水平管外重力降膜吸收過程傳熱特性數值模擬

王天

太原學院市政與環境工程系

0 引言

吸收器、蒸發器、發生器、冷凝器、節流裝置是溴化鋰吸收式制冷機組中的主要組成部分[1]。多數吸收器中采用的吸收模式是水平管外重力降膜吸收,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緊密相關。故對吸收器中水平管外LiBr溶液降膜吸收過程進行研究很有必要。

各國學者通過數值模擬對重力作用下的降膜吸收進行了大量的研究。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，模擬結果與試驗結果基本一致。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。Yoshida等[7]在Moran等[8]的實驗的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。

本文對吸收器中LiBr溶液重力作用下水平管外降膜吸收過程進行了二維數值模擬，探究了不同條件下液膜厚度，溫度場及換熱量的變化規律。

1 建立模型

圖1為LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過程的模型。水平管上方設置有布液管，LiBr濃溶液從布液管中噴淋到水平管上，在重力加速度的作用下垂直向下形成降膜流動，在水平管外壁上形成一層液膜。與此同時，從蒸發器進入吸收器的制冷劑水蒸氣被LiBr濃溶液吸收，吸收過程所釋放的潛熱被水平管內流動的冷卻水帶走，這樣可以使LiBr溶液持續不斷的吸收水蒸氣。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，液滴便會從上一根水平管管底落到下一根水平管管頂上。

圖1 LiBr溶液水平管外降膜吸收過程模型

2 數值模擬方法

Fluent軟件是一個功能強大的CFD分析軟件，它不僅自身包含多種模型，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[9]，故本文采用Fluent軟件對LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過程進行模擬并對其液膜厚度、溫度場等進行分析。統一取水平管管徑為10 mm。由于LiBr溶液的Re較小，可以認為是層流狀態，因此選擇Laminar作為粘性模型。該降膜吸收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。邊界條件的設置如圖2所示。

圖2 邊界條件的設置

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溶液水平管外重力降膜吸收過程進行數值模擬。圖3為不同噴淋密度下即布液管中的濃溶液流速不同時，LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過程體積分布圖。

圖3 不同噴淋密度下LiBr溶液水平管外重力降膜體積分布圖

由圖3可知，當水平管上方的布液管噴淋密度逐漸減小時，水平管外LiBr溶液的液膜厚度是逐漸變薄的。噴淋密度越小，溶液在水平管底部越晚脫離管壁。如圖中所示，當布液管溶液流速為0.3 m/s時，第一根水平管（取上方的水平管為第一根水平管，下方的水平管為第二根水平管）外的液膜大約在周向角為160°左右處脫離管壁。當布液管溶液流速為0.15 m/s時，液膜大約在周向角為175°左右處脫離管壁。當布液管流速為0.08 m/s和0.06 m/s時，液膜沒有在管底脫離管壁。此外，從圖中還可以看出，當布液管流速為0.06 m/s，第二根水平管外的液膜并沒有完全包覆管壁，出現了“干斑”，這種情況在吸收器里面是應該避免的，因為沒有被LiBr溶液液膜包裹的地方無法良好的進行傳熱傳質，會影響整個吸收器傳熱傳質性能乃至整個吸收式制冷機組的制冷性能系數。故在實際中應控制LiBr溶液的噴淋密度，防止噴淋密度過小引起管壁出現干斑，影響傳熱及傳質效率。

采用Fluent后處理軟件CFD-Post對圖3中第一根水平管外的液膜厚度進行提取，繪制圖4。圖4為不同噴淋密度下LiBr溶液液膜厚度隨周向角變化的分布圖。

圖4 不同噴淋密度下LiBr溶液液膜厚度分布圖

由圖4可知，當水平管上方的布液管噴淋密度減小時，液膜厚度的變化范圍減小，即液膜厚度的最大值與最小值的差值減小，且周向角相同的地方液膜厚度減小。同一噴淋密度下，水平管管頂和管底的液膜厚度大于中間區域的液膜厚度。即周向角從0°變到180°時，液膜先變薄再變厚，最薄的區域出現在75°到105°之間。由于管底和管頂的液膜較厚，故熱阻也較大，傳熱傳質主要集中于中間區域。圖中當布液管流速為0.3 m/s時，液膜在周向角為165°時已脫離管壁，故無法提取該處膜厚。

3.2 溫度分布

圖5為噴淋密度不同時第一根水平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，不同噴淋密度下管壁附近溫度隨距管壁距離的變化規律。

圖5 不同噴淋密度下水平管管壁附近溫度分布圖

圖6 不同噴淋密度下溫度隨距管壁距離變化分布圖（θ=90°）

由圖6可知，對于溫度場中的固定一點，當噴淋密度逐漸增大時，該點的溫度逐漸升高，這說明隨著噴淋密度的增大，換熱效果逐漸減弱。故在保證液膜能夠完全覆蓋管壁的情況下，噴淋密度越小，液膜越薄，熱阻越小，越有利用傳熱。當噴淋密度不變時，溫度場中距離管壁越遠的點，溫度越低。

3.3 換熱量

圖7為當布液管流速分別為0.06 m/s、0.08 m/s、0.15 m/s、0.3 m/s時水平管的換熱量。當布液管流速為0.06 m/s時，換熱量最小。是因為此時噴淋密度太小，液膜不能完全包覆管壁，會出現“干斑”，影響傳熱。如圖5（d）中，第二根管出現了干斑，故此時換熱量遠遠小于其他流速時的換熱量。流速為0.08 m/s時，換熱量最大，因為此時液膜可以完全包覆管壁且液膜厚度很小，故熱阻很小有利于傳熱。當流速大于0.08 m/s時，隨著噴淋密度增加，液膜越來越厚，且液膜在管底過早脫離管壁，換熱量越來越小，與前文結論相吻合。

圖7 不同噴淋密度下換熱量變化規律

4 結論

1）保持管徑不變，隨著布液管噴淋密度的減小，液膜厚度是逐漸減小的。若噴淋密度不變，液膜先變薄再變厚，最薄的區域出現在75°到105°之間。

2）實際工程中應保證液膜能夠完全覆蓋管壁，故噴淋密度的選擇應合理。若噴淋密度過小，液膜不能包覆管壁，管壁周圍會出現“干斑”，減少換熱量。若噴淋密度過大，液膜變厚，熱阻變大，也會減少換熱量。

3）本文換熱管管徑為10 mm，換熱效果最好的布液管流速出現在0.06 m/s到0.08 m/s之間。