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溴化锂溶液在水平螺旋槽管壁面 降膜吸收过程的数值研究 捅要 吸收器是吸收式制冷机组中最重要的部件之一，其性能对于整个机组的效率 有着重要的影响。管内冷却的水平管外降膜吸收被广泛地应用于吸收式制冷系统 的吸收器中。本文对于溴化锂吸收式制冷机组的吸收器中采用水平螺旋槽管使得 管壁外表面形成覆盖全表面的液膜以增强传热传质进行了探讨。从理论上研究了 澳化锂溶液在水平螺旋槽管壁面的降膜吸收过程，其结果为吸收器的设计提供了 理论依据和技术基础。本文利用流体力学的基本原理，同时考虑液膜表面张力和 重力的影响，建立了溴化锉溶液在水平螺旋槽管外喷淋时形成降液膜吸收的数学 模型，得出了液膜流动速度、厚度和传质方程的解析解，分析了槽道几何形状对 于液膜分布的影响。结果表明，液膜在沿螺旋槽向下流动的过程中，槽道谷峰液 膜较薄，槽道谷底液膜较厚；溴化锂溶液特殊的表面张力性质，使得螺旋槽管表 面曲率、螺旋槽头数的变化对于液膜的厚度影响很小。但槽道深度对丁液膜厚度 的影响比较显著。随着槽道变深，起始位置的液膜减薄，且不同位茕上的液膜在 流过槽道谷底后更加均匀。对比分析显示，水平螺旋槽管的吸收性能优于光管。 其原凶一方面是由于加了螺旋槽后，管子壁而的湿润性能好于光管；另一方面， 螺旋槽的存在增大了气体和液体之i 、白j 的传质面积，使得汽液之间的传质性能更 好。 关键词：水平螺旋槽管溴化锂溶液降膜吸收传热传质 an u m e ri o a is t u d yo fl ib r h 2 0f a il in gf ii ma b s o r p t i o n o na s p ir a li yf i u t e dh o r iz o n t a it u b e a b s t r a c t t h ea b s o r b e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t i e si na b s o r p t i o nr e f r i g e r a t i o n s y s t e ma n di t sc h a r a c t e r i s t i c sh a v es i g n i f i c a n te f f e c t o nt h em a c h i n e s p e r f o r m a n c e f a l l i n gl i q u i df i l mo nt h es u r f a c eo fai n t e r n a l l yc o o l e dh o r i z o n t a lt u b eg l ew i d e l y u s e di nt h ea b s o r b e r so f a b s o r p t i o nh e a tp u m p s i nt h i sw o r k ，f a l l i n gf i l mm a dh e a ta n d m a s st r a n s f e ro nt h es u r f a c eo fah o r i z o n t a ls p i r a l l yf l u t e dt u b ei sc o n s i d e r e d t h e a b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo fs o l u t i o no nt h es u r f a c eo fs p i r a lf l u t e dh o r i z o n t a lt u b e si s s t u d i e dt h e o r e t i c a l l y , w h i c hc o n c l u s i o np r o v i d e sat h e o r e t i c a la n dt e c h n o l o g i c a lb a s i s i nt h ed e s i g no fa na b s o r b e r t h en u m e r i c a lf a l l i n gf i l ma b s o r p t i o nm o d e lo ft h e l i b r - h 2 0i se s t a b l i s h e du s i n gn a v i e r s t o c k se q u a t i o n sf o rl o wr e y n o l d sn u m b e rw i t h c o n s i d e r a t i o n so ft h es u r n c e t e n s i o ne f f e c t sa n da c t i o no fg r a v i t y a n a l y t i c a ls o l u t i o n s o ff i l mv e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dt h el i q u i df i l