（工程热物理专业论文）水平椭圆管氨降膜吸收器传热传质研究.pdf

摘嚣 摘要 近年来，能源危税鞠全球变疆成为全擞界关注静焦点之一。鲡街有效遣剃麓 能源是摆在各圆学者面前的课题。吸收式制冷机组成吸收式热泵，因典不使用对 臭氧鼷有破嚣俘鼹的氟联舄类裁冷裁，焉量露以裂怒低品位热能，粕太辍能、圭l 煞 热、工业废热锋，产生所需冷量或热量而受到了各豳学者的关注。相比溴化键一 水工质对，氨一水为工膜对的吸收式制冷受到的关注要少很多，虽然它可以为冷 痒、食燕鑫蠡存躐工整提供0 一5 0 的低澄。 吸收器是吸收式制冷装置的关键设备，吸收器的好坏崮接关系到吸收式制冷 或热聚系统的好坏。 强化传热的研究表明，菜些异形管道，如椭圆篱，和紧凑的内部换热面积布 置可以起到强化传热的作用。正是在这种情况下，本文对水平椭圆管氯降膜吸收 器豹鼹蕊黄矮遴萼亍了理论亵实验骚究。 游先，对水平椭圆管氨降膜吸收器内单管外液膜的传热传质进行了数值计算。 建立丁相应的物理和数学模型，采用中心麓分对动凝、能量和质量方樱进行离教， 然瑶蠲追赶法( 零陡为、线迭代、f o r t r a n 谮言编程求解。考虑了不蔺结构参数( 级 向管间距、当缀直径，管排数) 和吸收器工作条件( 喷淋液温度、喷淋密度) ，对 承乎糖匿管擎镶氨降鹱吸收传热传矮懿影嚷。求出了对应条l 譬下，波膜在浚动方 向速度、液膜厚度、对流换熟系数和n u 分布，和所吸收的氨气质量。褥以特定的 类椭圆管( 2 b - - - - - 3 8 3 m m ，2 a = 1 1 3 m m ) 、紧凑的管排布鼹方式( 纵向管问躐s ，= l o m m 、 横囱黪润蓬s 。一l i m m ) 、管耩数( n = 1 8 ) 巍建承平类耩函管氨海貘啜投实验台，送 行热水( = 0 ) 喷淋吸收氨气实验。然后，就吸收器内管束外表面对流换热系数 与喷淤液的喷漤密度和温度的关系，比较了实验结聚积数值计算结果。结果表明； 数氇计算结果和实验绪槊在“增大喷淋密度、降低喷淋液温度可以提高降貘吸收 过程的传热系数”方面是一致的，但是由于实验中器种误羞和干液区的存在，和 数学模鏊孛缀浚条终熬镬蘑，甓褥实验缝聚帮数毽诗篓结暴穗差较大。数篷诗舞 部分的程序具有通用性，改变部分物性参数，可以用来计算熊它的降膜吸收过程 的传热传质。 关键谰：椭圆管；氨水降膜吸收；追赶法；传热传质 华南理工大学硕士学位论文 i i - - _ _ j e 自_ _ _ # j _ _ - _ - _ _ 攀 a b s t r a c t r e c e n t l y ，e n e r g yc r i s i st o g e t h erw i t hg l o b a lw a r m i n gh a sb e c o m e o n eo ft h ef o c u s e so ft h ew o r l d 。h o wt ou s ee n e r g ye f f i c i e n t l yi s a p r o j e c tb e f o r es c h o l a r s 。a b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o ns y s t e mo rh e a tp u m p h a s r e g a i n e dw o r l d w i d e a t t e n t i o nf o ri t se n v ir o n m e n t a i p r o t e c t i o n e f f e c ta n di t s a b i l i t y i n u t i l i z i n gl o w g r a d ee n e r g y ，s u c h a ss o l a r e n e r g y ，g e o t h e r m a l e n e r g y ，i n d u s t r i a lw a s t e sh e a t ，e t c ，t opr o d u c e n e c e s s a r y c o l do rh e a tl o a d 。c o m p ar e dw i t ht h o s eu s i n gl i b r - h 2 0a s w o r k i n gp a ir ，r e f r i g e r a t i o ns y s t e m sw i t ha m m o n i a w a t e rh a v eg o tl e s s a t t e n t i o n ，a l t h o u g ht h e y c a nb eu s e di n r e f r i g er a t o r y ，f o o d p r e s e r v a t i o n ， f i s h i n g o ro t h e r i n d u s t r y e n v i r o n m e n tt o g e t t e m p e r a t u r e sa sl o wa s - 5 0 。 