垂直降膜式吸收機(jī)內(nèi)布液器的實(shí)驗(yàn)研究

孫 健 胡 鵬 付 林

(清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系 北京 100084)

吸收式熱泵是一種利用低品位熱源、實(shí)現(xiàn)將熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩幢盟偷难h(huán)系統(tǒng)，是一種回收利用低位熱能的有效裝置，由于其具有節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的雙重作用，正逐漸成為一項(xiàng)節(jié)能減排的重要技術(shù)。吸收器作為吸收式熱泵的重要組成部件，其傳熱傳質(zhì)系數(shù)要遠(yuǎn)低于其他部分，所以如何提升吸收器的傳熱與傳質(zhì)系數(shù)，成為國(guó)內(nèi)外研究重點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)的吸收式熱泵采用的都是管外水平降膜的方式，這里研究的垂直降膜方式與水平降膜比較有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)工質(zhì)在裝置內(nèi)流經(jīng)時(shí)間短；2)傳熱溫差小，熱損失小；3)同樣工況下有更高的傳熱傳質(zhì)系數(shù)；4)機(jī)組占地面積小。

從這些優(yōu)點(diǎn)可以看出，垂直降膜機(jī)組有著更廣闊的發(fā)展前景，但是目前鮮有對(duì)其布液器性能的研究，這已成為制約其發(fā)展一個(gè)重要因素，這里制作了不同型號(hào)的布液器，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較以優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化后的布液器已經(jīng)被成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)首臺(tái)供熱量為1.3MW垂直降膜式吸收式熱泵機(jī)組樣機(jī)。

1 布液器樣品概述

吸收機(jī)里為了提高傳熱傳質(zhì)系數(shù)，LiBr水溶液大都采用噴淋方式，常用的方式有兩種：

1)噴嘴噴淋方式。溶液在一定壓力作用下經(jīng)噴嘴物化，形成均勻的霧滴，噴淋于傳熱管上。噴淋的壓力一般是借助于發(fā)生器和吸收器之間的壓力差或借助于專用的溶液噴淋泵。

2)淋激式噴淋方式。該系統(tǒng)通常是將溶液流過(guò)鉆有許多小孔的淋板，噴淋在傳熱管上。淋板有壓力式和重力式兩種。

由于方式1)往往需要外界提供壓力，不利于節(jié)能，而且液膜分布不夠理想，而方式2)是將濃溶液淋在冷卻水管外壁，對(duì)于水平放置的管束而言，溶液不能?chē)娏艿焦鼙诘南路絽^(qū)域，造成傳熱面積的浪費(fèi)。所以人們提出冷卻水從傳熱管內(nèi)壁縱向流動(dòng)，濃溶液依靠自身的重力沿傳熱管外表面垂直降膜吸收的方式，以期能解決上述遇到的問(wèn)題。垂直管外降膜式熱質(zhì)傳遞設(shè)備的結(jié)構(gòu)大致上類似于固定管板式列管換熱器, 只是在傳熱管上端安裝布液器。文獻(xiàn)[1]中提出了一種螺旋溝槽布液器形式，但是沒(méi)有提出其合適的具體參數(shù)，因而缺乏實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。這里的目的即為通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)對(duì)比，提出具體合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以用于指導(dǎo)實(shí)際機(jī)組的設(shè)計(jì)。布液器與傳熱管的連接形式如圖1所示。

圖1 管外布液器與銅管的連接方式Fig.1 Connection of distributor with copper pipe

圖2 布液器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of liquid distributor

圖2為管外布液器剖面圖，其外觀為圓柱形，內(nèi)表面上加工切向螺旋狀溝槽，而切向溝槽下方加工導(dǎo)流環(huán)隙。溝槽內(nèi)的液體受到毛細(xì)力和重力的雙重作用沿著溝槽流下，在導(dǎo)流環(huán)隙作用下能沿管外壁順利的成膜狀分布。

由圖2，布液器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有溝槽深度a、溝槽寬度b、溝槽數(shù)目n、布液器高度e、導(dǎo)流環(huán)隙內(nèi)徑R、導(dǎo)流環(huán)隙外徑R0、導(dǎo)流環(huán)隙高度h、以及切向旋轉(zhuǎn)溝槽角度β。

