（制冷及低温工程专业论文）溴化锂溶液在填料式吸收器中预冷却绝热吸收过程研究.pdf

摘要 吸收器是吸收式制冷系统中最大的部件，换热面积占机组总换热面积的4 0 左右，其性能矗接制约制冷机组的整体结构和性能，是吸收式制冷系统中最重 要的部件之一。本文以双效澳化锂i 殁收式制冷机循环流稃为基础，根据传热、传 质相片的特性，在溴冷机吸收过程传热、传质分丌进行的理念基础卜，采用预先 冷却进入吸收器的澳化锂水溶液，以强化传统吸收器中冷却水的传热过程；同时 在吸收器中设置大而积填料，增大传质而积，从而解决了传统降膜吸收器中传热 传质不能同时强化的问题。本文建立了澳化钾溶液液膜在倾斜扳填料表面的吸收 模型，并根据实际吸收过程进行了简化，给出了边界条件和初始条件，进行了无 量纲处理。编程分析了倾角1 i 同时液膜内部温度、浓度分布特征，得出了吸收器 传质舍伍德数、吸收浓度以及吸收量随傅立叶时间数的变化规律。 计算分析了预冷却绝热吸收过程中，预冷却温差、蒸发温度、喷淋溶液浓度 以及混合溶液喷淋量对吸收前后溶液浓度差、址力差、喷淋溶液温度、再吸收倍 率的影响。以及吸收器喷淋浓度变化对吸收过程浓度差、蒸汽吸收量的影响 在已有实验台的基础上改进了水系统并进行了实验研究。研究吸收器入口溶 液浓度、温度，i 吸收器喷淋量对吸收过程的影响，验证了理论分析。进一步说明 了填料式吸收器和吸收式制冷循环具有的良好的特性，为该装置进一步实用化提 供了基础。 关键词：澳化锂吸收器传热传质填料实验研究 a b s t r a c t a b s o r b e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si nl i t h i u m _ b r o m i d ea b s o r p t i o n r e f r i g c m t o r ， w h o s eh e a tt r a n s f e ra r e ai sa b o u t4 0p e r c e n t so fa l lt h ec o m p o n e n t s p r e c o o l i n gt h el i t h j u m _ b m m i d eb e f o r ei t se n t r a n c ei n t ot h ea b s o r b e ri sa d a p t e do nt h e b a s i so fad o u b l ee h e c tl i t h i u m - b m m i d ea b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o nc v c l ea c c o r d i n gt o s t r e n g t h e nt h ec o o l i n gp r o g r e s si nt r a d i t i o n a la b s o r b e r ，a n dp a c k i n gj su s e dl o a g g r a n d i z et h eh e a tt r a n s f e ra r e a o nd o u b l ee f f e c tl i t h j u m - b r o m i d ea b s o r p t i o n r e f n g e r a t i o nc y c l e at h e o r e t i c a lm o d e lo f1 i t h i u m - b m m i d es o l u t j o n sf l o w a g ed o w n t h es l o p ef l a tp a c k i n gi se s t a b l i s h e da n dp r e d i g e s t e db a s e do nt h ei n i t i a ja n db o u n d a r v c o n d i t i o n s t h et e m p e r a t u r ea n dv e l o c i t y sd i s t r i b u t i o no ft h e l i q u j df i l ma r e p r o g r a m m e dt og a i na l o n gw i t ht h ea b s o r b e r sp a r a m e t e r s v a r i e t yw i t hf o u r i e rt i m e ， s u c ha ss h e n v o o dn u m b er s o l u t i o nc o n c e n t r a t i o na n da b s o r d t i o nr a t i o t h e r m o d y n a m i cc a l c u l a t i o n sw e r ec a r r i e do u ta n dt h ee f f e c t so fs o m ep a r a m e t e r s