a b s o r b eri sa k e yp a r ti na na b s o r p t i o nc o o l i n gd e v i c e ，w h i c hh a s ad i r e c ti n f l u e n c eo nt h e p e r f o r m a n c e o ft h ew h o l e r e f r i g e r a t i o n s y s t e m a c c o r d i n gt oa v a i l a b l ed o c u m e n t so nh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ， s o m e s p e c i a lt u b e s ，s u c ha se l l i p t i ct u b e sa n dt i g h tt u b ea r r a n g e m e n t i n s i d eah e a ttr a n s f e ra p p a r a t u s ，c a np l a yb i gr o l e si nt h a td ir e c t i o n 1 tw a su n d e rt h e s ec o n s i d e r a t i o n s 。at h e o r e t i c a la n d e x p e r i m e n t a l i n v e s t i g a t i o no nh e a ta n dm a s st r a n s f e ro fa m m o n i a w a t e rf a l l i n gf i l m a b s o r p t i o np r o c e s s0 1 3h o r i z o n t a ie l i i p t i ct u b e sw a sc a r r i e do u t a t | ir s t ，h e a ta n dm a s st r a n s f e ro na m m o n i a w a t e rf a l l i n g | l l mo f a s i n g l e h o r i z o n t a l e l l i p t i c a l t u b ew a sc a l c u l a t e dn u m e r i c a l l y c o r r e s p o nc i ；n gp h y s i c a l m o d e la n dm a t h e m a t i cm o d e lw e r e b u i l t ， m o r n e n t u m ，e n e r g ya n d m a s sf u n c t i o n sw e r ed i s c r e t e dw i t hf i n i t e d i f f er e n c e m e t h o d ，t h e n ，s o l v e db y f o r t r a n pr o g r a mu s i n gt d m a m e t h o da n dl i n e a ri t e r a t i o n v a r y i n gs t r u c t u r a lp a r a m e t e r so fe l l i p t i c t u b e s ，s u c ha sd i s t a n c ei ngr a v i t yd ir e c t i o n ，e q u i v a l e n td i a m e t e ro f e l l i p t i ct u b e ，r o wn u m b e ro ft u b e s ，a n ds o m ew o r k i n gc o n d i t i o no fa n a b s o r b e r ，f o re x a m p l e ，t e m p e r a t u r eo fs p r a yl i q u i da n ds p r a yd e n s i t y ， w et r i e dt of i n do u tt h e iri n f l u e n c e0 nh e a ta n dm a s str a n s f er a f t er t h a t ，a ne x p e r i m e n td e v i c e w i t h s p e c i a l t u b e ss ；m l l a rt o e l l i p t i c t u b e s ( 2 b = 3 8 3 m m ，2 a = 11 3 m m ) a n dc o m p a c t t u b ea r r a n g e m e n t i n s i d