垂直管内R124-DMAC鼓泡吸收过程流型演化可视化实验

蒋孟男，徐士鸣，胡军勇，王伟，吴曦

（大连理工大学能源与动力学院，辽宁 大连 116024）

引 言

若将吸收制冷技术用于汽车、舰船中，回收其发动机排出的废热进行制冷为其提供冷量，可以大幅降低汽车、舰船用于驱动压缩制冷系统的能耗，有利于节约能源，减少污染物排放。然而，常规的吸收制冷系统中所采用的降膜吸收器难以在倾斜、摇摆、颠簸等非稳定工作条件下正常工作，使其在汽车、舰船废热制冷领域内应用受到限制。而采用鼓泡吸收技术，由于吸收过程中制冷剂气体被完全包裹在吸收溶液内，倾斜、摇摆时气体均与吸收溶液有很好的接触，吸收过程能够正常进行。这一特点令鼓泡吸收器在汽车、舰船废热制冷技术中有着广阔的应用前景。

因此，近年来人们开始对鼓泡吸收过程进行研究。Kang等[1-3]采用板式吸收器，对氨水降膜吸收与鼓泡吸收两种方式进行了对比研究，发现鼓泡吸收比降膜吸收具有更好的效果。接着，该研究团队对液池内单氨气泡吸收过程进行了可视化实验研究，并通过数据分析得出了传质系数的实验关联式。Lee等[4]也采用板式吸收器，对氨水鼓泡吸收过程进行实验研究，并借助量纲分析法对其传热、传质过程进行研究。在后续的研究中，Lee等[5]对氨水鼓泡吸收过程进行了数值模拟并与实验结果进行对比，得到了较一致的结果。程文龙等[6-8]采用可视化实验方法，对单个氨气泡吸收过程进行了研究；探究了流量、喷嘴孔径以及添加剂对吸收效果的影响，并在此基础上建立了动力学模型用以分析氨水单气泡吸收的吸收特性。这些研究工作主要集中于小气-液体积流率比条件下，单个气泡或连续气泡吸收特性的研究。然而实际吸收式制冷系统的鼓泡吸收过程中，出现小气-液体积流率比的概率较小。

Ferreira等[9]在垂直管内大气-液体积流率比条件下，对氨水鼓泡吸收过程进行了可视化研究，并得出了热、质传递与吸收高度的关联式。Kim等[10-11]先用可视化实验方法，对垂直管内大-气液体积流率比下，氨水-氨气逆流鼓泡吸收过程进行研究，探讨气、液体积流率，氨水溶液入口浓度，冷却水温度等关键参数变化对吸收高度的影响；在此基础上，建立了数值模型，用于研究其热、质传递关系。魏琪等[12-13]对垂直管吸收器内鼓泡吸收热质传递过程进行了数值分析，得出溶液吸收主要发生在搅拌流与弹状流中，换热热阻以蒸气热阻为主等结论。罗玉林等[14]通过建立数值模型，对垂直风冷翅片管中氨水鼓泡吸收过程出现的不同流型进行分析，并得出了各流型所占相应比例的研究结果。

以上所涉及的鼓泡吸收过程研究是针对氨水工质，但是以氨为制冷剂的氨水吸收式制冷系统，因氨有毒性、刺激性和可燃性，以及氨水对铜有腐蚀作用，不适用于空间狭窄，对质量、体积和安全性要求均较高的车、船等废热制冷领域内。而以HCFCs和HFCs等为制冷剂的有机工质可以替代氨水工质在车、船等废热制冷领域内获得应用。但是，目前关于采用有机工质的鼓泡吸收特性研究的文献较少。Suresh等[15-18]对以 R134a/DMF为工质的鼓泡吸收过程及热、质传递特性进行了研究，得出了鼓泡吸收过程热、质传递关联式，并将采用关联式进行数值模拟所获得的结果与实验结果进行对比，认为有较好的相关性。Sujatha等[19-21]研究了 R22与不同吸收剂组合时的吸收性能，重点探讨R22/DMF在垂直管内鼓泡吸收过程热、质传递规律，给出与实验结果比较吻合的传质系数关联式。

Xu等[22-23]提出了一种以R124-DMAC（一氯四氟乙烷-二甲基乙酰胺）为工质、以汽车发动机废热和动力联合驱动的新型吸收/压缩混合制冷循环，并对其进行理论探索和实验论证，获得了较为理想的结果。然而，其循环内的重要部件空冷翅片管内鼓泡吸收器的热、质传递特性尚未掌握。尽管近些年来学者们开始对管内鼓泡吸收过程进行研究，但对于有机工质管内鼓泡吸收过程中的流型变化规律研究较少。因此，本文采用可视化实验方法，对R124-DMAC垂直管内鼓泡吸收过程的流型变化及其分布规律进行可视化实验研究，为进一步研究鼓泡吸收热、质传递特性奠定基础。

