工作參數(shù)對垂直管內(nèi)R124/DMAC鼓泡吸收能力的影響

徐士鳴，蔣孟男，胡軍勇，王 偉，吳 曦

（大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，大連 116024）

工作參數(shù)對垂直管內(nèi)R124/DMAC鼓泡吸收能力的影響

徐士鳴，蔣孟男，胡軍勇，王 偉，吳 曦

（大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院，大連 116024）

通過搭建一套垂直管管內(nèi)鼓泡吸收可視化實驗平臺，探究工作參數(shù)變化對以 R124/DMAC為工質(zhì)的管內(nèi)鼓泡吸收過程流型變化及吸收高度的影響情況.吸收高度表征鼓泡吸收器的吸收能力，在相同的工作參數(shù)下，吸收高度越低表明鼓泡吸收器的吸收能力越強(qiáng).實驗結(jié)果表明，吸收高度與氣、液體積流率，溶液入口溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)，噴嘴孔徑，吸收壓力及冷卻效果均有關(guān)系.增加液體體積流率、吸收壓力與增強(qiáng)冷卻效果，降低溶液入口溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)及噴嘴孔徑，均能降低鼓泡吸收高度，提高吸收器的吸收能力.經(jīng)對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸處理，給出R124/DMAC鼓泡吸收高度的估算式，誤差約為±20%,.

鼓泡吸收；可視化；R124/DMAC；垂直管；吸收高度

隨著吸收式制冷應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)展，吸收式制冷能否小型化成為制約其應(yīng)用領(lǐng)域的重要因素之一.尤其是對于汽車、艦船等廢熱制冷系統(tǒng)，要求其系統(tǒng)小型、輕量化，并能在顛簸、搖擺等不穩(wěn)定情況下正常工作.同時還要求系統(tǒng)內(nèi)所采用的工質(zhì)盡可能是無毒或低毒、不可燃或低可燃性等.常用的溴化鋰水溶液系統(tǒng)與氨水溶液系統(tǒng)并不完全適用于這類運(yùn)動型廢熱制冷設(shè)備［1］.為滿足廢熱驅(qū)動的吸收式制冷系統(tǒng)在車、船等特殊場合中應(yīng)用，新型的有機(jī)工質(zhì)可以滿足其要求.綜合目前對有機(jī)工質(zhì)吸收性能研究［2-4］分析，R124/DMAC有機(jī)工質(zhì)比較適合用于車、船等廢熱制冷系統(tǒng)中. 徐士鳴等［5-8］對以R124/DMAC為工質(zhì)的車用新型吸收/壓縮混合制冷系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了理論分析與實驗驗證，獲得較為理想的效果.然而對系統(tǒng)中的重要部件即空冷翅片管內(nèi)鼓泡吸收器的熱、質(zhì)傳遞特性研究尚鮮見報道，這給采用R124/DMAC工質(zhì)的管內(nèi)鼓泡吸收器的設(shè)計和實際應(yīng)用帶來不便.

鼓泡吸收比降膜吸收具有更優(yōu)異的吸收性能［9-10］，且鼓泡吸收器的特殊結(jié)構(gòu)形式使其可以用于運(yùn)動型的廢熱制冷系統(tǒng)中.然而，作為吸收式制冷系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，其吸收能力很大程度上決定其結(jié)構(gòu)尺寸，也是吸收式制冷系統(tǒng)能否小型化的關(guān)鍵因素之一.目前，對鼓泡吸收研究大多數(shù)集中于大池面單氣泡或連續(xù)單氣泡吸收過程熱、質(zhì)傳遞特性和氣泡直徑的估算以及納米粒子對鼓泡吸收的強(qiáng)化［11］等方面，與實際的大氣、液體積流率比條件下管內(nèi)鼓泡吸收過程有相當(dāng)大的差距.因此，為滿足車、船等廢熱制冷要求，需要對具有大氣、液體積流率比的鼓泡吸收過程進(jìn)行探究.

