搖擺對TFE-TEGDME降膜吸收影響的可視化實驗研究

(大連海事大學(xué) 制冷與低溫工程研究所 大連 116026)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，人們生活水平和社會生產(chǎn)力不斷提高，與此同時人們對能源的需求越來越大，節(jié)能也因此也越來越受到重視。與傳統(tǒng)的壓縮式制冷相比，吸收式制冷具有可以利用低品位熱源，耗電量低的優(yōu)點，有望應(yīng)用于余熱豐富的船舶，故一直以來都是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。在制冷工質(zhì)對方面，目前廣泛應(yīng)用的NH3-H2O(氨-水)和LiBr-H2O(溴化鋰-水)工質(zhì)對都有一定的缺陷，而TFE-TEGDME(三氟乙醇-二甲醚四甘醇)工質(zhì)對具有工作溫度范圍廣，對常用金屬無腐蝕性，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，更適合船舶制冷。

對于TFE-TEGDME工質(zhì)對，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了一定的研究。在熱物性參數(shù)方面，姚普明等[1]對TFE-TEGDME、TFE-E181、NH3-H2O及LiBr-H2O溶液進(jìn)行性能分析對比，認(rèn)為TFE-TEGDME溶液優(yōu)越性更高；張莉等[2-3]擬合了TFE-TEGDME與TFE+H2O-TEGDME混合物性關(guān)聯(lián)式；H. D. Baehr等[4]對TFE-TEGMDE的熱物性進(jìn)行了測量，包括密度、黏度和過量焓。而在制冷/熱泵循環(huán)方面，丁帆等[5-6]研究了以TFE-TEGDME溶液為制冷工質(zhì)對的制冷機(jī)組在搖擺條件下的特性，分析了不同搖擺條件下系統(tǒng)制冷量和熱力系數(shù)的變化；K. Stephan等[7-8]對TFE+H2O-TEGDME為工質(zhì)對的第二類熱泵進(jìn)行了研究，認(rèn)為加水可提高TFE的導(dǎo)熱系數(shù)；孟凡基等[9]在以TFE-TEGDME為制冷工質(zhì)對的吸收式制冷系統(tǒng)中加入了He(氦氣)充當(dāng)壓力平衡劑，發(fā)現(xiàn)制冷量最大可達(dá)0.58 kW，但系統(tǒng)COP較低。

吸收器是吸收式制冷的關(guān)鍵部件，目前廣泛應(yīng)用的吸收方式之一為降膜吸收，一些學(xué)者已經(jīng)對靜止?fàn)顟B(tài)下的降膜吸收過程進(jìn)行了研究，但是對于搖擺工況下的降膜吸收過程，目前的研究重點仍在常用的吸收式制冷工質(zhì)對，如NH3-H2O和LiBr-H2O。在國內(nèi)研究方面，尹銘等[10]用對降膜吸收過程劃分微元的分析方法，建立了降膜吸收過程熱-質(zhì)耦合數(shù)值積分模型，并對光滑管與強(qiáng)化換熱管外降膜吸收的傳熱傳質(zhì)進(jìn)行了實驗研究；申江等[11]研究了機(jī)械振動幅度和頻率對降膜吸收的影響效果；劉艷麗等[12-14]通過建立搖擺振動條件下TFE-TEGDME降膜吸收的物理數(shù)學(xué)模型，對動量、熱量和質(zhì)量傳遞機(jī)理進(jìn)行了研究，并通過建立單管吸收實驗臺研究其熱、質(zhì)傳遞規(guī)律。在國外研究方面，G. M. Sisoev等[15]研究了吸收器受波動液膜的影響，并驗證了最大吸收率的條件；美國的B. B. Tsai等[16]在豎直降膜管頂部安裝了一個震動裝置，研究不同震動頻率對傳質(zhì)過程的強(qiáng)化作用，發(fā)現(xiàn)最大可使傳質(zhì)系數(shù)提高十倍之多；J. D. Killion等[17]通過建模對降膜吸收過程中傳熱量和傳質(zhì)量之間的聯(lián)系和影響因素進(jìn)行了研究，認(rèn)為建模領(lǐng)域特別是薄膜流體力學(xué)方面仍缺乏一致性。

綜上所述，對于TFE-TEGDME吸收式制冷機(jī)組的降膜吸收過程，特別是搖擺條件下研究還較少，故本文通過搭建可視化吸收式制冷實驗臺，對TFE-TEGDME溶液在豎直管內(nèi)的搖擺降膜波形和制冷機(jī)組的整體性能進(jìn)行研究。