mt h i c k n e s sa r ea b t a i n e d t h ei n f l u e n c e o ft h es u r f a c eg e o m e t r yo ft h ef l u t e dt u b eo nt h es o l u t i o nf i l mt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o ni s d i s c u s s e d f u r t h m o r e ，t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rb e h a v i o ro ft h ef a l l i n gf i l ma r ea l s o s t u d i e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h es o l u t i o nt e n d st of l o wd o w nt h ec r e s tr e g i o na n d a c c u m u l a t e si nt h et r o u g hr e g i o n t h ec u r v a t u r eo f t h et u b es u r f a c ea n dt h en u m b e ro f s p i r a l l yt r o u g hh a sl i t t l ei n f l u e n c eo nt h ed i s t r i b u t i o no ft h es o l u t i o nf i h nt h i c k n e s s d u et ot h e s p e c i a l s u r f a c e t e n s i o nc h a r a c t e r i s t i e so ft h el i b r h 2 0s o l u t i o n h o w e v e r , t h ed e p t ho ft h es p i r a lt r o u g hi n f l u e n c e sal o t t h ed e e p e ro ft h ec h m m e l ，t h e t h i n n e ro ft h ef i l mt h i c k n e s sa tt h eb e g a i n i n g ，a n dt h ef i l mb e c o m e sm o r eu n i f o r m t h e c o m p a r a b l ea n a l y s i ss h o w st h a tt h ea b s o r p t i o np e r f o r m a n c eo fs p j r a lf l u t e dt u b e si s b e t t e rt h a nt h a to fb a r et u b e s t h i si sb e c a u s et h es p i r a lf l u t e dt u b e sp r o v i d eag o o d w e t t a b i l i t yl e a d i n gt oah i g hh e a tt r a n s f e rb e t w e e nt h ec o o l a n tm a dt h es o l u t i o nm a da h i g hm a s st r a n s f e ra r e ab e t w e e nt h el i q u i da n d t h ev a p o r k e yw o r d s ：h o r i z o n t a ls p i r a l l y f l u t e dt u b e ：t h ea q u e o u sl i t h i u mb r o m i d e s o l u t i o n ；f a l l i n gf i l ma b s o r p t i o n ：h e a ta n dm a s st r a n s f e r 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地力外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得或 其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：壤：淬唪 签字r 期：。辑g 月f 。同 i 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，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据序进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 适用本授权书) 学位论文作者签名 羹淬啐 导师签字 签字日期：王7 车6 月1 一同签字日期溯年d 月o n 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 溴化钾浒液柏：水，r 螺藏= 措管壁面| 5 笨膜吸收过程的数值研究 1 绪论 1 1 研究背景及意义 1 1 1 引言 节能和环保是2 l 世纪科学技术发展的两大主题。