s u c ha st e m p e r a t u r ed i f 如r e n c e o fp r e c o o i i n g ， e v a p o r a t i o nt e m p e r a t u r e ， s o l u t i o n c o n c e n t r a i i o no fa b s o r b e rj n l e t ，m a s sf l o wr a t eo fa b s o r b e ri n l e to n a b s o r p t i o n p e i f o h n a n c eo fr e f “g e r a t o rw e r ej n v e s t j g a t e d e x p e r j m e n t a lr e s e a r c hi sc a r r i e do u to nd e s i 2 n e dd o u b l ee f f 色c t1 i t h i u m - b r o m j d e a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t j o ni no r d e rt ov e r j f vt h et h e o r vm o d e la n di t sw a t e rs v s t e mi s r e c o n s t r u c t e d t h ee f f - e c t so fs o l u t j o 玎c o n c e n t a f i o 丌a n ds o 】u f j o n t e m d e r a t u r eo f a b s o r b e ri n l e t ，m a s sf l o wr a t eo fa b s o r b e rj n l e ta n dd r e c o o l e rc h a r a c t e r i s t j co n a b s o r p t j o np e r f o 珊a n c ea n dp e r f o 丌n a n c eo fr e f r i 贴r a t o rw e r ei n v e s t j g a t e d t h u s ，t h e a d v a n t a g e so fs p r a ya b s o r b e ra n da b s o r p t i o nc y c l ew i t hs p r a va b s o r b e rw e r ev e r i f i e d f u n h e rw h i c hw o u l dp m v i d eab a s i so fp r a c t i c a l j t vi nc o m m e r c e k e yw o r d s ：l j b r ，a b s o r b e r ， h e a ta n dm a s st r a n s f e r ， p a c k i n g ，e x p e r j m e n t a l r e s e a r c h 第一搴绪论 第一章绪论 1 1 选题背景 自进入九十年代以来，资源与环境已经成为团扰人类发展的全球性问题，其 中与制冷技术密切相关的两大环境问题：引起温室效应的气体的排放造成的全球 变暖效j 越以及部分氟利昂坩大气臭氧层的破坏严重威胁着人类的生存环境，绿色 制冷已经成为新世纪制冷行业可持续发展的一个热点议题i ”。1 9 8 7 年在国际会议 j ：签署的关于破坏臭氧层的蒙特利尔议定书规定：目前压缩制冷所采用的多 种氟利昂制冷上质( 主要是氟氯烃类物质，即c f c s ，例如r l l ，r 1 2 ) 在1 9 9 6 年起相继被禁用，发展中国家最迟于2 0 0 6 年1 月1 同被禁用。这迫使各国学者 致力丁二寻求c f c s 的替代工质和研究丌发无c f c s 工质的新型制冷机吐 随着世界各国经济的高速发展，人民q i 活水平和生活质量的提高，城市居民 住宅建设的迅速发展，许多地区窄调耗能的增长，已经远远超过采暖耗能的增长。 据统计资料显示，存荚国等发达困家地区，建筑耗能已经占社会总耗能约2 5 以上，而且其中入部分都为空调耗能。窄调耗能的急剧增长，严_ 重加剧了全球变 暖效应。如何以新的能源方式供给空调耗能，以降低常规能源的消耗，减轻全球 变暖效应和对臭氧层的破m ：，这是我们目6 面临的迫切问题1 3 l 。 吸收制冷由于采用对环境无害的工质( 主要以溴化锂水溶液或氨水溶液为 丰) ，并能以蒸汽、燃气、燃油、热水等多种热能形式为动力，尤其足能利用余 热、废热、排热等低品位热源，凶而被国际上公认为未来制冷机发展的重要方向 之。尤其是压缩制冷的传统制冷剂c f c s 将被禁止使用的问题 h 现以后，吸收 制冷作为种替代制冷方式受到了人们更广泛的重视【“。由丁吸收制冷对余热利 用和肖电节能具有重要的意义，在一些国家，如同本、德国、俄罗斯和荚幽，对 吸收制冷的研究非常重视。