热水型LiBr制冷机中两相流提升管的强化传热研究

1、第38期第1期2004年1月西安交通大学学报JOURNALOFXIANJIAOTONGUNIVERSITYVol.381Jan.2004热水型LiBr制冷机中两相流提升管的强化传热研究张联英,吴裕远,郭金刚,陈东升(西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室,710049,西安)摘要:对LiBr溶液在3种不同截面尺寸弦月形通道中的沸腾传热及热虹吸提升过程进行了实验研究,发现在相同的条件下,通道间隙尺寸对传热及溶液提升有直接影响,其中两管直径之比为1932的弦月形通道提升管的提升效果最好,溶液的净提升高度可达到稀溶液浸没高度的2.5倍,是目前国内的最大提升高度,同时比现行发生器所需热源温度降低10

2、左右;随着热流密度的增大和加热水温度的升高,冷剂水产量和提升管出口气体质量分数均增大;提升管出口处的气体质量分数随着试件浸没深度的增大而减小.关键词:溴化锂制冷机;两相流;提升管;弦月形通道中图分类号:TK124文献标识码:A文章编号:02532987X(2004)0120006204StudyontheHeatTransferEnhancementofTwo2PhaseFlowElevationTubeinLiBrChillerwithHotWaterSourceZhangLianying,WuYuyuan,GuoJingang,ChenDongsheng(StateKeyLaborator

3、yofMultiphaseFlowinPowerEngineering,XianJiaotongUniversity,Xian710049,China)Abstract:ExperimentonboilingheattransferandthermosiphonelevationofLiBrsolutioninsidethreelunatechannelswithdifferentdiameterswereperformed.Theexperimentalresultsshowthatthedimensionofthelu2natechannelhasadirectinfluenceonthe

4、heattransferandsolutionelevation.Theelevatingtube,whosediame2terratiooftwopipesis1932hasthebestelevationeffectamongthem,anditsnetelevatingheightofsolutionis2.5timesashighasthesolutionsubmergence.TheelevatingheightisthehighestinChina,andatthesametime,thetemperatureoftheheatsourcedrivingthegeneratoris

5、10lowerthanothers.Thedistilledwateryieldandvaporfractionatoutletoftheelevatingtubeincreasewiththeheatingwatertemperatureandheatflux.Thevapormassfractionattheoutletoftheelevatingtubeincreaseswiththedecreaseofthedrivingliquidhead.Keywords:LiBrchiller;two2phaseflow;elevationtube;lunnatechannel20世纪80年代中

6、期,在日本就出现了用太阳能热水为驱动热源的无泵LiBr吸收式制冷机产品,其制冷量为7kW左右,但要求的热源温度均在90以上1,这对太阳能集热器提出了很高的要求.为此,如何强化相关过程传热、减小热阻以降低对热源温度的要求就显得十分重要而有价值.本文采用弦月形通道内小温差强化传热的方法,设计了多种不同尺寸的弦月形通道热虹吸溶液提升管,并对之进行了实验测试.结果表明,弦月形通道热虹吸溶液提升管具有明显的溶液提升功效,实现了较低加热水温度下LiBr水溶液的沸腾与提升,热源温度保持在80左右,系统即可正常运行,比现行发生器所需热源温度降低10左右,而且比文献2的净提升高度高30cm,改善了太阳能空调系统

7、的整体性能.收稿日期:2003205207.作者简介:张联英(1968),女,在职博士生,讲师;吴裕远(联系人),男,教授,博士生导师.基金项目:国家自然科学基金资助项目(50176036,50276048).© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第1期张联英,等:热水型LiBr制冷机中两相流提升管的强化传热研究7方面的考虑.1弦月形通道热虹吸沸腾换热强化传热的理论基础将狭缝通道竖直沉浸在液体中,当对通道壁面加热时通道内部的液体就会沸腾并产生气泡,于是通道内外产生密度差,并相应