1 實驗裝置、方法與條件

1.1 實驗裝置

本實驗臺為單效吸收式制冷裝置，主要由發(fā)生器、吸收器、蒸發(fā)器、冷凝器及溶液熱交換器等組成，制冷工質(zhì)對為TFE-TEGDME溶液，其中TFE與TEGDME的初始配比約為1∶4。實驗臺整體安裝在六自由度搖擺臺之上，如圖1所示，吸收器共有3根降膜管，其中1根設(shè)計為可視玻璃管，便于對管內(nèi)溶液降膜過程進(jìn)行觀察。同時在吸收器進(jìn)口處安裝一個預(yù)冷儲液罐，以預(yù)冷的方式對吸收器進(jìn)行冷卻。發(fā)生器設(shè)計為一桶型結(jié)構(gòu)，底部裝有電加熱棒，并裝有視鏡觀察液位。蒸發(fā)器為盤管式結(jié)構(gòu)，頂部設(shè)計一個噴淋裝置進(jìn)行布液，制冷劑在管內(nèi)流動，帶走冷量。冷凝器內(nèi)冷卻水共五管程，單管程換熱管數(shù)量為1根，對經(jīng)過殼程的TFE蒸氣進(jìn)行冷卻。

圖1 實驗裝置Fig.1 The experimental device

1.2 實驗方法與實驗條件

通過前期熱力計算確定實驗中進(jìn)入吸收器的最小溶液體積流量qv=0.14 L/min。為了保證降膜吸收效果，需要液膜良好的覆蓋管壁，液膜厚度需要在0.1～1 mm的范圍內(nèi)。假定降膜溶液的流速U=0.1 m/s，經(jīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計兩根降膜鋼管內(nèi)徑選定為14 mm(長度為230 mm)、可視降膜玻璃管內(nèi)徑選定為9.5 mm，此時液膜厚度約0.2 mm。由于玻璃管的安裝條件所限，可觀察部分位于降膜管的中間，長度為70 mm。實驗分為靜止?fàn)顟B(tài)與搖擺狀態(tài)兩種情況，其中靜止?fàn)顟B(tài)的變量為溶液質(zhì)量流量，為0.1、0.2、0.5、0.8、1.2 kg/min，共計5組。搖擺狀態(tài)研究了當(dāng)搖擺周期為8 s，搖擺幅度為5°、10°、15°時的降膜流型和當(dāng)搖擺幅度為10°，搖擺周期為12、8、4 s時的降膜流型，同時還記錄分析了一定搖擺幅度和周期下降膜管處于5°、7°和9°時管內(nèi)液膜的狀態(tài)。本實驗所用搖擺臺為六自由度搖擺臺，平臺最大俯仰和滾轉(zhuǎn)角度為±31°，最大升降位移為±370 mm，最大縱向和側(cè)向位移為±550 mm；質(zhì)量流量計為德國RHEONIK公司的RHM03系列，最大質(zhì)量流量為2.5 kg/min，測量精度為0.1%；高速攝像儀型號Phantom v310，每秒最高可拍攝50萬張照片，像素為1 240 000，最小曝光時間為1 μs，實驗中選取800×600分辨率和3 000幅/s。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 靜止條件下的降膜流型分析

在靜止?fàn)顟B(tài)下，對降膜過程影響最大的是溶液質(zhì)量流量。圖2所示為靜止?fàn)顟B(tài)下不同流量降膜管液膜流型圖。圖2(a)中質(zhì)量流量較小，降膜表面為層流狀態(tài)；圖2(b)中管內(nèi)稍有波動，波狀流開始出現(xiàn)，類似單色波形式；圖2(c)中波動加劇，液膜波動發(fā)展為穩(wěn)定波狀流形式；圖2(d)中管內(nèi)出現(xiàn)合并波狀流形式；圖2(e)中由于質(zhì)量流量過大，液膜表面出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

圖2 靜止?fàn)顟B(tài)下的降膜流型Fig.2 The falling film patterns of stationary state

2.2 搖擺幅度和周期對降膜流型的影響

為了研究搖擺幅度對流型的影響，統(tǒng)一將搖擺的周期定為8 s。圖3所示為當(dāng)質(zhì)量流量為0.2 kg/min時，不同搖擺幅度下流型的變化。由圖3(a)可知，與靜止?fàn)顟B(tài)相比，管內(nèi)的波狀流動略有加強(qiáng)，類似單色波的形式；由圖3(b)可知，隨著搖擺的加強(qiáng)，局部液膜厚度增加，液膜呈現(xiàn)穩(wěn)定波狀流形式；由圖3(c)可知，由于搖擺過強(qiáng)，液膜出現(xiàn)合并波狀流和脫落現(xiàn)象。