随着世界能源消费量的急 剧上升及地球环境的同益恶化，使得人们对能源的节约使用、合理利用和对环境 保护的重要性有了充分的认识，也迫使人们对能源的有效利用和减少环境破坏的 新技术进行了更深入的研究。为此，对太阳能、地热和工业废热等低品位能源的 利用己越来越成为人们关注的焦点。而吸收式制冷，由于具有可直接利用低品位 热源驱动、主要消耗一次能源、不使用对臭氧层有破坏作用的工质等独特的优点， 越来越受到人们的青睐。 我国随着国民经济的发展和人们物质生活水平的提高，空调制冷己以较快的 速度进入千家万户。压缩式制冷不仅其c f c s 和h c f c s 工质破坏了生态环境， 而且其巨大能耗还给电力部门带来了沉重的负担；而空调制冷是用电大户，在我 国目前部分地区电力紧缺的条件下，很难满足需要。对于以燃气或燃油驱动的溴 化锂吸收式制冷机，不使用c f c s 工质，尽管它的一次能源利用率低于电动式制 冷机”】，但是它能够在城市夏季用电高峰时缓解城市夏季用电的紧张局面，减少 峰谷差，节省电力，对城市季节用电的平衡起到积极作用。尤其是对于电力匮乏 的地区，相比于压缩式制冷，吸收式制冷更是显示出其不可替代的优势。 1 1 2 研究背景 我国是一个幅员辽阔的发展中国家。随着经济建设的进行，各行各业对空调 及生产工艺用冷源的需求日趋迫切。因此溴化锂吸收式制冷机有着广泛的发展前 景。以下因素促进我国吸收式制冷的发展： l 、能源政策 在我国能源供应每年增长3 5 的条件下，来满足国民经济持续每年增长 8 - , - 9 ，只能依靠节能技术和节能产品的丌发。虽然我国是个能源大国，但是 1 演化钾溶液一冰、r 螺旋楷管壁血降膜吸收过程的数值研究 人均占有量不及发达国家的1 4 。要解决经济不断增长及广大人民需要同我国生 产力低下的矛盾，就必须采用节能技术和注重新产品的丌发。 2 、环境保护政策 分析和调查表明，利用溴化锂吸收式制冷对降低温室效应起到了积极作用， 通过对废热回收可降低排热温度。 3 、城市能源结构的改变 大中城市实施国家能源政策，改善能源结构，提倡使用清洁优质能源，限制 常规能源的使用，这就为吸收式制冷的应用和极大发展创造了条件。 4 、对低品位热能利用 由于余热型吸收式制冷机利用工厂排出的废烟气、废热、废水等低品位能源。 从而达到节能要求。 1 2 溴化锂吸收式制冷技术概述 1 2 1 溴化锂吸收式制冷技术的原理 溴化锂吸收式制冷机以水为制冷剂，溴化锂水溶液为吸收剂，制取o 以上 的低温水，多用于空调系统。溴化锂的性质与食盐相似，属盐类。它的沸点为 1 2 6 5 ，故在一般的高温下对溴化锂水溶液加热时，可以认为仅产生水蒸汽，整 个系统中没有精馏设备，因而系统更加简单。溴化锂具有极强的吸水性，但溴化 锂在水中的溶解度是随温度的降低而降低的，溶液的浓度( 质量分数) 不宜小于 6 6 ，否则运行中，当溶液温度降低时，将有溴化锂结晶析出的危险性，破坏循环 的正常运行。溴化锂水溶液的水蒸汽分压，比同温度下纯水的饱和蒸汽压小得多， 故在相同压力下，溴化锂水溶液具有吸收温度比它低得多的水蒸汽的能力，这是 溴化锂吸收式制冷机的机理之一。 在一个大气压下，水的沸点是1 0 0 c ，在这样高的温度下沸腾( 蒸发) ，当然 不能达到制冷的目的。但是，当压力很低时( 1 0 0 0 p a ) ，水的蒸发温度可以降低 为5 ，就可以利用水的蒸发来制取低温冷水了。溴化锂制冷机就是利用水在低 压真空环境下的蒸发进行制冷的。利用吸收剂溴化锂溶液极易吸收制冷剂的特 性，通过溴化锂溶液的质量分数变化使制冷剂在一个封闭的系统中不断循环，这 溴化钝浒液枉水r 螺旋榴管壁面降膜吸收过程的数值研究 是吸收式制冷的基础。 蒸汽吸收式制冷系统是由发生器、冷凝器、溶液节流阀、溶液热交换器和溶 液泵组成( 如图1 1 所示) 。整个循环包括两个回路：一个是制冷剂回路，一 个是溶液回路。 a 蒸发器b 吸收器c 溶液热交换器 d 发生器e 冷凝器i 溶液泵h 冷赛j 袋 却水如 图1 1 溴化锂吸收式制冷系统示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g a m o f l i b r h 2 0a 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 m 制冷剂回路由冷凝器、制冷剂节流阀、蒸发器组成。高压冷剂气体在冷凝器 中冷凝，产生的高压冷剂水经节流后到蒸发器蒸发制冷。溶液回路由发生器、吸 收器、溶液节流阀、溶液热交换器和溶液泵组成。在吸收器中，吸收剂吸收来自 蒸发器的低压冷剂气体，形成富含制冷剂的稀溶液，将该溶液用循环泵送到发生 器，经过加热使溶液中的制冷剂蒸汽重新蒸发出来，送入冷凝器。另一方面，发 生后的溶液重新恢复到原来的成分，经冷却、节流后成为具有吸收能力的吸收液， 进入吸收器，吸收来自蒸发器的低压制冷剂蒸汽。