ea na b s o r b er ( f i x e dd i s t a n c ei n gr a v i t yd i r e c t i o ns 1 = 1o m ma n d f i x e dd i s t a n c ei nh 0r i z o n t a id ir e c t i o ns 2 = 1 1 m m ) ，f i x e dr o wn u m b er ( n = 1 8 ) w a ss e tu p e x p e r i m e n t su s i n gw a t e r ( i 一0 ) i n s t e a do fp o o r a m m o n i a - w a t e ra sa b s o r p t i o ni i q u i d w er ec a rr i e d o u t f i n a l l y ， c o m p ar i n gn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，w ea r r i v e d a tt h i sc o n c l u s i o n ，t h a t s ，b ye n h a n c i n gs pr a yl i q u i dd e n s i t yo r i o w i n g i t s t e m p e r a t ur e w ec a n i m p r o v eh e a ta n dm a s str a n s f e ro f a m m o n i a w a t e r f a l i i n g f i i m a b s o r p t i o np r o c e s so u t s i d eh o r i z o n t a l e l l i p t i c t u b e s u n f o r t u n a t e l y ，f o ra l ik i n d so fer r o r s e x i s t i n g i n e x p er i m e n t s ，p o s s i b l e d r ya r e ao u t s i d et u b e sa n da s s u m p t i o n su s e d i nn u m er i c a ic a l c u i a t i o n e x p e r i m e n t a ir e s u i t sw e r ef arf e s st h a nw h a t w eg o tb yn u m er i c a lc a l c u l a t i o n ，a l t h o u g ht h e yh a v et h es a m etr e n di n t h o s er e s p e c t s t h ef or tr a np r o g r a mu s e di nt h ep a r to fn u m er i c a lc a l c u l a t i o nc a n b eu s e di no t h e rf a l l i n gf i l ma b s o r p t i o np r o c e s so u t s i d eh o r i z o n t a l t u b e s ，i fpr o p e rp h y s i c a lp ar a m e t e r sa r eu s e d k e y w or d s ：e l l i p t i ct u b e s ；a m m o n i a w a t e rf a l l i n gf i l ma b s o r p t i o n ；t d m a m e t h o d ；h e a ta n dm a s st r a n s f e r 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立 进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成 果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人 承担。 作者签名：周备袍： 日期：力o d , 年彳月r i 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学 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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：围香抱日期：王w 3 年6 月，：日 导师签名： 伊期蟛年厶月2 日 符号说明 椭圆的短、长半轴 直径 定压比热 下落后液滴的直径；管内直径 氨气在水中质量扩散系数 管道横截面积 重力加速度， 表面积 焓 椭圆管有效长度 椭圆管总弧长的l 2 努谢尔特数， 压力 普朗特数， 热量 雷诺数， 污垢热阻 垂直方向管间距 水平方向管间距 温度 湿周周长 壁厚 希腊字符 导热系数 g 液膜流动方向与重力的夹角 f浓度 掣动力粘度 u 无量纲流函数 流函数 p密度 m m m k j ( k g ) m m m 。