由于切向溝槽的限流作用，其流通面積越小，數(shù)目越多，越有利于液體均勻的分配；但流通面積過(guò)小，溝槽易被液體中雜物堵塞，而且加工困難。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)比較，通道數(shù)取3～5個(gè), 每通道的流通截面積取3.5～6.0mm2較為合適。實(shí)驗(yàn)中取單個(gè)流通截面積為4.5mm2，槽深為1.5mm，槽寬為3mm。

實(shí)驗(yàn)采用的布液器和實(shí)際機(jī)組的布液器材料均為聚四氟乙烯，該材料有易于加工、耐高溫等優(yōu)勢(shì)，保證了其在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行下不會(huì)老化變形。由于該材料不透明，為了直觀顯示其內(nèi)部的流道，制作的與實(shí)際應(yīng)用的布液器尺寸完全一致的透明塑料模型如圖3所示。

圖3 布液器模型圖Fig.3 The model of liquid distributor

實(shí)驗(yàn)的布液器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1：

表1 實(shí)驗(yàn)中使用的布液器參數(shù)Tab.1 Parameter of different liquid distributor

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4。由于實(shí)際機(jī)組中溶液靠自身重力流動(dòng)，所以實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)沒(méi)有設(shè)置水泵，為保證裝置2中流動(dòng)壓頭恒定，容器2始終保持滿液狀態(tài)。

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.4 The equipment fi gure of experimentation

調(diào)節(jié)1供給管道上閥門(mén)開(kāi)度，使得2始終充滿溶液，2的溢液流入3中。調(diào)節(jié)5使得6中的液面穩(wěn)定在不同的高度以便測(cè)量。

測(cè)量純凈水的流量采用的是浮子流量計(jì)，由于吸收式熱泵內(nèi)單根管束的流量較小，故選定型號(hào)為DFM165，量程為5～60L/h。

用液壓打孔機(jī)在6底部打孔，將7嵌入孔中，確保布液器與孔之間沒(méi)有空隙。在6中垂直液面放入直尺讀取靜液柱高度h，記錄不同液面高度時(shí)候的流量。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程

調(diào)節(jié)5的開(kāi)度使得6內(nèi)的液面穩(wěn)定在不同高度，通過(guò)對(duì)管束布液情況觀察判定布液是否圓滿、均勻、穩(wěn)定，并記錄下布液良好時(shí)對(duì)應(yīng)的靜液柱高度范圍。

在實(shí)際機(jī)組中，要求布液器的流率要大小合適，如果太大，溶液不能與冷卻水充分換熱，而且溶液容易飛濺；如果太小，則溶液循環(huán)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，機(jī)組性能下降。為保證最佳的吸收效果，需測(cè)量靜液柱高度H與實(shí)際液體流率Γ之間的關(guān)系。靜液柱高度指的是容器6的液面到容器6底部的距離。而實(shí)際液體流率的定義為管壁單位周邊長(zhǎng)度、單位時(shí)間內(nèi)流下的液體量：

式中：Qm—質(zhì)量流量，單位kg/h；

R —導(dǎo)流環(huán)隙內(nèi)徑，單位m。

靜液柱高度與布液器的流量是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中分別對(duì)4種布液器分組進(jìn)行測(cè)量，介質(zhì)分別為純凈水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的溴化鋰水溶液，換熱管分別為光滑銅管和強(qiáng)化換熱管(外表面做麻面處理)。

由于浮子流量計(jì)是針對(duì)水設(shè)計(jì)的，其測(cè)量原理決定了不能直接測(cè)量溴化鋰水溶液流量，所以使用精度為0.1kg的臺(tái)秤和計(jì)時(shí)器用稱重法測(cè)量溴化鋰水溶液的質(zhì)量流量。為了保證測(cè)量必須的精度，所以適當(dāng)延長(zhǎng)每次測(cè)量的時(shí)間間隔，實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)間隔為5分鐘。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

依據(jù)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)、布液器型號(hào)和管束不同分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

4.1 介質(zhì)為純凈水

選擇I號(hào)、II號(hào)布液器對(duì)Φ19的紫銅光管進(jìn)行管外降膜實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)對(duì)比如圖5所示：