目前，對具有大氣、液體積流率比的鼓泡吸收過程的研究還比較少，且主要集中在氨水吸收方面. Kim等［12-13］以可視化實驗與理論建模的方法，對在大氣、液體積流率比條件下垂直管內(nèi)氨水鼓泡吸收過程進(jìn)行了研究，給出了吸收高度與氣、液流率，溶液溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)，冷卻水溫度及熱、質(zhì)傳遞系數(shù)等參數(shù)之間的關(guān)系.Ferreira等［14］對垂直管內(nèi)氨水鼓泡吸收的熱、質(zhì)傳遞性能進(jìn)行研究，建立了熱、質(zhì)傳遞模型，并得出了吸收高度的關(guān)聯(lián)式.Fernández-Seara等［15］對多管排風(fēng)冷氨水鼓泡吸收器的吸收過程進(jìn)行研究，針對不同兩相流流型分別建立了熱、質(zhì)傳遞模型，并探究了氣、液流率，冷卻空氣溫度，管排結(jié)構(gòu)尺寸等參數(shù)變化對吸收高度的影響，得出了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法.羅玉林等［16］對風(fēng)冷垂直管內(nèi)氨水鼓泡吸收過程進(jìn)行了仿真研究，得出吸收高度隨多種參數(shù)變化的情況，以及吸收過程中出現(xiàn)的攪拌流、彈狀流、泡狀流3種流型所占比例等研究結(jié)果.

針對有機(jī)工質(zhì)在大氣、液體積流率比條件下的鼓泡吸收能力的研究鮮有報道，Suresh等［17-20］對以R134a/DMF為工質(zhì)的鼓泡吸收過程及熱、質(zhì)傳遞特性進(jìn)行了實驗與理論的對比研究，但依然是針對單氣泡或連續(xù)單氣泡的鼓泡吸收過程.Sujatha等［21-23］研究了 R22與不同吸收劑組合時的吸收性能，重點(diǎn)研究了 R22/DMF在垂直管內(nèi)鼓泡吸收過程的熱、質(zhì)傳遞特性，并給出傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式，但是其并沒有對鼓泡吸收過程的吸收高度問題進(jìn)行可視化實驗.

本文采用可視化實驗研究方法，對垂直管內(nèi)R124/DMAC鼓泡吸收過程的流型變化、吸收高度以及影響吸收高度的多種參數(shù)進(jìn)行探究，為R124/DMAC鼓泡吸收過程熱、質(zhì)傳遞特性研究奠定基礎(chǔ).

1　實驗流程

實驗流程如圖1所示.

圖1　垂直管內(nèi)鼓泡吸收實驗裝置流程Fig.1　Experimental setup of vertical tubular bubble absorbers

實驗前先將調(diào)制好的具有一定濃度的 R124/ DMAC溶液充入下溶液罐，并關(guān)閉上、下溶液罐之間閥門.然后開啟溶液泵，調(diào)節(jié)溶液入口流率，溶液經(jīng)換熱器加熱后，由吸收管底部進(jìn)入，通過吸收管后流入上溶液罐貯存.當(dāng)溶液流率穩(wěn)定并達(dá)到所需溫度與壓力后（吸收壓力由吸收管后的針閥調(diào)控），開啟制冷劑罐閥門，調(diào)節(jié)氣體流率，冷劑氣體由吸收管下部噴嘴進(jìn)入吸收管內(nèi)產(chǎn)生氣泡并被溶液吸收.實驗用鼓泡吸收器采用有效長度為 630，mm的同心套管結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)管為吸收管，冷卻水流經(jīng)內(nèi)、外管間的環(huán)形通道帶走吸收過程產(chǎn)生的熱量.實驗用鼓泡吸收器有兩種形式，一種是可視化的玻璃套管鼓泡吸收器（內(nèi)管內(nèi)徑 14，mm，外管內(nèi)徑 36，mm，壁厚均為3，mm），用于對兩相流型以及吸收高度的觀測；另一種是非可視化的銅質(zhì)套管鼓泡吸收器（內(nèi)管內(nèi)徑14，mm，外管內(nèi)徑 36，mm，壁厚均為 3，mm），利用銅管具有良好的導(dǎo)熱性和易于設(shè)置溫度傳感器等優(yōu)點(diǎn)，用于鼓泡吸收過程中，局部或整體熱、質(zhì)傳遞特性的測試和研究.本文針對可視化鼓泡吸收實驗，利用高速攝像儀對鼓泡吸收過程形狀和變化規(guī)律進(jìn)行拍攝，同時記錄進(jìn)出口測點(diǎn)處的溫度、壓力和質(zhì)量分?jǐn)?shù)等參數(shù).溶液吸收制冷劑后流入上溶液罐中的溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于下溶液罐中溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，當(dāng)下溶液罐內(nèi)溶液達(dá)到最低液面后本輪實驗結(jié)束，打開上、下溶液罐之間閥門，使上溶液罐內(nèi)的溶液流入下溶液罐.這樣可以進(jìn)行下一輪溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高后的鼓泡吸收實驗.實驗參數(shù)測試范圍如表1所示.

