摇摆对TFE-TEGDME降膜吸收影响的可视化实验研究

(大连海事大学 制冷与低温工程研究所 大连 116026)

随着世界经济的迅猛发展，人们生活水平和社会生产力不断提高，与此同时人们对能源的需求越来越大，节能也因此也越来越受到重视。与传统的压缩式制冷相比，吸收式制冷具有可以利用低品位热源，耗电量低的优点，有望应用于余热丰富的船舶，故一直以来都是国内外学者的研究热点。在制冷工质对方面，目前广泛应用的NH3-H2O(氨-水)和LiBr-H2O(溴化锂-水)工质对都有一定的缺陷，而TFE-TEGDME(三氟乙醇-二甲醚四甘醇)工质对具有工作温度范围广，对常用金属无腐蚀性，稳定性好等优点，更适合船舶制冷。

对于TFE-TEGDME工质对，国内外学者已经做了一定的研究。在热物性参数方面，姚普明等[1]对TFE-TEGDME、TFE-E181、NH3-H2O及LiBr-H2O溶液进行性能分析对比，认为TFE-TEGDME溶液优越性更高；张莉等[2-3]拟合了TFE-TEGDME与TFE+H2O-TEGDME混合物性关联式；H. D. Baehr等[4]对TFE-TEGMDE的热物性进行了测量，包括密度、黏度和过量焓。而在制冷/热泵循环方面，丁帆等[5-6]研究了以TFE-TEGDME溶液为制冷工质对的制冷机组在摇摆条件下的特性，分析了不同摇摆条件下系统制冷量和热力系数的变化；K. Stephan等[7-8]对TFE+H2O-TEGDME为工质对的第二类热泵进行了研究，认为加水可提高TFE的导热系数；孟凡基等[9]在以TFE-TEGDME为制冷工质对的吸收式制冷系统中加入了He(氦气)充当压力平衡剂，发现制冷量最大可达0.58 kW，但系统COP较低。

吸收器是吸收式制冷的关键部件，目前广泛应用的吸收方式之一为降膜吸收，一些学者已经对静止状态下的降膜吸收过程进行了研究，但是对于摇摆工况下的降膜吸收过程，目前的研究重点仍在常用的吸收式制冷工质对，如NH3-H2O和LiBr-H2O。在国内研究方面，尹铭等[10]用对降膜吸收过程划分微元的分析方法，建立了降膜吸收过程热-质耦合数值积分模型，并对光滑管与强化换热管外降膜吸收的传热传质进行了实验研究；申江等[11]研究了机械振动幅度和频率对降膜吸收的影响效果；刘艳丽等[12-14]通过建立摇摆振动条件下TFE-TEGDME降膜吸收的物理数学模型，对动量、热量和质量传递机理进行了研究，并通过建立单管吸收实验台研究其热、质传递规律。在国外研究方面，G. M. Sisoev等[15]研究了吸收器受波动液膜的影响，并验证了最大吸收率的条件；美国的B. B. Tsai等[16]在竖直降膜管顶部安装了一个震动装置，研究不同震动频率对传质过程的强化作用，发现最大可使传质系数提高十倍之多；J. D. Killion等[17]通过建模对降膜吸收过程中传热量和传质量之间的联系和影响因素进行了研究，认为建模领域特别是薄膜流体力学方面仍缺乏一致性。

综上所述，对于TFE-TEGDME吸收式制冷机组的降膜吸收过程，特别是摇摆条件下研究还较少，故本文通过搭建可视化吸收式制冷实验台，对TFE-TEGDME溶液在竖直管内的摇摆降膜波形和制冷机组的整体性能进行研究。

1 实验装置、方法与条件

1.1 实验装置

本实验台为单效吸收式制冷装置，主要由发生器、吸收器、蒸发器、冷凝器及溶液热交换器等组成，制冷工质对为TFE-TEGDME溶液，其中TFE与TEGDME的初始配比约为1∶4。实验台整体安装在六自由度摇摆台之上，如图1所示，吸收器共有3根降膜管，其中1根设计为可视玻璃管，便于对管内溶液降膜过程进行观察。同时在吸收器进口处安装一个预冷储液罐，以预冷的方式对吸收器进行冷却。发生器设计为一桶型结构，底部装有电加热棒，并装有视镜观察液位。蒸发器为盘管式结构，顶部设计一个喷淋装置进行布液，制冷剂在管内流动，带走冷量。冷凝器内冷却水共五管程，单管程换热管数量为1根，对经过壳程的TFE蒸气进行冷却。

