡泵的工作原理搭建了实验台 通过实验的方法来测定气泡泵的工作特 性 为以后将气泡泵应用于吸收式制冷系统提供依据 1 3 运 亍状态时气泡泵压力模型 气泡泵数学模型是根据流体力学压力方程建立的 根据气液两相流原理认为 当气泡泵中的流型为弹状流时效率最高 为此先做如下假设 5 2 1 1 在气泡泵运行过程中 稀 浓溶液的密度维持不变 2 吸收器中的稀溶液液面维持不变 3 气泡泵运行时两相流流型为弹状流 运行状态时气泡泵压力模型如图1 2 所示 气泡泵工作时 由于吸收器中稀溶液的密度大于提升管中气液混合物的密度 依靠此重力差把液体提升到气液分离器 气泡在提升管中的速度根据文献 5 3 给出 甜 k p h 鹕 p r 依 尼 1 1 k 为无量纲值 对于圆形提升管k 值为0 3 4 5 运行时系统中的主要阻力包括稀溶液从吸收器到发生器整个流道上所产生的 4 单级溴化锂溶液气泡泵提升特性实验研究 单相流体的流动阻力饵 提升管内两相流的压力降 p 2 和气泡泵进口处两相流的 压降 p 3 那么溶液和两相混合物在气泡泵内循环流动所需克服的总流动阻力可按 下式计算 凹 饵 必 竭 1 2 图1 2 运行状态气泡泵模型 f i g 1 2r u n n i n g t i m em o d e lo ft h eb u b b l ep u m p 1 稀溶液的流动阻力 e 稀溶液从吸收器到发生器整个流道上所产生的单相流体的流动阻力 如果假 设为绝热流动 压力损失就是沿程摩擦损失 剐 即 1 衅 妻见专成甜2 1 3 f d 二 式中 l 为连接管的长度 d 为稀溶液流动管直径 u 为连接管路中的单相流 体的流速 稀溶液在管路中处于层流状态 故单相摩擦阻力系数净要 r e 为稀 k e 溶液流动雷诺数 2 提升管内两相流压降 p 2 在整个气泡泵长度上只考虑摩擦压降和重力压降 不存在加速压降 得出提 升管中的两相流压降 即 5 第1 章绪论 必 警吩2 也缈 鲥训 啊 1 4 其中 h 为全液相摩擦阻力系数 根据光滑区的勃拉修斯 5 5 1 公式计算 4 0 3 1 4 6 g d 一i 1 1 5 p f v f 为液相动力粘度 g s 为两相流的质量流速 g 垩 盼2 为全液相摩擦因子 吩2 2 y2 1 一x a 1 7 5 根据气液两相流洛克哈特关 系式可知为分液相摩擦因子沙2 为 出 要 击 6 气泡泵正常工作时 气泡形状为弹状流 此时c 取2 0 按m a r t i n e l l i t 5 6 1 关系式 求出 x 生量 丝 0 1 丝 1 7 h f gp f 缈 矗赫 1 1 5 2 8 v 3 5 9 鼬 够 j 巳 7 7 l 子夕 o 仉 4 2 5 v g 和v f 分别为气泡泵中气相和液相的容积流量 g 为重力加速度 3 气泡泵进1 3 处两相流的压降 p 3 发生器中由于加热生成的蒸汽和浓溶液进入气泡泵管口时会有局部阻力损 失 如图1 3 所示 两相混合物从发生器的水平横截面1 1 至气泡泵的喉部截面 c c 为收缩流 属于加速流动 压力能转化成动能 基本没有涡流损失 从c c 截面到气泡泵管横截面2 2 为扩散流 存在涡流损失 根据气液两相流原理 假设 1 两相具有相等的速度 2 两相之间处于热力平衡状态 3 可使用合理确定的单相摩阻系数 做均相模型处理时 按下式计算 p 3 单级溴化锂溶液气泡泵提升特性实验研究 蝇 c 凳 2 等t c 凳一 2 们一筹 产 羽 c1 m 式中 两相混合物质量流量w s w 水7 f v g v f 分别为蒸气和溶液的比容 a i 为1 1 截面的横截面积 