熱管式吸收器傳熱傳質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究

方書起，郭 俊，王睿宇

(鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

在能源危機(jī)日益嚴(yán)重的當(dāng)今社會(huì)，升溫型吸收式熱泵因其具有直接利用低品位熱源回收熱量，且無“三廢排放”，運(yùn)行可靠，能耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)得到了非常廣泛的關(guān)注.然而由于熱泵系統(tǒng)中的主要部件吸收器存在傳熱傳質(zhì)效果不佳的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大，性能系數(shù)較低，嚴(yán)重阻礙了升溫型吸收式熱泵在工業(yè)中的應(yīng)用.吸收式熱泵系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備通常采用立式換熱器，其中吸收器還多采用豎直管外降膜吸收的方式.濃溶液通過液體分布器在管外形成液膜，在下降的過程中吸收來自蒸發(fā)器的工質(zhì)水蒸氣并放出熱量，直至達(dá)到平衡狀態(tài).吸收器中的吸收過程是一個(gè)傳熱傳質(zhì)相互耦合的過程.由于溴化鋰(LiBr)溶液吸收水蒸氣是一個(gè)強(qiáng)放熱過程，過高的溫度會(huì)嚴(yán)重阻礙吸收過程的進(jìn)行，如何快速地導(dǎo)出吸收熱，促進(jìn)吸收是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)，其中采用各種強(qiáng)化手段來強(qiáng)化熱質(zhì)傳遞過程的研究較為突出［1－4］.

熱管是一種高效傳熱元件，不僅價(jià)格低廉而且擁有良好的導(dǎo)熱能力、極高的等溫性和熱流密度可調(diào)性，所以被廣泛應(yīng)用于眾多工業(yè)領(lǐng)域.楊景昌［5］等對(duì)熱管應(yīng)用于熱泵吸收器進(jìn)行了數(shù)值模擬.而具有橫紋溝槽的橫紋槽管在降膜過程中使降膜層流底層更易于剝離，減薄了邊界層厚度，增加了流體邊界層的擾動(dòng)，有利于傳熱傳質(zhì)的進(jìn)行［6］.本實(shí)驗(yàn)采用豎直熱虹吸管進(jìn)行LiBr溶液降膜吸收水蒸氣的實(shí)驗(yàn)，并對(duì)表面光滑和帶橫紋溝槽的熱管傳熱傳質(zhì)性能做了對(duì)比，考察熱管在吸收式熱泵吸收器中應(yīng)用的可能性，并對(duì)不同規(guī)格的橫紋槽管的強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)的情況進(jìn)行了研究.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，熱管能夠迅速的導(dǎo)出吸收過程產(chǎn)生的熱量，有效地促進(jìn)了傳質(zhì)過程的進(jìn)行.而橫紋槽熱管也對(duì)降膜吸收起到了一定的強(qiáng)化作用，并對(duì)橫紋管參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的參考價(jià)值.

1 實(shí)驗(yàn)流程及方法

考慮到吸收過程的連續(xù)性，實(shí)驗(yàn)選擇在完整的吸收式熱泵系統(tǒng)中進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示.

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.1 Flow diagram of experimental apparatus

圖2是熱管式吸收器示意圖.系統(tǒng)采用銅－康銅熱電偶測定溫度，吸收器中有T1～T55個(gè)溫度數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，其中T1為冷劑水蒸氣溫度;T2和T3分別為冷卻水進(jìn)、出口溫度，T4和T5分別為LiBr溶液進(jìn)、出口溫度.在T4和T5處有LiBr溶液取樣口，取樣后的LiBr溶液通過比重法測定其質(zhì)量分?jǐn)?shù).

圖2 熱管式吸收器Fig.2 Heat pipe absorber

為得到降膜傳熱傳質(zhì)情況隨LiBr溶液噴淋密度的變化關(guān)系，實(shí)驗(yàn)中首先恒定熱管冷凝段循環(huán)水流量，再調(diào)節(jié)LiBr溶液流量，最后在不同真空度下保持熱泵系統(tǒng)穩(wěn)定.實(shí)驗(yàn)所用熱管由外徑20 mm、壁厚2 mm、長1 500 mm的紫銅管加工而成，熱管的蒸發(fā)段長度和冷凝段長度分別為900 mm和600 mm.實(shí)驗(yàn)時(shí)重復(fù)對(duì)比測試6根不同尺寸規(guī)格的橫紋槽熱管和光管.橫紋管參數(shù)見表1所示.