特别是像f 1 本这样能源短缺的国家，划吸收制冷技术 尤为重视，如今，同本已经成为溴化锂吸收式制冷机组的最人生广：目，每年产量 己达p q 至五千台。 我国多年来一直是用电、缺电大固，虽然每年都在增加发电量，但仍无法满 足用电高峰期的电力需求，电力供应缺口较大，且这一情况在较长时期内难有根 本好转。吸收式机组山于节电和环境保护效益显著，住特定的使用场合还可达到 节能目的，自身特j 突出，适合我国幽情，因此在我曰发展迅速，并形成了以长 沙远人和江阴双良为代表的。批吸收式机组，卜产厂家。 1 2 吸收制冷的研究与发展 早存1 8 世纪，人们就知道，利用硫酸对水蒸汽的吸收可以使未蒸发的水冷 却，进而得到冰。1 8 1 0 年，苏格兰的j o h nk s l i e 发明了间歇型吸收式制冷机， 这是一种最古老的吸收式制冷机。法国的f c r d i n a n dc a e 在1 8 6 0 年发明了连续 第一章绪论 型吸收式制冷机，并在i 刊年取得了美困的专利，他的样机采i 【= j 硫酸作为吸收剂， 水作为制冷剂，1 8 6 9 年，f e r d i n a n dc a r r e 又进一步制造了【生界上第一台以氨水溶 液为吸收剂，氨为制冷剂的吸收式机组。 吸收制冷的首次火量j 衄用可以回溯到美国南北战争期叫，南方联邦为了尽快 恢复被北方联邦破坏的冰块供应而利用吸收制冷制冰。战争结束以后，d a n i e l h o l d e n 埘吸收制冷装置作了一些改进，吸收制冷丌始在美国南部人量应用r 制 造冰块。存二十世纪初期，因为当时的能源价格便宜，这使得吸收制冷机在1 9 0 0 年左右失去了它的应用市场。直到第一次世界人战以后，由丁能源紧张，人们义 开始使用吸收式制冷机，并对吸收循环进行了大量的研究，甚至于爱因斯坦也曾 提出过一利r 无泉吸收循环陋l 。 第次世界大战术期，美国的c a 仃i e r 公司研制出以燃油或燃气锅炉产生的蒸 汽或热水作为热源的商用大型空调吸收式制冷机组，并于1 9 4 5 年成功制造出世 界卜第一台以水为制冷剂，溴化锂水溶液为吸收剂，制冷量为5 4 0 k w 的溴化锂 吸收式制冷机。从此，以热能驱动的大容量吸收式冷水机组丌始大量丌发应用， 并：j 1 ：创了现代制冷利用多种能源的新局面。2 0 世纪6 0 年代，美国和r | 本相继制 成蒸汽型双效溴化锂吸收式冷水机组，还开发了直燃型溴化锂吸收式冷热水机 组。此后，f 1 本在溴化锂吸收式制冷机的生产和应用方而逐渐占据了世界首位【l 】。 我幽对溴化锂吸收式制冷机的研究开始十六十年代初，最初是根据特种船舶 卒调的需要提出来的。我国溴化锂制冷机的发展到同前为止，人致可以说经历了 叫个阶段：六十年代的基础研究阶段；六十年代末至七十年代初的单效机生产、 应用阶段：七十年代末至八十年代初的蒸汽双效机研制、川：发阶段：八十年代至 今的技术改进和提高阶段。 总的来说，我国研制生广溴化锂吸收机组的历史不长，发展也并不快，但是 最近十年以来，在改革丌放的形势下，我幽吸收式制冷技术的研究和_ 1 ：发在质和 量两个方面都有飞跃的发展。我幽于1 9 9 2 年制成直燃型双效溴化锂吸收式冷热 水机组和采用高效传热管及新型微机控制的溴化锂吸收式制冷机，还制成第二类 溴化锂吸收式热泵工业样机。以1 9 9 4 年的第届全幽溴化锂制冷机、空调热 泵机组技术展览会为标志，我国开始了直燃型溴化锂冷热水机组的商_ k 化生产， 并日在大型建筑和工、j k 领域中大规模推广应用。同时，蒸汽和热水并用的余热型 溴化锉吸收式冷水机组和热水型：级溴化锂吸收式冷水机组等利用余热的节能 没备也进行了丌发和应用，澳化锂吸收式制冷机在热电联产系统和热电冷联供系 统中也丌始了实际应用。当6 u ，我围在澳化锂吸收式制冷机的生产和应_ h j 方面已 居世界第一位，国内小少厂家溴化锂机纰产品的主要技术指标已经接近幽际先进 水平，但在机型品种、总体水平和总体质量方而，与国外机组相比还存在一定的 差距【6 】。 第一幸绪论 1 3 基础理论 吸收制冷循环的原理示意图如图1 1 。以使用溴化锂水溶液作为工作流体的 吸收制冷循环为例，溴化锂浓溶液住发生器中被加热，产生制冷剂水蒸汽，水蒸 汽在冷凝器中被冷却，并凝结成液体水。液体水然后经节流减压后进入蒸发器并 存其中蒸发吸热，产牛制冷效应，液体水罩新汽化为水蒸汽。另一方面，发生器 中发生水蒸汽后的溴化镡溶液经溶液热交换器降温和节流减压后，进入吸收器， l 吸收来自蒸发器的水蒸汽，而后，吸收了水蒸汽的溴化锂浓溶液则由溶液泵输送， 经溶液热交换器升温后，重新进入发生器发牛，并完成吸收制冷循环1 4 j 。有此可 以得到吸收式制冷和蒸汽压缩式制冷的对比。如图1 2 所示，由图可以看出。吸 收式制冷机也有蒸发器平u 冷凝器，从产牛制冷效应的方法来况，它和压缩式制冷 机一样，也是使制冷剂在蒸发器中蒸发。高温、高压的制冷剂蒸汽的放热凝结也 是在冷凝器中完成的。但是，把蒸发器中生成的冷剂蒸汽拙吸出来并提高其压力 和温度的过程则和压缩式制冷机不i 司。吸收式制冷机r r l 没有压缩机，而是用吸收 器和发牛器代替压缩机。吸收器起着相当于压缩机吸气行程的作用，将蒸发器q j 生成的冷剂蒸汽不断地抽吸出来，以维持蒸发器内的低压。