图1 实验装置Fig.1 The experimental device

1.2 实验方法与实验条件

通过前期热力计算确定实验中进入吸收器的最小溶液体积流量qv=0.14 L/min。为了保证降膜吸收效果，需要液膜良好的覆盖管壁，液膜厚度需要在0.1～1 mm的范围内。假定降膜溶液的流速U=0.1 m/s，经结构设计两根降膜钢管内径选定为14 mm(长度为230 mm)、可视降膜玻璃管内径选定为9.5 mm，此时液膜厚度约0.2 mm。由于玻璃管的安装条件所限，可观察部分位于降膜管的中间，长度为70 mm。实验分为静止状态与摇摆状态两种情况，其中静止状态的变量为溶液质量流量，为0.1、0.2、0.5、0.8、1.2 kg/min，共计5组。摇摆状态研究了当摇摆周期为8 s，摇摆幅度为5°、10°、15°时的降膜流型和当摇摆幅度为10°，摇摆周期为12、8、4 s时的降膜流型，同时还记录分析了一定摇摆幅度和周期下降膜管处于5°、7°和9°时管内液膜的状态。本实验所用摇摆台为六自由度摇摆台，平台最大俯仰和滚转角度为±31°，最大升降位移为±370 mm，最大纵向和侧向位移为±550 mm；质量流量计为德国RHEONIK公司的RHM03系列，最大质量流量为2.5 kg/min，测量精度为0.1%；高速摄像仪型号Phantom v310，每秒最高可拍摄50万张照片，像素为1 240 000，最小曝光时间为1 μs，实验中选取800×600分辨率和3 000幅/s。

2 实验结果及分析

2.1 静止条件下的降膜流型分析

在静止状态下，对降膜过程影响最大的是溶液质量流量。图2所示为静止状态下不同流量降膜管液膜流型图。图2(a)中质量流量较小，降膜表面为层流状态；图2(b)中管内稍有波动，波状流开始出现，类似单色波形式；图2(c)中波动加剧，液膜波动发展为稳定波状流形式；图2(d)中管内出现合并波状流形式；图2(e)中由于质量流量过大，液膜表面出现脱落现象。

图2 静止状态下的降膜流型Fig.2 The falling film patterns of stationary state

2.2 摇摆幅度和周期对降膜流型的影响

为了研究摇摆幅度对流型的影响，统一将摇摆的周期定为8 s。图3所示为当质量流量为0.2 kg/min时，不同摇摆幅度下流型的变化。由图3(a)可知，与静止状态相比，管内的波状流动略有加强，类似单色波的形式；由图3(b)可知，随着摇摆的加强，局部液膜厚度增加，液膜呈现稳定波状流形式；由图3(c)可知，由于摇摆过强，液膜出现合并波状流和脱落现象。

图3 摇摆幅度对流型的影响Fig.3 The influence on the flow patterns by swing amplitude

在分析摇摆周期对竖直降膜管内液膜流型的影响时，选取摇摆幅度为10°时降膜管处于竖直位置的图像。图4所示为溶液质量流量为0.2 kg/min时，不同摇摆周期下管内降膜流型的变化。由图4(a)可知，由于此时摇摆周期较大，摇摆频率较为平缓，故管内液膜受到摇摆的影响不大；由图4(b)可知，随着摇摆频率的增大，管内液膜受到的扰动增强，液膜的波状流增加，发展为类似稳定波状流的形式；由图4(c)可知，此时摇摆周期较短，摆动较为剧烈，故管内液膜出现合并波状流。

图4 摇摆周期对流型的影响Fig.4 The influence on the flow patterns by swing period

2.3 降膜管在不同角度时的流型

设定摇摆幅度为10°，摇摆周期为8 s，经实验可以发现，降膜管内溶液液膜的流型变化还与管的不同运动位置有关。图5所示为质量流量为0.2 kg/min时不同摇摆角度下的流型图。由图5(a)可知，摇摆开始时，管内溶液受到较大的扰动，此时为稳定波状流形式；由图5(b)可知，此时运动趋于平缓，管内溶液受到扰动较小，趋于层流；由图5(c)可知，此时由于运动接近摆幅边缘，管内扰动加强，出现稳定波状流。

图5 不同摇摆角度下的流型Fig.5 The flow patterns at different swing angles

2.4 摇摆对机组性能的影响

图6所示为摇摆幅度和冷却温度对吸收器吸收效果的影响，溶液质量流量为0.14 kg/min，摇摆周期为8 s。由图6可知，当摇摆幅度为5°时，由于降膜管内液膜主要为单色波，相比层流流动时液膜受到的扰动略有提高，经过吸收器吸收后的溶液浓度也有一定提高，可知此时的吸收效果相比静止状态有一定提升。当摇摆幅度为10°时，管内液膜的主要流动形式为稳定波状流，可以发现此时溶液经过吸收器之后的浓度最高，吸收效果最好。当摇摆幅度为15°时，摇摆过于剧烈，液膜受到扰动过大变为合并波状流甚至出现脱落现象，溶液顺着管壁的流动速度过快而吸收不完全，甚至有一部分溶液未能顺着管壁流下，此时吸收效果相比静止状态大幅度降低。实验用到的冷却温度主要有5、10、15、20 ℃，可知冷却温度越低，吸收器的吸收效果越好，吸收TFE蒸气后的溶液浓度越高。