表1 橫紋槽管尺寸規(guī)格Tab.1 Geometrical-parameters of grooved tube

2 數(shù)據(jù)處理

2.1 傳熱膜系數(shù)

將熱泵系統(tǒng)調(diào)整至穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)認(rèn)定水蒸氣所釋放的熱量被LiBr溶液吸收并且全部由熱管蒸發(fā)段傳至冷凝段，最后全部被冷卻水帶走.所以吸收溶液釋放的熱量Qs為冷

卻水帶走的熱量Qc為

式中：Δt為熱管表面溫度與液膜表面吸收溫度之差，確定液膜傳熱溫差和冷卻水帶走的熱量后可求得傳熱膜系數(shù)α.

2.2 傳質(zhì)系數(shù)

根據(jù)傳質(zhì)理論可知，傳質(zhì)系數(shù)為傳質(zhì)量除以傳質(zhì)面積和傳質(zhì)推動(dòng)力，在本系統(tǒng)中壓差為傳質(zhì)推動(dòng)力，所以

式中：Δqm為傳質(zhì)量，本實(shí)驗(yàn)中傳質(zhì)量為出口溶液質(zhì)量流量與進(jìn)口溶液質(zhì)量流量之差，即

式中：Δp為傳質(zhì)推動(dòng)力，傳質(zhì)推動(dòng)力為吸收器中溶液平衡分壓ps和氣相水蒸氣平均壓力pg之差.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 噴淋密度對(duì)傳熱傳質(zhì)的影響

在對(duì)光管的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，熱泵系統(tǒng)吸收器壓力為－0.07 MPa時(shí)，吸收傳質(zhì)系數(shù)和管外降膜換熱系數(shù)都會(huì)因管外LiBr溶液噴淋密度的增大而逐漸降低，如圖3和4所示.隨噴淋密度的增加，換熱系數(shù)降低，這是因?yàn)楣芡獠寄さ囊耗ず穸仍龃笠饌鳠嶙枇υ龃?同時(shí)在整個(gè)降膜過程中熱量傳遞和質(zhì)量傳遞是相互作用的，因?yàn)槲者^程中會(huì)釋放熱量，釋放的熱量會(huì)提高溫度，而提升溫度會(huì)提升傳質(zhì)阻力.液膜厚度增加導(dǎo)致?lián)Q熱系數(shù)降低，此時(shí)將無法及時(shí)傳遞出LiBr溶液吸收的水蒸氣中的熱量，熱量將提升液膜的溫度，最終降低傳質(zhì)的推動(dòng)力，傳質(zhì)系數(shù)也隨之降低.

圖3 管外傳熱膜系數(shù)與噴淋密度的關(guān)系Fig.3 The relationship between membrane heat transfer coefficient and spraying density

圖4 傳質(zhì)系數(shù)與噴淋密度的關(guān)系Fig.4 The relationship between mass transfer coefficient and spraying density

3.2 吸收壓力對(duì)傳熱傳質(zhì)的影響

理想狀況下吸收式熱泵系統(tǒng)的吸收器和蒸發(fā)器真空度是一致的.如圖3，4所示.在相同的噴淋密度但不同的真空度下，吸收傳質(zhì)系數(shù)和管外傳熱膜系數(shù)都發(fā)生改變.當(dāng)真空度增大的情況下，管外傳熱膜系數(shù)逐漸降低，同時(shí)傳質(zhì)系數(shù)沒有明顯增大.這是因?yàn)橄到y(tǒng)真空度增大時(shí)，蒸發(fā)器真空度也增大，其中的水蒸氣的蒸發(fā)溫度隨之降低;而吸收過程的LiBr溶液溫度降低、黏度變大，傳熱阻力隨之變大，導(dǎo)致傳熱膜系數(shù)降低.液膜的溫度降低使溫差變大促進(jìn)傳質(zhì)過程，導(dǎo)致傳質(zhì)系數(shù)有不明顯的上升.

3.3 橫紋管參數(shù)對(duì)傳熱傳質(zhì)的影響

表面有橫紋溝槽的強(qiáng)化管與光管相比，強(qiáng)化管的傳質(zhì)系數(shù)和管外傳熱膜系數(shù)都有所提高，如圖5，6所示.強(qiáng)化管外的溝槽引起降膜過程中液膜的擾動(dòng)，從而加速了溶液的更新速度，同時(shí)接觸面積增大，液膜厚度相應(yīng)變薄.所以強(qiáng)化管有利于傳質(zhì)、傳熱過程的進(jìn)行.強(qiáng)化管外不同的節(jié)距和溝槽深度導(dǎo)致各強(qiáng)化管的性能不同.