如果把该处流动看作是有大空间进入小孔的工况 即认为 车 o 时 进口处横截面积氏与气泡泵流通横截面积之比就可取车 1 7 0 7 5 7 1 44 1 一一 1 1 图1 3 气泡泵进口处两相流动工况 f i g 1 3t w o p h a s ec o n d i t i o n sa tt h ei n l e to fb u b b l ep u m p 1 4 本文的主要研究内容 本文结合以水和溴化锂溶液为工质的气泡泵研究工作现状和所要达到的目 的 主要针对以下几个方面的内容进行研究与讨论 1 实验研究分别采用水和不同浓度溴化锂溶液作为工质的气泡泵工作性 能 2 针对气泡泵不同提升管直径 加热量和浸没高度来研究这些因素对气泡 泵工作性能的影响 3 针对溴化锂溶液中添加不同质量分数的异辛醇进行实验 分析异辛醇对 气泡泵提升性能的影响 4 根据气液两相流原理和其他文献进行理论计算 并将理论数据与实验结 果进行对比 为进一步深入研究气泡泵的工作性能提供了理论依据 7 第2 章实验台的设计和搭建 第2 章实验台的设计和搭建 本文以气泡泵的工作原理为基础 搭建了气泡泵实验台 目的在于对影响气 泡泵提升性能的各个参数进行测试 在实验装置设计和搭建的过程中 结合其它 无泵型溴化锂气泡泵的一些特点和广泛收集的资料使整个实验装置的设计合理 化 模块化 吸收器的高度一定要高于低位的发生器 这样高位的稀溶液液体密 度就大于管内气液混合物的密度 从而推动混合物上升 然后到达最高位的气液 分离器进行分离 分离后的液体会成喷散状进入吸收器 而气体也会进入吸收器 被浓溶液吸收 气泡泵之所以能泵起液体最大的原因是因为吸收器与发生器之间 有高度差 整个高度差一般叫做浸没高度 所以对一个已经设定了提升高度的气 泡泵 一定会对应一个最低的浸没高度 同理给定的一个浸没高度 也一定对应 着一个最大的提升高度 此实验台是一套观察无泵型溴化锂吸收式制冷装置中气泡泵提升性能的系 统 不测试其制冷量和蒸发量等 通过控制一些参数的变化 得出各项参数之间 的关系和它们之间的相关变化趋势 为实际生产应用提供可参考的实验数据 2 1 垂直上升不加热管中的流动型式 两相物体的流动称为两相流 5 6 1 两相之间不仅存在分界面 而且这一分界面 是随着流动在不断变化的 根据两相流的定义 气泡泵工作时通过加热发生器在 提升管内产生气泡生成气液混合物 所以气泡泵中的两相流属于气体和液体共同 流动的气液两相流 本实验台的加热部位全部位于发生器中 气泡泵提升管属于不受热的垂直上 升管 在垂直不加热管道中 如果流道的截面积不变 含气率不变 则流型沿管 长不发生变化 流动型式大致可分为下列几种 泡状流 弹状流 乳沫状流和环 状流 5 8 1 气泡泵提升管内气液两相流体会出现多种流型 s h e l t o n t 5 9 1 认为 气泡泵在弹 状流型时 提升管输送液体效率最高 因此在特定的管径下 维持提升管内的气 液两相流运行在弹状流时流量需限制在一定的范围内 从一个方面也就是说 要 想让气泡泵维持在弹状流 气泡泵提升管内径 浸没高度 加热功率 溴化锂溶 r 单级溴化锂溶液气泡泵提升特性实验研究 液浓度等应限制在一定的范围中 弹状流的特征是大的气泡和大的液体块相间出现 气泡与壁面被液膜隔开 气泡的长度变化相当大 而且在流动着的大气泡尾部常常出现许多小气泡 由于 液体块和气泡互相尾随着出现 造成了流道内很大的密度差和流体的可压缩性 所以在这种流动型式下容易出现流动不稳定性 即流量随时间发生变化 2 2 汽化核心的形成 在无泵型溴化锂吸收式制冷机中 完成吸收式循环的工质对是溴化锂水溶液 