圖5 I號(hào)與II號(hào)布液器數(shù)據(jù)Fig.5 Experimental data of I&II liquid distributor

圖6 III號(hào)與IV號(hào)布液器數(shù)據(jù)Fig.6 Experimental data of III&IV liquid distributor

選擇III號(hào)、IV號(hào)布液器對(duì)Φ25的紫銅光管進(jìn)行管外降膜實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示：

由于II號(hào)布液器比I號(hào)布液器多一個(gè)槽，同樣靜液柱高度下，流量明顯增大，就布液效果來(lái)看，兩種布液器在光管表面都不能完整穩(wěn)定布液，II號(hào)布液較I號(hào)圓滿。

4.2 介質(zhì)為L(zhǎng)iBr水溶液

對(duì)Φ19的紫銅光管進(jìn)行管外降膜實(shí)驗(yàn)，I號(hào)、II號(hào)布液器數(shù)據(jù)對(duì)比如圖7所示：

圖7 I號(hào)與II號(hào)布液器數(shù)據(jù)Fig.7 Experimental data of I&II liquid distributor

圖8 III號(hào)布液器數(shù)據(jù)Fig.8 Experimental data of III liquid distributor

圖9 溶液在強(qiáng)化管壁均勻分布Fig.9 Solution distributs uniformly on the surface of enhancement pipe

采用III號(hào)布液器對(duì)Φ25紫銅光管的管外降膜實(shí)驗(yàn)，由于IV號(hào)布液器僅與III號(hào)導(dǎo)流環(huán)隙尺寸不同，因而流動(dòng)阻力一致，所以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與III號(hào)一致，數(shù)據(jù)如圖8所示。

對(duì)于強(qiáng)化管而言，LiBr水溶液在管表面分布均勻，而對(duì)于光滑銅管，布液均達(dá)不到均勻穩(wěn)定，干區(qū)和死區(qū)較多。由于LiBr水溶液粘度大等原因，同樣條件下，LiBr水溶液的布液情況要好于水。如圖9所示，左圖為單管實(shí)驗(yàn)的照片，右圖為機(jī)組運(yùn)行時(shí)的照片，由于銅管表面的麻面紋對(duì)溴化鋰溶液有很好的導(dǎo)流作用，防止了壁面干區(qū)和死區(qū)的產(chǎn)生，溶液在壁面各處覆蓋均勻，流動(dòng)穩(wěn)定。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)論及分析

以純凈水和LiBr水溶液為工質(zhì), 測(cè)定了各自流量與靜液柱高度的關(guān)系。由于強(qiáng)化管表面流動(dòng)阻力大于光管，在相同液體流率下，強(qiáng)化管的靜液柱高度大于光滑銅管靜液柱高度。

目前國(guó)內(nèi)的吸收式熱泵內(nèi)多采用強(qiáng)化管，所以分析了垂直降膜式熱泵中所選布液器的LiBr水溶液流量系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系，為此類機(jī)組設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

參照管內(nèi)降膜切線孔式布液器, 流量系數(shù)定義為：

式中：V —體積流量，單位m3/s；

s1—切向旋轉(zhuǎn)溝槽截面積，單位m2；

H —靜液柱高度，單位m。

將流量系數(shù)與雷諾數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián), 以切向溝槽當(dāng)量直徑計(jì)算的雷諾數(shù)為：

式中：de—當(dāng)量直徑，單位m；

u —切向溝槽內(nèi)平均流速，單位m/s；

ρ —溴化鋰溶液密度，單位kg/m3；

μ —溴化鋰溶液動(dòng)力黏度，單位Pa.s。

分析計(jì)算過(guò)程中的LiBr水溶液的物性參數(shù)是通過(guò)EES軟件中的物性函數(shù)算出。

而當(dāng)量直徑為：

式中：a —溝槽深度，單位m；

b —溝槽寬度，單位m。

切向溝槽中的平均流速為：

式中：V —體積流量，m3/s；

n —溝槽數(shù)目。

利用EES軟件擬合各個(gè)型號(hào)的布液器得到C0和Re之間的關(guān)系式，相關(guān)系數(shù)為0.99。

表2 布液器流量系數(shù)與雷諾數(shù)的函數(shù)關(guān)系Tab.2 Function relation between fl ow-rate coef fi cient and reynold number