8、地产生静压差,从而形成液体由狭缝外从底部流进通道的自然循环,这一过程称为狭缝热虹吸沸腾换热.它有两个显著特点:一是具有显著的强化传热效果3,4,尤其在高热流密度下,强化效果尤为明显;二是沸腾所需的过热度小4.本研究小组与我国杭州制氧机集团合作,已将这种狭缝微液膜沸腾机理应用到新开发的板翅式冷凝蒸发器中,其整体换热系数提高50%5.探索如何将该传热机理应用于无泵吸收式太阳能空调系统中,对改善整个太阳能空调系统性能有非常重要的作用.弦月形狭缝通道由较大的紫铜管内偏心地放置一较小的紫铜管所形成,并将两管接触线的两端焊在一起形成竖直弦月形通道,如图1所示.这种结构有以下优点6:加工方便;弦月形通道两尖

9、角处形成了人工汽化核心,气泡易于生成;在弦月形通道较宽处具有补液作用,可防止壁面蒸干.2实验装置与实验方法本实验系统主要由两相流热虹吸溶液提升管、冷凝器、气液分离器、储液桶、电热水器、加热套筒,以及它们之间的连通管、压力平衡管等组成.该实验的两相流热虹吸溶液提升管为一弦月形通道,外管是直径为32mm、长为1660mm的紫铜管,内管是直径为1622mm的紫铜管,其热水出口在加热套筒顶端下40mm处.提升管与储液筒、气液分离器、冷凝器相连而形成热虹吸循环如图2所示,由电热水器提供的热水从底部进入内管和加热套筒,从上部流出,这样弦月形通道内的LiBr溶液就被内管和加热套筒中的热水同时加热,并开始沸腾

10、,两相流体在密度差的作用下向上流入气液分离器,浓溶液通过回流管进入储液筒,而水蒸气先经过隔板进入冷凝器,然后也通过回流管进入储液筒,混合后形成的稀溶液再进入热虹吸溶液提升管完成一个循环.实验中由电热水器产生的加热水和冷却水由普通的热、冷水表测量,冷剂水和浓溶液流量由液体流量计测量.为了监测系统各部分的温度变化状况以便对热负荷进行精确计算,在提升管的出入口以及冷凝器和提升管周围的关键部位均布有经标定过的热电偶,热电偶提供的电位信号由数字式微伏计直接读出,相对误差为1%.系统的真空度由水银真空压力表测量,压力表的最小刻度为1mm(133.29图1弦月型通道结构示意图由于弦月形通道的尖角处起到了人工

11、汽化核心的作用,同样的热流密度情况下促成了气泡的形成,加上内外管壁同时加热,热边界层较薄,所以气泡形成所需的过热度大幅度减小.溶液在上升过程中经过自然对流区、核态沸腾区、弹状流或环状流区域.根据文献7介绍,弹状流更有利于溶液的提升.再加上LiBr溶液又有一定的粘度,要获得通道内的弹状流,通道截面尺寸的选取非常重要.通道过窄不利于弹状流的形成,此时因两相流的流动阻力加大,不利于扰动,从而导致换热减弱,影响溶液的提升;通道过宽,沸腾所需的热流密度增大,较低的加热水温度同样不利于弹状流的形成,影响两相流的提升,循环稳定性也将变差,本实验通道的选取也进行了这1:冷凝器;2:气液分离器;3:弦月形通道两

12、相流提升管;4:热水表;5:冷剂水流量计;6:浓溶液流量计图2实验装置剖面图© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.8西安交通大学学报第38卷Pa).整个装置用石棉绳和玻璃绒包护,最后再用铝箔包装以减少热损失.当热电偶的读数稳定后即可进行数据测量.3两相流热虹吸提升管的运行特点热虹吸溶液提升管的运行参数有加热水温度(T)、热流密度(q)、通道结构参数和试件浸没深度(h).实验均在真空条件(约10kPa)下进行,主要运行和设计参数对冷剂水产量(GH2O)和提升管出口处气体质量分数(

