竖直螺旋盘管降膜吸收器设计及实验研究

梁斌夏利江单元猛刘楠王欢

1青岛腾远设计事务所有限公司

2鲁东大学食品工程学院

竖直螺旋盘管降膜吸收器设计及实验研究

梁斌1夏利江2单元猛2刘楠2王欢2

1青岛腾远设计事务所有限公司

2鲁东大学食品工程学院

本文对竖直螺旋盘管降膜吸收器进行设计，并利用数学模型对螺旋盘管降膜吸收器吸收及换热过程进行分析。通过实验研究获得螺旋盘管吸收器吸收过程相关特性。获得的结论对于螺旋盘管吸收器的设计具有一定的指导意义。

螺旋盘管 降膜 吸收器 热质传递

吸收器是吸收式制冷系统的重要组成部分，其传热传质特性对整个机组的性能影响很大。传统的吸收器多采用水平管束的降膜吸收方式，它的显著特点是能在较小的液流量和较小的温差下获得较高的传热系数和热流密度，但是水平管束布置对机组的小型化非常不利[1]。螺旋管换热器具有结构紧凑、传热强度高和加工制作简单等优点，在传热中得到广泛应用。近年来国内外利用螺旋盘管换热器发展出一系列紧凑式换热器[2～3]。螺旋盘管换热器也为吸收器的小型化提供了一个发展方向，国外O.Kaynakli1[4]等利用数学模型对螺旋盘管吸收器进行了理论分析。为了进一步获取螺旋盘管吸收器的工作特性，本文对垂直螺旋盘管吸收器进行设计，并利用试验台对其进行实验研究，为吸收器优化设计提供参考。

1 垂直螺旋盘管吸收器结构及工作原理

垂直螺旋盘管吸收器结构如图1所示。选用水-溴化锂溶液，以水为制冷剂的吸收式制冷系统的吸收器进行研究。溴化锂浓溶液经过吸收器顶部的溶液分布器后，沿着螺旋盘管外壁均匀落下。溴化锂浓溶液在降落的过程中，吸收来自蒸发器的饱和或过热蒸汽，吸收过程中产生的热量传递给螺旋盘管内的冷却水并被带走，最后获得低浓度溴化锂的稀溶液。冷却水流动方向为从螺旋盘管底部流入，从顶端流出。

图1 螺旋盘管管吸收器示意图

2 吸收器数学模型建立及分析

吸收器的吸收过程包含着自然现象中普遍存在的因浓度、温度和动量三种不平衡因素而引起的传输过程，它们相互影响，因此在计算过程中需要同时考虑吸收溶液的传热、传质问题[5]。

2.1 吸收器热量传递过程

吸收过程，在溶液和冷却水之间存在三种热阻：冷却水侧对流换热，铜管的热阻和溴化锂溶液的降膜热阻。总的热传递系数的获得需要考虑到三种热阻的影响。

冷却水侧对流换热系数hc可以使用下列螺旋盘管中紊流的相互关系决定[4]：

式中：Nuc为努塞尔数；kc为导热系数；Re为雷诺数；Pr为Prandtl数；R为螺旋盘管螺旋半径；di为管径；ri为螺旋盘管内径。

螺旋盘管冷却水侧单个螺旋圆周的接触面积为：

溶液侧对流换热系数：

式中：δ为平均降膜厚度；us为浓溶液动力粘度，Pa·s。

由于螺旋盘管表面不是完全润湿的，当溶液液滴降落到近似水平的盘管上表面后形成降膜，降膜在管的两侧各形成一个近似三角形的润湿区域（图2）[4]。

图2 润湿区域近似

每个液滴形成的润湿面积为：

式中：ro为螺旋盘管外部半径。

溶液侧液膜总的有效计算面积可表示为:

式中：n为总液滴数。

2.2 吸收器质量传递平衡方程

吸收器质量传递平衡方程如下[7]：

式中：msi、mr、mo分别为溶液入口、蒸汽入口、溶液出口的质量流量，kg/s；Xsi、Xr、Xso分别为溶液入口、蒸汽入口、溶液出口的溶液质量浓度。

2.3 吸收器能量平衡方程

吸收器能量平衡方程如下[8]：

式中：Hsi、Hr、Ho、Hcw分别为溶液入口、蒸汽入口、溶液出口的焓值，kJ/kg；mc为冷却水质量流量，kg/s；Cpc为冷却水的比热，kJ/(kg·K)；Tci、Tco分别为冷却水进出口温度，℃。