s m m 9 8 m2 s m k j k g m m m m 叫，旯 p a u n k j “f ，u m2 w 功 m m ” m m m m w ( m ) k g ( m s ) k g m 3 舢护c d n f，矗0肋尸厅a胎b只&。x 华南理工大学硕士学位论文 表面张力 喷淋密度 吸收 管子底部 冷却水 当量直径；液膜外边界 液膜外侧 流体平均温度 自由下落 进口 管内 液膜内侧 相邻两排管子 管外 出口 管子顶部 壁面 n m k g m h 标。 h o 口厂 即曲b。e f n一。卜ot w 第一章绪论 第一章绪论 1 1 吸收式制冷机、吸收式热泵的发展及其应用前景 2 0 0 2 年3 月1 9 日，科学家宣布的一条新闻震撼了世界。由于全球气候变暖， 一块比新加坡面积还大的南极冰架( 面积：4 7 6 平方公里，高2 1 4 9 米，约7 2 0 0 吨) 崩塌了。虽然4 年前，英国南极考察队就预言了南极五大冰架之一的巨大的 拉尔森b ( l a r s e nb ) 冰架的崩溃，但是，它崩溃的速度之快仍然令人吃惊。有 数据表明，在过去的5 0 年里，南极半岛的温度上升了2 5 ，上升速度超过南极 大陆或地球其他地方。一名新西兰气候学家警告说，随着覆盖南极大陆的冰流动 减缓甚至停止和全球气温变暖，南极洲巨大的冰架可能彻底解体。用卫星监测拉 尔森b 冰架的3 名美国研究者之一的t e ds c a m b o s 说，其它的冰架也在以比从前 预计更快的速度解体。而冰架的大面积解体，将对全球气温造成巨大变化。从而 对世界上低海拔地区的居民造成很大的威胁。科学家担心，如果气温继续上升， 南极大陆冰块将会融化，海平面将上涨5 6 米。 又据文献 1 ，利用1 9 9 6 至2 0 0 1 年的最新t o m s 卫星观测臭氧资料，分析东 亚地区( 6 9 3 7 5 。e 1 3 9 3 7 5 。e ；1 4 5 。n 5 4 5 。n ) 大气层臭氧浓度的近年变化 特征和趋势。结果表明，区域近6 年平均臭氧浓度约为3 0 6 d u ( 多b 森单位：d o b s o n u n i t ) ，与多年平均值( 3 0 7 d u ) 基本持平。区域平均臭氧浓度的季节变化和空间分布 情况与以前相比无明显差异，但年均臭氧浓度在近6 年已停止下降趋势，并反弹 至8 0 年代中后期的水平，这可能与全球臭氧层保护措施的实施有关。 对于已经造成的破坏，我们无能为力，但是我们可以尽量避免将来可能造成 的更大的破坏。众所周知，传统的压缩式制冷机所使用的c f c 类工质对大气臭氧 层有破坏作用，根据1 9 8 9 年的“赫尔辛基”宣言和1 9 9 0 年修订后的“蒙特利尔 协议”，2 0 0 0 年前限量使用h c f e ( 含氢含氯氟利昂) 、完全禁用c f c s ( 氯氟碳化 合物) ，2 0 2 0 年前后禁用h c f c ，所以c f c 类制冷剂的应用前景非常黯淡，美国、欧 共体等已停止生产和使用此类制冷剂。现在各国众多的学者及制冷技术人员正在 研究c f c 类制冷剂工质对的替代物质以及替代制冷技术，如t f e n m p ( 三氟乙 醇一氮甲基毗咯烷酮) ，r 2 2 d m a ，氨一硫氰化钠等”1 。但是，在新型吸收式制 冷工质对、氟利昂类制冷剂的替代品尚未通过全面测定、实现大规模、批量化生 产之前，传统的吸收式制冷剂工质对还必须承担重要的任务。而目前吸收式制冷 机常用的工质l i b r h 。0 、h ：o n h ；因其对大气臭氧层没有破坏作用，且可以利用低 品位热能，如燃气轮机排气、低压蒸汽的特点，而再度受到了研究者的关注。 华南理工大学碗士学位论文 全球气谈交暖除了受到臭鬟豢被酸螺羚懿影嚷9 ，二氧 急碳夔溪麴也“功不 可没”。有资料表明2 0 世纪9 0 年代是有观测资料以来最温暖的1 0 年，还有人认 为这可能是避5 0 0 年甚歪近1 0 0 0 年来最暖的l o 年。目前，大气中的二氧化碳浓 度基经姨1 9 氆纪中的2 8 0 p p m v ( 西万分之一体积) 上舞蜀了3 6 5 p p m v 以上，麓孵 其它微量气体，如甲烷、氧化艇氮、氯氟烃等也迅速增加。据预测，如果矿物质 燃料消耗儇持瑷有趋势，大气层中的二氧化碳在2 l 世纪肉也许会遴步上舞到 5 5 0 p p m v 。后槊是温室效益加剧，使得大气对地面的热释放超了更大的保护作用， 造成全球气候进一步变暖。进入2 l 世纪，人们更加关注我们生存的环境，2 0 0 1 年7 秀2 5 基，经过一场马蕴橙式鹣谈爨，联合国终于透过了具有里程薅意义酶“衮 都游议”，这个议定书怒联合国“气候变化框架公约”缔约方大会1 9 9 7 年在日本 京都提出的，鞋在削减餐国二氧化碳排放爨，被稔为人类“为防止全球变暖逑怒 的第一步”。 