垂直管氨水降膜吸收傳質(zhì)研究

徐振中 夏再忠 林 芃 郭沛民 王如竹

(上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

吸收式制冷能夠利用工業(yè)余熱和太陽能等低品位能源，契合節(jié)能的倡導(dǎo)，其研究和發(fā)展也得到越來越多的重視。常用的吸收制冷工質(zhì)對為LiBr-H2O和NH3-H2O。相比于溴化鋰吸收機(jī)組，以氨水為工質(zhì)的吸收機(jī)組制冷溫度可達(dá)到0℃以下，運(yùn)行時系統(tǒng)處于正壓條件，特別氨水系統(tǒng)能夠采用風(fēng)冷冷卻[1-2]，去除水冷冷卻塔，可降低系統(tǒng)投資，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化，從而解決太陽能驅(qū)動的小型家用吸收制冷機(jī)所面臨的問題[3]。

氨水吸收制冷的COP較低，需要進(jìn)行系統(tǒng)部件的優(yōu)化，其中吸收器是影響吸收制冷系統(tǒng)性能的主要部件。垂直管內(nèi)降膜吸收器是常用的吸收器，降膜式吸收具有傳熱效率高、傳熱溫差損失小、無靜壓頭引起的沸點(diǎn)升高及物料停留時間短等特點(diǎn)。在典型的氨水管內(nèi)垂直降膜吸收器中，沿管內(nèi)壁垂直降下的氨水液膜吸收管內(nèi)的氨氣，釋放出大量的熱，冷卻介質(zhì)在吸收管外側(cè)帶走熱量，使得管內(nèi)的吸收過程持續(xù)進(jìn)行，形成了復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程。

國內(nèi)外學(xué)者對于氨水降膜吸收傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行了許多模擬研究。Kim[4]采用連續(xù)性方程，動量方程，能量方程和擴(kuò)散方程分析氨水降膜吸收過程，研究了氣流方向、氨水濃度、氨氣濃度和外部冷卻對吸收過程的影響。Goel和Goswami[5]采用雙膜模型模擬了平板吸收器在平板外側(cè)水冷情況下氨水逆流吸收的傳熱傳質(zhì)，模型同時考慮了氣相側(cè)和液相側(cè)的傳質(zhì)阻力。實(shí)驗方面的研究工作較少，Kwon[6]等研究了在螺旋盤管降膜吸收器中氨氣流向?qū)ξ諅鳠醾髻|(zhì)的影響。Kang[7]等人對平板換熱器中氨水降膜順流吸收進(jìn)行了實(shí)驗研究，并擬合出Nusselt和Sherwood的關(guān)系式。同時他們還進(jìn)行了鼓泡吸收的實(shí)驗，得到了其傳質(zhì)關(guān)系式[8]。

國內(nèi)外研究者在對氨水吸收過程的研究中，吸收過程均伴隨外部冷卻，帶走吸收產(chǎn)生的熱量，傳熱和傳質(zhì)過程相互耦合，這里對氨水垂直光管降膜吸收的傳質(zhì)研究主要從絕熱吸收的角度入手，對絕熱吸收情況進(jìn)行模擬和實(shí)驗，將模擬與實(shí)驗結(jié)果比較，集中研究吸收過程中的傳質(zhì)特性，特別是過冷度對吸收傳質(zhì)的影響。

1 氨水絕熱吸收過程模擬

在氨水絕熱吸收模擬中，稀氨水溶液從上端進(jìn)入，氨氣從下端進(jìn)入，形成逆流吸收，吸收管外為絕熱條件，沒有冷卻。

模擬采用雙膜模型[9]，其主要假設(shè)是：1)氣、液兩相流體間存在著穩(wěn)定的相界面，界面兩側(cè)各有一個很薄的停滯膜，相界面兩側(cè)的傳質(zhì)阻力集中于這兩個停滯膜內(nèi)，吸收質(zhì)以擴(kuò)散方式通過此二膜層由氣相主體進(jìn)入液相主體；2)在相界面處，氣、液兩相處于平衡，界面上沒有傳質(zhì)阻力；3)在兩個停滯膜以外的氣、液兩相主體中，由于流體充分湍動，不存在濃度梯度，物質(zhì)組成均勻。

