不同管徑水平管外LiBr溶液降膜流動(dòng)與傳熱特性的數(shù)值模擬

王天

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不同管徑水平管外LiBr溶液降膜流動(dòng)與傳熱特性的數(shù)值模擬

王天*

（太原學(xué)院市政與環(huán)境工程系，山西太原 030032）

溴化鋰（LiBr）吸收式制冷系統(tǒng)是一種可以使用低品位熱能驅(qū)動(dòng)且不對(duì)臭氧層產(chǎn)生破壞的環(huán)保節(jié)能型制冷系統(tǒng)。吸收器性能的提高對(duì)提升整個(gè)溴冷機(jī)制冷性能系數(shù)有著重要意義。目前橫管外重力降膜吸收是多數(shù)吸收器所采用的吸收模式。該吸收過(guò)程是一個(gè)流動(dòng)、傳熱與傳質(zhì)相互耦合的復(fù)雜過(guò)程，所以建立合適的模型進(jìn)行理論分析比較困難。本文采用CFD軟件對(duì)LiBr溶液不同管徑橫管外重力降膜吸收過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究該過(guò)程的流動(dòng)傳熱特性。研究結(jié)果表明：為了保證最佳的傳熱傳質(zhì)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(dòng)；傳熱特性；數(shù)值模擬

0 引言

吸收器、蒸發(fā)器、發(fā)生器、冷凝器、節(jié)流裝置是溴冷機(jī)中的主要組成部分[1]。吸收器內(nèi)一般設(shè)置傳熱管簇實(shí)現(xiàn)傳熱傳質(zhì)。多數(shù)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(zhì)性能與整個(gè)制冷系統(tǒng)的COP密切相關(guān)。故對(duì)吸收器中橫外溴化鋰（LiBr）溶液降膜流動(dòng)與傳熱過(guò)程進(jìn)行研究很有必要。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，各國(guó)學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)重力作用下的降膜流動(dòng)傳熱進(jìn)行了大量的研究。SUTALO等[3]對(duì)非牛頓流體沿著傾斜板降膜流動(dòng)進(jìn)行了CFD數(shù)值分析，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。呂多[4]總結(jié)了橢圓水平管外的重力降膜流動(dòng)中膜厚、流速等分布規(guī)律及不同管型參數(shù)對(duì)流動(dòng)特性的影響。于意奇等[5-6]對(duì)重力作用下的降膜行為進(jìn)行二維和三維數(shù)值模擬，分析了當(dāng)Re不同時(shí)的膜厚、液膜流速等。此外，他們對(duì)大平板的降膜流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，得到了平板降膜的一般規(guī)律。盛國(guó)剛[7]通過(guò)模擬及實(shí)驗(yàn)的方法探究了吸收器參數(shù)，比如噴淋溶液濃度、溫度、冷卻水入口溫度等對(duì)吸收器性能和機(jī)組COP的影響。羅林聰?shù)萚8]對(duì)水平管降膜進(jìn)行了二維建模，研究了不同管形對(duì)傳熱特性及液膜分布的影響。鄒同華等[9]對(duì)水平管外結(jié)冰特性進(jìn)行了數(shù)值研究。郝麗等[10]通過(guò)Fluent軟件中的自定義函數(shù)對(duì)垂直管的降膜流動(dòng)傳熱進(jìn)行了三維模擬，結(jié)果表明，垂直管具有液膜均勻性好及膜薄的優(yōu)點(diǎn)。YOSHIDA等[11]在MORAN等[12]的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值三維模擬，得到了重力降膜流動(dòng)中液膜表面的波形態(tài)及液膜厚度概率密度分布。倪瑜菲等[13]探究了溫度極化現(xiàn)象對(duì)帶有交換器的溴冷機(jī)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(dòng)換熱特性。江波[15]對(duì)橫管外重力作用下的降膜流動(dòng)傳熱過(guò)程進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，為工程設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

本文對(duì)吸收器中LiBr溶液重力作用下不同管徑橫管外降膜流動(dòng)傳熱過(guò)程進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，探究了管徑不同時(shí)液膜厚度、溫度場(chǎng)及換熱量的變化規(guī)律。

1 建立模型

圖1為L(zhǎng)iBr溶液橫管外重力降膜流動(dòng)傳熱過(guò)程的模型。橫管上方設(shè)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(dòng)并形成一層液膜。流動(dòng)過(guò)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(dāng)溶液液滴所受重力與其表面張力失去平衡時(shí)，液滴便會(huì)從上一根橫管管底落到下一根橫管管頂上。

圖1 降膜流動(dòng)過(guò)程物理模型

2 數(shù)值模擬參數(shù)

Fluent軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的數(shù)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(jù)需要自定義函數(shù)以實(shí)現(xiàn)設(shè)置材料屬性及邊界條件等功能[16]，故本文采用Fluent軟件對(duì)LiBr溶液橫管外降膜吸收流動(dòng)與傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬并對(duì)其結(jié)果分析。由于LiBr溶液的較小，可以近似認(rèn)為是層流狀態(tài)，因此選擇Laminar作為粘性模型。該降膜流動(dòng)傳熱過(guò)程涉及到水蒸氣和LiBr溶液，是多相流模型。選擇VOF模型進(jìn)行數(shù)值模擬。流體及固體物性參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1和表2。