表1　實驗參數(shù)測試范圍Tab.1 Range of experimental parameters

2　鼓泡吸收過程可視化實驗

圖2顯示了1組R124/DMAC管內(nèi)鼓泡吸收過程由高速攝像機(jī)所拍攝的照片.實驗條件為：吸收壓力0.165，MPa，氣體流率400，L/h，溶液流率4，L/h，溶液入口溫度39，℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%，噴嘴孔徑2.8，mm，冷卻水溫度33，℃，冷卻水流量44,L/h.該組照片是以追蹤一段氣泡的方法，對在大氣、液體積流率比條件下由氣體噴嘴出口開始追蹤一段氣泡，直至該段氣泡消失的整個過程進(jìn)行拍攝，用以觀察氣泡從形成到消失整個過程的氣泡形狀以及兩相流型的變化規(guī)律，并可測量吸收高度（噴嘴出口到氣泡消失的垂直距離）.

圖2表明，在大氣、液體積流率比條件下，出噴嘴的氣體速度較高，使得氣體對吸收溶液產(chǎn)生劇烈擾動，并發(fā)生復(fù)雜的熱、質(zhì)傳遞過程［24］，氣液兩相流流型表現(xiàn)為無規(guī)則的攪拌流流型（見圖2（a））.由于氣泡在攪拌流中劇烈碰撞并迅速合并，并被溶液大量吸收，氣柱中的氣體流速逐漸降低，在溶液的表面張力、重力和擾動力的共同作用下，逐漸形成了由氣彈和液彈組成的彈狀流流型（見圖2（b）～（i））.在此流型轉(zhuǎn)變期間，由于氣彈尾跡的卷吸以及制冷劑氣體流速減慢，觀察到后續(xù)氣泡的上升速度大于先前氣泡的上升速度，并逐漸追趕前一個氣泡，出現(xiàn)氣泡合并現(xiàn)象（見圖2（b）～（e））.由于鼓泡吸收過程中攪拌流以及攪拌流與彈狀流流型轉(zhuǎn)變階段的熱、質(zhì)傳遞速率較大［25-26］，所以氣泡追趕、合并現(xiàn)象在該流型轉(zhuǎn)變部位體現(xiàn)更加明顯.在彈狀流階段，氣彈與吸收管內(nèi)壁面之間存在薄薄的一層環(huán)狀液膜，使得液膜導(dǎo)熱熱阻減小.氣彈上升的表觀速度高于液膜上升的表觀速度，氣彈周圍的液膜相對于氣彈向下運(yùn)動，氣彈尾部與液膜脫離會產(chǎn)生復(fù)雜的紊流流態(tài)而形成大量小氣泡群，相比于氣彈與周圍環(huán)狀液膜間發(fā)生更劇烈的熱、質(zhì)傳遞現(xiàn)象.表現(xiàn)的形式即為氣彈在上升過程中，尾部迅速被液體吸收而縮短.逐漸形成半橢圓形或橢圓形的泡狀流（見圖2（j）、（k）），最后被液體完全吸收而消失.在泡狀流階段，氣泡與吸收管內(nèi)壁面之間液膜平均厚度增大，液膜導(dǎo)熱熱阻隨之增大.氣泡相對于溶液的流速差減小，氣體對溶液的擾動減弱.相比于攪拌流和彈狀流階段，泡狀流階段的氣泡吸收過程熱、質(zhì)傳遞能力最弱.