圖3 搖擺幅度對流型的影響Fig.3 The influence on the flow patterns by swing amplitude

在分析搖擺周期對豎直降膜管內(nèi)液膜流型的影響時，選取搖擺幅度為10°時降膜管處于豎直位置的圖像。圖4所示為溶液質(zhì)量流量為0.2 kg/min時，不同搖擺周期下管內(nèi)降膜流型的變化。由圖4(a)可知，由于此時搖擺周期較大，搖擺頻率較為平緩，故管內(nèi)液膜受到搖擺的影響不大；由圖4(b)可知，隨著搖擺頻率的增大，管內(nèi)液膜受到的擾動增強(qiáng)，液膜的波狀流增加，發(fā)展為類似穩(wěn)定波狀流的形式；由圖4(c)可知，此時搖擺周期較短，擺動較為劇烈，故管內(nèi)液膜出現(xiàn)合并波狀流。

圖4 搖擺周期對流型的影響Fig.4 The influence on the flow patterns by swing period

2.3 降膜管在不同角度時的流型

設(shè)定搖擺幅度為10°，搖擺周期為8 s，經(jīng)實驗可以發(fā)現(xiàn)，降膜管內(nèi)溶液液膜的流型變化還與管的不同運(yùn)動位置有關(guān)。圖5所示為質(zhì)量流量為0.2 kg/min時不同搖擺角度下的流型圖。由圖5(a)可知，搖擺開始時，管內(nèi)溶液受到較大的擾動，此時為穩(wěn)定波狀流形式；由圖5(b)可知，此時運(yùn)動趨于平緩，管內(nèi)溶液受到擾動較小，趨于層流；由圖5(c)可知，此時由于運(yùn)動接近擺幅邊緣，管內(nèi)擾動加強(qiáng)，出現(xiàn)穩(wěn)定波狀流。

圖5 不同搖擺角度下的流型Fig.5 The flow patterns at different swing angles

2.4 搖擺對機(jī)組性能的影響

圖6所示為搖擺幅度和冷卻溫度對吸收器吸收效果的影響，溶液質(zhì)量流量為0.14 kg/min，搖擺周期為8 s。由圖6可知，當(dāng)搖擺幅度為5°時，由于降膜管內(nèi)液膜主要為單色波，相比層流流動時液膜受到的擾動略有提高，經(jīng)過吸收器吸收后的溶液濃度也有一定提高，可知此時的吸收效果相比靜止?fàn)顟B(tài)有一定提升。當(dāng)搖擺幅度為10°時，管內(nèi)液膜的主要流動形式為穩(wěn)定波狀流，可以發(fā)現(xiàn)此時溶液經(jīng)過吸收器之后的濃度最高，吸收效果最好。當(dāng)搖擺幅度為15°時，搖擺過于劇烈，液膜受到擾動過大變?yōu)楹喜⒉盍魃踔脸霈F(xiàn)脫落現(xiàn)象，溶液順著管壁的流動速度過快而吸收不完全，甚至有一部分溶液未能順著管壁流下，此時吸收效果相比靜止?fàn)顟B(tài)大幅度降低。實驗用到的冷卻溫度主要有5、10、15、20 ℃，可知冷卻溫度越低，吸收器的吸收效果越好，吸收TFE蒸氣后的溶液濃度越高。

圖6 搖擺幅度和冷卻溫度對吸收效果的影響Fig.6 The influence on the absorption effect by swing amplitude and cooling temperature

圖7所示為搖擺周期和冷卻溫度對吸收器吸收效果的影響，溶液質(zhì)量流量為0.14 kg/min，搖擺幅度為10°。由圖7可知，在搖擺周期為12 s、8 s搖擺不太劇烈的情況下，吸收器的吸收效果相比靜止?fàn)顟B(tài)有所提升(溶液濃度提高)；當(dāng)搖擺周期為4 s時，搖擺過于劇烈，液膜因受到的擾動過大而破壞，此時吸收器的吸收效果大幅度降低。因此，冷卻溫度越低吸收器的吸收效果越好。

圖7 搖擺周期和冷卻溫度對吸收效果的影響Fig.7 The influence on the absorption effect by swing period and cooling temperature