1 实验原理与流程

垂直管内鼓泡吸收可视化及热质耦合传递特性测试实验台如图1所示。其中，用于可视化实验的鼓泡吸收器是由两根不同直径的同心玻璃套管构成，可以观察管内鼓泡吸收过程气泡行为和气液两相流型变化。内管为鼓泡吸收管，内径为14 mm，有效高度为 640 mm。内管与外管之间的环形空间通冷却水，用于吸收鼓泡吸收过程所放出的热量。通过调节冷却水进口温度和流量来模拟管外换热特性变化。制冷剂气体通过设在内管下部的喷嘴进入鼓泡管内，吸收溶液从喷嘴与鼓泡管之间的环形空间流入，进出鼓泡吸收管溶液温度由设置于鼓泡管溶液出入口管处的PT100热电阻来测量。制冷剂与吸收剂由下而上顺流流动，与外管侧冷却水做逆流流动，冷却水进出口温度由设置在鼓泡吸收管冷却水进出口处的PT100热电阻测量。吸收压力由鼓泡吸收管后的针阀进行调节，由溶液入口侧压力表进行监测，当压力、温度、流率等达到实验条件并稳定时，开始进行实验测试。

图1 可视化和非可视化并行的管内鼓泡吸收热质耦合传递特性测试实验流程Fig. 1 Schematic diagram of vertical tubular bubble absorbers experimental setup

用于研究鼓泡吸收热质耦合传递特性的非可视化垂直管内鼓泡器结构与可视化鼓泡吸收器类似，但用铜管取代玻璃管，并在吸收管垂直方向上按一定间隔设置测量近壁面溶液温度变化的PT100热电阻。本阶段实验仅针对可视化鼓泡吸收过程的流型演化进行。其实验所测得的数据以及流型演化规律可为下阶段非可视化实验提供对比和分析基础，从而可以获得管内鼓泡吸收管局部或整体热质耦合传递特性关联式。

实验系统中设置上下两个溶液储罐，将调制好的具有初始浓度的吸收溶液注入下溶液罐，然后关闭上下储罐之间连接管道的阀门。实验开始，启动溶液泵，吸收溶液流经换热器调节入口温度并控制其流量后进入鼓泡吸收管的下部；来自制冷剂储罐的制冷剂蒸气经过压力和流量调节后进入喷嘴；从喷嘴流出的制冷剂蒸气与鼓泡内的吸收溶液混合后形成气液两相流。随着制冷剂蒸气被溶液吸收，两相流型发生变化，直至气泡消失，成为单相流。为了记录气泡行为和两相流型的变化规律，利用高速摄像仪对可视化鼓泡吸收过程进行拍摄，并记录进出口温度测点的温度值。吸收过程产生的热量通过内外套管间的冷却水带走，考虑到厚壁石英玻璃管导热性能较差，冷却水入口温度维持在33℃（接近夏天空气温度），实验中采用增大冷却水流量，以近乎等温冷却（冷却水进出口温差非常小）方式进行。这样可以消除因冷却水流速及温度变化对冷却侧传热系数的影响。

随着实验的进行，溶液吸收制冷剂后流入上溶液储罐，使得上溶液储罐内溶液浓度高于下储罐内溶液浓度。当下储罐内溶液达到最低液位时，本轮实验结束。开通上下两溶液储罐间的阀门，待上储罐浓度较高的溶液全部流入下储罐后关闭阀门，进行下一轮吸收溶液浓度变化后的实验研究。直至溶液浓度达到实验设定的最大值后重新更换溶液，重复上述实验。本次实验测试的参数范围见表1。

表1 实验参数测试范围Tabe 1 Test conditions

2 关于流型判断的说明

2.1 流型种类的说明

鼓泡吸收过程不仅是一个非常复杂的气液两相流过程，而且还伴随着复杂的热、质耦合传递现象。对于非吸收过程的气液两相流流型，目前主要是直观地根据其流动形态分类，而且对于众多种流型的定义是建立在主观观察的结果上，还没有形成统一标准，这样就不可避免地会引入观察者主观因素的干扰[24]。在此通过适当的简化，对于管内鼓泡吸收过程只取常见的搅拌流（波动流）、弹状流（活塞流）和泡状流3种流型[14]，如图2所示。

图2 鼓泡吸收过程两相流型变化[14]Fig. 2 Flow pattern diagram of bubble absorption process[14]