与此同时，与环境问题并存的能源问题也越发突出，因争夺能源而引发的战 火辫次在海湾燃起，造成生灵涂炭，惨测逵连。缝源翡供应与蓬家戆发展塞甥攘 关。能源危机，增强了人们的能源综合利用意识。 为了解决能源问题和环境问题，目前，各国都在有效利用不可辩生能源、开 发薪缝源窥节约资源上大徽文警。割冷照瓣发展落颓应了这一趋势。蔽牧式潮冷 机组和吸收式热泵，因其环保效应而再度得到人们的关注。不仅如此，为了发挥 吸收式剑冷农利鼹低晶位热能上熬饯势，缝合太阳戆、地热躯鞋及其它冬秘工业 余热或废热的能量综合利用方式得到了发展。“。尤其是对太阳能、媲热能等可 再生清洁能源的利用，将是解决人类能源危机的最终途径。 相琵于浚使铿吸浚式毒l 冷蔽只能获褥0 。c 教上豹豹冷源，氨啜牧式裁冷税通 常用于制取0 | 0 c 一5 0 的低温冷源，而麒可以利用汽电共生( c o g e n e r a t i o n ) 系 统产生的低联蒸汽、热水或垃圾焚烧热等提供0 c 以下的冷源，供绘瘸户使用， 促进能源综合幂i j 用。这种制冷系统具有运转可靠，无溴纯镁制冷视缎的结晶的顾 虑，寿命长，适应范围广等特点。在化工过程、食品处理、冷冻保鲜等场合均有 应蠲。 氯吸收式制冷机组在全世界都有发展和应用，备国发展水平不一。据文献( 1 3 我豳1 9 5 8 年谯保定胶片厂首次使用了容爨为t 1 6 3 k w 的氨吸收式制冷机。在欧洲， 氨吸收式裁冷向来受翻关注。魏德国的塞尔西格公司就一蠹致力于氨吸收式制冷 机的研究和发展，生产出了多种型式的氨吸收式制冷机。被美国，小型氨吸收式 制冷枫褥到了发震，以s e r v e l 凝菰上泰镌空冷式氮吸收式虏淹空谖枫垂1 9 6 9 年 开发以来，在欧美市场已销售了3 0 4 0 万台。日本，是世界公认的澳化锂吸收式 制冷机的生产大国，然而氨吸收式制冷机的发展却很缓慢。近年来，在重新意识 妥鬣壤牧式澍冷税的优点后，黧本对这牵争秘缝遘舒了研发，先爱接窭了管壳式和 2 第一章绪论 板翅式氨吸收式制冷机组，使氨吸收式制冷机由装置化向机组化、小型化发展， 从而推动了氨吸收式制冷机的技术进展。表卜l 列出了日本近年内大中型氨吸收 式制冷机组的生产与应用实例。 表卜1日本大中型氨吸收式制冷机的生产和应用实例“3 t a b l e l 一lp r o d u c t i o n a p p l i c a t i o no fn h 3 一h 2 0a b s o r p t i o nc o o l i n gd e v i c e si nj a p a n “3 安装场所制造生产主要制品和主制冷能力热源新技术 年月要冷冻过程蒸发温度应用 朝阳啤酒大金 1 9 9 7啤酒麦汁8 7 2 k w x2 台蒸汽 四国工场工业冷却 一1 5 ( 重油) 爱媛县 a 社东京市大金 1 9 9 8 6乳制品冷却1 9 1 9 k w 蒸汽汽电 工业一1 5 ( 天然气)共生 b 社爱知县大金 1 9 9 8 6化学制品6 9 8 k w 蒸汽 工业过程冷却一3 5 ( 天然气) 朝阳啤酒大金 1 9 9 8 1 0啤酒麦汁1 9 1 9 k w x2 台蒸汽 汽电 名古屋工场工业冷却 一1 5 ( 天然气)共生 爱知县 c 社千叶县日立 1 9 9 9 1 化学制品 5 3 5 k w 蒸汽 造船过程冷却 一3 0 d 社歧阜县曰立 1 9 9 9 2溜冰场2 0 9 k w x2 台 天然气 造船 一1 3 早稻田大学大金 1 9 9 9 3 冰蓄能和卡诺 3 4 9 k w 汽电 东京市工业循环组合一1 2 共生 j 菱仓库目立 1 9 9 9 4冷冻仓库2 3 3 k w 天然气 东京市造船 一4 0 三菱仓库日立 1 9 9 9 4冷冻仓库2 6 7 k w蒸汽 汽电 东京市造船 一4 0 ( 天然气)共生 新形势下，吸收式制冷机组或热泵有着更广阔的应用前景。尤其在强调能源 有效利用、变废为宝的今天，随着热电冷三联供在工厂、综合建筑楼字、船舶运 输中的应用“。，氨吸收式制冷机组或热泵也将散发新的光辉。 华南理工大学硕士学位论文 1 2 吸收器的工作原理 无论是在吸收式制冷机还是在吸收式热泵中，吸收器都是一个关键部件，其 性能直接影响着整个吸收式制冷机组的性能。吸收过程的机理十分复杂，弄清楚 它，可以为提高整个机组的性能打下基础。 在吸收器中进行的吸收过程，是流动、传热和传质同时进行的过程。从流动 角度来看，溶液喷淋到吸收器内上排管簇顶部，在管子外表面形成液膜，然后液 膜在重力和流动阻力作用下沿管壁流下，在管底集聚形成液滴，当重力和表面张 力失去平衡时，液滴在重力作用下落到下一排管簇顶部，形成液膜。这个过程一 直进行到最后一排管簇。从传热传质角度来看，吸收过程发生在吸收器内部，包 括液膜表面和在重力作用下作自由落体运动的液滴表面。