13、wg)的影响讨论如下.3.1加热水温度的影响实验测试了在不同T下的冷剂水产量,结果表明,要保持小温差条件下的高热流沸腾换热存在一温度阈值,当T高于此值时,才能有足够的热虹吸驱动力,使自然循环沸腾得到良好自维持,从而使狭缝沸腾换热强度保持在一较高水平上,热虹吸流率在一定范围内波动.本实验系统的这一阈值在68左右.T=65时,溶液提升时有时无,循环难以进行;T=70时,循环基本可以进行;T在7585内时,系统运行比较正常.75时,冷剂水的流量已经达到2.0g/s左右,若能在蒸发器中完成一次蒸发,则该系统的制冷量将达到4.8kW以上.这充分显示了弦月形通道在小温差条件下具有很强的传热效果.图3和图4

14、所示为T与GH2O和wg的关系,可见随着T的升高,GH2O的增长幅度加大,换热加强,说明两相流流动进入弹状流阶段;T升高到85以上时,增长幅度明显减弱,这是因为在较高的热流密度下,通道内含气率较高,虽然液膜蒸发机理可正常地发挥作用,但潜在的威胁是通道上部可能因供液不足而导致传热性能下降,块状流充满整个通道,影响两相流的流动,从而影响溶液的提升量.因此,一般弦月形通道中LiBr溶液的加热水温度不要超过90.同样可看到,随着T的升高,wg的增大幅度较GH2O的增加幅度要小,比如对h=57.5cm,T升高10,GH2O增加109.38%,而wg图3加热水温度对冷剂水产量的影响图4加热水温度对提升管出

15、口气体质量分数的影响的关系,从图中可以看出在3种不同的h下,GH2O和wg随q的变化趋势基本一致.q越大,GH2O和wg也越大.当提升管入口部分溶液处于单相流动时,换热处于对流换热阶段,热负荷主要用于溶液温度的升高,而当溶液达到饱和时,热负荷主要用于溶液中水的汽化.热负荷越大,对流换热段越短,沸腾换热段越长,溶液中水的汽化量越大,提升管通道中干度大,热虹吸驱动力随之增大,流量会有所增加,有利于换热.同时还可看出,随着q的增大,GH2O的增长幅度较大,而wg增长幅度缓慢,比如对h=57.5cm,当q增加10kW/m2时,GH2O增加40%,而wg增加19.23%.这主要是因为q增大,提升的溶液量

16、增大,这样在GH2O增大的同时,提升的浓溶液量也增加,所以wg的增长趋势较GH2O的增长趋势就要平缓一些.3.3弦月形通道结构参数的影响增加15.38%.这主要是T越高,传热温差越大,相应的热流密度增大,热虹吸驱动力随之增大,导致提升的溶液量增大,这样GH2O增长的幅度就比wg的增长幅度要大一些.3.2热流密度的影响图5和图6示出了内管直径(d1)与外管直径(d2)之比为1932的弦月形通道提升管,在h分别为68.2cm、57.5cm和47.5cm时q与GH2O和wg本实验分别对d1/d2为16/32、19/32和22/32的提升管进行了实验测试,结果表明19/32的组合套管效果最好,16/3

17、2的效果次之,22/32的效果最差(较难正常运行,没有测出连续的实验点).图7所示的结果也能充分说明这点,19/32的套管可以© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第1期张联英,等:热水型LiBr制冷机中两相流提升管的强化传热研究9图7通道尺寸对冷剂水产量的影响图5热流密度对冷剂水产量的影响h越大,溶液的净提升高度就相应减小,通道中两相混合物流动阻力较小,有利于更多的溶液被提升到气液分离器中;h越大,入口部位非饱和核态沸腾区就较长,相应的通道干度值较低,wg就减小.由于GH2O