吸收过程是伴随着水蒸气的相 变过程，放出极大的相变潜热。如果产生的吸收热不及时排出，吸收过程就无法 连续进行。因此，为了保证吸收的顺利进行，必需对吸收液体进行冷却。 溴化钾溶液d ：水r 螺旋榴管壁面降膜吸收过程的数值研究 1 2 2 溴化锂吸收式制冷机的优、缺点 溴化锂吸收式制冷机以水为制冷剂，以溴化锂水溶液为吸收荆，能制取o 以上的低温。它的主要优点有： 1 、节能省电 不能笼统地讲溴化锂吸收式制冷机是节能产品。以天津市冬夏均采用燃气吸 收式空调机组( 方案1 ) 与夏季采用电压缩式冷水机组、冬季采用集中供暖方式( 方 案2 ) 进行经济性比较，所取参数为：电厂供电效率3 0 ( 全国平均值) ；电力输 配效率9 0 ( 全国平均值) ；燃气热值4 29 9 8k j m 3 ；供暖热指标4 6 2 w m 2 ： 锅炉热效率7 2 ( 锅炉容量7 0 m w ) ；供热管网输送效率9 0 ；热水输送能耗 9 9 彬m 2 ；冬季供暖时间1 2 0 天( 天津市) 。按以上参数和两方案对各种能源 的消耗量进行计算得到的结果见图1 2 。 崔 麓 一 j 鬟 最 麓 墼 忿撬i t a g t , xl o8 目一 幽1 - 2 一次性能耗对比图 f i g 1 - 2 c o m p a r i s o n o f d e p l e t i o n o f o n e - o f f e n e r g y 由图1 2 可见，压缩式的一次性能耗始终高于吸收式的，且随着建筑面积的 增大，这一差额迅速增大，几乎成线性关系i 因此从一次能源消耗量的角度看， 吸收式优于压缩式。更为重要的是，吸收式制冷能利用多种低势热能和废汽，如 高于o 2 m p a + 的饱和蒸气、高于7 5 的热水、地热、太阳能等，具有很好的节能 效果。这在电力日益紧张的今天，对这种机型的研究和利用有着极其重要的现实 意义。 2 、环保 澳化钏浒液曲冰叶螺旋楮管壁血降膜吸收过程的数值研究 蒙特利尔协议书签订后，国际上己经对目前压缩式制冷装置通常采用的氟利 昂类制冷剂的使用规定了一定的期限。而工质对水溴化锂水溶液无臭、无毒， 对大气臭氧层损耗的潜能值o d p ( o z o n ed e p l e t i o np o t e n t i a l ) 和全球温室效应 潜能值g w p ( g l o b a lw a r m i n gp o t e n t i a l ) 均为0 ，对大气臭氧层无危害，无温室效 应，有利于满足环保要求。 3 、运行平稳可靠、操作简单，便于调节 吸收式制冷机可在各种负荷条件下运转，当冷负荷在1 0 一1 0 0 的范围内 变动时，设备的性能指标都能保持稳定，变化不大，可以实现无级调节。 4 、安全性能好 制冷机在真空下运行，无高压爆炸危险，安全可靠。整个机组除了若干个功 率较小的屏蔽泵外，无其它运动部件，噪声值仅为7 5 8 0 d b 阻) ，不会造成噪声 污染。而且易损件少，维修简单，维修费用低。 5 、单台机组制冷量大 国外目前单台溴化锂吸收式制冷的制冷量可达5 8 0 0 k w ( 5 0 0 万k c a l h ) 国内 为3 0 0 0 k w ( 3 0 0 万k c a l h ) ，这是压缩式所不及的。单台机组的制冷量大，可以 降低单位制冷量的投资费用，也便于发展集中供冷。 6 、对安装基础的要求低 因运行时整个机组几乎没有振动，无需特殊的机座，可以安装在室内、室外， 甚至地下室、屋顶上。安装时只需作一般的校平，接上管道和电源便可。 7 、制造简单，操作、维修和保养方便 机组中除屏蔽泵、真空泵和真空阀门等附属设备外，几乎都是热交换设备， 制造比较容易。由于机组能稳定，对外界条件变化的适应性强，因而操作比较简 单。机组的维修保养工作，主要在于保持所需要的气密性。 8 、对外界变化的适应性强 溴化锂机组的主要缺点有： 1 、体积、重量大 和蒸汽压缩式制冷机相比，它所占的面积、高度和重量都较大。同时，由于 排热量大，冷却塔及其附属设备需要有蒸汽压缩式制冷机的两倍左右的容量。 2 、腐蚀性强 溴化钝浒液d 冰，r 螺旋楷管壁面降膜吸收过程的数值研究 溴化锂水溶液对普通碳钢有较强的腐蚀性，不仅影响到机组的性能与f 常运 行，而且影响到机组的寿命。 3 、气密性要求高 实践证明，即便漏入微量的空气也会影响机器的性能。这就对制造有严格的 要求。国外以制造原子能工业中的技术，用于这种机器的制造工艺，对其气密性 的严格要求是可想而知的。 4 、价格昂贵。溴化锂价格较高，大型机组溶液充灌量大，初期投资较高。 5 、因为用水做制冷剂，所以一般只能制取5 。c 以上的低温，多用于空气调节及 一些生产用冷冻水。 1 2 3 溴化锂吸收式制冷机国内外发展概况 美国是最早生产溴化锂吸收式制冷机的国家。1 9 3 0 年美国阿克拉公司生产了 小型单效燃气空调机在市场出售。1 9 4 5 年内美国开利公司生产了世界上第一台 5 2 3 k w ( 4 5 万k e a l h ) 制冷量、双筒体的溴化锂吸收式制冷机。1 9 6 1 年斯太哈姆公 司研制成了第一台双效溴化锂吸收式制冷机。由于全美的天然气管网遍布，为了 满足用户的需要，也研制了燃气直燃型吸收式制冷机。生产的厂家主要有丌利、 特灵、约克等公司。