圖2　R124/DMAC鼓泡吸收過程氣液兩相流流型變化Fig.2 Gas-liquid two-phase flow patterns of R124/DMAC bubble absorption process

3　結(jié)果與討論

3.1氣、液體積流率對吸收高度的影響

在相同的氣體體積流率條件下，管內(nèi)鼓泡吸收高度的高低表征了吸收器吸收能力的大小，吸收高度越低，吸收器吸收能力越大.圖3給出了在其他實驗條件不變的情況下，氣體體積流率和溶液體積流率變化對管內(nèi)鼓泡吸收器吸收高度的影響.由圖可見，溶液體積流率不變時，氣體體積流率增加吸收高度隨之增加.溶液體積流率分別為 2,L/h、4,L/h、6,L/h、8,L/h時，吸收高度對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值分別為±29.7，mm（±8%，）、±40.9，mm（±11%，）、±33.5，mm（±10%，）、±42.1，mm（±14%，）.在實驗值范圍內(nèi)，吸收高度增加的趨勢基本為線性.這表明，鼓泡吸收器實際的吸收高度是隨所吸收的制冷劑氣體流量的大小而發(fā)生變化的.當(dāng)吸收高度達(dá)到鼓泡吸收管有效吸收長度時，為鼓泡吸收器在該吸收條件下的最大吸收制冷劑量.

圖3　不同溶液體積流率下，吸收高度隨氣體體積流率的變化Fig.3 Change of absorption height with vapor flow rate at different absorption solution flow rates

而氣體體積流率不變時，溶液體積流率增加會使吸收高度降低.其原因在于，吸收相同流率的制冷劑氣體，當(dāng)溶液體積流率增加后，吸收結(jié)束時溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)會相對降低，使得吸收管內(nèi)溶液平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小，氣、液之間的傳質(zhì)推動力增大，溶液可以更快地吸收制冷劑氣體，從而導(dǎo)致吸收高度的降低.但是，對于吸收式制冷系統(tǒng)而言，制冷負(fù)荷不變而增大溶液流量，意味著溶液循環(huán)倍率增加，溶液泵功將會增加，系統(tǒng)的性能系數(shù)（COP值）會降低.尤其是對于采用氣化潛熱較小的氟利昂類制冷劑的有機(jī)工質(zhì)，吸收式制冷系統(tǒng)溶液泵所消耗的功要遠(yuǎn)大于采用氣化潛熱大的水和氨制冷劑的無機(jī)工質(zhì)系統(tǒng)溶液泵所消耗的功.從實驗結(jié)果看，為了降低采用有機(jī)工質(zhì)的吸收式制冷系統(tǒng)溶液泵所耗的能量，需要采用較小的溶液循環(huán)倍率，當(dāng)制冷負(fù)荷降低時，溶液泵的流量也相應(yīng)降低.即在制冷系統(tǒng)全工況內(nèi)盡可能保持大的氣、液體積流率比，以充分利用鼓泡吸收器面積，降低制冷系統(tǒng)全工況內(nèi)溶液泵所消耗的能量.

3.2溶液入口溫度對吸收高度的影響

圖4給出了在其他實驗條件不變的情況下，溶液入口溫度變化對管內(nèi)鼓泡吸收器吸收高度的影響.由圖可見，在相同的制冷劑氣體體積流率下，溶液入口溫度越高，鼓泡吸收器的吸收高度也越大.其原因在于，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變時，溶液中的制冷劑組分分壓力會隨溫度的升高而提高，氣相制冷劑壓力與吸收溶液中的制冷劑組分分壓力之間的壓力差值減小，使得吸收傳質(zhì)推動力減弱，吸收相同量氣體所需的熱、質(zhì)傳遞面積會增加.反映在管內(nèi)鼓泡吸收條件下會使鼓泡吸收高度增大.溶液入口溫度分別為 54，℃、46，℃、39，℃、26，℃時，吸收高度對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值分別為±35.8，mm（±12%，）、±38.3，mm（±11%，）、±40.9，mm（±11%，）、±27.4，mm（±8%，）.

圖4　不同溶液入口溫度下，吸收高度隨氣體體積流率的變化Fig.4　Change of absorption height with vapor flow rate at different solution inlet temperatures

在實驗條件下，當(dāng)溶液入口溫度超過 46，℃時，發(fā)現(xiàn)氣體體積流率達(dá)到 400，L/h時，吸收管內(nèi)會出現(xiàn)吸收不完全的情況，即在吸收管出口處仍可以發(fā)現(xiàn)氣泡.這些未被溶液吸收的氣泡會隨溶液一起流入上溶液儲罐，溶液儲罐液面上方累積過量的制冷劑氣體后會使儲罐內(nèi)壓力升高，而阻礙后續(xù)溶液流入，甚至?xí)l(fā)生瞬間將液體壓回的現(xiàn)象，影響吸收效果.所以，降低溶液入口溫度是提高鼓泡吸收器吸收性能的重要措施之一.