发生器则起着相当丁 压缩机压缩行程的作用，产，卜高温、高压的冷剂蒸汽。 幽1 1 吸收制冷循环示意幽 冷 媒 水 第一章绪论 稀 溶 液 水汽 一- ， a )b ) 图l 一2 吸收式制冷机与压缩式制冷机对比图 1 4 溴冷机面临的问题与机遇 冷 却 水 冷 媒 水 1 4 1 循环高效化 吸收制冷机组具有节电、无环境公害、用能品种多等优点，从而被公认为绿 色环保中央空调设备。但目前，世界上除了日本等国外，电压缩式机组在空调市 场中仍占主导地位，其主要原因是，电压缩式机组在能量的有效利用方面具有明 显优势【7 ，8 】。以一次能源消耗量相比，电压缩式机组为0 1 2 2 j 国目张，双效蒸汽 型溴化锂吸收式冷水机组为0 1 7 2 磁罔砀，单效溴化锂吸收式冷水机组为 o 3 4 4 琢用砌。由此可见，若用一次能源制冷，目前溴化锂吸收式机组的能耗 高于电压缩式机组，在能源的利用率方面还逊色于电压缩式机组。除了以余热、 废热、排热等低品位热源为动力的吸收式机组外，现有的其它类型吸收式机组都 还不能视为真正意义上的节能产品。然而，就原理而言，进一步提高吸收式机组 的热力性能，使之在能源的高效利用方面实现突破，具有很大的技术潜力，其中 一个重要的发展方向就是研制多效吸收式机组。 目前市场上吸收式机组的主流机型多为以燃油或燃气为能源，且采用与蒸汽 双效型机组相当的流程的直燃型机组，其在吸收式机组中所占的比例逐年增大。 日本每年直燃式机组占8 0 ，我国吸收式机组年产量约3 0 0 0 台套，其中直燃式 机组占3 5 。直燃式机组由于采用了高热势热源，产生的烟气温度高达1 0 0 0 4 第章绪论 以上，烟气具有较高的可用能，而蒸汽型机组的加热蒸汽温度般不超过1 7 0 。 因此，直燃式机组采用目前的双效流程显然不尽合理，研究和外发新型多效循环， 合理有效地利用高品位热源，以提高机组的热力性能，是今后吸收式制冷机工业 发展的方向，甚至- 叮以晓是生存的基础。 1 4 2 机组小型化 近些年米，幽内外房地产商纷纷投资各种别墅型r r 小型建筑，这些建筑通常 为2 到3 层，单元建筑面积为1 5 0 3 0 0 2 ，且为了方便计费和管理，一般每一单 元设计一套独立的空调系统，每个单元用户的冷负荷在1 5 日矿一5 0 m 7 ，热负荷 1 5 k 彤4 5 k 。彤。 1 9 8 1 年闩本冷冻空调协会出版的“气体吸收冷温水机q 爿”一书中定义小 型吸收式冷热水机组为单机制冷量7 矿一1 0 5 5 目矿，并采用单效或烈效吸收制 冷循环的机组。在咳书1 9 9 3 年的修订版中，又将单机制冷最的范围拓宽至 1 0 5 k 1 7 5 8 k 。这种机组大多是以燃油或燃气为能源的直燃型吸收式制冷 机维，外形为整体式结构，可在室外或屋顶安装，也可数台单机并列设置，冷量 调节方便，因面在中小型建筑中颇有应用的市场。 小型吸收式冷热水机组与同类型的大中型吸收式机组相比，热力系数较低， 外形尺、j 与重量较大，这是小型吸收式机组不能得到迅速发展的重要原因。但是 随着人民生活水平的逐步提高而对生活居住条件提出的进一步要求、l 卜| 小型建筑 ( 中型商场、写字楼、新兴_ | 苦住小区和别墅建筑等) 、i k 的发展、以及国家鼓励使 用燃气制冷政策的颁布，加之这种机组自身的特点及高效吸收循环在小型机组中 的应用，这种小型吸收式机组将会占有一定的市场，并得到一定的发展l l “。 14 3 新型吸收器的研究开发 吸收器足溴化锂吸收式制冷机中最重要的部件之一，制约着溴化锂吸收式制 冷机的整体结构和性能。吸收器的吸收作用和蒸发器的蒸发作用密切相关，蕉发 器中的冷剂蒸汽若不能及时被吸收，真空度就1 j 能维持，蒸发过程也就无法进行， 整个吸收式制冷机的工作就无法保障。凶此，通过物理数学以及试验的手段来弄 清吸收器复杂的吸收机理，使传热传质分离，并且分别得到强化，对于提高吸收 器和整个机组性能都自重要的理论和实践意义。 在吸收过程中，质量交换是存两相接触表面上进行的。因此按照吸收表血的 形成形式，吸收器分为以卜四种：表面吸收器( 降膜吸收器) ，鼓泡| ! ；! 乏收器和喷 洒( 喷雾) 吸收器【j “。 1 4 3 1 表面吸收器 表面吸收器中两相问的接触而是静止液面( 吸收器本身的液面) ，或流动的 液膜表面( 降膜吸收器) 。降膜吸收器t p ，i 液两相在流动的液膜表i il ：接触， 第一章绪论 液膜沿着圆管或者平板的纵向表面流动的，降膜吸收器的原理如图1 3 所示1 1 3 】。 一丽翥 图1 3 降膜吸收模型 降膜吸收器是溴化锂吸收式制冷机中应用最为广泛的一种吸收器，目前实用 的吸收器几乎都是水平管束降膜吸收1 1 4 l 【1 5 】。吸收过程伴随着极大的热效应，因 此吸收过程是一个传热传质互相耦合互为制约韵复杂过程。也有学者研究吸收器 中采用垂直管降膜的特性【1 6 1 ，还有采用板翅式 1 7 1 ，( 如图l 一4 所示) 和板壳式 的吸收器f 1 8 】。 持邳水出口 冷却水入口 图1 4 板翅式吸收嚣的结构 1 4 3 2 鼓泡吸收器 在这种吸收器中，接触表面是随气流而扩展，在液体中呈小气泡或喷射状态 分布。