美国虽然在溴化锂制冷机的研制方面起步早，但发展不快， 主要原因是：美国电费便宜；吸收式制冷机需要锅炉，运转管理复杂，因而 生产量不多。 美国生产溴化锂吸收式制冷机的台数1 9 7 4 年为最高峰达1 0 0 0 台，其后年年 下降，到1 9 8 7 ，1 9 8 8 年仅生产1 3 0 台。但是自蒙特利尔协定书签订以来，由于氯 氟烃制冷剂的限制使用，吸收式制冷机又有了新的发展，到1 9 9 2 年已达年产量 二 。 3 9 0 台。特灵公司采用日本川崎的技术，丌利公司采用茬原制作所的技术，。约克 公司采用东芝的技术，大力加快了美国溴化锂制冷机的发展。特别是燃气政策法 ( n g p a ) 实施以来，燃气供应得到改善，电费上升，对发展燃气冷热水机提供了 有利条件。 在溴化锂吸收式技术领域中，发展最快的国家首推日本。日本的溴化锂吸收 式技术，最初由美国引进，但现在反过来向美国输出，开本在1 9 5 9 年由汽车制 造株式会社( 现川崎重q - ) 生产出第一台大容量的吸收式制冷机。1 9 6 4 年川崎重工 6 溴化钝溶液在水下螺旋批管壁面降膜吸收过程的数值研究 生产蒸汽双效溴化锂吸收式制冷机。1 9 6 8 年川崎重工生产燃气直燃吸收式冷热 水机。1 9 7 0 年茬原制作所制造了同本第一台吸收式热泵机组。1 9 7 8 年日立制作 所制造出使用低压蒸汽2 0 0 - 5 0 0 k p a ( 表) 双效机组1 9 7 9 年荏原制作所制造中等 冷量1 4 0 - 2 6 1 k w ( 1 2 万一2 3 万k c a l h ) 的燃气直燃吸收式冷热水机。1 9 8 0 年矢崎 与三洋电机公司制造7 0 , - - 1 1 6 k w ( 6 1 0 万k c a h ) 的燃气直燃式冷热水机。并有矢 崎总业、东京燃气株式会社多等家生产制冷量范围2 6 1 7 4 k w ( 2 2 1 5 万k e a l h ) 的小型直燃式冷热水机。1 9 8 7 年东京三洋电机及茬原制造所制造智能型的吸收 式冷热水机，东京燃气株式会社试制成功了空冷溴化锂机组。茬原制作所、川崎 重工、三洋电机、矢崎总业、同立制作所等5 家近期丌发了g a s p a c 燃气总装 吸收式冷热水机组。这种机组将吸收式冷热水机与冷却塔置于一体，制冷量范围 为7 0 3 5 0 k w ( 6 - 3 0 万k c a l h ) ，使用对象为面积4 0 0 3 0 0 0 m 2 的中小规模建筑。 俄罗斯溴化锂制冷机的最高年生产量为1 5 0 - - , 2 0 0 台左右。6 0 年代采用钢筒、 钢管结构，但腐蚀严重，寿命短，平均寿命1 5 年左右。7 0 年代改用铜管，主要 生产厂是莫斯科压缩机厂、奔萨化工机械厂等。根据俄罗斯的气候条件，空调主 要以采暖为主，因此，主要生产的机型是：单效溴化锂吸收式制冷机、热水型溴 化锂吸收式制冷机、以及热泵型溴化锂吸收式制冷机。采用溴化锂吸收式制冷机 采暖比采用锅炉采暖无疑有更高的热效率。 我国在2 0 世纪6 0 年代进行了溴化锂溶液物性、腐蚀性和传热性能的基础试 验研究，于1 9 6 6 年底由上海第一冷冻机厂、上海7 0 4 研究所、合肥通用机械研 究所等单位联合试制了国内第一台蒸汽型单效溴化锂吸收式冷水机组，并获得成 功。7 0 年代末到8 0 年代中期，我国利用丰富的煤资源，在工业领域推广应用蒸 汽型溴化锂吸收式冷水机组，缓解了用电紧张的矛盾，满足了生产发展的需要。 在此基础上，为了节约吸收式制冷桃的能耗，1 9 8 2 年我国第一台正式鉴定的蒸 汽双效机组试制成功，从此以后，该机型开始了商业化生产，并在很长的一段时 间内占据着我国溴化锂吸收式制冷机产量中的大部分，到现在也是如此。其品种 很齐全，使用的蒸汽压力与制冷量均己形成了系列产品，而且它的生产技术也非 常成熟。我国还在1 9 8 4 年制成了第一类溴化锂吸收式热泵工业样机，1 9 8 9 年开 始热水型单效溴化锂吸收式冷水机组的商业化生产。1 9 9 2 年成功试制了我国第 一台3 5 0 k w 的直燃式溴化锂吸收式制冷机。以1 9 9 4 年的第一届全国溴化锂制 滨化钝溶液舀：水、卜螺旋楷管壁血降膜吸收过程的数值研究 冷机、空调热泵机组技术展览会为标志，我国- 丌始直燃型溴化锂冷热水机组的 商业化生产，并且在大型建筑和工业领域大规模推广应用。 这些年来，国产溴化锂吸收式制冷机的产量增加很快。1 9 8 8 年还只有1 0 3 台，发展到1 9 9 2 年为7 0 0 台，1 9 9 3 年为1 0 0 0 台，而1 9 9 4 年猛增为2 0 0 0 台， 1 9 9 5 年为2 5 0 0 台，1 9 9 6 年为3 0 0 0 台，1 9 9 7 年为3 5 7 0 台左右，产值占我国中 央空调冷源机组总产值的五分之二以上，随后产量则逐年下降，稳定在年产量 2 5 0 0 - 3 0 0 0 台左右。当前，我国在溴化锂吸收式制冷机的生产和应用方面己居世 界第二位。 1 2 4 溴化锂吸收式制冷技术发展趋势 近年来，有关溴化锂吸收式制冷相关技术的研究十分活跃，国内外都有大量 研究论文发表。从发表的文献来看，溴化锂制冷机组的研究主要集中在以下几个 方面： 1 、循环型式，流程和新产品r 丌发的研究 目的溴化锂吸收式制冷循环型式的发展可以分为两个方问，即：单纯吸收式 制冷循环和复合吸收式制冷循环。 