不同管径水平管外LiBr溶液降膜流动与传热特性的数值模拟

王天



不同管径水平管外LiBr溶液降膜流动与传热特性的数值模拟

王天*

（太原学院市政与环境工程系，山西太原 030032）

溴化锂（LiBr）吸收式制冷系统是一种可以使用低品位热能驱动且不对臭氧层产生破坏的环保节能型制冷系统。吸收器性能的提高对提升整个溴冷机制冷性能系数有着重要意义。目前横管外重力降膜吸收是多数吸收器所采用的吸收模式。该吸收过程是一个流动、传热与传质相互耦合的复杂过程，所以建立合适的模型进行理论分析比较困难。本文采用CFD软件对LiBr溶液不同管径横管外重力降膜吸收过程进行数值模拟，研究该过程的流动传热特性。研究结果表明：为了保证最佳的传热传质效果，大管径横管所需要的喷淋密度比小管径所需的喷淋密度大。相同喷淋密度下，大管径横管的换热量大于小管径横管的换热量。

吸收式制冷；降膜流动；传热特性；数值模拟

0 引言

吸收器、蒸发器、发生器、冷凝器、节流装置是溴冷机中的主要组成部分[1]。吸收器内一般设置传热管簇实现传热传质。多数吸收器中采用的吸收模式是横管外重力降膜吸收，以喷淋管束式为主[2]。吸收器的传热传质性能与整个制冷系统的COP密切相关。故对吸收器中横外溴化锂（LiBr）溶液降膜流动与传热过程进行研究很有必要。

随着计算机技术的不断发展和完善，各国学者通过数值模拟对重力作用下的降膜流动传热进行了大量的研究。SUTALO等[3]对非牛顿流体沿着倾斜板降膜流动进行了CFD数值分析，并与实验进行比较，模拟结果与实验结果基本一致。吕多[4]总结了椭圆水平管外的重力降膜流动中膜厚、流速等分布规律及不同管型参数对流动特性的影响。于意奇等[5-6]对重力作用下的降膜行为进行二维和三维数值模拟，分析了当Re不同时的膜厚、液膜流速等。此外，他们对大平板的降膜流动传热特性进行了实验研究和数值模拟，得到了平板降膜的一般规律。盛国刚[7]通过模拟及实验的方法探究了吸收器参数，比如喷淋溶液浓度、温度、冷却水入口温度等对吸收器性能和机组COP的影响。罗林聪等[8]对水平管降膜进行了二维建模，研究了不同管形对传热特性及液膜分布的影响。邹同华等[9]对水平管外结冰特性进行了数值研究。郝丽等[10]通过Fluent软件中的自定义函数对垂直管的降膜流动传热进行了三维模拟，结果表明，垂直管具有液膜均匀性好及膜薄的优点。YOSHIDA等[11]在MORAN等[12]的实验基础上进行数值三维模拟，得到了重力降膜流动中液膜表面的波形态及液膜厚度概率密度分布。倪瑜菲等[13]探究了温度极化现象对带有交换器的溴冷机性能的影响分析。李剑锐等[14]研究了不同横摇工况下制冷剂两相降膜流动换热特性。江波[15]对横管外重力作用下的降膜流动传热过程进行了实验研究，为工程设计提供了参考依据。

本文对吸收器中LiBr溶液重力作用下不同管径横管外降膜流动传热过程进行了二维数值模拟，探究了管径不同时液膜厚度、温度场及换热量的变化规律。

1 建立模型

图1为LiBr溶液横管外重力降膜流动传热过程的模型。横管上方设置有布液管，LiBr浓溶液从布液管中喷淋到横管上，在横管外壁降膜流动并形成一层液膜。流动过程中吸收周围的水蒸气。吸收水蒸气后浓度减小的LiBr溶液在重力作用下聚集在管底，当溶液液滴所受重力与其表面张力失去平衡时，液滴便会从上一根横管管底落到下一根横管管顶上。

图1 降膜流动过程物理模型

2 数值模拟参数

Fluent软件是一个功能强大的数值模拟分析软件，它自身包含多种模型，此外，用户还可以根据需要自定义函数以实现设置材料属性及边界条件等功能[16]，故本文采用Fluent软件对LiBr溶液横管外降膜吸收流动与传热过程进行数值模拟并对其结果分析。由于LiBr溶液的较小，可以近似认为是层流状态，因此选择Laminar作为粘性模型。该降膜流动传热过程涉及到水蒸气和LiBr溶液，是多相流模型。选择VOF模型进行数值模拟。流体及固体物性参数设置见表1和表2。

表1 固体物性参数

表2 流体物性参数

3 模拟结果及分析

3.1 液膜厚度分布

采用Fluent软件中的VOF模型对LiBr溶液横管外重力降膜流动与传热过程进行数值模拟。图3为喷淋密度相同时，即布液管中的浓溶液流速相同时（0.150 m/s），不同管径横管外重力降膜过程体积分布图。采用Fluent后处理软件CFD-Post对图2中第一根横管（取上方的横管为第1根横管，下方的横管为第2根横管）外的液膜厚度进行提取，绘制图3。图3为相同喷淋密度下，不同管径LiBr溶液液膜厚度随周向角变化的分布图。图4为布液管流速为0.065 m/s时，不同管径横管外重力降膜过程体积分布图。