这样的运动是以通过充满液体的设备( 连续的鼓泡) 或具有不同形式塔板 的塔来实现的。由于这种吸收器需要气泡发生装置，增加了系统的复杂程度。因 此目前应用的非常少。只在氨吸收式装置中有所应用。f 1 8 】 1 4 3 3 喷洒( 赜雾) 吸收器 喷雾吸收器又有三种形式： ( 1 ) 空腔( 喷嘴式) 喷洒式吸收器。这种吸收器可以作成柱式或者箱式。 6 第辛绪论 进入此类吸收器的气体在其运动的途r r l j 喷嘴喷出的液滴相接触。 ( 2 ) 高气速并流喷洒吸收器。在这类吸收器中液体的喷洒是靠高速气流的 动能实现的。 ( 3 ) 机械喷洒吸收器。其巾液体的喷洒是由转动部件完成的。 1 4 34 传热传质分离填料式喷淋吸收器 通过喷嘴将溶液喷淋存吸收器内预装的填料表面实现吸收过程。喷嘴喷洒液 体是借助液体本身的压力( 表压o 2 5 o 3 m 砌) 将其喷洒出去。有专门的文献 介绍喷嘴的结构及其操作情况。相对于空腔等型式的吸收器，预装填料可以很人 地扩展溴化锂溶液与冷剂蒸汽的接触面积，也即吸收器内热量、质量传递、变换 的表面与空州，由于这种情况卜吸收器中无传热管簇，减少了冷剂蒸汽在蒸发一 吸收器管簇问流动产生的汽阻，使吸收压力更接近蒸发压力，将减弱吸收器出口 溶液的不饱和度【1 9 】即吸收不足的程度，提高传质效果。 传热传质分离技术田内外之前一直无人研究，凶此相关资料甚少。直到近年 来，才有。些学者进行研究和探讨。 德国慕尼黑技术大学的f t a n zs u m m e r e r 等人1 9 9 6 年以氢氧化物水作为吸 收i 质对，在吸收式制冷机巾应用喷淋吸收器进行r 研究例，通过传热传质分 离技术对传热和传质过程分别进行强化，通过在1 5 矿制冷量的单效吸收式机 组的实验基础卜- ，得m 该吸收器可以的吸收效果等同十降膜式，存小十5 0 目矿制 冷量的小型机组上应用效果会更加明显，且简化了吸收器的设备，降低成本。 1 9 9 8 年德国的m f l a m e n s b e c k 等设计了以氢氧化钠水溶液为工质对的双 效吸收式热泵中，吸收器采用绝热喷射式，吸收溶液采用板式换热器冷却，使吸 收器具有更高的效率和更小的换热面积【2 1 1 ；1 9 9 6 年荚幽伊利诺斯理工学院的 w j l l j a ma n h u rr v a n 对以l i b r h 2 0 为吸收工质对的喷淋吸收器的吸收特性进行 了研究，提出了喷淋吸收存丽种不同情况下的计算模型n e w m a n 模型和 i ( r o n i g b r i n k 模型，但是其主要研究不同形式的喷嘴刈吸收效果的影响，并进行 了实验验证和分析，设计了具有更高的效率和更紧凑的吸收器结构卜刈；1 9 9 9 年 美国伊利诺斯人学的w a m a k u l a s u r i y a 采用几种新的吸收工质对的喷淋吸收器进 行了理论和实验研究p 。 浙江大学的郑b ，陈光明，章文斌等2 0 0 0 年提出溴化锂水溶液绝热降膜吸 收，建市了吸收过程数学模型并求解。研究澳化锂水溶液伍竖卣光管外绝热降膜 l 吸收的传质性能，增加空气预冷却器，把传热和传质过程分jr ，分别加以强化， 有利于风冷的实现陟2 ，继而提出了采用填料吸收器的改进方案。这是在国内 首次提出澳化锂传热传质分离的原理，但是其仍然采用的是传统的降膜式吸收 器，而且在单效的基础上进行研究。 综上所述，目前困内尚无人对溴化镡吸收式制冷机中应用预冷却填料式喷淋 吸收器进行理论和实验研究。罔外对传热传质分离的吸收器的研究也仅限于币效 机纽之上。而合适的预冷器的性能就成为配合i 吸收器的一项重要的部件。根据幽 外经验，板式换热器的换热系数远高于管壳式换热器，并且采用的很薄的不锈钢 板片作为换热装置，因而重量很轻，耐腐蚀。 凶此本课题组认为采用在预装填料的吸收器内喷淋吸收方式的吸收器与板 式换热器作为预冷器相结合的方式，板式换热器作为吸收预冷器置于吸收器入l j 之前，并且在双效机组之上进行理论和实验研究，将丌创困内外的先例，有很重 要的理论和现实意义。近年米圈外均用这种方式来研究，幽内尚无人进行研究。 传热传质分离式吸收器的原理如图l 一5 所示。采用的是将自发生器的浓溶 液和来自吸收器的再循环溶液混合后，经预冷器冷却至过冷，过冷的溶液具有更 大的传质推动力。然后住吸收器中喷淋，喷淋溶液经过布置液装置均匀分布在倾 斜的填料板上并1 j 冷剂蒸汽混合，吸收来自蒸发器的水蒸气，完成传质过程，填 料的作用是增加气液接触而积，延长接触时间。而吸收热负倚由预冷器冷却排除。 其预冷却的吸收过程可以实现传热传质的分离，使两者同时得到强化成为可能 p j 。而通过预冷器的冷却，在溶液侧的传热系数可以达到u ：3 1 0 k 2 k ， 传统降膜式的u = o 5 2 5 m 二- k ，这样就可以减小需要的传热面积。该吸收 器的特点是换热效率高，凼而传质效率也可以大大提高，减少机组体积和重量， 降低成本。缺点是溶液循环量较降膜式吸收器大，增加泵功，但山于吸收器本身 带来的循环功耗有限，故增加的运行成本并1 i 多。 第一章绪论 喷淋中间溶液 图l 一5 预冷却填料吸收器示意图 本系统相对于普通吸收式制冷系统的区别主要有三点：斜板填料式喷淋吸收 器、水冷预冷器、导热油驱动热源。