不同管徑水平管外LiBr溶液降膜流動與傳熱特性的數值模擬

王天

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不同管徑水平管外LiBr溶液降膜流動與傳熱特性的數值模擬

王天*

（太原學院市政與環境工程系，山西太原 030032）

溴化鋰（LiBr）吸收式制冷系統是一種可以使用低品位熱能驅動且不對臭氧層產生破壞的環保節能型制冷系統。吸收器性能的提高對提升整個溴冷機制冷性能系數有著重要意義。目前橫管外重力降膜吸收是多數吸收器所采用的吸收模式。該吸收過程是一個流動、傳熱與傳質相互耦合的復雜過程，所以建立合適的模型進行理論分析比較困難。本文采用CFD軟件對LiBr溶液不同管徑橫管外重力降膜吸收過程進行數值模擬，研究該過程的流動傳熱特性。研究結果表明：為了保證最佳的傳熱傳質效果，大管徑橫管所需要的噴淋密度比小管徑所需的噴淋密度大。相同噴淋密度下，大管徑橫管的換熱量大于小管徑橫管的換熱量。

吸收式制冷；降膜流動；傳熱特性；數值模擬

0 引言

吸收器、蒸發器、發生器、冷凝器、節流裝置是溴冷機中的主要組成部分[1]。吸收器內一般設置傳熱管簇實現傳熱傳質。多數吸收器中采用的吸收模式是橫管外重力降膜吸收，以噴淋管束式為主[2]。吸收器的傳熱傳質性能與整個制冷系統的COP密切相關。故對吸收器中橫外溴化鋰（LiBr）溶液降膜流動與傳熱過程進行研究很有必要。

隨著計算機技術的不斷發展和完善，各國學者通過數值模擬對重力作用下的降膜流動傳熱進行了大量的研究。SUTALO等[3]對非牛頓流體沿著傾斜板降膜流動進行了CFD數值分析，并與實驗進行比較，模擬結果與實驗結果基本一致。呂多[4]總結了橢圓水平管外的重力降膜流動中膜厚、流速等分布規律及不同管型參數對流動特性的影響。于意奇等[5-6]對重力作用下的降膜行為進行二維和三維數值模擬，分析了當Re不同時的膜厚、液膜流速等。此外，他們對大平板的降膜流動傳熱特性進行了實驗研究和數值模擬，得到了平板降膜的一般規律。盛國剛[7]通過模擬及實驗的方法探究了吸收器參數，比如噴淋溶液濃度、溫度、冷卻水入口溫度等對吸收器性能和機組COP的影響。羅林聰等[8]對水平管降膜進行了二維建模，研究了不同管形對傳熱特性及液膜分布的影響。鄒同華等[9]對水平管外結冰特性進行了數值研究。郝麗等[10]通過Fluent軟件中的自定義函數對垂直管的降膜流動傳熱進行了三維模擬，結果表明，垂直管具有液膜均勻性好及膜薄的優點。YOSHIDA等[11]在MORAN等[12]的實驗基礎上進行數值三維模擬，得到了重力降膜流動中液膜表面的波形態及液膜厚度概率密度分布。倪瑜菲等[13]探究了溫度極化現象對帶有交換器的溴冷機性能的影響分析。李劍銳等[14]研究了不同橫搖工況下制冷劑兩相降膜流動換熱特性。江波[15]對橫管外重力作用下的降膜流動傳熱過程進行了實驗研究，為工程設計提供了參考依據。

本文對吸收器中LiBr溶液重力作用下不同管徑橫管外降膜流動傳熱過程進行了二維數值模擬，探究了管徑不同時液膜厚度、溫度場及換熱量的變化規律。

1 建立模型

圖1為LiBr溶液橫管外重力降膜流動傳熱過程的模型。橫管上方設置有布液管，LiBr濃溶液從布液管中噴淋到橫管上，在橫管外壁降膜流動并形成一層液膜。流動過程中吸收周圍的水蒸氣。吸收水蒸氣后濃度減小的LiBr溶液在重力作用下聚集在管底，當溶液液滴所受重力與其表面張力失去平衡時，液滴便會從上一根橫管管底落到下一根橫管管頂上。