文献 2 6 ，对水平管溴 化锂一水吸收器内降膜和液滴的传热传质进行了研究，结果表明水蒸汽的吸收主 要存在于液膜和液滴形成区域，而在液滴在管排间做自由落体区域的传热传质可 以忽略。参考上述文献，在本文的研究中，虽然吸收工质对是挥发性的氨气一水 工质对，也认为液滴自由落体区域的传热传质可以忽略，所以不考虑液滴自由落 体区域的吸收过程。这样一来，在建立整个吸收器内的数学模型时，就存在这样 一个简化的连续性条件：每排管子的进口浓度和温度与上排管子出口具有相同的 分布。那么，就氨吸收器而言吸收器内的吸收过程就是，环绕液膜四周的氨气被 管子外表面覆盖的下降液膜吸收，并在气液界面释放出化学反应热。管内流动的 冷却水及时把吸收热带走，使液膜被冷却，这保证了液膜的吸收能力，因为随溶 液温度的升高，其吸收能力减小。同时，在气侧空间，周围的氨气不断向液膜流 动，以填充已进入液膜的氨气留下的空位，从而保证了吸收过程的连续。在液膜 中同时进行着以下两个过程： ( 1 ) 氨气分子在液膜表面被吸收并向液膜中扩散的过程； ( 2 ) 吸收过程中释放出来的化学反应热通过液膜和金属管壁的热传导，传递 给管内的冷却水，并不断被冷却水带走的过程。 1 3 吸收器强化传热的途径 换热器研究总的趋势是传热机理及强化传热的研究，新型紧凑、高效、质量 轻、可靠性好的换热器的研发，以及结合计算机模拟技术、人工智能技术来革新 设计方法，基于系统目标对换热器进行优化设计的研究”“。为了提高吸收器的工 作性能，作为换热器的种，吸收器的研发方面，强化传热也是一个重要的课题。 此外，与普通的换热器不同是，还必须加强传质，所以吸收器的研究比一般的换 热器要复杂些。 对于普通的换热器来说，强化传热可以通过提高传热系数、扩大传热面积和 4 第一章绪论 增大传热温差来实现。具体说来，在换热器几何结构形态方面，可以： ( 1 ) 尝试使用异形管道，如椭圆管、扁管等低阻力管以提高换热系数的。椭圆 管，因管外顺气流方向流动阻力较圆管小，在相同横截面条件下，热周较大；在 相同体积的情况下，采用椭圆管能布置更多的换热面积，而得到了人们的关注、 程尚模等”在工业锅炉铸铁省煤器中采用椭圆肋片管管束代替圆管肋片管束。经 过工业对比实验，表明前者的传热系数比后者提高了1 9 ，流动阻力下降6 0 。 s s i d e m a n 等”在水平喷淋式降膜蒸发器中应用了椭圆管，研究表明，当椭圆管 垂直半轴与水平轴之比为4 时，总传热系数比等当量直径的圆管提高2 0 。所以， 椭圆管可以强化传热是得到了充分证明的。 ( 2 ) 在管道内外表面增加扰动结构，轧槽管、针肋、螺旋肋，重复肋和沟槽等， 使得流体流经这结构时，产生流动脱离区而形成强度不同、大小不等的漩涡。用 漩涡来增强近壁区流动的紊流程度，从而提高了对流换热系数； ( 3 ) 采用肋化表面。通过附加肋片来扩大传热面积从而减小对流换热热阻，最 终达到强化传热的目的。在流体流动形态方面，针对不同的工质，可以采用不同 的方法。吸收器的研究中，考虑到流动、传热和传质过程的耦合，通常采用降膜 理论进行分析。因为管外形成薄薄的液膜有助于传热和传质过程的快速进行，液 膜越薄，导热热阻越小，热量传递越快，使得相同吸收条件下，吸收过程进行得 越彻底。这一结论不仅适用于竖管降膜吸收，同时也适用于水平管外降膜吸收。 在如何强化液膜传热方面，想方设法加速液膜的流动、减薄液膜的厚度是有效的 方法。对异形管道的研究表明，某些形状的管子，如椭圆腔板束”“可以适当加速 液膜的流动。 此外，在液膜中加入添加剂也可以实现强化传热的目的。数十年前，人i f 】就 已经知道了某些表面活性剂可以促进吸收过程中的传质强化。近年来，因其实用 价值，各国学者对它进行了大量的研究。然而，迄今为止，人们对该现象的了解 大多还停留在经验上，对于产生这种强化现象的机理尚未完全了解清楚。尽管对 于使用添加剂强化吸收器传热传质的机理尚存在诸多争议，但是对于使用添加剂 将导致马拉戈尼( m a r a n g o n i ) 对流，使液膜产生扰动，从而增强液膜内部混合的这 种理论，已经达成了共识。所谓的马拉戈尼( m a r a n g o n i ) 对流，简而言之，是由于 液体表面处的表面重力不连续而产生的液体扰动。较育代表性的结论认为液膜流 动模型特性是影响传热传质的主要原因。由于使用添加剂，液膜受到扰动，使降 膜流型发生变化，其粘度、表面张力对流型有很大影响，因而影响了传热传质。 近年来倍受关注的紧凑式换热器也是强化传热的产物，其目的之一是力求在 有限的空间尽量多地布置管束，以增加换热面积，实现强化传热。 通常情况下，强化传热的措施可以交叉使用，通过综合应用各种强化传热手 段来得到更好的换热效果。 华南理工大学硕士学位论文 1 4 前人对吸收器吸收过程传热传质所做的研究 研究吸收器吸收过程传热传质的文献不少。国内同济大学的王长庆、上海交 通大学的陆震”3 “、刘振华和朱群志。”3 等均发表过有关水平圆管溴化锂降膜吸 收器传热传质研究的论文。他们的研究方法是理论推导结合实验论证。 首先，建立吸收过程的数学模型一一连续性方程、动量方程、能量方程和质 量方程，然后采用适当的方法把数学模型离散，再用计算机编程求数值解。