由此傳質(zhì)吸收過程首先從氣相主體傳到界面，在界面內(nèi)傳質(zhì)不存在阻力，界面處于平衡狀態(tài)，最后由界面向液相主體傳質(zhì)。圖1為模擬傳質(zhì)吸收的示意圖。在沿吸收管段方向上建立氣相主體、界面和液相主體的微元控制容積，利用質(zhì)量平衡、組分平衡、能量平衡以及傳熱、傳質(zhì)方程式建立數(shù)學(xué)模型。絕熱降膜吸收中的傳熱傳質(zhì)過程包括：主流氣相向氣液界面的傳熱傳質(zhì)，氣液界面向主流液相的傳熱傳質(zhì)，各傳熱、傳質(zhì)系數(shù)利用參考文獻(xiàn)[10-11]以及切爾頓.科爾本比擬[12]得出。

圖1 氨水逆流絕熱吸收示意圖Fig.1 Schematic diagram of countercurrent ammonia-water adiabatic absorption

2 氨水吸收實(shí)驗

2.1 實(shí)驗裝置介紹

氨水垂直降膜吸收的實(shí)驗臺如圖2示意圖所示，實(shí)驗垂直吸收管長1m，外徑25mm，壁厚2mm，材料為碳鋼。系統(tǒng)主要由氨水溶液循環(huán)、氨氣循環(huán)和冷卻水循環(huán)組成。在加熱發(fā)生裝置中的稀氨水溶液由磁力齒輪泵泵送經(jīng)過換熱器和質(zhì)量流量計，送至吸收器頂部的液槽，溶液溢過吸收管管口，沿吸收管內(nèi)壁垂直下流形成降膜，與進(jìn)入吸收管的氨水接觸進(jìn)行吸收，吸收后的濃溶液在底端流回最下部的加熱發(fā)生裝置。氨氣由加熱發(fā)生器產(chǎn)生，通過閥門控制，經(jīng)吸收器頂部或吸收器底部進(jìn)入吸收管，與液膜形成順流或逆流吸收。冷卻水循環(huán)一路流過吸收器管外套管，在水冷冷卻吸收條件下使用，另一冷卻水循環(huán)流過套管換熱器對稀溶液進(jìn)行過冷。圖3為實(shí)驗裝置的實(shí)物圖。

圖2 氨水垂直降膜吸收實(shí)驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental apparatus

圖3 氨水垂直降膜吸收實(shí)驗裝置實(shí)物圖Fig.3 Picture of the experimental apparatus

實(shí)驗測量部分主要為流量、密度、溫度和壓力，科里奧利質(zhì)量流量計測量進(jìn)入吸收管的稀溶液質(zhì)量流量和密度。PT100和壓力測量位置見圖2標(biāo)記。水表測量吸收管水冷和換熱器水冷的冷水流量。測量設(shè)備和精度見表1。

表1 測量設(shè)備和精度Tab.1 Measurement and accuracy of the instruments

2.2 實(shí)驗數(shù)據(jù)測量和數(shù)據(jù)計算處理

實(shí)驗中，控制冷卻水在吸收器套管和換熱器的流量和溫度，進(jìn)行了絕熱吸收，水冷吸收不同條件下的實(shí)驗。實(shí)驗測量工況如表2所示。

表2 實(shí)驗測試狀況Tab.2 Test conditions of the experimental study

氨水降膜吸收過程中，總質(zhì)量、氨組分質(zhì)量和總能量守恒方程如下：

mw由流量計直接測量，xw由溫度和密度計算得到，xv由氨氣溫度和壓力計算得到，hw由溫度和xw計算得到，hv由氨氣溫度和xv算得，hs與xs和對應(yīng)溫度相關(guān)。Q通過冷卻水流量和進(jìn)出口溫度得到，在絕熱吸收當(dāng)中，Q為零。