2.2 流型分布与流型高度的说明

由于鼓泡吸收过程会受到多种因素干扰以及两相流本身的不稳定性，即使尽量使各参数保持稳定，但仍然很难得到确切的各流型变化分界点。在观测鼓泡吸收过程时，发现鼓泡吸收两相流过程中也存在弹状流气泡追赶、合并现象。且随着制冷剂气体不断被吸收，气体在吸收溶液上升过程中的流量逐渐减小，流速减慢，后续气泡上升速度大于先前气泡上升速度；又因吸收过程中搅拌流与弹状流管段热、质传递速率较大[12-13]，吸收效果较好，所以气泡追赶、合并现象在搅拌流与弹状流结合部位体现更加明显，对流型分界的判断产生一定难度，只能通过多次观测，取平均值的办法来估测各种流型的分界或分布趋势。

采取如下方法判断流型分界。

① 搅拌流-弹状流分界，借助高速摄像仪的反复多次观测与取平均值的方法，以形成比较稳定且可以明显观察到弹状流型（即弹状流气弹尾部脱离搅拌流范围）开始截面为弹状流与搅拌流的分界面，并确定其高度。

② 弹状流-泡状流分界，当弹状流的气弹直径与长度均小于吸收管内径时，认为形成泡状流。泡状流中的气泡在浮升力、液体压力等综合作用下，多呈现为扁椭球形。由于在弹状流中会发生气泡合并现象，也需要多次观测并取平均值的方法来确定弹状流与泡状流的分界面，并确定其高度。

判断鼓泡吸收过程不同流型的分布情况，可以为今后鼓泡吸收过程不同流型的局部热、质传递特性的研究打下基础，也便于与非可视化铜管鼓泡吸收过程热、质传递情况进行对比研究。

3 鼓泡吸收过程流型特征分析

实验所用鼓泡吸收管为细长管，为了更清楚地显示所拍摄的图片，将吸收管平均分成3段，形成一组图片。每组图片由左到右依次对应吸收管的下、中、上3段，如图3所示。图中的4组图片显示了溶液入口温度36℃，溶液流率4 L·h−1，其他按表1所列条件下，不同的气体流率下，鼓泡吸收过程的流型及吸收高度变化照片。

当R124气体流率较小时[图3(a)]，只能在喷嘴孔口处观察到少量气泡，制冷剂蒸气出喷嘴后随即就被溶液吸收，整根鼓泡吸收管内仅有泡状流存在，吸收高度很低。随着气体流率增大[图 3(b)]，吸收管下部开始形成不稳定的搅拌流（波动流）。由于气液之间剧烈扰动，即使气体流率增大，R124仍然会被 DMAC溶液迅速吸收，吸收高度有所增加。然而，由图3(b)可见，在此气体流率下两相吸收流型从搅拌流直接变为泡状流，没有形成弹状流（在照片中可以观察到有少量气泡无法被溶液完全吸收，经分析此类无法吸收的气泡是由购置的 R124制冷剂的纯度所引起，但因含量很少，不影响流型转变）。随着R124气体流率继续增加[图3(c)]，鼓泡管中出现弹状流，但气弹部分长度较短，气弹中的气体被溶液吸收后很快变为泡状流。当 R124气体流率继续增大时[图3(d)]，才能观察到比较明显的弹状流。由于 DMAC溶液的表面张力较大等原因，一般都是以短气弹和短液弹形式交替出现，与氨水吸收时出现的长气弹特征有所不同[11]。

图4为其他条件不变而溶液入口温度升至 55℃时，不同的气体流率下，鼓泡吸收过程的流型及吸收高度变化照片。与图3对应的照片对比可以发现，溶液入口温度升高，气、液间热质传递性能下降，吸收高度随之增加，两相吸收流型发生明显变化。与图3(a)不同的是，即使在气体小流量条件下，因溶液温度升高后，从喷嘴出来的制冷剂气体不能被吸收剂迅速吸收，出现搅拌流、弹状流与泡状流3种流型。溶液入口温度变化对吸收流型的影响比气体流量变化对吸收流型的影响更大。因此，尽可能降低入鼓泡吸收前的溶液温度可以大幅提高鼓泡吸收器的吸收性能。

图3 垂直管内R124/DMAC鼓泡吸收过程对比图（36℃）Fig. 3 Photos of flow pattern at different R124 vapor flow rate (36℃)

图4 垂直管内R124/DMAC鼓泡吸收过程对比(55℃)Fig. 4 Photos of flow pattern at different R124 vapor flow rate (55℃)

随着气体流率的增加，弹状流内气弹的长度相应增加。由于气弹上升的表观速度高于液弹上升的表观速度，则气弹周围的液膜相对于气弹做逆向运动，并在气弹尾部与因卷吸作用而上升的液体混合产生复杂的紊流状态，使得气弹尾部形成了相比于气弹周围更剧烈的热、质传递现象，表现为气弹尾部迅速被液体吸收而缩短，该情况在搅拌流与弹状流结合部位更加明显，并在气弹尾部出现大量小气泡群。