特定 的条件下，还建立了吸收实验台进行实验，并比较了实验结果和理论结果的异同。 王长庆得到了吸收压力、溶液浓度、冷却水温度和流量对溴化锂吸收式制冷 机吸收过程的影响。发现液膜的喷淋密度是影响降膜流动的液膜厚度和流动速度 的主要因素，随着喷淋密度的增大，液膜的流速及厚度增大。 刘振华采用层流模型对定壁温边界条件时水平管外垂直降膜的强制对流换热 特性进行了数值计算，计算中对管顶部的冲击滞止区和管侧的自由绕流区分别采 用不同的坐标变换方法简化微分方程，并根据滞止区计算结果确定自由绕流区的 初始边界条件。计算结果证明管径对平均换热系数的影响不容忽视。定壁温条件 时的平均换热系数比定热通量时高出1 2 2 0 左右。 文献 3 8 着重对水平圆管顶部液膜流动滞止区进行了分析，建立的模型得到 了数值预测和实验数据的证实。 r h w a s s e n a a r ，在文献 3 9 中，测量并预测了流量和管间距对水平圆管吸收 器工况的影响。 虽然本文研究的是水平管外降膜吸收，但是垂直管内降膜吸收的一些方法， 也值得借鉴。这方面，大连理工大学刘艳丽、徐世鸣”。3 1 等针对一种新型的吸收质 制冷工质t f e n m p 进行了理论和研究。充分考虑了降膜厚度的变换，以及液膜内 横向对流对液膜内热、质传递和气液界面处热量流率及质量流率的影响，采用适 当的有限差分方法对数学模型进行了数值求解，得到结论：改变液膜流动状态是 加强热质传递的有效途径之一。文献 4 0 对某种强化表面板式热交换器内进行的 氨一水降膜吸收过程进行了实验分析，考察了溶液和蒸汽的流动特性、溶液入口 过冷度和入口浓度差对传热传质的影响。 1 5 吸收式制冷机吸收器研究中存在的不足以及本研究的主要内容 现有文献中对吸收器的研究，多数是针对溴化锂一水工质对所做的。对于另 外一类传统的制冷工质对一一氨一水，在吸收器内进行的降膜吸收过程的传热传质 研究的文献却很有限。原因是：传统的氨吸收式制冷机组设备庞大，且与溴化锂 相比，氨气是易挥发的工质，相对而言，对它进行的研究面临的困难更多些；其 次，长期以来，由于溴化锂吸收式制冷在中央空调中有广泛的应用，溴化锂一水 第一章绪论 降膜吸收器的理所当然地得到了研究者的关注。 然而，到了2 1 世纪，随着能源问题的越发突出，节能问题逐渐凸现出来。人 们重新看到了氨吸收式制冷机组在工业、船舶和远洋运输业的应用前景，所以， 当前对氨吸收式制冷的研究也有一定的意义，因为氨吸收式制冷机组可以利用低 品位热能产生o 一5 0 的低温以供制冷、冷冻需要。 本文分为两部分：水平椭圆管氨降膜吸收器传热传质数值计算和实验研究。 数值计算着重对以氨降膜吸收过程进行研究，试图从吸收器内部结构( 椭圆管当 量直径、管间距、管排数) 和吸收器外界工作条件( 喷淋密度、喷淋液温度) 上找 到影响吸收过程传热传质的因素。 针对水平椭圆管单管氨降膜吸收过程，建立了描述流动、传热、传质过程的 偏微分方程组，确定了求解方程组的初始条件和边界条件，在此基础上，对数学 模型进行数值求解，为了和实验结果作比较，计算中使用的吸收液是水( 氨水浓度 = 0 ) 。 实验部分，以一种特定的类椭圆管为对象，在固定的紧密的管排布置方式( 目 的是增加吸收器内换热面积，以达到强化传热的效果) 和特定外界条件下，对吸 收器的工作过程进行了实验模拟，并比较实验结果和数值计算结果。 本文主要有以下内容： ( 1 ) 对异形管道( 椭圆管) ，建立氨吸收过程数学模型，中心差分法对方程组进行 离散，d t m a 法、线迭代、f o r t r a n 编程进行数值计算； ( 2 ) 数值计算中考虑了吸收器内部结构( 椭圆管当量直径、纵向管间距和管排数) ， 以及吸收器工作条件( 喷淋液温度和喷淋密度) 的变化对管外液膜传热传质的影 响，并分析了计算结果。为了对比数值计算结果和实验结果，数值计算中用到的 喷淋液是水； ( 3 ) 以某种特定尺寸的类椭圆管在吸收器内有限的空问紧密排列，建立紧凑式类 椭圆管氨降膜吸收实验台，改变喷淋液喷淋密度和温度，分析对对流换热系数的 影响。 ( 4 ) 比较数值计算结果和实验结果，对将来的研究提出改进建议。 第二章水平椭圆管氨降膜吸收器内的物理过程和数 学模型求解 2 1 水平椭圆管氨降膜吸收器内的物理过程描述 水平椭圆管氨降膜吸收器中，稀氨水通过喷淋装置，如喷嘴、喷淋孔板、淋 管等均匀地喷洒在管束上，在管外形成液膜。对于圆管，液膜流动由层流向湍流 过渡的临界雷诺准则r e = 3 2 0 0 “”，大部分研究认为r e 4 0 0 0 时还处于过渡区域， 可以近似认为是层流。由于一般情况下横管直径都不是很大，实践上液膜的流动 都是层流。受溶液喷淋密度和物性的影响，液膜在管间可以以三种状态流动：滴 状、柱状和膜状，据此，又把水平管束的布液方式分为滴状布液、柱状布液和膜 状布液三种，见图2 1 。据文献 3 3 ，试验表明，当r e 1 5 0 时，液膜为滴状布液； i 5 0 r e 2 0 0 时，为滴状布液过渡到柱状布液；3 1 5 r e 6 0 0 时，液膜为膜状布液。