其中水冷预冷器、导热油驱动热源两部分往 界研究生已经进行了充分的研究，因此本文的主要研究内容围绕斜板填料式喷淋 吸收器展开。 此外，板式填料等加工工艺要求简单，加工的费用成本也比较低。填料式吸 l 殳器型式目前国内外还未见报道，尚属较新的研究领域。 薄层液膜型填料是填料的主要结构型式之一。吸收器中，溴化锂溶液喷淋在 占的表面将形成一层很薄的溶液膜。这种填料型式又包括竖直平板和波纹板填料 等。 以下是几种主要的竖直平板填料型式： a 竖直平板式填料 图1 6 平板形填料示意图 9 _ 一 ， ，；iiiiiiiiiiiii，1iiiiiiiiii二iiiiiiii ，、 第一章绪论 b 波纹板型填料 图1 7 蜂窝状填料的示意图 图1 8 网板状的填料示意图 m o 图1 9 j 7 1 _ 鞠 叠错的格栅填料示意图 1 0 爹 鞠群” 、，10 ；黪l麟 一 n ， 小 “ 图1 1 0 波纹板填料示意图 1 5 本文的研究工作 本课题是研究有填料的溴化锂吸收式制冷机的预冷却绝热吸收过程的特性， 研究内容主要包括以下几点： ( 1 ) 建立吸收器中倾斜平板填料表面吸收过程的物理、数学模型，得到填 料表面液膜的浓度，流动速度等变化分布情况。 ( 2 ) 探讨装有填料的吸收器中的预冷却绝热喷淋吸收过程的主要影响因 素，如喷淋溶液的预冷却状况及其对吸收过程的影响等。 ( 3 ) 通过分析并联双效溴化锂吸收式制冷机溶液预冷却绝热吸收过程，建 立溶液预冷却绝热吸收过程的热力学模型。 ( 4 ) 实验研究在往届研究生搭建的溴化锂吸收式制冷机吸收器性能实验台 的基础上进行，研究不同冷却水温度及流量，不同喷淋温度、喷淋密度、喷淋浓 度等参数对吸收器效果及整机性能的影响。重点研究吸收器及预冷器的性能，得 出结论，验证并指导理论分析。 1 6 课题的研究方法 ( 1 ) 进行广泛的社会调研，查阅大量的国内外的资料，并对其进行分析、比较、 整理，找出影响吸收器传热和影响机组性能的主要因素，为研究做好理论 基础。 ( 2 ) 根据所调研的资料，以传热传质理论为基础，建立填料式喷淋吸收器的传 热传质分离理论计算模型。并进行分析。 ( 3 ) 在完成吸收器的计算程序的基础上，完成喷淋吸收循环的双效溴化锂吸收 式制冷系统参数计算程序，研究各参数对吸收器及机组性能的影响。并提 0 ，0 、 j070札。 f， 少，u 9二? 一辔u 缈 参o。心圹 。章绪论 出改进吸收器理论结构设计方案。 ( 4 ) 在研究吸收器性能的基础上，研究预冷器的性能，捉减少机组换热面积 的可行性方法。并对导热油驱动热源进行设计，扩大吸收式制冷机的应用 范围。 ( 5 ) 在已有实验台基础上，进行改造和设计实验方案，验证计算结果，得出结 论。 第二章传热传质分离顷料，吸收器耻论分析 第二章传热传质分离填料式吸收器理论分析 吸收器是溴化锂吸收式制冷机中的最火键部件之一，在目前市场卜- 的机组 l 卜】，吸收器通常占到机组总重量的4 0 ，总换热面积的4 0 ，是溴化锉机组中 成本最高的部件，它的性能也对机组影u 向至关重要。 目前滇化锂吸收式制冷机所普遍采用的吸收器型式是降膜吸收器，其中传热 和传质过稃是同时进行的，但是这两个过程是两种4 i 同的过程，具有很多不同点， 因此往往不能较好的匹配。在这两个过程中，对吸收效果影响最人的因素是传质 过程，冈为传质过程进行的速度仅为传热过程的1 二右。虽然国内外许多学者 采用各种方法来强化吸收过程，但吸收器的传热传质性能依然没有得剑本质的提 高，吸收器的性能仍然不令人满意。 本文采用吸收器的传热传质分离方法，将吸收器中的传热传质过程分，r 处 理。将冷却传热过程放到吸收器以外，采用板式换热器来允分提高换热效率；同 时吸收器内预装填料，采_ 辞j 喷淋的方法，提高溴化锂溶液和吸收器内冷剂蒸汽的 接触面积，这样便可同时提高传热和传质效率。采用传热系数高的板式换热器代 替铜管管束，可使整机的体积更小，重量更轻，成本更低。 2 1 吸收过程分析 溴化蚀溶液吸收水蒸气的过程是一个传热传质互相耦合互相制约的复杂过 程，由于溴化锂水溶液所吸收的冷剂蒸汽浓度高，一般己接近其饱和浓度， 所以溴化锂水溶液吸收水蒸气的过程与化工中常见的吸收过程不同，不能简单地 套用化工吸收过程的理沦和方法来解决这样的吸收过程。 溶液平衡理论指出，在一定的温度和压力下，当吸收剂( 溶液) 与被吸收7 i 体( 水蒸气) 接触时，气桐的被吸收物质就1 i 断地l 川液相转移，同时液相中的已 被吸收气体也不断向气相转移，当气桐物质向液相转移的速度大丁液相向。i 相转 移的速度时，就被称为吸收，反之就称为解析。当气液两相的质量分数1 i 再变化 时，就达到相际的动态甲衡，此时的溶液质量分数称为平衡质量分数，溶液p u 周 的被吸收工质的压力称为甲衡压力。 根据1 9 2 4 年w h i t e m a n k w i s 提出的双膜理论相际传递过程中有三个传 递过程： ( 1 ) 传递组分从耷h 丰流音| 5 分到斗h 界面； ( 2 ) 传递组分穿过相界i 百1 ，到达第_ 相； 第二章传热传质分离填料式吸收罂理论分析 ( 3 ) 传递组分到第二相的主流部分。 