4 鼓泡吸收过程流型分布分析

4.1 不同气、液流率对流型分布的影响

溶液入口温度36℃，流率4 L·h−1条件下，不同气体流率下鼓泡吸收过程流型变化统计分布由图5给出。不同条件下每种流型所占的吸收高度或所占总吸收高度的比例，对于今后研究鼓泡吸收过程的局部热、质传递性能具有重要意义。图5统计了当液体入口流率分别为8、6、4、2 L·h−1时，随着气体流率的变化每种流型的分布情况。由图可以看出，在当前实验参数下，随着液体入口流率的降低，总体吸收高度略微升高，当气体流率在120 L·h−1及以下时，均没有搅拌流和弹状流产生[鼓泡吸收照片如图3(a)所示]，当气体流率达到160 L·h−1之后，开始出现搅拌流，并随着气体流率的增加其搅拌流长（高）度缓慢增加。由于气体流率较低，在形成搅拌流之后在溶液的吸收作用下，没有出现弹状流，而是直接转变为泡状流[图 3(b)]。弹状流在气体流率达到200 L·h−1之后才开始逐渐出现，其分布区域随着气体流率的增加或液体流率的减少而快速增长。由于有不吸收性气体的存在，对泡状流流型消失高度的判断会略微造成一些影响，造成泡状流的分布高度变化规律不是很明显。搅拌流高度分布虽然随着吸收高度的增加而相应增加，但相对缓慢，所占总体吸收高度比例随气体流率增加和溶液流率降低呈下降趋势，约为总吸收高度的1/3～1/2。

图5 不同气、液流率对流型分布的影响Fig. 5 Flow pattern distribution with different vapor and solution flow rate

4.2 不同溶液温度对流型分布的影响

图6给出了温度分别为 26、36、46、55℃时R124/DMAC鼓泡吸收过程流型统计分布。溶液入口温度升高，气液间制冷剂分压力差减小，传质推动力降低，导致鼓泡吸收整体传质性能下降。由图可见，随着溶液入口温度的上升，出现搅拌流型所对应的气体流率降低。当溶液入口温度达到 55℃时，在 80 L·h−1气体流率下，鼓泡吸收管内就会出现搅拌流、弹状流和泡状流3种流型共存现象[图4(a)]。而当气体流率400 L·h−1时，在吸收管的有效长度内制冷剂气体已经无法被溶液完全吸收，即在鼓泡吸收管出口处还可以观察到气泡。

溶液入口温度对流型变化的影响与图 5有着相似的变化规律，即随着溶液入口温度和气体流率的增加，总体吸收高度、搅拌流与弹状流分布区域均相应增加。其中，弹状流占吸收高度的比例增加较快。在吸收管有效长度内，制冷剂气体可以被完全吸收的（出口观察不到气泡）情况下，弹状流所占吸收高度比例在 0～2/5。而搅拌流长（高）度增加幅度依然比较缓慢，从而导致搅拌流在总体吸收高度中所占比例呈下降趋势。当鼓泡吸收过程存在搅拌流时，搅拌流所占吸收高度比例在1/3～1/2。

图6 溶液入口温度与气体流率变化对流型分布的影响Fig. 6 Flow pattern distribution with different vapor flow rate and solution inlet temperature

5 结 论

通过搭建一套垂直管管内鼓泡吸收可视化实验平台，借助高速摄像仪对以R124-DMAC为工质的垂直管内鼓泡吸收过程的流型特征及其分布规律进行研究。探究了气体、溶液流率以及溶液入口温度变化对鼓泡吸收过程的两相流流型特征及分布规律的影响。

（1）当传质推动力较大（溶液入口温度或浓度较低）或气、液流率比较低时，鼓泡吸收两相流型中只存在泡状流或由搅拌流直接变为泡状流，不会出现弹状流。

（2）当传质推动力较小（溶液入口温度或浓度较高）或气、液流率比较大时，鼓泡吸收两相流型中会出现搅拌流（波动流）、弹状流（活塞流）和泡状流3种流型。

（3）大部分情况下，管内鼓泡吸收器入口段为搅拌流。随吸收传质推动力降低或气体流率升高，吸收高度与搅拌流高度均相应增加，但搅拌流高度增长相对缓慢，相比于整体吸收高度的增长比率呈下降趋势。在实验范围内，搅拌流高度约占整体吸收高度的1/3～1/2。

（4）吸收条件对弹状流出现影响较大。当吸收传质推动力较大或气体流率较小时，不出现弹状流；反之，就会出现弹状流。而气弹长度会随传质推动力降低或气体流率增大，出现由短到长的变化，弹状流高度所占总体吸收高度的比例明显增加。在吸收管内，制冷剂气体被逐渐吸收，流速逐渐降低，弹状流气弹尾部逐渐缩短。在制冷剂气体被完全吸收的条件下，弹状流高度所占吸收总体高度比例在0～2/5。

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