圖1 降膜流動過程物理模型

2 數值模擬參數

Fluent軟件是一個功能強大的數值模擬分析軟件，它自身包含多種模型，此外，用戶還可以根據需要自定義函數以實現設置材料屬性及邊界條件等功能[16]，故本文采用Fluent軟件對LiBr溶液橫管外降膜吸收流動與傳熱過程進行數值模擬并對其結果分析。由于LiBr溶液的較小，可以近似認為是層流狀態，因此選擇Laminar作為粘性模型。該降膜流動傳熱過程涉及到水蒸氣和LiBr溶液，是多相流模型。選擇VOF模型進行數值模擬。流體及固體物性參數設置見表1和表2。

表1 固體物性參數

表2 流體物性參數

3 模擬結果及分析

3.1 液膜厚度分布

采用Fluent軟件中的VOF模型對LiBr溶液橫管外重力降膜流動與傳熱過程進行數值模擬。圖3為噴淋密度相同時，即布液管中的濃溶液流速相同時（0.150 m/s），不同管徑橫管外重力降膜過程體積分布圖。采用Fluent后處理軟件CFD-Post對圖2中第一根橫管（取上方的橫管為第1根橫管，下方的橫管為第2根橫管）外的液膜厚度進行提取，繪制圖3。圖3為相同噴淋密度下，不同管徑LiBr溶液液膜厚度隨周向角變化的分布圖。圖4為布液管流速為0.065 m/s時，不同管徑橫管外重力降膜過程體積分布圖。

圖2 布液管流速為0.150 m/s時，不同管徑LiBr溶液橫管外體積分布圖

圖3 布液管流速為0.150 m/s時，不同管徑LiBr溶液液膜厚度分布圖

圖4 布液管流速為0.065 m/s時，LiBr 溶液在管外的體積分布

從圖2與圖3可以看出，如果布液管的噴淋密度相同時，小管徑橫管的液膜厚度整體大于大管徑液膜的厚度。在同一周向角處，小管徑橫管的液膜厚度大于大管徑橫管的液膜厚度。大管徑橫管相較于小管徑橫管，液膜分布比較均勻，即小管徑液膜厚度變化范圍較大，大管徑液膜厚度變化范圍較小。這是因為相同弧度所對應的弧線大管徑比小管徑要長，故大管徑中液膜與管壁接觸時間較長，這樣表面張力有更多的時間減小液膜的波動，拉平液膜。從圖4可知，當布液管的流速為0.065 m/s時，管徑為10 mm橫管液膜雖然很薄，但仍可以完全覆蓋兩根橫管的外管壁。管徑為15 mm時，液膜繼續變薄，在第2根橫管管底出現了面積較小的“干斑”。即此時的噴淋密度不能保證管徑為15 mm的橫管被液膜完全覆蓋，有一部分管壁不會與LiBr溶液相接觸，會影響傳熱傳質效率。管徑為20 mm時，“干斑”面積擴大，傳熱效果繼續減弱。因此，當布液管流速為0.065 m/s時，管徑不宜超過15 mm。由此可以看出，如果想要保證液膜完全覆蓋橫管外管壁，不影響傳熱傳質的進行，大管徑所需要的噴淋密度要大于小管徑。故在實際工業中，當橫管管徑較大時采用的噴淋密度較大，當管徑減小時，適當減小噴淋密度，既要保證液膜完全包覆管壁，又要保證液膜薄，熱阻小，有利于傳熱傳質。

3.2 溫度分布

圖5為布液管流速為0.150 m/s時，管徑不同時第一根橫管管壁附近的溫度分布圖。同樣采用Fluent后處理軟件CFD-Post對圖5的溫度場進行溫度提取后繪制圖6。圖6是當周向角為90°時，不同管徑下管壁附近溫度隨距管壁距離的變化規律。

由圖6可知，當噴淋密度相同時，對于相同管徑，溫度場中距離管壁越遠的點，溫度越低。對于不同管徑、距離管壁距離相同的點，小管徑的溫度高于大管徑的溫度，且距離管壁越遠，大管徑溫度下降速度越快。這說明相同噴淋密度下，小管徑的換熱效果不如大管徑換熱效果。故在保證液膜能夠完全覆蓋管壁的情況下，管徑越大，液膜越薄，熱阻越小，越有利于傳熱，換熱效果越好。