通過方程組求解mv、ms和xs這些未知量。NH3-H2O混合物物性計算依據(jù)參考文獻(xiàn)[13]。

3 結(jié)果分析與討論

3.1 絕熱吸收濃度分布模擬

圖4是模擬絕熱吸收得到的濃度分布曲線。稀溶液進(jìn)口溫度為30℃，過冷度為27℃，降膜Re為230，吸收壓力為350kPa。稀溶液從上端降膜(L=0)，氨氣從底端(L=1)進(jìn)入，進(jìn)行逆流吸收。從圖中可以看到，界面液相的濃度始終高于液相主體濃度，兩者之間的濃度差，從上端往下，迅速下降。界面液相濃度在入口處顯著高于液相主體濃度，濃度差為0.14。這是因為稀溶液入口過冷，界面平衡溫度降低，使得初始界面液相平衡濃度比較高。沿管段下降，隨著吸收放熱過程進(jìn)行，界面液相濃度逐漸下降，濃度差減小。在稀溶液入口段，還存在氣相調(diào)整過程。起始段氣相主體濃度Xvb低于界面平衡氣相濃度Xvi。但是由于入口的過冷，界面溫度低于氣相的飽和溫度，從而發(fā)生氨的冷凝，產(chǎn)生傳質(zhì)，產(chǎn)生大量的熱，界面溫度升高。隨著調(diào)整氣相主體濃度進(jìn)而高于界面平衡氣相濃度，繼續(xù)進(jìn)行傳質(zhì)吸收。

圖4 絕熱吸收模擬濃度分布曲線(L=0～1m)Fig.4 Concentration along the absorber by simulation(L=0～1m)

從圖4的液相主體濃度分布可以看到，在0～0.5m段液相主體濃度由0.33上升到0.365，吸收器的出口濃度為0.369，因而吸收過程主要發(fā)生在吸收管的上段。

圖5 絕熱吸收模擬濃度分布曲線(L=0.5～1m)Fig.5 Concentration along the absorber by simulation(L=0.5～1m)

放大圖4的L=0.5～1m段，得到圖5。結(jié)合圖4和圖5的濃度分布曲線，可以看到在吸收管的上段(L=0～0.68m)液相主體濃度Xlb與界面平衡液相濃度Xli的濃度差要高于氣相主體濃度Xvb與界面平衡氣相濃度Xvi之間的濃度差，而在下段(L=0.68～1m)處，氣相主體濃度Xvb與界面平衡氣相濃度Xvi之間的濃度差則要更大，在出口處氣相濃度差為0.0079，而液相濃度差為0.00224。

3.2 絕熱吸收傳質(zhì)率模擬與實(shí)驗

圖6是絕熱吸收傳質(zhì)率模擬與實(shí)驗結(jié)果之間的比較。通過實(shí)驗測量得到了吸收壓力為350kPa，稀溶液進(jìn)口過冷度為27℃情況下，不同降膜流量的吸收傳質(zhì)率。吸收傳質(zhì)率隨著降膜稀溶液Re的增大而升高，與模擬結(jié)果的趨勢一致。從模擬值與實(shí)驗值的比較來看，實(shí)驗值要低于模擬結(jié)果。實(shí)驗與模擬結(jié)果的偏差最小為12.1%，最大為18.5%。在該實(shí)驗條件下，最大吸收傳質(zhì)率為0.126g/s。

圖6 吸收傳質(zhì)率模擬與實(shí)驗結(jié)果比較Fig.6 Comparison of mass transfer rate from simulation and experiment

3.3 過冷度對吸收傳質(zhì)影響

圖7 絕熱傳質(zhì)率隨過冷度變化Fig.7 Adiabatic absorptive mass transfer rate under different subcooling