圖5 橫紋槽管與光管傳熱膜系數(shù)隨噴淋密度變化的比較Fig.5 Membrane heat transfer coefficient and spraying densitly of smooth tube and grooved tube

圖6 橫紋槽管與光管傳質(zhì)系數(shù)隨噴淋密度變化的比較Fig.6 Mass transfer coefficient and spraying density of smooth tube and grooved tube

當(dāng)橫紋槽管的槽深不變(e=0.75 mm)時(shí)，傳熱膜系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)隨節(jié)距p變化的規(guī)律如圖7，8所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)溝槽節(jié)距不小于6 mm時(shí)，管外傳質(zhì)系數(shù)和換熱系數(shù)隨著節(jié)距減小而逐漸增大;當(dāng)溝槽節(jié)距小于6 mm時(shí)，管外傳質(zhì)系數(shù)和換熱系數(shù)反而下降.造成這個(gè)結(jié)果的原因是因?yàn)闇p小節(jié)距時(shí)，液膜經(jīng)過溝槽時(shí)擾動(dòng)更加劇烈，有利于傳熱、傳質(zhì)的進(jìn)行;當(dāng)節(jié)距過小時(shí)，擾動(dòng)效果小，并且液體會(huì)在溝槽中殘留，增大傳熱阻力，此時(shí)傳熱、傳質(zhì)性能不升反降.

當(dāng)橫紋槽管的節(jié)距不變(p=6 mm)時(shí)，傳熱膜系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)隨槽深e變化的規(guī)律如圖9，10所示.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨橫紋槽管槽深的增加，管外換熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì).造成這種結(jié)果的原因是溝槽變深，液膜流經(jīng)溝槽時(shí)擾動(dòng)變大，有利于傳熱、傳質(zhì)過程的進(jìn)行;當(dāng)溝槽過深，溝槽內(nèi)部殘留液體減弱了液膜流經(jīng)時(shí)的擾動(dòng)，并加大了阻力.

4 結(jié)論

(1)驗(yàn)證了豎直熱虹吸管應(yīng)用于熱泵吸收器的可行性，并對(duì)其實(shí)際效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，為進(jìn)一步研究提供了依據(jù).

(2)對(duì)表面帶有橫紋溝槽的豎直熱虹吸管和表面光滑熱管的傳熱、傳質(zhì)性能進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明橫紋槽管強(qiáng)化管性能明顯優(yōu)于光管.強(qiáng)化管的降膜吸收傳熱膜系數(shù)約為光管的2～3倍，傳質(zhì)系數(shù)約為光滑管的1.5～2倍.

(3)橫紋管槽深e和節(jié)距p共同影響著降膜吸收的傳熱、傳質(zhì)過程，需要進(jìn)行優(yōu)化組合;盲目改變節(jié)距p和槽深e不僅提高了加工難度、增加了成本，還會(huì)對(duì)傳熱傳質(zhì)效果造成不利影響.

［1］YOON J I，KIM E，CHOI K H，et al.Heat transfer enhancement with a surfactant on horizontal bundle tube of an absorber［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2002，45(4)：735 －741.

［2］尹銘，陳嘉賓，陳沛，等.豎直管外降膜吸收傳熱傳質(zhì)過程強(qiáng)化的研究［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2002，16(6)：602 －608.

［3］姜周曙、胡亞才.溴化鋰吸收式制冷機(jī)新型鎳合金強(qiáng)化傳熱管的實(shí)驗(yàn)研究［J］.流體機(jī)械，1999，27(10)：42 －46.

［4］薄守石，馬學(xué)虎，陳嘉賓，等.場協(xié)同原理強(qiáng)化管外降膜吸收傳熱特性實(shí)驗(yàn)研究［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，48(1)：18 －21.

［5］楊景昌，張國喜，黨潔修.熱管式降膜吸收器的傳熱傳質(zhì)［J］.高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，1997，11(2)：126 －130.

［6］黃維軍，鄧先和，黃德斌.橫紋槽管結(jié)構(gòu)優(yōu)化的正交數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究［J］.化工學(xué)報(bào)，2005，56(8)：1445－1450.