3.3溶液入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)對吸收高度的影響

圖5給出了在其他實驗條件不變的情況下，溶液入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對管內(nèi)鼓泡吸收高度的影響.由圖可見，溶液入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)由 40%，降低到 30%，時，鼓泡吸收高度明顯降低，降低約80%，.而溶液入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)降低到 25%，時，鼓泡吸收管內(nèi)幾乎觀察不到氣泡.溶液入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 40%，與 30%，時，對應(yīng)的吸收高度標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值分別為±35.8，mm（±12%，）與±22.8，mm（±13%，）.由此可見，溶液入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高低對吸收高度的影響較大.其原因也在于：在相同的溶液入口溫度和流率情況下，入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低后，溶液內(nèi)制冷劑組分分壓力隨之降低，與被吸收的制冷劑氣體之間的分壓力差增大，使得傳質(zhì)推動力增大，吸收同量氣體所需的傳質(zhì)面積減小.

圖5　噴嘴孔徑為 2.8 mm時，入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對吸收高度的影響Fig.5 Effect of solution inlet mass fractions on absorption heights at nozzle orifice diameter of 2.8 mm

然而，對于采用R124/DMAC為工質(zhì)的吸收式制冷系統(tǒng)，其稀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)取決于冷凝壓力（或溫度）和離開發(fā)生器時稀溶液溫度（或熱源溫度）.經(jīng)循環(huán)熱力計算，在采用空冷冷凝方式及離開發(fā)生器時稀溶液溫度不超過130，℃條件下，稀溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不會低于 40%［8］.對于采用空氣冷卻的廢熱驅(qū)動吸收式制冷系統(tǒng)，如何提高鼓泡吸收器在高溶液入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下的吸收能力，是決定制冷系統(tǒng)的制冷效果以及系統(tǒng)小型化的關(guān)鍵問題之一.

3.4噴嘴孔徑對吸收高度的影響

圖6給出了在其他實驗條件不變的情況下，噴嘴孔徑（do）變化對吸收高度的影響.由圖可見，當(dāng)噴嘴孔徑由 2.8，mm下降到 1.0，mm時，鼓泡吸收高度明顯降低，降低了約 70%.對應(yīng)的吸收高度標(biāo)準(zhǔn)偏差最大值分別為±35.8，mm（±12%）、±23.5，mm（±4%）、±29.5，mm（±13%）.顯然，噴嘴孔徑變化對鼓泡吸收能力有較大的影響.分析其原因在于，在相同制冷劑氣體體積流率下，噴嘴孔徑越小，出噴嘴的氣柱直徑越小，氣體流速越大，氣體對溶液的擾動越強(qiáng)烈.在管內(nèi)溶液表面張力、重力和擾動力的共同作用下，氣柱容易被溶液切割成一系列小氣泡，也增大了氣體與溶液之間的傳質(zhì)面積.兩種因素的共同作用，導(dǎo)致采用小孔徑噴嘴的鼓泡吸收器的吸收能力會有較大的提升.

圖6　不同噴嘴孔徑下，吸收高度隨氣體體積流率的變化Fig.6 Change of absorption height with vapor flow rate at different nozzle orifice diameters

圖7給出了溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為46%，與40%，而其他實驗條件不變的情況下，噴嘴孔徑為 1.0，mm時氣體體積流率變化對鼓泡吸收高度的影響.比較圖5與圖7可以發(fā)現(xiàn)，噴嘴孔徑為2.8，mm時，即使溶液入口質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 40%，的情況下，制冷劑氣體體積流率超過 360，L/h后，就出現(xiàn)制冷劑蒸氣在鼓泡吸收管內(nèi)不能被完全吸收的現(xiàn)象.而當(dāng)噴嘴孔徑減小到1.0，mm時，即使在溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%，甚至高達(dá)46%，的情況下，氣體體積流率達(dá)到 400，L/h時，制冷劑氣體仍然可以在鼓泡吸收管內(nèi)被溶液完全吸收.其中，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為46%，和40%，時，吸收高度最大標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為±27.9，mm（±7%，）、±29.5 mm（±13%，）.