如图2 1 所示： 相界面 气膜 液膜 1_，71，7 一、 气 k 己 液 相 相 主 流 流 ? j 、 _ 卜 传质方向 图2 - 1吸收机理示意图 双膜理论基本论点如下： 1 物质在气相与液相本体中的传递是靠对流实现的，此时浓度差均可被忽 略不计。 2 在气、液两相的界面两侧没有对流，而有一层稳定的气体薄膜和一层稳 定的液体薄膜，膜所造成的阻力为气液相传质过程全部阻力所在。 3 物质穿过薄膜纯粹依靠分子的扩散。根据扩散定律，扩散的传质速率与 浓度梯度和扩散通过的晃面面积成正比。 4 无论气、液两相本体是否达到平衡，但在界面处气、液两相总是处于平 衡状态的。 双膜理论的主要优点是将复杂的相际传质过程简化成通过气液两膜的稳定 分子扩散过程。 单相中的质量传递过程依赖于分子扩散和对流传递，这样流场的变化就对质 量传递过程有着重要的影响，同时质量的传递反过来又影响流场的分布，而热量 的传递也通过使溶液或水蒸气的物性发生变化来影响流场，并通过使传质推动的 变化影响传质的大小，在传质推动的作用下，水蒸气不断地由气相向液相转换， 结果使溶液的浓度不断地发生变化，从而在液膜中形成浓度梯度，导致液膜中的 质量传递。同时，伴随着水蒸气由气相向液相的转移，放出大量的吸收热，使得 气液界面处的温度升高，而由于预冷器的作用，传热填料表面上溶液的温度较低， 1 4 笫一币传热传质分离填料吸收器理论分析 从而在液膜中产牛了温度梯度，导致液膜内的热传递，而液膜中的浓度利温度的 变化又改变了溶液的平衡压力，从而改变了传质推动力，最终义对质量传递和热 量传递产生影响。所以，吸收器中的吸收过程包括因浓度( 分压力) 、温度和动 量三种不平衡而引起的传输过程，它们相互影响，是一种极其复杂的过程。吸收 器是吸收式制冷循环中热负荷最人的热交换设备，其体积与金属耗量也最大，为 了提高吸收效果，对于溶液喷淋量，液膜流态及分布填料的几何形状等，以及这 些参数之问的优化关系，都是一些重要参数。 根据传质理论，吸收过程的传质推动力是溶液周围水蒸气的平均分压力置l j 溶液质量分数、温度相对应的水蕉气的饱和压力只之差，要使吸收过程能连续 不断地进行，就必须使得只大于只，当溶液吸收了水蒸气以后，浓度降低，温 度升高，与之牛h 对应的水蒸气饱和压力曼也随之升高，当只= 只时，吸收过程不 再继续进行了( 实际l 是达到了动态平衡) 。所以就必须降低溶液的温度，进而 降低溶液中水蒸7i 的饱和压力，从而保证吸收过程的进行。若从温差考虑，相当 于目绕在溶液液膜四周的蒸汽的饱和温度，和相当于溶液膜内与压力相平衡的 饱利温度f 。( 该溶液膜系对填料表面温度f 。、平均浓度爿。而言的) ，那么“。；) 也是水汽分子被溶液膜吸收的推动力，可取代前面的压差。 从传热角度iz ，写成下面热流密度( q m ) 的表达式： q ? a = d c t f ，一t ；) ( 2 1 ) 足吸收过程的边界层膜系数，也是伴随有传质过程而受传质影响的传热膜 系数。溴化锂水溶液吸收水蒸汽的过程，山于它所吸收的制冷剂蒸汽是高纯度的 单组份，吸收剂量少，浓度一般已接近其饱和浓度，传质传热的推动力很小，故 刁i 能简单地套用化工吸收过程的理论和方法来解决这种吸收过程。1 1 4 j 冈此增强吸收传质过程的主要途径是增加气液两相的接触面积和接制l 时间， 提高吸收系数和吸收推动力。本课题中分析了吸收器中放入斜板等各种填料的情 况，相对丁空腔等型式的吸收器，预装填料可以很人地扩展溴化锂溶液与冷剂蒸 汽的接触_ 曲积，也即吸收器内热量、质量传递、交换的表面与空问；尤其是波纹 扳填料能增强吸收液膜的扰动这些都是对吸收器性能改善所做出有益的尝 试。闭 第二章传熟传质分离填瓣式吸收器理论分析 另外，由于这种情况下_ 吸收嚣中无传热管簇，减少了冷剂蒸汽在蒸发一吸收 器管簇间流动产生的汽阻，使吸牧压力更接近蒸发压力，将减弱吸收器出口溶液 的不饱和度【4 2 】即吸收不足的程度，提高传质效果。 2 2 倾斜平板填料及其传热、传质模型 众所周知，填料常常用于石油化工或制冷空调工业用冷却塔。在冷却塔中， 需冷却的循环水被泵送到冷却塔的顶部，通过配水管从喷头中喷出，再通过塔中 的填料层溅散后洒下来，与由于塔中的浮升力产生的向上的空气流进行热湿交 换，冷却后的水落入塔底的集水池中1 2 9 1 。对于水冷却塔填料，其表面传热、传 质过程的数值计算理论模型早已被研究建立【蚓3 1 1 。因为水冷却塔中填料的作用是 蒸发放热，它的研究采用液膜蒸发理论，并且涉及的是水与湿空气间的热质交换， 这些情况都与本课题所要讨论的溴化锂溶液绝热吸收水蒸汽的情形不同，所以必 须建立适用的填料表面溴化锂溶液吸收冷剂蒸汽过程的热质计算模型。 薄层液膜型填料是填料的主要结构型式之一。吸收器中，经过预冷器的溴化 锂过冷通溶液过喷嘴把溶液均匀地喷淋在板面上，在它的表面将形成一层很薄的 溶液膜，液膜在重力作用下向下流动的过程中不断地吸收其周围的冷剂蒸汽。如 图所2 2 示。 