18、为溶液提升量与出口干度的乘积,所以随着h的增大,GH2O的增减取决于提升量的增大和干度的减小幅度;反之,随着h的减小,GH2O的增减取决于提升量的减小和干度的增大幅度.实验结果表明,弦月形通道的提升管具有较强的提升功能,当h=475mm时,浓溶液的净提升高度为1185mm,约是稀溶液浸没高度的2.5倍.如果装置内的真空度进一步提高,其提升溶液的功能还会进一步加强,这为弦月形提升管的实际应用提供了良好的基础.图6热流密度对提升管出口气体质量分数的影响),或在同等运行温度运行到更低的温度范围(68下,可产生更大的冷剂水量.16/32的套管起始运行温度约在76左右,T低于上述温度时,浓溶液将不能被提

19、升到分离器.这是由于当流道面积很小时,虽然单位质量溶液的受热面积增大,通道中的含气率或干度增大,热虹吸驱动力增大,对溶液的传热及提升是有利的,但摩擦阻力大大增加,极不利于溶液的提升,而且此时狭小尖角处的溶液太薄,高温时极易产生局部结晶,严重影响管中溶液的传热,造成提升能力下降.当流道面积太大时,单位质量溶液的受热面积降低,在相同的热负荷下,通道中的含气率或干度减小,热虹吸驱动力减小,对溶液的传热及提升不利.本实验表明,采用19/32的套管是合理的选择.3.4试件浸没深度的影响本文定义的浸没深度h为试件底端入口距自由液面的距离,实验中浓溶液的出口高度(1660mm)保持不变,h的变化只通过增减储

20、液桶中溶液数量来实现.从图3图6可以看出,在相同的q或T下,h越大,wg越小;反之,h越小,wg越大.GH2O随着h的增减没有什么规律,这主要是因为:4结论(1)采用内外管同时加热弦月形通道内的LiBr稀溶液,大大减小了加热水与LiBr溶液之间的传热温差,降低了过热度,实现了较低太阳能加热水温度(80以下)时溶液的沸腾与提升.(2)LiBr溶液在通道中的沸腾与提升受T的影响很大.当T<70时,溶液很难提升;当T在7585时,溶液的提升及冷剂水的产生较为稳定.随着T的升高,GH2O及wg均增加.(3)本实验研究的弦月形通道溶液提升管具有明显的溶液提升功效,在适当选择截面积的情况下,溶液的净

21、提升高度可达到稀溶液浸没高度的2.5倍,所需的运行温度最低可达68左右,这为系统降低对供热源温度的要求提供了便利条件.(4)wg随着h的减小而增大;GH2O随着h的变化主要取决于溶液提升量和干度的增减幅度.(下转第46页)© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.46西安交通大学学报第38卷对该机构进行了有限元分析和优化设计.试制了驱动器的样机,并对样机进行了静、动态特性分析.实验结果表明,该前置级驱动器具有较好的位移输出特性和优异的动态性能,可以应用于电液伺服阀前置级驱动器的实验

22、研究中.参考文献:1LindlerJ,AndersonE.Piezoelectricdirectdriveservo2valveA.ProceedingsofSPIE:IndustrialandCommer2cialApplicationsofSmartStructuresTechnologiesC.SanDiego:TheInternationalSocietyforOpticalEngi2neering,2002.488496.2MurrenhoffH.液压控制技术发展趋势J.吴根茂,图6前置级驱动器的阻抗特性译.工程设计,1997(3):2029.3GePing,JouanehMusa.Modelinghysteresisinpiezoce2ramicactuatorsJ.PrecisionEngineering,1995,17(3):210221.图7前置级驱动器的幅频特性4GePing,JouanehMusa.GeneralizedPreisachmodelforhysteresisnonlinearityofpiezoceramicactuatorsJ.PrecisionEngineering,1997,20(2):99111.器,利用压电叠堆作为电2机械转换元件,设计了基于三角形放大原理