降膜式吸收器的研究進展

黃強，孫文哲，徐亞州，夏雨佳，洪珊

(上海海事大學 商船學院，上海 201306)

吸收器是吸收式制冷機組的核心部件。根據吸收過程氣液接觸方式，吸收器可以分為三類：降膜吸收、鼓泡吸收和噴霧吸收[1]。在降膜式吸收器中，吸收溶液通過布液或噴淋裝置，落到降膜管的表面，形成液膜。氣體通過液膜進入液相主體。根據液膜布置方式，存在管內降膜、管外降膜和平板式降膜3種主要降膜類型。

降膜式吸收器具有氣液接觸表面積大、換熱效率高、流量容易控制且結構簡單等優點[2]，因此，廣泛應用于制冷空調[3]、冷庫、合成氨與尿素的生產中[4-6]。其換熱面積占機組換熱面積的40%以上，金屬耗量所占比重較大[7]，吸收性能直接決定整個制冷機組的工作能力。為此，對降膜式吸收器的性能加以研究，從而設計出高效的吸收器，是節省吸收制冷裝置的投資和提高系統制冷系數的主要途徑[8]。

1 水平管降膜吸收器的研究進展

水平管降膜式吸收器由于其液膜潤濕性較差，在氨水吸收式制冷工程應用中并不常見。多存在于實驗研究中。

Lee等[9]通過對含有24根規格為?9.5 mm×0.8 mm，長290 mm的水平降膜管的吸收器進行氨水吸收實驗。詳細記錄了吸收器進出口的參數值，并對液膜的吸收過程建立了數學模型，來分別計算液膜和氨氣側的傳熱和傳質系數。重點分析了溶液的流速、濃度以及吸收器的壓力對傳熱和傳質系數的影響。計算結果顯示，當溶液流速從0.019 kg/s增大到0.034 kg/s時，整個吸收器的總傳熱系數將會從753 W/(m2·K)增大到1 853 W/(m2·K)；液膜的傳熱系數小于冷卻水側的傳熱系數。傳熱熱阻主要存在于液膜一側。液膜的傳質系數遠小于氨氣的傳質系數，傳質阻力也是主要存在于液膜側。因此，想要提高吸收器的吸收性能，主要應改善液膜的傳熱傳質能力。

Zhang等[10]通過對水平管降膜吸收過程建模分析發現，吸收器的性能取決于液膜的特性。對液膜吸收過程的速度場及溫度場進行了分析。同時搭建實驗臺進行模擬實驗。結果表明，吸收器的總傳熱系數隨著進入吸收器內稀氨水溶液體積流量qVmL/s 的增大而增大。當體積流量達到25 mL/s時，傳熱系數達最大值。此后增大體積流量，液膜出現飛濺現象，不能很好的潤濕降膜管表面，傳熱系數反而會降低。

2 垂直管降膜吸收器的研究進展

垂直管降膜吸收是目前普遍采用的降膜方式。其液膜受重力影響進行分布，擾動小，潤濕性較好。Kyongmin等[11]對垂直降膜氨水吸收制冷進行了實驗分析。其實驗結果表明，吸收器的總傳熱速率隨溶液流速和溫度的增加而增大，與氨氣的流動方向無關；在逆流流動中，氨氣流速越高，液膜的傳熱速率越差；液膜和氨氣的分界面的存在切應力，不利于液膜充分展開潤濕表面，降低了吸收器的傳熱傳質性能；雖然液膜處于層流區，但換熱系數隨溶液流速的增加而增大；建立了努塞爾數與溶液雷諾數的特征關聯式；順流時，液膜傳熱系數受溶液流量影響不大，逆流時，液膜的傳熱系數受蒸汽流量影響較大；隨著溶液濃度的增加，氨氣流量對傳熱傳質的影響逐漸減小。

牛曉峰等[12]對常規的改進滲透模型做出修改，將整個降膜吸收過程劃分為非湍流區和湍流區，并對非湍流區波峰和波谷的 Levich厚度及整體波動速度進行了修正和計算。同時在長950 mm，外徑25 mm的光管上進行了氨水降膜實驗，對不同雷諾數下的吸收過程傳質系數進行了實驗測定。結果表明理論數據和實驗數據偏差不超過 10%～15%。該模型在較低雷諾數下具有較好的預測性。

許峰等[13]根據包天舒文獻[14]中提供的實驗數據，計算出吸收過程所需傳熱面積為0.44 m2，吸收器總傳熱系數略低于實驗值。并選取吸收管內徑、噴淋密度和冷卻水流量為變量，研究了它們對液膜溫度和濃度的影響。模擬結果表明：噴淋密度是制約吸收效果的主要因素。

林芃等[15]對垂直管管內氨水降膜吸收過程建立數學模型，分析吸收過程中氣相濃度、傳質系數和液膜溫度沿吸收管長度的變化情況。計算結果顯示在冷卻水溫度為20 ℃，吸收壓力為0.2 MPa，稀溶液濃度為22.5%工況下，降膜管的吸收長度為1.1 m。 當冷卻水溫提高到35 ℃時，其吸收長度則迅速增大到4.48 m。而稀溶液進口溫度從30 ℃增大到50 ℃時，吸收長度幾乎沒有變化。通過改變工況研究結果表明，冷卻水溫度越高，稀溶液濃度越高，吸收壓力越低，降膜管完全吸收所需要的吸收長度越長，并且長度增加速度越快。