图2 2 倾斜平板填料示意图 针对本课题吸收器中溴化锂喷淋溶液吸收冷剂水蒸汽过程为绝热过程的特 点( 因为吸收热预先在预冷器中释放) ，并且利于数学、物理模型的建立、分析 与求解，做出以下假设： ( 1 ) 平板表面的溴化锂溶液液膜为平滑层流流动，液膜厚度沿x 轴方向保持 1 6 第二章传热传质分离填料式吸收器理论分析 祭变，忽略沿流动方向的分子扩散及粘性耗散功： ( 2 ) 由于溴化锂液膜吸收冷剂水蒸汽过程产生的吸收热并非在吸收进行的同 时由冷却水带走，而是预先在预冷却器中排出。所以填料表面保持绝热状态，液 膜所在表面无冷却作用； ( 3 ) 吸收器内整个气相为均匀、等压、单一的纯净水蒸气，气相中无任何传 。质阻力；吸收过程中，冷剂水蒸汽被液膜表面吸收并向液膜内部传质扩散，而由 此产生的液膜表面不饱和又会引起对水蒸汽的吸收，所以认为溴化锂溶液处于相 一 平衡； ，一 ( 4 ) 溴化锂溶液喷淋落下作自由落体运动，忽略它落到斜板填料表面时由于 撞击、飞溅等作用产生的小液滴对水蒸气的吸收作用； ( 5 ) 由于沿板面切线方向的导热非常微弱，我们只考虑沿法线方向的导热； ( 6 ) 计算中把吸收问题当作稳态过程来处理，只考虑稳态吸收过程，这是因 为研究的是一段时间内的总效应，而不是某一瞬间的情况。 经过以上简化，我们得到了斜板填料的物理模型，建立如图2 3 所示的直角 坐标系，液膜实际流动方向为z 轴正方向，板片法线指向液膜一侧的方向为】，轴 正方向，并规定y 轴正方向与竖直方向所夹锐角为口。 图2 3 倾斜平板填料吸收过程物理模型图 根据此问题情况及前述假设条件，对液膜微元分析，建立液膜流动吸收过程 1 7 弗章传热传质分离填料式吸收器蝉i = 仑分析 的数学物理模型，得到以下传热传质控制方程组：【3 2 】【3 3 1 连续性方程 2 动量方程 3 能量方程 4 浓度方程 堕业+ 旦幽：o 缸 却 ( 2 2 ) 堕粤+ 堕掣：未。罢) + 昭。i 。 ( 2 3 ) 缸 a va y ”a y 7 、 c ，挈+ c ，半= 专c p 。， 掣+ 旦譬：昙( p 。娑) ( 2 5 ) d xd vd vd v 上面方程组中： “液膜流动速度在x 方向上的分量，蜥店 v 液膜流动速度在y 方向上的分量，”l 厶 g 重力加速度，朋二厶； 溴化锂溶液的导热系数，m k l d 。质扩散系数，m ! 厶： c 。溴化锂溶液定压比热，j “磁o c ) p 溴化锂溶液的密度，m 3 该计算模型的边界条件如下： ( 1 ) z = o 处，溶液又喷嘴到达填料板顶部时的仞始速度可由下式计算 “= “o = 2 舻 ( 2 6 ) 式中：填料顶部与喷淋板底部的间距，”z ； 并根据速度边界层分布规律可知： 旦；芸一妻( ) 3 ( 2 7 ) “。2 62 、6 、 v = 0 7 = l 第一章l 热传质分离填料| i = u 艘收器耻论分析 亭= 晶 计算中认为溶液在落在填料板上时 引起的能量损失。 液膜厚度6 可由下式计算：【3 4 】 6 _ 1 3 5 ( 孚) ； pg 式中：6 液膜厚度，m ； r 溶液喷淋密度，磁m s 忽略溶液和板表面碰撞造成的飞溅 “液膜在x 方向的流动速度，m 5 ( 2 - 8 ) ( 2 ) y = 0 处，于粘性作用，靠近板而的极薄溶液层与板而无相对运动，赦 “= o 山于扳面兀渗透作用 v = 0 出十椒表热半衡： a = o 式中：a 为溶液导热系数，叫( m 。k ) 由于板面处无浓度扩散： 堕：o ( 3 ) y = 6 处，即7 i 液相界而处 竺：o d v 根据气液界面半衡笑系可近似得出在工况下的近似天系式【3 4 1 9 爿j 章传热传质分离填料。啦收器胖沦分析 上式巾 丁叫( 7 1 静+ 驴) r 相平衡压力下的溶液温度， ，相平衡压力下水的饱和温度， 爿，、及曰所对应的数值见下表： 表2 1 公式中系数数值 i = oi = 1j = 2i = 3 爿 0 7 7 0 0 3 31 4 5 4 5 5 e 一22 6 3 9 0 6e 一4 2 2 7 6 0 9 一6 b1 4 0 8 8 78 5 5 7 4 90 1 6 7 0 98 8 2 6 4 1 4 ( 2 9 ) 该公式的适用范围是o c 丁 1 1 0 ，1 5 7 1 3 0 ，4 5 6 5 【3 5 满足实际r 况的温度、浓度范围。式中相平衡雎力下水的饱和温度丁可由7i 液相 平衡状态的参数( 温度、压力和浓度) 的方程讣算得出【3 5 】： 式q j 丁= 丽焉赫 7 。气液相平衡压力下水的饱和温度，k p 相平衡压力，k 砌 ( 2 1 0 ) c 、d 、e 公式中的常数：c = 7 0 5 ，d = 一1 5 9 6 4 9 + e 3 = 一1 0 4 0 9 5 5 + e 5 第一章传热传质分离填料，峨收器耻论分析 在x 方向任意气液相界面处，由汽液界面的动量、能量和质量守恒可推得 汽液界面的热流率和质流率有以卜关系： a 兰：一f 丝堕 a y 砷 式巾： ( 2 一1 1 ) f 过程吸收热，j 磁，出一一c ，f ，其巾i ，和c ，分别为冷剂蒸汽 比焓值和定压比热容； p 澳化的密锂溶液度，磁3 。 2 3 数学模型的无因次处理 数学模型的无凼次处理可以使计算结