通過控制實(shí)驗中稀溶液進(jìn)口過冷度，測量了不同過冷度下絕熱吸收傳質(zhì)情況。圖7為吸收壓力350kPa條件下，過冷度對吸收傳質(zhì)率的影響。相同降膜Re下，增大過冷度，絕熱吸收傳質(zhì)率隨之升高，稀溶液過冷能夠提高吸收傳質(zhì)速率。過冷使得溶液濃度與飽和溶液濃度差變大，同時過冷溶液的有更大的熱容，促進(jìn)吸收放熱。

3.4 冷卻吸收

在吸收管套管和換熱器用冷卻水進(jìn)行冷卻，冷卻水溫度為26℃。吸收前稀溶液具有過冷，在吸收過程中，水冷冷卻帶走吸收放熱，進(jìn)行冷卻吸收。圖8和圖9是冷卻吸收條件下，吸收傳質(zhì)率和吸收傳熱量變化的情況。隨吸收壓力的提高，總吸收傳質(zhì)率也上升。同時吸收傳質(zhì)率與吸收傳熱量變化趨勢呈現(xiàn)一致。

圖8 冷卻吸收傳質(zhì)率Fig.8 Mass transfer rate with water cooling

從圖7和圖8的比較可以看到，在350kPa吸收壓力下，Re為160時，絕熱吸收傳質(zhì)率為0.060g/s，而水冷冷卻吸收條件下，能夠達(dá)到0.14g/s。在Re為105時，絕熱吸收傳質(zhì)率為0.043g/s，水冷冷卻吸收條件下，能夠達(dá)到0.10g/s，傳質(zhì)速率提高了132%，可見冷卻吸收條件下傳質(zhì)率能夠顯著高于絕熱吸收條件下的傳質(zhì)率。因而在吸收過程中，需要合理進(jìn)行過冷和吸收冷卻。

圖9 冷卻吸收傳熱量Fig.9 Heat transfer with water cooling

4 結(jié)論

進(jìn)行了垂直管氨水降膜吸收的絕熱傳質(zhì)模擬，并實(shí)驗測量了絕熱吸收和水冷卻吸收情況的吸收傳質(zhì)率。絕熱吸收傳質(zhì)率的模擬與實(shí)驗測量結(jié)果偏差在20%以內(nèi)。

1) 絕熱吸收模擬的濃度曲線結(jié)果顯示：在進(jìn)口過冷條件下，降膜吸收入口段氣相存在著調(diào)整過程。液相界面與主體液相的濃度差隨著降膜過程迅速減小。在模擬的吸收管段中，吸收過程集中在0～0.5m段。吸收管的上段液相主體濃度與界面平衡液相濃度的濃度差要高于氣相主體濃度與界面平衡氣相濃度之間的濃度差，液相側(cè)傳質(zhì)阻力要大于氣相側(cè)傳質(zhì)阻力，為強(qiáng)化傳質(zhì)，需要減少液相側(cè)傳質(zhì)阻力，加大液相側(cè)傳質(zhì)驅(qū)動力。

2) 絕熱吸收和冷卻吸收的實(shí)驗表明：在同等條件下，隨入口溶液過冷度的增加，吸收傳質(zhì)率升高。采用冷卻吸收，排出吸收放熱，同時對吸收前的稀溶液進(jìn)行過冷，得到的吸收傳質(zhì)率要高于過冷絕熱吸收的情況。因而在吸收制冷實(shí)驗裝置中，吸收前的稀溶液通過溶液換熱器實(shí)現(xiàn)一定過冷度，有利于促進(jìn)吸收傳質(zhì)。

本文受上海交通大學(xué)研究生創(chuàng)新能力培養(yǎng)專項基金項目資助。(The project was supported by Shanghai Jiao Tong University Innovation Fund For Postgraduates.)

符號說明d 管徑 h 焓 L 長度m 質(zhì)量流量密度 Q 熱流密度 Re雷諾數(shù)T 溫度 x 質(zhì)量濃度下標(biāo)w 稀溶液 v 氣相 s 濃溶液lb 液相主體 i 界面 vb 氣相主體li 界面-液相 vi 界面-氣相

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