圖6 布液管流速為0.150 m/s時，溫度隨距管壁距離變化分布（θ=90°）

3.3 換熱量

表3為不同管徑、不同噴淋密度下水平管的換熱量。取縱向長度1 m提取單位長度換熱量。圖7為根據表3繪制出的折線圖。當管徑為10 mm時，從圖中可以看出，布液管流速為0.065 m/s時，換熱量最大，說明此時液膜可以完全包覆管壁且液膜很薄，熱阻很小，有利于傳熱。當流速為0.060 m/s時，換熱量比0.065 m/s時小，此時噴淋密度太小，液膜不能完全包覆管壁，出現“干斑”，影響傳熱。當流速大于0.065 m/s時，換熱量減小，且隨著流速的增加，換熱量越來越小。這是因為噴淋密度越大，液膜越厚，熱阻越大，越不利于傳熱。所以當管徑為10 mm時，布液管流速在0.065 m/s時最合適，傳熱性能最好。

當管徑為20 mm時，布液管流速0.080 m/s換熱量最大。當流速小于0.080 m/s時，換熱量減小。且流速越小，橫管外管壁出現的干斑面積越大，傳熱性能越弱，換熱量越小。當流速大于0.080 m/s時，換熱量隨著流速的增加越來越小。所以當管徑為20 mm時，布液管流速在0.080 m/s時最合適，傳熱性能最好。顯然大管徑所需要的噴淋密度比小管徑要大，與上文結論一致。

從表3與圖7中還可以看出，噴淋密度相同時，在相同時間內，大管徑的換熱量整體比小管徑要大，因為大管徑的管壁面積大，溶液與管壁接觸面極大，故換熱量比小管徑要大。

表3 不同管徑和噴淋密度工況下的單位長度換熱量

圖7 不同管徑和噴淋密度工況下的單位長度換熱量

4 結論

1）相同噴淋密度下，大管徑橫管的液膜厚度整體比小管徑要薄，且液膜厚度分布相對均勻，即液膜厚度變化范圍較小；距離管外壁相同距離的點，大管徑的溫度小于小管徑，且隨著距離外管壁距離的增加，溫度減小速率增加，說明大管徑的換熱效果優于小管徑。

2）大管徑所需要的噴淋密度比小管徑大，這是因為實際工程中既要保證液膜能完全包覆管壁，又不能使液膜太厚，熱阻太大，影響傳熱傳質。當橫管管徑為10 mm時，最佳布液管流速為0.065 m/s。當橫管管徑為20 mm時，最佳布液管流速為0.080 m/s。

3）噴淋密度相同時，在相同的時間內大管徑橫管降膜吸收過程的換熱量比小管徑要大。

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Numerical Simulation of Falling-film Flow and Heat Transfer Characteristics of Lithium Bromide Solution outside Horizontal Tubes with Different Diameters

WANG Tian*

(Department of Municipal and Environmental Engineering, Taiyuan University, Taiyuan, Shanxi 030032, China)

The Lithium Bromide (LiBr) absorption refrigeration system is an environment-friendly and energy-saving refrigeration system that can be driven by low-grade heat energy without damaging the ozone layer. The improvement of absorber performance is of great significance to improve the coefficient of performance of the whole bromine cooling mechanism. At present, the absorption of gravity falling film outside the horizontal tube is the absorption mode adopted by most absorbers. The absorption process is a complex process of coupling flow, heat transfer and mass transfer, so it is difficult to establish a suitable model for theoretical analysis. In this paper, CFD software is used to simulate the absorption process of gravity falling film outside horizontal tubes with different diameters, and the flow and heat transfer characteristics of the process are studied. The results show that, in order to ensure the best heat and mass transfer effect, the spray density for large diameter horizontal tubes is higher than that for small diameter horizontal tubes. Under the same spray density, the heat exchange capacity of large diameter horizontal tubes is larger than that of small diameter horizontal tubes.

Absorption refrigeration; Falling-film flow; Heat transfer properties; Numerical simulation

10.3969/j.issn.2095-4468.2018.04.205

*王天（1990-），女，碩士。研究方向：空調、制冷技術與設備。聯系地址：山西省太原市小店區經濟技術開發區大昌南路18號，郵編：030032。聯系電話：15035688227。E-mail：495442001@qq.com。