總之，無(wú)論哪種布液器，都難以讓溶液在光管表面均勻穩(wěn)定流下，干區(qū)和死區(qū)較多，過(guò)渡段距離比較大，布液不均將造成傳熱面積的浪費(fèi)，從而降低機(jī)組的性能。在增加布液器槽數(shù)后布液效果有所改觀，但是布液仍不夠穩(wěn)定，所以建議在實(shí)際機(jī)組中使用強(qiáng)化管。布液器設(shè)計(jì)采用優(yōu)化后的參數(shù)，推薦槽數(shù)3～5個(gè)，單通道的流通截面積取3.5～6.0mm2，旋轉(zhuǎn)溝槽角度25～35°，靜液柱高度不低于60mm，以便最大程度實(shí)現(xiàn)布液均勻穩(wěn)定以提高傳熱傳質(zhì)系數(shù)。同時(shí)也要注意強(qiáng)化管容易積垢，不易于清洗，污垢形成后會(huì)大為降低傳熱系數(shù)的問(wèn)題，因此要注意機(jī)組內(nèi)部的清潔，避免管束上沾有雜質(zhì)和油污。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為垂直降膜式吸收式熱泵布液器設(shè)計(jì)提供依據(jù)，所研制的布液器已經(jīng)成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)首臺(tái)供熱量為1.3MW垂直降膜式吸收式熱泵機(jī)組樣機(jī)，該熱泵有兩級(jí)蒸發(fā)器和吸收器，發(fā)生器采用190℃/0.4MPa過(guò)熱水蒸氣做為熱源，蒸汽流量為717.3m3/h，冷卻水進(jìn)出口溫度為35/40℃，冷卻水流量52.6m3/h，熱水進(jìn)出口溫度為75/90℃，熱水流量為72.3m3/h，吸收器傳熱系數(shù)為1325W/(m2.K)，整體COP為1.31，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。而且由于垂直降膜吸收器管排緊湊、蒸發(fā)器與吸收器合二為一等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，能夠顯著減少機(jī)組占地面積和系統(tǒng)電耗。

(本文受北京市科技計(jì)劃：利用電廠循環(huán)水余熱的供熱技術(shù)研究與應(yīng)用示范(D07040600560701)項(xiàng)目資助。The project was supported by the Key Projects of the Beijing Municipal Science and Technology Plan(D07040600560701).)

[1]Uddholm,Setterwall F.Model for dimensioning a falling fi lm absorber in an absorption heat pump[J].Int J Refrig,1988,11:41-45.

[2]辛長(zhǎng)平.溴化鋰吸收式制冷機(jī)實(shí)用教程[M].電子工業(yè)出版社, 2004.

[3]陳沛.垂直管外降膜吸收傳熱傳質(zhì)過(guò)程強(qiáng)化的研究[D].大連理工大學(xué), 2000.

[4]史曉平,胡修茲,趙景利.豎管降膜蒸發(fā)器的布料裝置[J].化學(xué)工程, 1990, 18(4): 14-18.(Shi Xiaoping, Hu Xiuci,Zhao Jingli.Liquid distributors for falling fi lm evaporator with vertical tubes[J]. Chemical Engineering. 1990,18(4):14-18.)

[5]趙景利, 史曉平, 朱玉峰, 等. 豎管降膜蒸發(fā)器多層篩板液體分布裝置的研究[J].化工機(jī)械,1995,22(3):125-12 7.(Zhao Jingli,Shi Xiaoping,Zhu Yufeng,et al.Study of a liquid distributor with multilayer sieve traysot falling fi lm evaporators with vertical pipes[J].Chemical Engineering& Machinery.1995,22(3):125-127.)

[6]朱玉峰, 司孟華.降膜蒸發(fā)器內(nèi)多層噴淋盤(pán)式分布器研究[J].化學(xué)工程,2002,30(4):25-27.(Zhu Yufeng,Si Menghua.Study on multilayer sprinkling tray distributor of falling-film evaporator[J].Chemical Engineering,2002,30(4):25-27.)

[7]戴永慶.溴化鋰吸收式制冷技術(shù)及應(yīng)用[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,1996.