布液方式不同，会对吸收器内的传热传 质带来较大的影响，因为降膜吸收器内进行的过程是流动、传热和传质三者相互 耦合的过程。以上对于圆管的判断也适用于椭圆管，只不过当为椭圆管时，r e 准 则中的定性尺度为椭圆管的当量直径。 图2 - i 水平管束的布液方式”“ f i g2 1f i i mo nh o r iz o n t a lt u b e s 吸收器内进行的流动过程是：稀氨水溶液经喷淋装置喷淋到吸收器内最上面 一排水平椭圆管外表面，在管壁上形成液膜，吸收过程就发生在这一层液膜上。 吸收了氨气的液膜在重力的作用下，在管底聚积，当重力和液滴表面张力失去平 衡时，液滴自椭圆管底脱离，根据r e 数的不同，分别以滴状、柱状或膜状滴落到 下一排椭圆管上。以次类推，直到最后一排管束。 对于滴状布液，稀氨水溶液的喷淋密度很小，溶液是以液滴状脱离上排椭圆 管底部的。这时必然存在这样一个问题：从上一排管底脱离的液滴能否在下一排 管子顶形成均匀的液膜? 或者说下一排椭圆管外壁面能否被液膜完全覆盖，壁面 第二章水平椭圆管氨降膜吸收器内的物理过程和数学模型求解 上是否会出现干壁现象? 这是一个重要的问题，因为，如果出现干壁现象，就说 明椭圆管外的换热表面并没有全部利用上，此时假如再以管壁被液膜完全覆盖来 计算，就会出问题。但是，考虑干壁现象又会增加数学模型的复杂程度。为了简 化吸收过程的数学模型，本论文中假设：即使对于滴状布液，下排管束外表面也 能够被从上排管束底部脱落的液滴形成的溶液膜完全覆盖。 对于膜状布液，此时稀氨水的喷淋密度较大，溶液以膜状从上排管子底部脱 离并作自由落体运动落到下排管子项部。同样认为，液膜能够完全覆盖下排椭圆 管外表面。 吸收器内，传热传质同时发生在椭圆管外液膜上和椭圆管问作自由落体运动 的液滴、液柱或液膜上。在此，暂不考虑氨气在管间作自由落体运动的液滴、液 柱或液膜上的吸收，只考虑氨气在管外液膜上的吸收过程，认为对于相邻两排椭 圆管而言，上排椭圆管底部聚积的液滴或液膜的物性参数和下排椭圆管项部液膜 的物性参数一致，即不考虑因为管间液滴或液膜的吸收了氨气而导致的液膜的物 性变化，而认为溶液的物性参数在吸收器内椭圆管柬上从上到下是连续的。这样 一来，吸收器内的吸收过程就简化成为：充满吸收器内部空问的氨气与覆盖椭圆 管外壁面的液膜接触，在气液界面被溶液吸收，吸收过程所释放出的化学反应热 通过金属管壁传给管内的冷却水，并被冷却水带走，目的是保持液膜的温度不会 因为化学反应热的集聚而不断上升，否则，液膜吸收氨气的能力会因温度的升高 而降低。由于不断有氨气被溶液吸收，每经过一排椭圆管，液膜内氨水浓度都会 相应地升高。直到最后，脱离吸收器的溶液变成富含氨离子的溶液。而水平椭圆 管束内的冷却水出口温度则因吸热而升高。对于吸收器内的传热过程，假设：冷 却水带走的热量等于椭圆管束外溶液所释放的热量，其中包括溶液的物理显热变 化和吸收过程化学反应热。 2 2 吸收过程数学模型 吸收过程数学模型的建立参考了文献“”1 。4 2 “。 2 2 1 建立吸收过程数学模型所做的假设 ( 1 ) 吸收器处于稳定工作状态； ( 2 ) 流体是牛顿流体，定常且不可压缩； ( 3 ) 作用于液膜上的力是重力和粘滞力： ( 4 ) 忽略气液界面的传质阻力； ( 5 ) 汽液界面始终处于热力学平衡状态： ( 6 ) 液膜流动处于平滑层流状态，沿流动方向的分子扩散不计，并忽略粘 性耗散功； 华南理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 液膜完全覆盖管表面，不考虑干液区的存在； ( 8 ) 吸收过程仅仅发生在气液界面，吸收热瞬间传递遍整个液膜，忽略液 膜与外界的散热； ( 9 ) 管内冷却水处于流动和传热的充分发展区； ( 1 0 )从上排椭圆管底部脱离的液滴( 液膜) 与下排椭圆管顶部发生碰撞 后，速度方向变为沿管子的切向方向，其大小近似等于液膜在管间作自由落体运 动的末速度；每排管外液膜的初始温度和浓度等于上一排管子的出口温度和浓度； ( 11 )液膜外边界条件为第三类边界条件，内边界条件为第一类边界条件。 2 2 2 吸收过程数学模型 2 2 2 1 描述吸收过程的偏微分方程组 y 图2 - 2 滴状布液图2 - 3 膜状布液 f i g2 - 2d r o p w i s ef i l mo nt u b e sf i g2 - 3m e m b r a n o u sf i l mo nt u b e s 如图2 - 2 和图2 - 3 所示，取椭圆管外切线、液膜流动方向为x 方向，管表面 的法线方向为y 方向，建立贴体坐标系。连接贴体坐标系x y 的坐标原点和椭圆管 管心的连线与椭圆管半长轴间的夹角臼= 工，l ，。l 。为沿x 方向椭圆管总弧长的一 半。根据假设，推出描述吸收过程的偏微分方程组为： 连续方程：竺+ 竺：0 ( 3 1 ) 咖d y 动量方程：“尝+ v _ 0 v ：v 尝+ g s i n