豎直螺旋盤管降膜吸收器設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

梁斌夏利江單元猛劉楠王歡

1青島騰遠(yuǎn)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司

2魯東大學(xué)食品工程學(xué)院

豎直螺旋盤管降膜吸收器設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

梁斌1夏利江2單元猛2劉楠2王歡2

1青島騰遠(yuǎn)設(shè)計(jì)事務(wù)所有限公司

2魯東大學(xué)食品工程學(xué)院

本文對豎直螺旋盤管降膜吸收器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用數(shù)學(xué)模型對螺旋盤管降膜吸收器吸收及換熱過程進(jìn)行分析。通過實(shí)驗(yàn)研究獲得螺旋盤管吸收器吸收過程相關(guān)特性。獲得的結(jié)論對于螺旋盤管吸收器的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

螺旋盤管 降膜 吸收器 熱質(zhì)傳遞

吸收器是吸收式制冷系統(tǒng)的重要組成部分，其傳熱傳質(zhì)特性對整個(gè)機(jī)組的性能影響很大。傳統(tǒng)的吸收器多采用水平管束的降膜吸收方式，它的顯著特點(diǎn)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(shù)和熱流密度，但是水平管束布置對機(jī)組的小型化非常不利[1]。螺旋管換熱器具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱強(qiáng)度高和加工制作簡單等優(yōu)點(diǎn)，在傳熱中得到廣泛應(yīng)用。近年來國內(nèi)外利用螺旋盤管換熱器發(fā)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(gè)發(fā)展方向，國外O.Kaynakli1[4]等利用數(shù)學(xué)模型對螺旋盤管吸收器進(jìn)行了理論分析。為了進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)，并利用試驗(yàn)臺對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，為吸收器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 垂直螺旋盤管吸收器結(jié)構(gòu)及工作原理

垂直螺旋盤管吸收器結(jié)構(gòu)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(tǒng)的吸收器進(jìn)行研究。溴化鋰濃溶液經(jīng)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(fā)器的飽和或過熱蒸汽，吸收過程中產(chǎn)生的熱量傳遞給螺旋盤管內(nèi)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?yàn)閺穆菪P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(shù)學(xué)模型建立及分析

吸收器的吸收過程包含著自然現(xiàn)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(jì)算過程中需要同時(shí)考慮吸收溶液的傳熱、傳質(zhì)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(cè)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(shù)的獲得需要考慮到三種熱阻的影響。

冷卻水側(cè)對流換熱系數(shù)hc可以使用下列螺旋盤管中紊流的相互關(guān)系決定[4]：

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

螺旋盤管冷卻水側(cè)單個(gè)螺旋圓周的接觸面積為：

溶液側(cè)對流換熱系數(shù)：

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(dāng)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(cè)各形成一個(gè)近似三角形的潤濕區(qū)域（圖2）[4]。

圖2 潤濕區(qū)域近似

每個(gè)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(cè)液膜總的有效計(jì)算面積可表示為:

式中：n為總液滴數(shù)。

2.2 吸收器質(zhì)量傳遞平衡方程

吸收器質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jìn)出口溫度，℃。

3 吸收器性能實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采用溴化鋰-水二元溶液對螺旋盤管吸收器性能進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)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(lián)動溫度調(diào)控裝置使溫度保持恒定。實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(jìn)行分析，得到吸收器的相關(guān)性能參數(shù)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?nèi)芤毫魉佾@得的吸收器性能變化曲線。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

圖4 換熱量與冷卻水流量的關(guān)系

圖5 質(zhì)量交換與冷卻水流量的關(guān)系

圖6 溶液出口濃度與冷卻水流量的關(guān)系

圖7 冷卻水出口溫度與冷卻水流量的關(guān)系

圖8 溶液的出口濃度與溶液流量的關(guān)系

圖9 冷卻水出口溫度與溶液流量的關(guān)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(cè)的質(zhì)量交換量。但是當(dāng)流量增加到一定值時(shí)，對吸收器性能無明顯改善，這是因?yàn)槔鋮s水流量不能提高溶液側(cè)熱傳遞系數(shù)，而溶液側(cè)的對流換熱過程決定整個(gè)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(dāng)溶液流量增加時(shí)，可增大吸收器質(zhì)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(shí)間形成液滴數(shù)增加，可一定程度促進(jìn)質(zhì)量傳遞。

較低的溶液流量使?jié)櫇衩婷娣e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(tài)點(diǎn)，必須找到系統(tǒng)對應(yīng)的最佳溶液流量。以實(shí)驗(yàn)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?cái)U(kuò)散等手段增加溶液側(cè)的換熱面積也可以提高吸收器的性能。

4 結(jié)語

本文對螺旋盤管吸收器進(jìn)行設(shè)計(jì)并建立數(shù)學(xué)模型對其性能進(jìn)行分析。通過比較冷卻水流速、溶液流速、溶液濃度等相關(guān)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(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用具有一定地指導(dǎo)意義。

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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(qū)海爾路半島傳媒大廈22F（266000）；E-mail:liang.bin@tengyuan.com.cn