垂直降膜式吸收机内布液器的实验研究

孙 健 胡 鹏 付 林

(清华大学建筑技术科学系 北京 100084)

吸收式热泵是一种利用低品位热源、实现将热量从低温热源向高温热源泵送的循环系统，是一种回收利用低位热能的有效装置，由于其具有节约能源、保护环境的双重作用，正逐渐成为一项节能减排的重要技术。吸收器作为吸收式热泵的重要组成部件，其传热传质系数要远低于其他部分，所以如何提升吸收器的传热与传质系数，成为国内外研究重点。目前国内大多数的吸收式热泵采用的都是管外水平降膜的方式，这里研究的垂直降膜方式与水平降膜比较有以下优点：

1)工质在装置内流经时间短；2)传热温差小，热损失小；3)同样工况下有更高的传热传质系数；4)机组占地面积小。

从这些优点可以看出，垂直降膜机组有着更广阔的发展前景，但是目前鲜有对其布液器性能的研究，这已成为制约其发展一个重要因素，这里制作了不同型号的布液器，通过实验进行比较以优化其结构参数，优化后的布液器已经被成功应用于国内首台供热量为1.3MW垂直降膜式吸收式热泵机组样机。

1 布液器样品概述

吸收机里为了提高传热传质系数，LiBr水溶液大都采用喷淋方式，常用的方式有两种：

1)喷嘴喷淋方式。溶液在一定压力作用下经喷嘴物化，形成均匀的雾滴，喷淋于传热管上。喷淋的压力一般是借助于发生器和吸收器之间的压力差或借助于专用的溶液喷淋泵。

2)淋激式喷淋方式。该系统通常是将溶液流过钻有许多小孔的淋板，喷淋在传热管上。淋板有压力式和重力式两种。

由于方式1)往往需要外界提供压力，不利于节能，而且液膜分布不够理想，而方式2)是将浓溶液淋在冷却水管外壁，对于水平放置的管束而言，溶液不能喷淋到管壁的下方区域，造成传热面积的浪费。所以人们提出冷却水从传热管内壁纵向流动，浓溶液依靠自身的重力沿传热管外表面垂直降膜吸收的方式，以期能解决上述遇到的问题。垂直管外降膜式热质传递设备的结构大致上类似于固定管板式列管换热器, 只是在传热管上端安装布液器。文献[1]中提出了一种螺旋沟槽布液器形式，但是没有提出其合适的具体参数，因而缺乏实际应用价值。这里的目的即为通过多组实验对比，提出具体合理的结构参数，以用于指导实际机组的设计。布液器与传热管的连接形式如图1所示。

图1 管外布液器与铜管的连接方式Fig.1 Connection of distributor with copper pipe

图2 布液器结构图Fig.2 The structure of liquid distributor

图2为管外布液器剖面图，其外观为圆柱形，内表面上加工切向螺旋状沟槽，而切向沟槽下方加工导流环隙。沟槽内的液体受到毛细力和重力的双重作用沿着沟槽流下，在导流环隙作用下能沿管外壁顺利的成膜状分布。

由图2，布液器主要结构参数有沟槽深度a、沟槽宽度b、沟槽数目n、布液器高度e、导流环隙内径R、导流环隙外径R0、导流环隙高度h、以及切向旋转沟槽角度β。

由于切向沟槽的限流作用，其流通面积越小，数目越多，越有利于液体均匀的分配；但流通面积过小，沟槽易被液体中杂物堵塞，而且加工困难。经过实验比较，通道数取3～5个, 每通道的流通截面积取3.5～6.0mm2较为合适。实验中取单个流通截面积为4.5mm2，槽深为1.5mm，槽宽为3mm。

实验采用的布液器和实际机组的布液器材料均为聚四氟乙烯，该材料有易于加工、耐高温等优势，保证了其在机组长期运行下不会老化变形。由于该材料不透明，为了直观显示其内部的流道，制作的与实际应用的布液器尺寸完全一致的透明塑料模型如图3所示。

图3 布液器模型图Fig.3 The model of liquid distributor

实验的布液器结构参数如表1：

表1 实验中使用的布液器参数Tab.1 Parameter of different liquid distributor

2 实验系统原理

实验装置如图4。由于实际机组中溶液靠自身重力流动，所以实验系统没有设置水泵，为保证装置2中流动压头恒定，容器2始终保持满液状态。

图4 实验装置图Fig.4 The equipment fi gure of experimentation

调节1供给管道上阀门开度，使得2始终充满溶液，2的溢液流入3中。调节5使得6中的液面稳定在不同的高度以便测量。

测量纯净水的流量采用的是浮子流量计，由于吸收式热泵内单根管束的流量较小，故选定型号为DFM165，量程为5～60L/h。

用液压打孔机在6底部打孔，将7嵌入孔中，确保布液器与孔之间没有空隙。在6中垂直液面放入直尺读取静液柱高度h，记录不同液面高度时候的流量。

3 实验测量过程

调节5的开度使得6内的液面稳定在不同高度，通过对管束布液情况观察判定布液是否圆满、均匀、稳定，并记录下布液良好时对应的静液柱高度范围。

在实际机组中，要求布液器的流率要大小合适，如果太大，溶液不能与冷却水充分换热，而且溶液容易飞溅；如果太小，则溶液循环时间过长，机组性能下降。为保证最佳的吸收效果，需测量静液柱高度H与实际液体流率Γ之间的关系。静液柱高度指的是容器6的液面到容器6底部的距离。而实际液体流率的定义为管壁单位周边长度、单位时间内流下的液体量：