在數值模擬計算上，上海化工學院無機化工教研組[16]在尿素生產用降膜吸收塔的背景下，對吸收塔的尺寸進行了試算。并在此基礎上，對吸收過程的物理模型做出了改進，將管內壁分為被液膜覆蓋的潤濕界面和直接與氣相接觸的非潤濕界面，從而給出了更為精準的計算公式。Sieres等[17]基于氨水傳熱傳質微分方程以及雙膜理論,在有限差分法的基礎上，總結出一套通用的計算關聯式,可以用于計算氨水吸收制冷中的吸收、發生以及精餾過程。

此外，還可以通過搭建實驗臺的方式，采用單一變量法，對影響吸收器吸收性能的關鍵因素進行實驗分析。Niu等[18-19]進行了磁場條件下氨水溶液降膜吸收的實驗研究。通過對吸收器外施加不同強度的磁場，來找到磁場強度對液膜吸收性能的影響。實驗結果表明，當施加的外部磁場方向不變，磁場強度從0 T增大到0.14 T時，吸收器出口氨水溶液濃度、冷卻水出口溫度都隨之增大。說明磁場強度對液膜的吸收過程確實有強化作用。實驗還發現當磁場方向與降膜方向垂直時，液膜的吸收速率會減慢。下表為不同電流強度條件下，磁感應強度、冷卻水出口溫度和濃氨水濃度值。

表1 不同電流強度下磁場強度、冷卻水出口溫度和溶液濃度值Table 1 Corresponding value of magnetic induction intensity,tempertature of cooling water at outlet,concentration of ammonia-water after absorption for current flow

徐振中等[20]搭建實驗臺，通過實驗測得在吸收壓力0.35 MPa，稀溶液進口過冷度為27 ℃的工況下，不同流量下的傳質速率。并對吸收過程進行了絕熱吸收模擬分析。實驗結果表明，吸收傳質速率隨著降膜稀溶液雷諾數的增大而升高，最大值為0.126 g/s，與模擬結果的趨勢一致。在相同雷諾數條件下，隨著入口稀溶液過冷度的增加，吸收傳質速率也隨之升高。這說明吸收溶液過冷有利于傳質過程的實現。因而在氨水降膜吸收過程中，需要合理的進行過冷和冷卻。

對降膜管結構的改進，能顯著促進吸收速率。陳小磚等[21]針對3根不同尺寸規格的橫紋管，研究吸收器吸收性能達到最優的管型結構。實驗結果表明，在相同工況下，采用橫紋管比采用光滑管有更高的傳熱和傳質能力，當溶液的噴淋密度為479.6 kg/(m·h)時，橫紋管比光滑管的傳質系數增大了97.8%。這表明改善降膜管表面結構，可以提高液膜的傳質系數。Goel等[22]對傳統的微通道結構進行了改進，通過在微通道中添加一種絲網輔助結構，充分利用了垂直空間距離強化傳質過程，構造了新型微通道降膜吸收器，強化了吸收過程。

此外，強化吸收溶液性能也是途徑之一。Kim等[23]研究了納米流體和表面添加劑強化氨水溶液吸收過程傳熱傳質的性能問題。實驗中，他們以銅、氧化銅和氧化鋁為材料制成納米流體添加到稀氨水溶液中。實驗的結果說明，在稀氨水中添加的納米流體和表面活性劑均對吸收過程起到了強化作用。

3 板式降膜吸收器的研究進展

板式降膜吸收器在工程應用上較少。Delphine等[24]通過搭建了一套小型板式降膜氨水系數實驗臺，對平板式吸收器的傳熱傳質過程進行了分析。氨氣與液膜流動方向保持一致。重點研究了冷卻水流量對板式表面液膜的傳熱傳質能力。研究結果表明，傳質阻力主要存在于液膜一側，而液膜的熱阻幾乎對液膜的吸收過程無影響。吸收器的性能主要取決于液膜側的傳質能力。

Kang等[25]則搭建了板式降膜吸收器的實驗臺來進行分析。該吸收器的降膜板垂直放置，尺寸為110 mm×130 mm×34 mm，在平板的表面設置有條形翅片來強化傳熱傳質能力。通過改變濃溶液進口濃度、溫度、流速測得了不同工況下吸收器的傳熱傳質系數。結果表明：隨著降膜板上液膜的雷諾數增大，其努塞爾數以及舍伍德數都隨之增大。但是努塞爾數的變化主要受濃溶液流速影響，舍伍德數的變化則主要受氨蒸氣的雷諾數影響。此外，板式降膜吸收器與鼓泡式吸收器進行了對比[26]。實驗結果表明：在相同工況下，由于鼓泡式吸收器具有更大的氣液接觸面積，其吸收速率高于板式降膜吸收器的吸收速率。板式降膜吸收器液相中傳質阻力占主導因素，氣相中傳熱傳質阻力都非常大。

4 總結與展望

降膜式吸收器因其吸收速率高、結構簡單、易加工等優點，越來越受到重視，并廣泛的應用于氨水吸收式制冷機組中。對其進行的理論分析日益深入，實驗范圍不斷擴大。而采用計算機模擬和應用數值計算技術，既加快了研究速度，又拓寬了研究參數的變化范圍，從而增加降膜式吸收器研究的深度和廣度。目前，國內外學者針對降膜式吸收器應用的研究愈加活躍，新系統新方法不斷呈現，應用領域和范圍也在不斷拓寬。

但是也存在許多不足之處，有待進一步的解決。尤其是在液膜的流動與成型、氣液相之間的傳熱傳質、添加物和納米流體促進吸收的機理、評價吸收器性能的綜合指標等，這是目前研究降膜式吸收器的關鍵方向。