其中低沸点的组分 水 作蒸发剂 高沸点的组分 溴化锂 作吸收剂 其中 溴化锂的沸点高达1 2 6 5 2 在溶液沸腾时产生的气泡只能是水产生的 随着溴化 锂溶液浓度的增加 其中的水会越来越少 产生气泡的能力会越来越弱 纯净的液体缺少汽化核心 液体中的气泡在沸腾过程中起着汽化核的作用 当液体中缺少气泡时 即使温度达到并超过了沸点 也不会沸腾 形成过热液体 所以随着实验时溴化锂溶液浓度的增加 可以考虑在溶液中添加一些杂质 本质 是带入了微小的气泡 利于溴化锂溶液沸腾产生气泡 2 3 溴化锂水溶液的性质 溴化锂极易溶于水 2 0 c 时食盐的溶解度只用3 5 9 9 而溴化锂的溶解度是 其3 倍左右 溴化锂溶液的密度比水大 当温度一定时 随着质量分数增加 其 密度增加 如质量分数一定 则随着温度的升高 其密度减小 用溴化锂做工质 对既有优点也有缺点 优点是 溴化锂的沸点远远高于水的沸点所以在溶液沸腾 时产生的气泡中不会含有溴化锂成分 故在溴化锂吸收式制冷机中不需设置精馏 装置 其次 水的汽化潜热大 廉价 不爆炸 缺点是 溴化锂溶液对金属材料 有腐蚀性 会出现结晶现象 删 2 4 实验装置 2 4 1 实验台构成 本实验台主要包括发生器 气液分离器 吸收器 阀体和它们之间相互连通 的管路等 如图2 1 所示 9 第2 章实验台的设计和搭建 图2 1 实验系统示意图 f i g 2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p e r i m e n t a ls y s t e m 1 气液分离器 2 吸收器 3 发生器 4 阀体 5 冷却盘管 6 加热器 7 喷头 8 挡板 9 气泡泵提升管 在发生器中溴化锂溶液在低压下被加热器加热后 溶液中会产生气泡 气泡 泵中的气液混合物在吸收器与发生器之间的液位差作用下被推动到达气液分离 器 其中气体通过阀4 被分散喷射到吸收器中的浓溶液吸收 吸收水蒸气后的溶 液被冷却后依靠重力返回到发生器继续被加热 1 发生器 溴化锂溶液对金属有腐蚀性 所有金属设备都采用3 0 4 钢设计加工 发生器 的设计中 留有测量温度的接口 稀溶液的回流接口 加热接口和气泡泵的出口 等 如图2 2 所示 加热方式采用加热棒形式 最大功率9 6 0 w 通过调节电压的 方式控制功率的大小 加热器通过螺纹与发生器连接 2 气液分离器 气液分离器的设计中 为了更好地对气体和液体进行分离 在距离气液分离 器底部2 0 0 m m 处设计有一块挡板 气体的流通管道设计较粗 上面留有气泡泵的 进口 气体和液体出口 温度和压力测量接口等 如图2 3 所示 为了方便的观察 液位状况 在气液分离器上装有液位计 1 0 单级溴化锂溶液气泡泵提升特性实验研究 图2 2 发生器结构图 f i g 2 2g e n e r a t o rs t r u c o z r e 1 气泡泵出口 2 稀溶液回流口 3 测温口 4 加热器接口 1 图2 3 气液分离器结构图 f i g 2 3g a s l i q u i ds e p a r a t o rs t r u c t u r e 1 测压口 2 水蒸气出口 3 测温口 4 液位计接口 5 挡板 6 浓溶液出口 7 气泡泵进口 3 吸收器 为了使吸收器中的浓溶液更好的吸收气体 在吸收器内部设计了马蹄型喷射 器 使浓溶液成分散式的喷入吸收器 另外吸收器上留有测量压力和温度的传感 器接口 液位计接口 稀溶液的出口和冷却盘管的接口 如图2 4 所示 第2 章实验台的设计和搭建 图2 4 吸收器结构图 f 远 2 4a b s o r