式中：Qm—质量流量，单位kg/h；

R —导流环隙内径，单位m。

静液柱高度与布液器的流量是一一对应的关系。实验中分别对4种布液器分组进行测量，介质分别为纯净水和质量分数50%的溴化锂水溶液，换热管分别为光滑铜管和强化换热管(外表面做麻面处理)。

由于浮子流量计是针对水设计的，其测量原理决定了不能直接测量溴化锂水溶液流量，所以使用精度为0.1kg的台秤和计时器用称重法测量溴化锂水溶液的质量流量。为了保证测量必须的精度，所以适当延长每次测量的时间间隔，实验计时间隔为5分钟。

4 实验数据分析

依据实验介质、布液器型号和管束不同分组进行实验，得到以下实验结果：

4.1 介质为纯净水

选择I号、II号布液器对Φ19的紫铜光管进行管外降膜实验，数据对比如图5所示：

图5 I号与II号布液器数据Fig.5 Experimental data of I&II liquid distributor

图6 III号与IV号布液器数据Fig.6 Experimental data of III&IV liquid distributor

选择III号、IV号布液器对Φ25的紫铜光管进行管外降膜实验，实验数据如图6所示：

由于II号布液器比I号布液器多一个槽，同样静液柱高度下，流量明显增大，就布液效果来看，两种布液器在光管表面都不能完整稳定布液，II号布液较I号圆满。

4.2 介质为LiBr水溶液

对Φ19的紫铜光管进行管外降膜实验，I号、II号布液器数据对比如图7所示：

图7 I号与II号布液器数据Fig.7 Experimental data of I&II liquid distributor

图8 III号布液器数据Fig.8 Experimental data of III liquid distributor

图9 溶液在强化管壁均匀分布Fig.9 Solution distributs uniformly on the surface of enhancement pipe

采用III号布液器对Φ25紫铜光管的管外降膜实验，由于IV号布液器仅与III号导流环隙尺寸不同，因而流动阻力一致，所以实验数据与III号一致，数据如图8所示。

对于强化管而言，LiBr水溶液在管表面分布均匀，而对于光滑铜管，布液均达不到均匀稳定，干区和死区较多。由于LiBr水溶液粘度大等原因，同样条件下，LiBr水溶液的布液情况要好于水。如图9所示，左图为单管实验的照片，右图为机组运行时的照片，由于铜管表面的麻面纹对溴化锂溶液有很好的导流作用，防止了壁面干区和死区的产生，溶液在壁面各处覆盖均匀，流动稳定。

5 实验结论及分析

以纯净水和LiBr水溶液为工质, 测定了各自流量与静液柱高度的关系。由于强化管表面流动阻力大于光管，在相同液体流率下，强化管的静液柱高度大于光滑铜管静液柱高度。

目前国内的吸收式热泵内多采用强化管，所以分析了垂直降膜式热泵中所选布液器的LiBr水溶液流量系数与雷诺数之间的关系，为此类机组设计提供依据。

参照管内降膜切线孔式布液器, 流量系数定义为：

式中：V —体积流量，单位m3/s；

s1—切向旋转沟槽截面积，单位m2；

H —静液柱高度，单位m。

将流量系数与雷诺数进行关联, 以切向沟槽当量直径计算的雷诺数为：

式中：de—当量直径，单位m；

u —切向沟槽内平均流速，单位m/s；

ρ —溴化锂溶液密度，单位kg/m3；

µ —溴化锂溶液动力黏度，单位Pa.s。

分析计算过程中的LiBr水溶液的物性参数是通过EES软件中的物性函数算出。

而当量直径为：

式中：a —沟槽深度，单位m；

b —沟槽宽度，单位m。

切向沟槽中的平均流速为：

式中：V —体积流量，m3/s；

n —沟槽数目。

利用EES软件拟合各个型号的布液器得到C0和Re之间的关系式，相关系数为0.99。

表2 布液器流量系数与雷诺数的函数关系Tab.2 Function relation between fl ow-rate coef fi cient and reynold number

总之，无论哪种布液器，都难以让溶液在光管表面均匀稳定流下，干区和死区较多，过渡段距离比较大，布液不均将造成传热面积的浪费，从而降低机组的性能。在增加布液器槽数后布液效果有所改观，但是布液仍不够稳定，所以建议在实际机组中使用强化管。布液器设计采用优化后的参数，推荐槽数3～5个，单通道的流通截面积取3.5～6.0mm2，旋转沟槽角度25～35°，静液柱高度不低于60mm，以便最大程度实现布液均匀稳定以提高传热传质系数。同时也要注意强化管容易积垢，不易于清洗，污垢形成后会大为降低传热系数的问题，因此要注意机组内部的清洁，避免管束上沾有杂质和油污。实验结果为垂直降膜式吸收式热泵布液器设计提供依据，所研制的布液器已经成功应用于国内首台供热量为1.3MW垂直降膜式吸收式热泵机组样机，该热泵有两级蒸发器和吸收器，发生器采用190℃/0.4MPa过热水蒸气做为热源，蒸汽流量为717.3m3/h，冷却水进出口温度为35/40℃，冷却水流量52.6m3/h，热水进出口温度为75/90℃，热水流量为72.3m3/h，吸收器传热系数为1325W/(m2.K)，整体COP为1.31，达到了设计要求。而且由于垂直降膜吸收器管排紧凑、蒸发器与吸收器合二为一等独特优势，能够显著减少机组占地面积和系统电耗。

(本文受北京市科技计划：利用电厂循环水余热的供热技术研究与应用示范(D07040600560701)项目资助。The project was supported by the Key Projects of the Beijing Municipal Science and Technology Plan(D07040600560701).)

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