单纯吸收式制冷循环指的是只有吸收式制冷而无其它制冷方式的循环型式， 如使用气泡泵代替传统的机械溶液泵的无泵制冷循环【2 - 4 ，及单压吸收式循环， 适合于利用太阳能和低温、排热等低势热能的两级改进型循环【5 1 、单双效结合的 制冷循环旧，两次提升吸收的单效循环 t j ，还有三效型逆串联t c ( t r i p l ec o n d e n s e r ) 式制冷循环【8 】以及各种多效循环、复叠吸收式制冷循环等。复合吸收式制冷循环 采用吸收式制冷和其它制冷方式相结合的方法，如吸收一喷射制冷循环、增压吸 收式循环【9 】、再压缩吸收式( a b s o r p t i o n r e c o m p r e s s i o n ) 制冷循环【i0 1 1 、吸附二吸收 复叠式三效制冷循环【1 2 1 、双级复合式吸收制冷循环等。 2 、工质物性的研究 由于新技术的采用，实验水平有了较大提升，同时也因为工况范围扩大的要 求，对溴化锂溶液物性进行深入研究受到许多研究者的重视。这些研究成果不但 提供了精确的物性数掘，还提供了大量物性计算程序，研究工质物性的另一个目 的在于寻找新工质。此类研究的范围又从物性研究扩展到将新工质用于制冷循环 溴化钾溶液袖冰y - 螺旋丰凸管壁面降膜吸收过程的数值研究 的实验研究和计算机仿真研究。特别是在吸收式热泵系统中，l i b r - h 2 0 工质对 吸收能力不足而且容易发生结晶。为此许多学者对l i b r - z n c l 2 h 2 0 三工质对、 l i b r - z n c l 2 c a c l 2 h 2 0 四工质对、以及l i c i h 2 0 ，n h 3 n a s c n l i b r - h 2 0 等工 质对进行了大量研究。尽管上述新工质对在某些方面较l i b r - h 2 0 有所改善，但 都还存在一些问题。近期内尚不能在实际机组中推广。然而由r 本三洋电机株式 会社所研究的t f e - n m p 工质对和由三菱重工所研究的t f e e 1 8 1 工质对目前均 己达到实用化的程度。这两种工质对具有工作温度范围广，使用场合不受限制， 在真空状态下工作安全性好等优点，是目前j 下在使用的吸收式制冷工质对所无法 比拟的，因而具有非常良好的应用前景【】。 3 、换热设备强化传热技术 在吸收式制冷机中，吸收器是一个至关重要的部件，它的传热面积约占机组 总传热面积的4 0 ，其传热传质性能对整个机组经济性的影响很大，因此吸收过 程传热传质的强化一直是国内外有关研究的主要着眼点之一。迄今己有公开报导 的强化技术有： 1 ) 改进吸收式制冷型式 在溴化锂吸收式制冷系统中吸收器承担看传热和传质两方面作用。传统的 吸收器多是以降膜吸收为主，研究对象主要局限在竖板、斜板、竖管、水平管和 水平管束。由于目前降膜吸收器的传热、传质系数偏低，使降膜吸收器的尺寸偏 大，影响了整个机组的结构和尺寸，开发研究新型吸收器己成为当务之急。 有人提出了空冷循环的吸收器【1 6 3 和风冷或水冷循环的喷雾吸收器【1 刀两者 都是预冷却绝热吸收循环，将传热和传质过程分开进行，使传热和传质同时得到 强化，使空冷机组的初投资和运行具有经济性，使溴化锂吸收制冷机达到小型化 的目的。 2 ) 添加别面活性剂，改进表面吸收性能 为了寻找更有效的表面活性剂，对吸收器的吸收机理和表面活性剂的强化机 理有一个清晰的了解是十分必要的。表面活化剂对吸收过程的强化作用和马兰格 尼对流效应( m a r a n g o n ic o n v e c t i o n ) 关系密切。它利用在降膜表面产生的 m a r a n g o n y 对流强化液膜内部传递过程。国内也有一些学者做了相关的实验研究 和理论分析，以l j 的学者都把注意力集中到了溶液中添加剂( 表面活化剂) 澳化钏溶液柚：水r 螺旋把管壁卣降膜吸收过程的数值研究 的强化作用，但实验有力的说明，马兰格尼效应中，气态的添加剂更为重要。因 而，在实际机组的运行中，要保证吸收器和蒸发器中有足够的添加剂蒸汽，就要 从设计上保证系统中添加剂能够顺畅循环，不在某些部位( 如蒸发器底部) 积累， 便可有效的防止机组运行中冷量的减少。 3 ) 新型换热技术 吸收器管型的种类很多，而且同一类管型中不同的结构或几何尺寸的变化对 强化效果影响较大。鉴于强化机理十分复杂，建立相应的机理模型难度很大，目 前关于强化管的研究主要以实验研究为主。吸收器的强化管型一般有纵槽管、斜 槽管、网状沟槽管、c c s 管等，有的研究人员对d n d 管、d a c 管、x c 管、n d 掣2 川及花瓣管、二维恒曲率表面管等型管外降膜吸收过程进行了实验研究，结果 表明，在同样操作条件下，立式降膜吸收比水平管束降膜吸收的传热膜系数高出 的幅度达3 0 3 0 0 ，有的采用立式降膜型竖直板翅通道的高效交换器，并将膜反 转技术口1 l 和板式降膜吸收相结合，丌发一种新型式的膜反转板式降膜吸收器【2 2 l 。 