b e rs t r u c t u r e 1 马蹄型喷射器 2 水蒸气进口 3 测压口 4 液位计接口 5 冷凝水盘管 6 测温口 7 溶液出口 随着浓溶液进入吸收器 吸收器中的溶液温度会越来越高 温度升高的同时 会降低溴化锂溶液吸收水蒸气的能力 因此在吸收器底部设计有冷凝水盘管 如 图2 5 所示 盘管设计间距为2 0 m m 直径1 5 m m 圈数8 5 圈 图2 5 冷凝水盘管 f i g 2 5c o n d e n s a t ec o i l 1 2 单级溴化锂溶液气泡泵提升特性实验研究 溴化锂极易吸水 2 0 时 1 0 7 7 克溴化锂溶液可以吸收1 0 0 克的水 但是如 果在吸收器中让浓溶液单纯的从气液分离器流到吸收器 其吸收效果并不是很好 所以将其设计成马蹄型喷射器结构 如图2 6 所示 浓溶液的流动管道内径为 1 8 m m 设计的喷孔内径为2 m m 共8 5 个 其总面积大于管道的流动面积 不会 对系统产生憋压 一 一 一 t卜 一 4卜 一 b 一 4 牛 b 一 4卜 占一 一 f 一 4卜 主 一f 4卜 一l一 4卜 一b 一 一卜 e 匕 2 宝l e c 一一i f l k 一 l 一卜 4卜一卜岳 叫卜 4卜一卜 玉一 一 一卜 4卜 一卜 夸 一 k 4卜一卜 每一 一卜 4卜 一卜 岳 毗 8 5 f 4卜一 卜 4 一 k 4卜 一卜 一一一7 一 上j 一 一 乙刁 j j 图2 6 码蹄型喷射器 f i g 2 6h o r s e s h o ee j e c t o r 实验台图纸设计完成后 联系大连光明压力容器加工厂进行加工 加工完成 后进行水压0 2 m p a 气密性试验 试验结果良好 2 4 2 实验数据测量设备 1 流量测量 气泡泵工作性能的好坏主要依靠溴化锂浓溶液流量的大小和其连续工作能力 来体现的 浓溶液流量采用多普勒d m s 9 0 3 型便携式超声波流量计测量 如图2 7 所示 多普勒超声波流量计利用了物理学中的多普勒效应 在任何流动的液体中 存在的不连续都会被反射的超声波信号产生频移 也即信号产生的相位差 通过 测量相位差 即可测得流速 根据多普勒d m s 9 0 3 型超声波流量计说明书的规定 对于液体中存在一定的 颗粒 气泡等悬浮物时 两个传感器应该在管道同一界面同侧成9 0 度地点安装 安装方式如图2 7 所示 1 3 第2 章实验台的设计和搭建 水平 偿 孙 憧茎圣 薹岁 图2 7 流量计传感器安装方式 f i g 2 7f l o w m e t e rs e n s o ri n s t a l l a t i o n 本实验中流量传感器按照上述方法安装在浓溶液的流通管道上 另外 d m s 9 0 3 型超声波流量计配有4 2 0 m a 的数据输出线 可以与数据采集仪相连 2 温度测量 发生器 气液分离器和吸收器均需测量温度 本实验台采用t 型热电偶测量 温度 精度等级为b 测量范围0 8 0 0 c 热电偶是一种感温元件 它把温度信号 转换成热电动势信号 通过电气仪表转换成被测介质的温度 热电偶测温的基本 原理是两种不同成份的均质导体组成闭合回路 当两端存在温度梯度时 回路中 就会有电流通过 此时两端之间就存在电动势一热电动势 3 压力测量 气液分离器和吸收器需要测量压力 采用u s l 0 0 0 0 型压力传感器测量 精度 为0 1 测量范围为0 3 4 4 7 k p a 2 4 3 实验数据采集设备 实验数据的采集使用f l u k e2 6 3 5 a 数据采集设备 该设备后面板装有模拟输 入模块 可以非常方便的安装 