图2 布液管流速为0.150 m/s时，不同管径LiBr溶液横管外体积分布图

图3 布液管流速为0.150 m/s时，不同管径LiBr溶液液膜厚度分布图

图4 布液管流速为0.065 m/s时，LiBr 溶液在管外的体积分布

从图2与图3可以看出，如果布液管的喷淋密度相同时，小管径横管的液膜厚度整体大于大管径液膜的厚度。在同一周向角处，小管径横管的液膜厚度大于大管径横管的液膜厚度。大管径横管相较于小管径横管，液膜分布比较均匀，即小管径液膜厚度变化范围较大，大管径液膜厚度变化范围较小。这是因为相同弧度所对应的弧线大管径比小管径要长，故大管径中液膜与管壁接触时间较长，这样表面张力有更多的时间减小液膜的波动，拉平液膜。从图4可知，当布液管的流速为0.065 m/s时，管径为10 mm横管液膜虽然很薄，但仍可以完全覆盖两根横管的外管壁。管径为15 mm时，液膜继续变薄，在第2根横管管底出现了面积较小的“干斑”。即此时的喷淋密度不能保证管径为15 mm的横管被液膜完全覆盖，有一部分管壁不会与LiBr溶液相接触，会影响传热传质效率。管径为20 mm时，“干斑”面积扩大，传热效果继续减弱。因此，当布液管流速为0.065 m/s时，管径不宜超过15 mm。由此可以看出，如果想要保证液膜完全覆盖横管外管壁，不影响传热传质的进行，大管径所需要的喷淋密度要大于小管径。故在实际工业中，当横管管径较大时采用的喷淋密度较大，当管径减小时，适当减小喷淋密度，既要保证液膜完全包覆管壁，又要保证液膜薄，热阻小，有利于传热传质。

3.2 温度分布

图5为布液管流速为0.150 m/s时，管径不同时第一根横管管壁附近的温度分布图。同样采用Fluent后处理软件CFD-Post对图5的温度场进行温度提取后绘制图6。图6是当周向角为90°时，不同管径下管壁附近温度随距管壁距离的变化规律。

由图6可知，当喷淋密度相同时，对于相同管径，温度场中距离管壁越远的点，温度越低。对于不同管径、距离管壁距离相同的点，小管径的温度高于大管径的温度，且距离管壁越远，大管径温度下降速度越快。这说明相同喷淋密度下，小管径的换热效果不如大管径换热效果。故在保证液膜能够完全覆盖管壁的情况下，管径越大，液膜越薄，热阻越小，越有利于传热，换热效果越好。

图6 布液管流速为0.150 m/s时，温度随距管壁距离变化分布（θ=90°）

3.3 换热量

表3为不同管径、不同喷淋密度下水平管的换热量。取纵向长度1 m提取单位长度换热量。图7为根据表3绘制出的折线图。当管径为10 mm时，从图中可以看出，布液管流速为0.065 m/s时，换热量最大，说明此时液膜可以完全包覆管壁且液膜很薄，热阻很小，有利于传热。当流速为0.060 m/s时，换热量比0.065 m/s时小，此时喷淋密度太小，液膜不能完全包覆管壁，出现“干斑”，影响传热。当流速大于0.065 m/s时，换热量减小，且随着流速的增加，换热量越来越小。这是因为喷淋密度越大，液膜越厚，热阻越大，越不利于传热。所以当管径为10 mm时，布液管流速在0.065 m/s时最合适，传热性能最好。

当管径为20 mm时，布液管流速0.080 m/s换热量最大。当流速小于0.080 m/s时，换热量减小。且流速越小，横管外管壁出现的干斑面积越大，传热性能越弱，换热量越小。当流速大于0.080 m/s时，换热量随着流速的增加越来越小。所以当管径为20 mm时，布液管流速在0.080 m/s时最合适，传热性能最好。显然大管径所需要的喷淋密度比小管径要大，与上文结论一致。

从表3与图7中还可以看出，喷淋密度相同时，在相同时间内，大管径的换热量整体比小管径要大，因为大管径的管壁面积大，溶液与管壁接触面极大，故换热量比小管径要大。

表3 不同管径和喷淋密度工况下的单位长度换热量

图7 不同管径和喷淋密度工况下的单位长度换热量

4 结论

1）相同喷淋密度下，大管径横管的液膜厚度整体比小管径要薄，且液膜厚度分布相对均匀，即液膜厚度变化范围较小；距离管外壁相同距离的点，大管径的温度小于小管径，且随着距离外管壁距离的增加，温度减小速率增加，说明大管径的换热效果优于小管径。

2）大管径所需要的喷淋密度比小管径大，这是因为实际工程中既要保证液膜能完全包覆管壁，又不能使液膜太厚，热阻太大，影响传热传质。当横管管径为10 mm时，最佳布液管流速为0.065 m/s。当横管管径为20 mm时，最佳布液管流速为0.080 m/s。

3）喷淋密度相同时，在相同的时间内大管径横管降膜吸收过程的换热量比小管径要大。

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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，硕士。研究方向：空调、制冷技术与设备。联系地址：山西省太原市小店区经济技术开发区大昌南路18号，邮编：030032。联系电话：15035688227。E-mail：495442001@qq.com。