梁斌夏利江單元猛劉楠王歡

1青島騰遠設計事務所有限公司

2魯東大學食品工程學院

豎直螺旋盤管降膜吸收器設計及實驗研究

梁斌1夏利江2單元猛2劉楠2王歡2

1青島騰遠設計事務所有限公司

2魯東大學食品工程學院

本文對豎直螺旋盤管降膜吸收器進行設計，并利用數學模型對螺旋盤管降膜吸收器吸收及換熱過程進行分析。通過實驗研究獲得螺旋盤管吸收器吸收過程相關特性。獲得的結論對于螺旋盤管吸收器的設計具有一定的指導意義。

螺旋盤管 降膜 吸收器 熱質傳遞

吸收器是吸收式制冷系統的重要組成部分，其傳熱傳質特性對整個機組的性能影響很大。傳統的吸收器多采用水平管束的降膜吸收方式，它的顯著特點是能在較小的液流量和較小的溫差下獲得較高的傳熱系數和熱流密度，但是水平管束布置對機組的小型化非常不利[1]。螺旋管換熱器具有結構緊湊、傳熱強度高和加工制作簡單等優點，在傳熱中得到廣泛應用。近年來國內外利用螺旋盤管換熱器發展出一系列緊湊式換熱器[2～3]。螺旋盤管換熱器也為吸收器的小型化提供了一個發展方向，國外O.Kaynakli1[4]等利用數學模型對螺旋盤管吸收器進行了理論分析。為了進一步獲取螺旋盤管吸收器的工作特性，本文對垂直螺旋盤管吸收器進行設計，并利用試驗臺對其進行實驗研究，為吸收器優化設計提供參考。

1 垂直螺旋盤管吸收器結構及工作原理

垂直螺旋盤管吸收器結構如圖1所示。選用水-溴化鋰溶液，以水為制冷劑的吸收式制冷系統的吸收器進行研究。溴化鋰濃溶液經過吸收器頂部的溶液分布器后，沿著螺旋盤管外壁均勻落下。溴化鋰濃溶液在降落的過程中，吸收來自蒸發器的飽和或過熱蒸汽，吸收過程中產生的熱量傳遞給螺旋盤管內的冷卻水并被帶走，最后獲得低濃度溴化鋰的稀溶液。冷卻水流動方向為從螺旋盤管底部流入，從頂端流出。

圖1 螺旋盤管管吸收器示意圖

2 吸收器數學模型建立及分析

吸收器的吸收過程包含著自然現象中普遍存在的因濃度、溫度和動量三種不平衡因素而引起的傳輸過程，它們相互影響，因此在計算過程中需要同時考慮吸收溶液的傳熱、傳質問題[5]。

2.1 吸收器熱量傳遞過程

吸收過程，在溶液和冷卻水之間存在三種熱阻：冷卻水側對流換熱，銅管的熱阻和溴化鋰溶液的降膜熱阻。總的熱傳遞系數的獲得需要考慮到三種熱阻的影響。

冷卻水側對流換熱系數hc可以使用下列螺旋盤管中紊流的相互關系決定[4]：

式中：Nuc為努塞爾數；kc為導熱系數；Re為雷諾數；Pr為Prandtl數；R為螺旋盤管螺旋半徑；di為管徑；ri為螺旋盤管內徑。

螺旋盤管冷卻水側單個螺旋圓周的接觸面積為：

溶液側對流換熱系數：

式中：δ為平均降膜厚度；us為濃溶液動力粘度，Pa·s。

由于螺旋盤管表面不是完全潤濕的，當溶液液滴降落到近似水平的盤管上表面后形成降膜，降膜在管的兩側各形成一個近似三角形的潤濕區域（圖2）[4]。

圖2 潤濕區域近似

每個液滴形成的潤濕面積為：

式中：ro為螺旋盤管外部半徑。

溶液側液膜總的有效計算面積可表示為:

式中：n為總液滴數。

2.2 吸收器質量傳遞平衡方程

吸收器質量傳遞平衡方程如下[7]：

式中：msi、mr、mo分別為溶液入口、蒸汽入口、溶液出口的質量流量，kg/s；Xsi、Xr、Xso分別為溶液入口、蒸汽入口、溶液出口的溶液質量濃度。

2.3 吸收器能量平衡方程

吸收器能量平衡方程如下[8]：

式中：Hsi、Hr、Ho、Hcw分別為溶液入口、蒸汽入口、溶液出口的焓值，kJ/kg；mc為冷卻水質量流量，kg/s；Cpc為冷卻水的比熱，kJ/(kg·K)；Tci、Tco分別為冷卻水進出口溫度，℃。