此外，还有1 9 9 8 年欧盟j o u l e 项目中由一绝热喷射吸收装置与液液光板换热器 组合而成的吸收器【2 3 】g o r - b i n t s a i 提出了一种有源加强传质传热技术( a na c t i v e e n h a n c e m e n tt e c h n i q u e ) 在吸收器内添加一振动屏装置以增加湍流度来达到强化 吸收的目的，其实验结果的强化系数可达4 0 t 2 4 1 。 强化管在冷凝器和溶液热交换器的使用条件、强化机理等与在一般水冷冷凝 器和水一水换热器中使用时的情况相似，以静己经对其传热特征进行了较多的研 究，所以目前关于强化管的研究除了吸收器外，还主要是针对发生器管、蒸发器 管等发生相变的高效传热管【2 5 】。 1 3 吸收器中降膜吸收的研究历史和现状 如前所述，无论是从体积还是性能来看，吸收器都是以废热驱动的吸收式制 冷系统中最重要的一个部件。在所有部件中，吸收器的体积最大，传热传质的机 理最复杂j 在很大程度上影响到整个系统的性能。一般来说，由于在液膜流动区 有较高的传热系数以及实现方便等因素，降膜吸收是比较认可的吸收模式。因此， 特别是在最近的3 0 年中，人们对于降膜吸收复杂的传热传质现象做了大量的研 究。但是，由于传热传质的相互耦合及其复杂性，建立一个有用的数学模型，对 演化钝溶液枉水f 螺旋榴管壁面降膜吸收过程的数值研究 吸收过程作出理论上的研究成了一个很复杂的工作。 最先对竖壁降膜吸收作出大量工作的是n a k o r y a k o w 和g r i g o r e v a l 2 6 2 7 1 。 如前所述，由于传热和传质的相互耦合，使得吸收现象的研究极为复杂。通过一 些必要的假设，他们的研究得出了一些比较有趣的结论：除了边界条件( 入口浓 度、温度、壁温和平衡常数) ，一定工况下的溶液依赖于下面4 个无量纲数：l e w i s 数如，l e = d a n 口；p r a n d t 数p r ，p r = u a ：r e n o l d 数r e ，r e = 4 u d ； 无量纲数组 。口印，其中h 。为吸收潜热。 k h o l p a n o v 2 8 】做出了与n a k o r y a k o w 颇为相似的分析，但他考虑了汽液界面上 剪切应力和表面张力的影响。 g r o s s m a n 2 9 3 0 】用了一个不同的假设，在等温的情况下，入口处的液膜厚度 等于壁温，因此壁面没有热边界层，唯一的边界层是从汽液界面向内发展的，他 提出，吸收热为一常数。这一假定是非常合理的，因为这一热量随温度、浓度的 变化是很小的，而且相变焓是吸收热的主要来源。 h n d b e r g 和v l i e t 3 1 1 第一次为水平管降膜吸收建立了模型。他们认为，由于 扩散引起的能量变化不可以忽略。并且发现，溶液质量流率是唯一一个对吸收所 需长度有重大影响的变量。 他们去除了液膜中水无限稀释这一假定。因而提出，在总管数的1 3 之后， 显著的吸收才发生。然而，k a d w a g i 3 2 1 和e n d e r b y 3 3 1 在最近的实验中证实，a n d b e r g 在大多数文献中应用的传质扩散系数比实际值高很多。 l eg o f f 3 4 对前人的研究做出了总结。k a w a es h i g e c h i 3 5 】考虑到了物性可变， 指出其对于结果的影响很小，特别是在入口附近。比如，1 0 m 高的竖壁，总吸收 量只比假定常物性时的吸收提高5 。 c h o u d h u r y 与h i s a j i m a 3 6 】报道了与a n d b e r g 类似的水平管外降膜吸收的情 况。他的模型与h n d g e r g 不同之处在于假设常物性，不基于边界层的水力学公式， 以及等管壁温。从而得出了结论：最优吸收率将会发生在某一低流速的情况，这 取决于吸收管直径的大小。 l u ，l i t 明发展了水平管外层流液膜的吸收模型。其假设与c h o u d h u r g 和 a n d b e r g 相似；他们也假定物理性质为常数，在恒定的传热系数下的冷凝温度恒 定。他认为，液膜在管子顶部有一个初速度，在数值上等于液体在管间自由落体 1 1 溴化钮i ；：f 液d ：水卜螺旋楷管壁面降膜吸收过程的数值研究 的速度，但他忽略了液膜在管子顶部撞击的影响。同样，入口温度和浓度分布一 致，但没有必要和气体平衡。l u ，l i 用一根光管和两根螺旋管做试验，提出了 两个模型系数：有效湿润面积系数和传质强化系数。经过研究发现，只有螺旋管 在最高流速( r ，= 3 6 ) 时可以完全湿润。而光管的有效湿润面积系数只有4 0 。光 管的传质强化系数在各种情况下都等于l ，而螺旋管的传质强化系数高达8 。 c o n l i s k 和m a o 3 8 1 考虑了进入水平管外最开始浓度为常数的液膜的情况。在 这种情况下，没有液膜进入系统，但溶液是时间的函数。随着时间的流逝，在吸 收气体的同时，管壁周围的液膜由于重力作用而松弛。他们认为l i b r h 2 0 溶液 的液膜性质是经典的n u s s e l t 溶液，尽管液膜厚度随时间在每一点都不一样。 y a n g 3 9 1 对于管外套丝网的吸收情况进行了详细的研究，指出吸收率在 r e n o l d 数大于6 0 时得到强化，但没有考虑到加丝网以后湿润性能的改善。 