3 吸收器性能实验及结果分析

实验采用溴化锂-水二元溶液对螺旋盘管吸收器性能进行研究。实验装置如图3所示，其中1浓溶液罐和3冷却水箱由热敏电阻（精度0.1℃）联动温度调控装置使温度保持恒定。实验用吸收器螺旋盘管由外径12.7mm、厚1.6mm的紫铜管绕制而成，管心距为57.15mm，螺旋100圈。冷却水入口温度29.4℃，蒸汽质量流量为0.002kg/s，选取温度为35℃，入口浓度分别为58%、60%和62%的溴化锂溶液进行分析，得到吸收器的相关性能参数如图4～图9所示，其中图4～图7为溶液流量保持0.375kg/s，改变冷却水流量获得的吸收器性能变化曲线；图8～图9为冷却水流量保持0.4kg/s，改变溶液流速获得的吸收器性能变化曲线。

图3 实验系统图

图4 换热量与冷却水流量的关系

图5 质量交换与冷却水流量的关系

图6 溶液出口浓度与冷却水流量的关系

图7 冷却水出口温度与冷却水流量的关系

图8 溶液的出口浓度与溶液流量的关系

图9 冷却水出口温度与溶液流量的关系

3.1 冷却水流速变化对吸收器性能的影响

由图5～图7可以看出，增大冷却水流量可在一定程度上增大吸收器换热量和溶液侧的质量交换量。但是当流量增加到一定值时，对吸收器性能无明显改善，这是因为冷却水流量不能提高溶液侧热传递系数，而溶液侧的对流换热过程决定整个吸收过程。

3.2 溶液流速变化对吸收器性能的影响

由图8～图9可以看出，当溶液流量增加时，可增大吸收器质量交换量，提高吸收效果，但换热量降低。这是由于溶液流量增大后使降膜的厚度增加，不利于热量传递，而单位时间形成液滴数增加，可一定程度促进质量传递。

较低的溶液流量使润湿面面积减少，即减少换热面积，而较高的溶液流量会增加热传递阻力。为获得吸收器性能的最佳状态点，必须找到系统对应的最佳溶液流量。以实验选用的螺旋盘管吸收器为例，最佳溶液流量为0.03kg/s。

3.3 其他因素对吸收器性能的影响

通过对不同入口浓度溶液的吸收器性能曲线可以看出，适度选用浓度较高的溶液可以更好地提高吸收器性能。

此外，可通过提高布液器效率[9]，增加溶液在螺旋盘管上地扩散等手段增加溶液侧的换热面积也可以提高吸收器的性能。

4 结语

本文对螺旋盘管吸收器进行设计并建立数学模型对其性能进行分析。通过比较冷却水流速、溶液流速、溶液浓度等相关因素对吸收器性能的影响得到了螺旋盘管吸收器的基本性能特性。这些特性为螺旋盘管吸收器的设计及推广应用具有一定地指导意义。

[1]徐士鸣,袁一.垂直管内降膜吸收过程热-质传递数值计算问题的研究[J].大连理工大学学报,1997,37(4):414-419

[2]孔戴,彭晓峰,杨震.螺旋管紧凑式换热器传热性能分析[J].热科学与技术,2008,7(2):115-119

[3]邵莉,韩吉田,潘继红.R-134 a在水平直管和螺旋管内凝结换热特性的实验研究[J].制冷学报,2007,28(2):23-26

[4]O Kaynakli,I Horuz.Evaluation of coil absorber performance[J]. Heat and Mass Transfer,2004,40(7):929-936

[5]夏利江,魏琪.垂直管吸收器内泡式吸收热质传递过程分析[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2007,22(1):46-49

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De s ign a nd Expe rim e nta l Re s e a rc h on Fa lling-film Ve rtic a l Coil Abs orbe r

LIANG Bin1,XIA Li-jiang2,SHAN Yuan-meng2,LIU Nan2,WANG Huan2
1 Qingdao Tengyuan Architectural Design Firm
2 College of Food Engineering,Ludong University

In this paper,Falling-film vertical coil absorber is designed.Establishes a numerical model to calculate the coupling heat and mass transfer process during the absorption process in coil absorber.A series of experimental studies were carried on the absorption process in the Falling-film vertical coil absorber.The results obtained will be helpful for the design of coil absorber.

coil,falling-film,absorber,heat and mass transfer

1003-0344（2015）03-049-4

2014-4-25

梁斌（1981～），男，硕士，工程师；青岛市崂山区海尔路半岛传媒大厦22F（266000）；E-mail:liang.bin@tengyuan.com.cn