3 吸收器性能實驗及結果分析

實驗采用溴化鋰-水二元溶液對螺旋盤管吸收器性能進行研究。實驗裝置如圖3所示，其中1濃溶液罐和3冷卻水箱由熱敏電阻（精度0.1℃）聯動溫度調控裝置使溫度保持恒定。實驗用吸收器螺旋盤管由外徑12.7mm、厚1.6mm的紫銅管繞制而成，管心距為57.15mm，螺旋100圈。冷卻水入口溫度29.4℃，蒸汽質量流量為0.002kg/s，選取溫度為35℃，入口濃度分別為58%、60%和62%的溴化鋰溶液進行分析，得到吸收器的相關性能參數如圖4～圖9所示，其中圖4～圖7為溶液流量保持0.375kg/s，改變冷卻水流量獲得的吸收器性能變化曲線；圖8～圖9為冷卻水流量保持0.4kg/s，改變溶液流速獲得的吸收器性能變化曲線。

圖3 實驗系統圖

圖4 換熱量與冷卻水流量的關系

圖5 質量交換與冷卻水流量的關系

圖6 溶液出口濃度與冷卻水流量的關系

圖7 冷卻水出口溫度與冷卻水流量的關系

圖8 溶液的出口濃度與溶液流量的關系

圖9 冷卻水出口溫度與溶液流量的關系

3.1 冷卻水流速變化對吸收器性能的影響

由圖5～圖7可以看出，增大冷卻水流量可在一定程度上增大吸收器換熱量和溶液側的質量交換量。但是當流量增加到一定值時，對吸收器性能無明顯改善，這是因為冷卻水流量不能提高溶液側熱傳遞系數，而溶液側的對流換熱過程決定整個吸收過程。

3.2 溶液流速變化對吸收器性能的影響

由圖8～圖9可以看出，當溶液流量增加時，可增大吸收器質量交換量，提高吸收效果，但換熱量降低。這是由于溶液流量增大后使降膜的厚度增加，不利于熱量傳遞，而單位時間形成液滴數增加，可一定程度促進質量傳遞。

較低的溶液流量使潤濕面面積減少，即減少換熱面積，而較高的溶液流量會增加熱傳遞阻力。為獲得吸收器性能的最佳狀態點，必須找到系統對應的最佳溶液流量。以實驗選用的螺旋盤管吸收器為例，最佳溶液流量為0.03kg/s。

3.3 其他因素對吸收器性能的影響

通過對不同入口濃度溶液的吸收器性能曲線可以看出，適度選用濃度較高的溶液可以更好地提高吸收器性能。

此外，可通過提高布液器效率[9]，增加溶液在螺旋盤管上地擴散等手段增加溶液側的換熱面積也可以提高吸收器的性能。

4 結語

本文對螺旋盤管吸收器進行設計并建立數學模型對其性能進行分析。通過比較冷卻水流速、溶液流速、溶液濃度等相關因素對吸收器性能的影響得到了螺旋盤管吸收器的基本性能特性。這些特性為螺旋盤管吸收器的設計及推廣應用具有一定地指導意義。

[1]徐士鳴,袁一.垂直管內降膜吸收過程熱-質傳遞數值計算問題的研究[J].大連理工大學學報,1997,37(4):414-419

[2]孔戴,彭曉峰,楊震.螺旋管緊湊式換熱器傳熱性能分析[J].熱科學與技術,2008,7(2):115-119

[3]邵莉,韓吉田,潘繼紅.R-134 a在水平直管和螺旋管內凝結換熱特性的實驗研究[J].制冷學報,2007,28(2):23-26

[4]O Kaynakli,I Horuz.Evaluation of coil absorber performance[J]. Heat and Mass Transfer,2004,40(7):929-936

[5]夏利江,魏琪.垂直管吸收器內泡式吸收熱質傳遞過程分析[J].鄭州輕工業學院學報(自然科學版),2007,22(1):46-49

[6]Blass E.Gas film flow in tubes[J].Chem.-Ing.-Tech.,1997,49: 95-105

[7]O Kaynakli.Exergy analysis of absorber using water/lithium bromide solution[J].Heat Mass Transfer,2008,44:1089-1097

[8]S Tharves Mohideen,S Renganarayanan.Experimental studies on heat and mass transfer performance of a coiled tube absorber for R134a-DMAC based absorption cooling system[J].Heat Mass Transfer,2008,45:47-54

[9]Seewald J S,Blanco H P.A simple model for calculating the perf -ormance of a Lithium Bromide/water coil absorber[J].ASHRAE Trans.,1994,100(1):318-328

De s ign a nd Expe rim e nta l Re s e a rc h on Fa lling-film Ve rtic a l Coil Abs orbe r

LIANG Bin1,XIA Li-jiang2,SHAN Yuan-meng2,LIU Nan2,WANG Huan2
1 Qingdao Tengyuan Architectural Design Firm
2 College of Food Engineering,Ludong University

In this paper,Falling-film vertical coil absorber is designed.Establishes a numerical model to calculate the coupling heat and mass transfer process during the absorption process in coil absorber.A series of experimental studies were carried on the absorption process in the Falling-film vertical coil absorber.The results obtained will be helpful for the design of coil absorber.

coil,falling-film,absorber,heat and mass transfer

1003-0344（2015）03-049-4

2014-4-25

梁斌（1981～），男，碩士，工程師；青島市嶗山區海爾路半島傳媒大廈22F（266000）；E-mail:liang.bin@tengyuan.com.cn