圖8所示為搖擺幅度和溶液質(zhì)量流量對制冷系統(tǒng)COP的影響，此時搖擺周期為8 s。由圖8可知，當(dāng)溶液質(zhì)量流量為0.14 kg/min時，在搖擺幅度處于10°之內(nèi)時，由于搖擺加強(qiáng)了液膜的擾動，波狀流數(shù)量增加，系統(tǒng)COP隨著搖擺幅度的增大而增大；當(dāng)搖擺幅度超過10°時，搖擺過于劇烈，液膜受到破壞并出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，此時系統(tǒng)COP隨著搖擺幅度的增大而降低。當(dāng)溶液質(zhì)量流量為0.28 kg/min時，液膜厚度增加，在搖擺幅度8°之內(nèi)系統(tǒng)COP高于0.14 kg/min時的情況，系統(tǒng)COP也隨著搖擺幅度的增大而增大；當(dāng)搖擺幅度高于8°時，較大流量下降膜管內(nèi)液膜受到的擾動更大，液膜受到一定的破壞，系統(tǒng)COP低于0.14 kg/min時的情況，COP也隨著搖擺幅度的增大而降低。

圖8 搖擺幅度和溶液質(zhì)量流量對制冷系統(tǒng)COP的影響Fig.8 The influence on the COP of refrigeration system by swing amplitude and solution mass flow rate

圖9所示為搖擺周期和溶液質(zhì)量流量對制冷系統(tǒng)COP的影響，此時搖擺幅度為10°。由圖9可知，當(dāng)溶液質(zhì)量流量較大時，降膜管內(nèi)液膜的厚度增加，當(dāng)搖擺不劇烈時吸收器的吸收效果提高，系統(tǒng)COP要高于質(zhì)量流量小時的情況；但同時液膜受到搖擺的擾動更大，在搖擺周期8 s時液膜受到一定破壞，導(dǎo)致COP降低，溶液質(zhì)量流量較大時的COP將低于質(zhì)量流量較小時的COP。

圖9 搖擺周期和溶液質(zhì)量流量對制冷系統(tǒng)COP的影響Fig.9 The influence on the COP of refrigeration system by swing period

3 結(jié)論

本文搭建了可視降膜管的TFE-TEGDME吸收式制冷實驗臺，對TFE-TEGDME溶液在吸收器降膜管內(nèi)的流動情況進(jìn)行觀察和記錄，分析了不同搖擺情況下吸收器的吸收效果和制冷系統(tǒng)COP的變化情況，得到如下結(jié)論：

1)豎直降膜管內(nèi)液膜的流型主要有層流、單色波、穩(wěn)定波狀流、合并波狀流和液膜脫落的形式，溶液流量的變化和搖擺幅度、搖擺周期的變化都會對管內(nèi)液膜產(chǎn)生影響。

2)隨著搖擺幅度的增大或搖擺周期的減小，管內(nèi)溶液液膜受到的擾動也越大，在搖擺幅度為10°或搖擺周期為8 s時出現(xiàn)穩(wěn)定波狀流，此時吸收器的吸收效果最好，在搖擺幅度為15°或搖擺周期為4 s時出現(xiàn)合并波狀流甚至液膜脫落現(xiàn)象，此時吸收效果大幅度降低；管內(nèi)溶液液膜在擺幅邊緣受到的擾動較大，而在擺幅中間擾動較小，當(dāng)搖擺幅度為10°，周期為8 s時，在降膜管處于5°和9°位置時管內(nèi)液膜受到的擾動較大，液膜出現(xiàn)較多的波狀流，在降膜管處于7°時擾動較小，液膜流動平緩。

3)當(dāng)溶液質(zhì)量流量為0.14 kg/min時，隨著搖擺幅度的增大或搖擺周期的減小，制冷系統(tǒng)COP將先增大再降低，峰值在搖擺幅度為10°或者搖擺周期為8 s時出現(xiàn)；當(dāng)溶液質(zhì)量流量為0.28 kg/min時，系統(tǒng)COP受搖擺的變化趨勢與質(zhì)量流量為0.14 kg/min時相似，只是峰值點出現(xiàn)在搖擺幅度為8°或搖擺周期為10 s時。溶液質(zhì)量流量越大，液膜受搖擺的擾動越強(qiáng)，在較小的搖擺強(qiáng)度(即較小的搖擺幅度或較大的搖擺周期)下就會出現(xiàn)合并波狀流甚至脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致系統(tǒng)COP大幅度降低。