每个模块具有2 0 路通用模拟通道 配有r s 2 3 2 接口 以太网接口 它可以处理范围广泛的输入信号 例如 直流电压 交流电 压 温度和频率等 2 6 实验前期准备 实验装置中需要的主要部件加工完毕后 按照事先的设计 在市场上购买组 1 4 单级溴化锂溶液气泡泵提升特性实验研究 装实验台所必须的部件和工具 其中包括不同管径的玻璃管 液位计 阀门 真 空压力表和白钢波纹管等 实验台中有的设备处在高位 有的设备处在低位 采 用自制的靠螺栓连接的铁架将实验设备固定起来 为了满足实验的要求 整个实验系统需要在真空条件下运行 如有空气进入 系统 不仅会对实验效果产生不良影响 并且氧气会加剧溴化锂溶液对钢制容器 罐的腐蚀 另外 实验中要靠加热产生气泡来推动溶液的上升 而溶液的饱和温 度会随着气压的升高而升高 预计每次实验需进行一个小时左右 所以在一个小 时内进入系统的空气要越少越好 因此 在实验台投入运行前 需要对整个系统 进行气密性检查 本实验系统应用的检漏的方法主要有以下两种 1 肥皂水检漏 肥皂水检漏是用海绵块蘸上肥皂水 涂于待检查部位 并仔细观察 如果待 检查部位产生气泡并且气泡不断增加 说明该处有泄漏发生 首先在气液分离器的顶部装一块真空压力表 即一块表上可以观察到正压也 可以观察到负压 并在气液分离器和真空压力表之间装一个球阀 以便保护压力 表 还可以检查真空压力表本身的气密性情况 然后使用可以调节出气压力的压 气机给整个系统充气 实验台中有三处装有玻璃管 考虑到玻璃管承受压力的能 力 充气压力不超过0 1 m p a 其次用海绵蘸上肥皂水涂在焊缝 螺纹连接等可能 会出现泄漏的地方 最后将出现的漏点的地方用笔标注出来 放出系统中的空气 后 在标记的漏点处涂上环氧树脂胶结剂 用真空泵抽气使系统内的压力低于外 界的大气压 这样有利于环氧树脂更好的堵住漏点 观察真空压力表2 4 小时内的 变化差值来判断系统的气密性 2 电子卤素检漏仪 反复重复上述肥皂水检漏过程 系统内气压在2 4 小时上升2 0 0 0 p a 左右后 用肥皂水检漏已很难查出漏点 另外实验中使用的真空压力表也观察不出系统内 压力的变化 所以此时使用了压力传感器 f l u k e2 6 3 5 a 型数据采集仪和高精度 的电子卤素检漏仪 发现几处微小漏点后用环氧树脂进行堵漏 2 4 小时内气压上 升3 0 0 p a 满足实验要求 图2 8 采集了系统内压力上升最快的一段时间内的变化情 况 从图中可以看出6 个小时内系统的压力升高了1 0 0 p a 左右 所以整个实验台 1 5 第2 章实验台的设计和搭建 的气密性是良好的 0 6 0 5 04 霉 e0 3 r 幽0 2 0 1 0 01234s6 系统内部压力 时间 小时 图2 8 实验系统气密性测试曲线 f i g 2 8t e s tc u r v eo fe x p e r i m e n t a ls y s t e mt i g h t n e s s 1 6 单级溴化锂溶液气泡泵提升特性实验研究 第3 章加热功率和浸没高度对气泡泵工作性能的影响实验分析 3 17 7 m m 管径实验情况 本实验台主要针对以水和不同浓度的溴化锂溶液进行实验 吸收器中有冷却 水从冷却盘管中流过 温度会逐渐降低 如果气泡泵开始运行后 吸收器中的温 度能基本维持不变 则说明始终有热的溶液从气液分离器流到吸收器中 气泡泵 工作性能的优劣可以分别从吸收器温度 溶液流量等几个方面来衡量 调节浸没 高度的大小观察其对气泡泵提升性能的影响时其他参数不变 加热功率为9 6 0 w 不管是调节加热功率还是浸没高度时 