圖7　噴嘴孔徑為 1.0，mm時，入口溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對吸收高度的影響Fig.7　Effect of solution inlet mass fractions on absorption heights at nozzle orifice diameter of 1.0，mm

但是，隨著噴嘴孔徑的降低，同體積流率下的制冷劑流過噴嘴的阻力也相應(yīng)增大，會使氣體側(cè)的壓力升高. 對于本次實驗，當(dāng)噴嘴孔徑由 2.8，mm降低到1.0，mm時，氣體側(cè)壓力升高約 5，kPa.對于吸收式制冷系統(tǒng)而言，鼓泡吸收器噴嘴流動阻力增大，在吸收壓力不變時會使蒸發(fā)壓力升高，或在蒸發(fā)壓力不變時會使吸收壓力降低.前者會使制冷效果變壞，后者會使吸收器吸收能力降低，吸收結(jié)束時溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)減小.兩者最終均會使制冷系統(tǒng)的COP值減小.但實驗結(jié)果對鼓泡吸收器噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義，可以考慮適當(dāng)減小孔徑，并采用多孔數(shù)的噴嘴結(jié)構(gòu)（對此結(jié)構(gòu)的噴嘴會做后續(xù)實驗）.

3.5吸收壓力與冷卻效果對吸收高度的影響

圖8給出了溶液入口溫度為 55，℃，噴嘴孔徑為1.0，mm，其他實驗條件不變的情況下，吸收壓力變化對吸收高度的影響.吸收壓力為0.150～0.175，MPa對應(yīng)的吸收高度最大標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為±27.4，mm（±7%）、±29.5，mm（±13%）、±15.2，mm（±12%）.

由圖8可見，增加吸收壓力對鼓泡吸收高度有降低作用，但影響不是很大.對吸收式制冷系統(tǒng)而言，如果不考慮制冷劑蒸氣流經(jīng)噴嘴的阻力，其吸收壓力基本與蒸發(fā)壓力減去液柱壓力后的值相等.因此，實際吸收壓力變化是取決于系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力.從實驗情況看，當(dāng)蒸發(fā)壓力提高后，吸收器的吸收能力還是有所提高.

圖8　不同吸收壓力對吸收高度的影響Fig.8 Effect of different absorption pressures on absorption height

圖9給出了在其他實驗條件不變的情況下，通過改變冷卻水入口溫度來改變鼓泡吸收器的冷卻效果，并觀察其對吸收高度的影響.由于可視化實驗管內(nèi)鼓泡吸收器采用厚壁玻璃套管制成，厚壁玻璃套管導(dǎo)熱性能不如薄壁銅管，并且沿玻璃套管高度方向也難以設(shè)置溫度傳感器.故吸收管冷卻效果好壞需通過溶液出口溫度的高低來反映.在冷卻水進(jìn)口溫度可變，而其他實驗條件不變的情況下，溶液出口溫度越低，表明冷卻效果越好；反之，相反.其中，溶液出口溫度 44，℃時，吸收高度最大標(biāo)準(zhǔn)偏差±42.7，mm（±10%），溶液出口溫度 36，℃時，吸收高度最大標(biāo)準(zhǔn)偏差±27.9，mm（±7%，）.由圖可見，隨著冷卻效果的增強(qiáng)，整體吸收高度隨之降低.而在實際系統(tǒng)中，冷卻介質(zhì)入口溫度受限條件下，強(qiáng)化鼓泡吸收器的換熱，可以使吸收結(jié)束時的濃溶液溫度降低，可以提高吸收器的吸收能力.

圖9　不同溶液出口溫度對吸收高度的影響Fig.9 Effect of different solution outlet temperatures on absorption height

4　管內(nèi)鼓泡吸收高度關(guān)聯(lián)式

由實驗結(jié)果可知，管內(nèi)鼓泡吸收高度與氣、液體積流率，溶液入口溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)，噴嘴孔徑，吸收壓力，冷卻效果均有關(guān)系.考慮到可視化實驗所用鼓泡管為導(dǎo)熱性能較差的厚壁玻璃套管，如果將冷卻效果的參數(shù)設(shè)定為冷卻水溫度或與溶液間的換熱熱量，可能會對吸收高度關(guān)聯(lián)式帶來較大誤差.所以，在吸收高度關(guān)聯(lián)式中，冷卻效果對吸收高度的影響表征為濃溶液出口溫度對吸收高度的影響.在實驗測試參數(shù)范圍內(nèi)，對大量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸處理，得出 R124/DMAC工質(zhì)對在管內(nèi)鼓泡吸收器內(nèi)吸收高度的關(guān)聯(lián)式為