表1 固體物性參數(shù)

表2 流體物性參數(shù)

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 液膜厚度分布

采用Fluent軟件中的VOF模型對(duì)LiBr溶液橫管外重力降膜流動(dòng)與傳熱過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。圖3為噴淋密度相同時(shí)，即布液管中的濃溶液流速相同時(shí)（0.150 m/s），不同管徑橫管外重力降膜過(guò)程體積分布圖。采用Fluent后處理軟件CFD-Post對(duì)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(jìn)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(shí)，不同管徑橫管外重力降膜過(guò)程體積分布圖。

圖2 布液管流速為0.150 m/s時(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shí)，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?yàn)橄嗤《人鶎?duì)應(yīng)的弧線大管徑比小管徑要長(zhǎng)，故大管徑中液膜與管壁接觸時(shí)間較長(zhǎng)，這樣表面張力有更多的時(shí)間減小液膜的波動(dòng)，拉平液膜。從圖4可知，當(dāng)布液管的流速為0.065 m/s時(shí)，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(shí)，液膜繼續(xù)變薄，在第2根橫管管底出現(xiàn)了面積較小的“干斑”。即此時(shí)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(huì)與LiBr溶液相接觸，會(huì)影響傳熱傳質(zhì)效率。管徑為20 mm時(shí)，“干斑”面積擴(kuò)大，傳熱效果繼續(xù)減弱。因此，當(dāng)布液管流速為0.065 m/s時(shí)，管徑不宜超過(guò)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(zhì)的進(jìn)行，大管徑所需要的噴淋密度要大于小管徑。故在實(shí)際工業(yè)中，當(dāng)橫管管徑較大時(shí)采用的噴淋密度較大，當(dāng)管徑減小時(shí)，適當(dāng)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(zhì)。

3.2 溫度分布

圖5為布液管流速為0.150 m/s時(shí)，管徑不同時(shí)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(duì)圖5的溫度場(chǎng)進(jìn)行溫度提取后繪制圖6。圖6是當(dāng)周向角為90°時(shí)，不同管徑下管壁附近溫度隨距管壁距離的變化規(guī)律。

由圖6可知，當(dāng)噴淋密度相同時(shí)，對(duì)于相同管徑，溫度場(chǎng)中距離管壁越遠(yuǎn)的點(diǎn)，溫度越低。對(duì)于不同管徑、距離管壁距離相同的點(diǎn)，小管徑的溫度高于大管徑的溫度，且距離管壁越遠(yuǎn)，大管徑溫度下降速度越快。這說(shuō)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(shí)，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(zhǎng)度1 m提取單位長(zhǎng)度換熱量。圖7為根據(jù)表3繪制出的折線圖。當(dāng)管徑為10 mm時(shí)，從圖中可以看出，布液管流速為0.065 m/s時(shí)，換熱量最大，說(shuō)明此時(shí)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(dāng)流速為0.060 m/s時(shí)，換熱量比0.065 m/s時(shí)小，此時(shí)噴淋密度太小，液膜不能完全包覆管壁，出現(xiàn)“干斑”，影響傳熱。當(dāng)流速大于0.065 m/s時(shí)，換熱量減小，且隨著流速的增加，換熱量越來(lái)越小。這是因?yàn)閲娏苊芏仍酱?，液膜越厚，熱阻越大，越不利于傳熱。所以?dāng)管徑為10 mm時(shí)，布液管流速在0.065 m/s時(shí)最合適，傳熱性能最好。

當(dāng)管徑為20 mm時(shí)，布液管流速0.080 m/s換熱量最大。當(dāng)流速小于0.080 m/s時(shí)，換熱量減小。且流速越小，橫管外管壁出現(xiàn)的干斑面積越大，傳熱性能越弱，換熱量越小。當(dāng)流速大于0.080 m/s時(shí)，換熱量隨著流速的增加越來(lái)越小。所以當(dāng)管徑為20 mm時(shí)，布液管流速在0.080 m/s時(shí)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(jié)論一致。

從表3與圖7中還可以看出，噴淋密度相同時(shí)，在相同時(shí)間內(nèi)，大管徑的換熱量整體比小管徑要大，因?yàn)榇蠊軓降墓鼙诿娣e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(zhǎng)度換熱量

圖7 不同管徑和噴淋密度工況下的單位長(zhǎng)度換熱量

4 結(jié)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(duì)均勻，即液膜厚度變化范圍較小；距離管外壁相同距離的點(diǎn)，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(shuō)明大管徑的換熱效果優(yōu)于小管徑。

2）大管徑所需要的噴淋密度比小管徑大，這是因?yàn)閷?shí)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(zhì)。當(dāng)橫管管徑為10 mm時(shí)，最佳布液管流速為0.065 m/s。當(dāng)橫管管徑為20 mm時(shí)，最佳布液管流速為0.080 m/s。

3）噴淋密度相同時(shí)，在相同的時(shí)間內(nèi)大管徑橫管降膜吸收過(guò)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(diào)、制冷技術(shù)與設(shè)備。聯(lián)系地址：山西省太原市小店區(qū)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)大昌南路18號(hào)，郵編：030032。聯(lián)系電話：15035688227。E-mail：495442001@qq.com。