提升高度都维持在1 2 4 4 m m 不变 3 1 1 工质为水时的实验结果 1 浸没高度的大小对气泡泵提升性能的影响 浸没高度是指吸收器自由液面与吸收器到发生器流通管中心线的距离 如图 3 1 所示 图3 1 浸没高度示意图 f i g 3 1s c h e m eo f d r i v i n gh e a d 发生器平均温度 流量与气液分离器最大压力和浸没高度的关系 如图3 2 所 示 结果表明 浸没高度为3 7 8 m m 时流量最小 此时气液分离器最大压力和发生 器平均温度最大 1 7 第3 章加热功率和浸没高度对气泡泵工作性能的影响实验分析 0 3 7 84 2 84 7 85 2 8 浸没高度 m m 十发生器平均温度 1 卜流量i r a i n 6 广 气液分离器最大压力 k p a 图3 2 浸没高度对实验影响结果分析 管径7 7 m m 水 f i g 3 2a n a l y s i so fd r i v i n gh e a d si n f l u e n c eo ne x p e r i m e n t a lr e s u l t 7 7 m m w a t e r 2 加热功率的大小对气泡泵提升性能的影响 调节加热功率的大小时 浸没高度维持在3 7 8 m m 不变 发生器平均温度 流 量与气液分离器最大压力和加热功率的关系 如图3 3 所示 结果表明 随着加热 功率的增加 流量一直增加 l 4 7 16 1 57 7 99 加热功率 w 十发生器平均温度 廿流量i r a i n 6 气液分离器最大压力 k p a 图3 3 加热功率对实验影响结果分析 管径7 7 r a m 水 f i g 3 3a n a l y s i so f h e a t i n gp o w e r si n f l u e n c eo ne x p e r i m e n t a lr e s u l t 7 7 m m w a t e r 3 1 2 工质为4 5 5 溴化锂溶液时的实验结果 1 浸没高度的大小对气泡泵提升性能的影响 发生器平均温度 浓溶液流量与气液分离器最大压力和浸没高度的关系 如 1 9 一 单级溴化锂溶液气泡泵提升特性实验研究 图3 4 所示 结果表明 浸没高度在3 7 8 m m 一4 7 8 m m 范围内变化时 随着浸没高 度的增加 流量减小 当浸没高度增加到5 2 8 m m 时 流量开始上升 发生器平均 温度随着浸没高度的增加而增加 变化幅度在2 c 以内 气液分离器最大压力随着 浸没的增加变化范围很小 变化幅度在0 4 k p a 以内 1 1 0 0 3 7 84 2 84 7 85 2 8 浸没高度 m m 卜发生器平均温度 b 浓溶液流量i m i n 一气液分离器最大压力 k p a 图3 4 浸没高度对实验影响结果分析 管径7 7 m m 浓度4 5 5 f i g 3 4a n a l y s i so f d r i v i n gh e a d si n f l u e n c eo ne x p e r i m e n t a lr e s u l k 7 7 m m 4 5 5 2 加热功率的大小对气泡泵提升性能的影响 调节加热功率的大小时 浸没高度维持在3 7 8 m m 不变 发生器平均温度 浓 溶液流量与气液分离器最大压力和加热功率的关系 如图3 5 所示 结果表明 随 着加热功率的增加 流量 发生器平均温度和气液分离器最大压力一直增加 气 液分离器最大压力变化幅度在4 2 k p a 以内 o 4 7 1 6 1 57 7 99