c o n l i s k 4 0 4 1 1 研究了竖直螺旋管的吸收情况。为了简化溶液的水动力学特性， 忽略了表面张力的影响。在他的模型中，也包括恒定传热系数下向冷媒水传热。 他的研究指出，吸收率的强化不是很明显。 虽然k i r b y 和p e r e z - b l a n c o 4 2 】用了假想的传质系数柬简化分析，但他们是 第一次把水平管吸收器的基本特征如互相联系的液膜流的影响、液滴形成、液滴 下落都考虑进来的人。他们把管上的液膜分为三个区：膜流区、液滴形成区、液 滴下落区，得出了各个区的传质系数关系式。用了两个传热关系式，一个用于管 子内部冷却，另一个用于降膜。他们指出，大部分传质发生在液滴形成区，传热 发生在绕管子的膜流动区。另外，吸收明显提升了两管间的温度。 j i n k y e o n gk i m ，y o n gt a ek a n g ，c h a nw o op a r k 4 3 1 等人对于表面经过微处理 的水平管外降膜吸收进行了详细的研究。他们认为，降膜吸收有利于传热传质的 强化，但是光管的湿润能力有限，使得光管吸收的传热系数下降。在外管壁进行 了不规则的粗糙处理以后，可以提高管子的湿润性能，从而极大地提高传热和传 质。 f r a i db a b a d i 和b i j a nf a r h a n i e h m 】把液膜厚度和速度场建立在n u s s e l t 方程和连续方程之上，通过汽液界面上的边界条件的建立，同时解开了互相耦合 的能量和扩散方程。 演化钝溶液袖冰r 螺旋榴管壁血降膜吸收过程的数值研究 1 4 本课题的研究内容 综合以上的研究可以发现，由于吸收过程本来的复杂性，以及传热传质的相 互耦合，使得吸收器中的行为极为复杂。对于降膜吸收的理论研究，大多数都还 停留在光管的层面上。而对于各种强化管在吸收器中降膜吸收的研究，大部分是 通过工业试验的方法采集实验数掘，采用数值分析拟合的方式，从实用出发导出 经验计算公式，而从其机理上研究得并不多。因此，从理论上研究强化管在吸收 器中的行为，就显得特别重要。 本研究的目的就是从理论上探求水平螺旋槽管在溴化锂溶液降膜吸收过程 中的传热传质强化机理，为吸收器的设计提供理论依据。这对于紧凑化吸收器的 结构、降低吸收器的成本具有理论的指导意义。 在总结国内外专家学者研究成果的基础之上，本文主要做了以下几方面的工 作： ( 1 ) 建立了溴化锂溶液在水平螺旋槽管外降膜流动的数学模型，并得出 了液膜流动速度和液膜厚度的解析解。 ( 2 ) 在求解出的液膜厚度解析解的基础之上，分析了不同的螺旋管参数 对于液膜分布的影响。 ( 3 )对溶液在水平螺旋槽管外降膜吸收的模型做出简化，从而得到了液 膜的传质控制方程的解析解。并针对与给定工况下的吸收情况，进行了数值分 析。 溴化钝蟊= f 液杠水、r 蝶旋楷管壁血降膜吸收过程的数值研究 2 溴化锂溶液在水平螺旋槽管壁面降膜形成分析 2 1 溴化锂溶液在水平螺旋槽管壁面降膜吸收的物理过程分析 水平螺旋槽管外降膜吸收，是指高浓度的溴化锂溶液在水平螺旋槽管上面喷 淋，并在螺旋槽道表面形成分布均匀的液膜。蒸汽通过溶液表面吸收进入溴化锂 溶液，同时释放出相变潜热。另一方面，螺旋管内部流有冷却水，吸收产生的热 量被冷却水带走，从而形成持续的吸收。 螺旋槽管指外壁面刻有单头或多头螺旋状槽道的圆管。根据螺旋槽管的基本 知识，吸收液体进入螺旋槽道后，在重力和表面张力的作用下，形成均匀的液膜。 溶液在水平螺旋槽管表面降膜吸收的过程如图2 1 所示。 圈2 - 1 溴化锂溶液降膜吸收示意图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ff a l l i n gf i l ma b s o r p t i o no fl i b r - h 2 0 s o l u t i o n 溴化锂溶液在水平螺旋槽管壁面降骥吸收过程的数值研究 2 2 水平螺旋槽管壁面的正交曲线坐标系 2 2 1 水平螺旋槽管表面几何形状 圈2 - 2 螺旋槽表面的几何形状 y 图2 - 3 正交曲线坐标系 f i 9 2 - 2 g m c i r yo f as p i r a l l yf l u t e dh o r i z o n t a lt u b e f i g 2 - 3t h eo t t h o g o n a lc u r v i l i n e m s y s t c m 状的凹槽，而且槽道的横断面垂直于螺旋线。根据文献【4 5 1 ，此处取一种比较经典 的螺旋槽道。假定槽道表面的横截面形状可以利用类似圆柱的表面曲率k ：来描 述。并且横截面的形状可以用迪卡尔坐标系g ，y ，z ) 描述为参数方程 x ：= x g ) ，y ：= y g ) ，即有隐函数形式以= 厂g ：) ，则螺旋槽外表面的槽道表 面曲率k ：的表达式为： 刳2 + ( 钎 防- ， e h 曲线单位切向量的定义得： 2 + ( 簪 2 = 协z ， 联立( 2 1 ) 和( 2 2 ) ，并积分得到和z 的表达式为： j x ：21 8 i n k s 凼+ x 。 ( 2 3 ) 【y ：= f c 洲；d s