图6 摇摆幅度和冷却温度对吸收效果的影响Fig.6 The influence on the absorption effect by swing amplitude and cooling temperature

图7所示为摇摆周期和冷却温度对吸收器吸收效果的影响，溶液质量流量为0.14 kg/min，摇摆幅度为10°。由图7可知，在摇摆周期为12 s、8 s摇摆不太剧烈的情况下，吸收器的吸收效果相比静止状态有所提升(溶液浓度提高)；当摇摆周期为4 s时，摇摆过于剧烈，液膜因受到的扰动过大而破坏，此时吸收器的吸收效果大幅度降低。因此，冷却温度越低吸收器的吸收效果越好。

图7 摇摆周期和冷却温度对吸收效果的影响Fig.7 The influence on the absorption effect by swing period and cooling temperature

图8所示为摇摆幅度和溶液质量流量对制冷系统COP的影响，此时摇摆周期为8 s。由图8可知，当溶液质量流量为0.14 kg/min时，在摇摆幅度处于10°之内时，由于摇摆加强了液膜的扰动，波状流数量增加，系统COP随着摇摆幅度的增大而增大；当摇摆幅度超过10°时，摇摆过于剧烈，液膜受到破坏并出现脱落现象，此时系统COP随着摇摆幅度的增大而降低。当溶液质量流量为0.28 kg/min时，液膜厚度增加，在摇摆幅度8°之内系统COP高于0.14 kg/min时的情况，系统COP也随着摇摆幅度的增大而增大；当摇摆幅度高于8°时，较大流量下降膜管内液膜受到的扰动更大，液膜受到一定的破坏，系统COP低于0.14 kg/min时的情况，COP也随着摇摆幅度的增大而降低。

图8 摇摆幅度和溶液质量流量对制冷系统COP的影响Fig.8 The influence on the COP of refrigeration system by swing amplitude and solution mass flow rate

图9所示为摇摆周期和溶液质量流量对制冷系统COP的影响，此时摇摆幅度为10°。由图9可知，当溶液质量流量较大时，降膜管内液膜的厚度增加，当摇摆不剧烈时吸收器的吸收效果提高，系统COP要高于质量流量小时的情况；但同时液膜受到摇摆的扰动更大，在摇摆周期8 s时液膜受到一定破坏，导致COP降低，溶液质量流量较大时的COP将低于质量流量较小时的COP。

图9 摇摆周期和溶液质量流量对制冷系统COP的影响Fig.9 The influence on the COP of refrigeration system by swing period

3 结论

本文搭建了可视降膜管的TFE-TEGDME吸收式制冷实验台，对TFE-TEGDME溶液在吸收器降膜管内的流动情况进行观察和记录，分析了不同摇摆情况下吸收器的吸收效果和制冷系统COP的变化情况，得到如下结论：

1)竖直降膜管内液膜的流型主要有层流、单色波、稳定波状流、合并波状流和液膜脱落的形式，溶液流量的变化和摇摆幅度、摇摆周期的变化都会对管内液膜产生影响。

2)随着摇摆幅度的增大或摇摆周期的减小，管内溶液液膜受到的扰动也越大，在摇摆幅度为10°或摇摆周期为8 s时出现稳定波状流，此时吸收器的吸收效果最好，在摇摆幅度为15°或摇摆周期为4 s时出现合并波状流甚至液膜脱落现象，此时吸收效果大幅度降低；管内溶液液膜在摆幅边缘受到的扰动较大，而在摆幅中间扰动较小，当摇摆幅度为10°，周期为8 s时，在降膜管处于5°和9°位置时管内液膜受到的扰动较大，液膜出现较多的波状流，在降膜管处于7°时扰动较小，液膜流动平缓。

3)当溶液质量流量为0.14 kg/min时，随着摇摆幅度的增大或摇摆周期的减小，制冷系统COP将先增大再降低，峰值在摇摆幅度为10°或者摇摆周期为8 s时出现；当溶液质量流量为0.28 kg/min时，系统COP受摇摆的变化趋势与质量流量为0.14 kg/min时相似，只是峰值点出现在摇摆幅度为8°或摇摆周期为10 s时。溶液质量流量越大，液膜受摇摆的扰动越强，在较小的摇摆强度(即较小的摇摆幅度或较大的摇摆周期)下就会出现合并波状流甚至脱落现象，导致系统COP大幅度降低。