圖10為R124/DMAC吸收高度實驗值與關(guān)聯(lián)式估算值對比.由圖可見，對于 90%，以上的隨機(jī)測試點(diǎn)，關(guān)聯(lián)式計算值與實驗數(shù)據(jù)誤差范圍在±20%，以內(nèi)，可以作為R124/DMAC管內(nèi)鼓泡吸收高度計算的關(guān)聯(lián)式.

圖10　吸收高度實驗值與估算值對比Fig.10　Comparison between experimental and predicted absorption heights

5　結(jié)　論

通過搭建一套垂直管內(nèi)鼓泡吸收可視化實驗平臺，對以R124/DMAC為工質(zhì)的鼓泡吸收過程的氣泡形態(tài)變化及工作參數(shù)對鼓泡吸收高度的影響進(jìn)行實驗研究，研究結(jié)論如下.

（1） 在大氣、液體積流率比、較高溶液入口溫度和質(zhì)量分?jǐn)?shù)條件下，管內(nèi)鼓泡吸收過程中流型變化依次出現(xiàn)攪拌流、彈狀流與泡狀流 3種流型，氣泡在吸收管內(nèi)會發(fā)生追趕、合并現(xiàn)象，而影響吸收高度.

（2） 吸收高度與氣、液體積流率，溶液入口溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)，噴嘴孔徑，吸收壓力及冷卻效果均有關(guān)系.增加溶液流率、吸收壓力和冷卻效果，減小氣體流率、溶液入口溫度、質(zhì)量分?jǐn)?shù)及噴嘴孔徑，均能降低吸收高度，提高鼓泡吸收器的吸收能力.

（3） 通過對實驗數(shù)據(jù)的線性回歸分析，得出R124/DMAC管內(nèi)鼓泡吸收高度的關(guān)聯(lián)式，其計算值與實驗值誤差約為±20%，可用于對采用R124/DMAC為工質(zhì)的鼓泡吸收器高度進(jìn)行設(shè)計計算.

符號說明：

do—噴嘴孔徑，mm；

p —吸收壓力，MPa；

qV—體積流率，m3/s；

t —溫度，℃；

w —制冷劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

Z —吸收高度，m.

下標(biāo)：

in —入口；

out —出口；

l —溶液；

g —制冷劑氣體.

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（責(zé)任編輯：田 軍）

Effect of Working Parameters on the Bubble Absorption Capacity of R124/DMAC in a Vertical Tube

Xu Shiming，Jiang Mengnan，Hu Junyong，Wang Wei，Wu Xi
（School of Energy and Power，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

By constructing a set of visualization experimental platform for bubble absorption in the vertical tube，the influence of the working parameter changes on flow pattern change and absorption height in absorption process was explored for using R124/DMAC as working fluid.The absorption height can represent the absorption capacity of the bubble absorber.Low absorption height means high absorption capacity under the same conditions.Experimental results show that the absorption height is related to the refrigerant vapor flow rate，absorption solution flow rate，and its inlet temperature and mass fraction，the nozzle orifice diameter，absorption pressure and cooling effect.By increasing the solution flow rate and the absorption pressure，enhancing the cooling effect，decreasing the solution inlet temperature and mass fraction and the nozzle orifice diameter，all bubble absorption heights can be reduced and the absorption capacity of the absorber can be improved.By performing the multiple linear regression of experimental data，a correlation equation for estimating the R124/DMAC bubble absorption height was given within±20%， error band.

bubble absorption；visualization；R124/DMAC；vertical tube；absorption height

TB61

A

0493-2137（2016）08-0855-08

10.11784/tdxbz201503027

2015-03-12；

2015-07-08.

國家自然科學(xué)基金資助項目（51376032）.

徐士鳴（1957— ），男，教授，xsming@dlut.edu.cn.

蔣孟男，jiangmengnan@126.com.

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2015-07-14. 網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150714.1426.003.html.