降膜式吸收器的研究進(jìn)展

黃強(qiáng)，孫文哲，徐亞州，夏雨佳，洪珊

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院，上海 201306)

吸收器是吸收式制冷機(jī)組的核心部件。根據(jù)吸收過程氣液接觸方式，吸收器可以分為三類：降膜吸收、鼓泡吸收和噴霧吸收[1]。在降膜式吸收器中，吸收溶液通過布液或噴淋裝置，落到降膜管的表面，形成液膜。氣體通過液膜進(jìn)入液相主體。根據(jù)液膜布置方式，存在管內(nèi)降膜、管外降膜和平板式降膜3種主要降膜類型。

降膜式吸收器具有氣液接觸表面積大、換熱效率高、流量容易控制且結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)[2]，因此，廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)[3]、冷庫、合成氨與尿素的生產(chǎn)中[4-6]。其換熱面積占機(jī)組換熱面積的40%以上，金屬耗量所占比重較大[7]，吸收性能直接決定整個制冷機(jī)組的工作能力。為此，對降膜式吸收器的性能加以研究，從而設(shè)計出高效的吸收器，是節(jié)省吸收制冷裝置的投資和提高系統(tǒng)制冷系數(shù)的主要途徑[8]。

1 水平管降膜吸收器的研究進(jìn)展

水平管降膜式吸收器由于其液膜潤濕性較差，在氨水吸收式制冷工程應(yīng)用中并不常見。多存在于實驗研究中。

Lee等[9]通過對含有24根規(guī)格為?9.5 mm×0.8 mm，長290 mm的水平降膜管的吸收器進(jìn)行氨水吸收實驗。詳細(xì)記錄了吸收器進(jìn)出口的參數(shù)值，并對液膜的吸收過程建立了數(shù)學(xué)模型，來分別計算液膜和氨氣側(cè)的傳熱和傳質(zhì)系數(shù)。重點(diǎn)分析了溶液的流速、濃度以及吸收器的壓力對傳熱和傳質(zhì)系數(shù)的影響。計算結(jié)果顯示，當(dāng)溶液流速從0.019 kg/s增大到0.034 kg/s時，整個吸收器的總傳熱系數(shù)將會從753 W/(m2·K)增大到1 853 W/(m2·K)；液膜的傳熱系數(shù)小于冷卻水側(cè)的傳熱系數(shù)。傳熱熱阻主要存在于液膜一側(cè)。液膜的傳質(zhì)系數(shù)遠(yuǎn)小于氨氣的傳質(zhì)系數(shù)，傳質(zhì)阻力也是主要存在于液膜側(cè)。因此，想要提高吸收器的吸收性能，主要應(yīng)改善液膜的傳熱傳質(zhì)能力。

Zhang等[10]通過對水平管降膜吸收過程建模分析發(fā)現(xiàn)，吸收器的性能取決于液膜的特性。對液膜吸收過程的速度場及溫度場進(jìn)行了分析。同時搭建實驗臺進(jìn)行模擬實驗。結(jié)果表明，吸收器的總傳熱系數(shù)隨著進(jìn)入吸收器內(nèi)稀氨水溶液體積流量qVmL/s 的增大而增大。當(dāng)體積流量達(dá)到25 mL/s時，傳熱系數(shù)達(dá)最大值。此后增大體積流量，液膜出現(xiàn)飛濺現(xiàn)象，不能很好的潤濕降膜管表面，傳熱系數(shù)反而會降低。

2 垂直管降膜吸收器的研究進(jìn)展

垂直管降膜吸收是目前普遍采用的降膜方式。其液膜受重力影響進(jìn)行分布，擾動小，潤濕性較好。Kyongmin等[11]對垂直降膜氨水吸收制冷進(jìn)行了實驗分析。其實驗結(jié)果表明，吸收器的總傳熱速率隨溶液流速和溫度的增加而增大，與氨氣的流動方向無關(guān)；在逆流流動中，氨氣流速越高，液膜的傳熱速率越差；液膜和氨氣的分界面的存在切應(yīng)力，不利于液膜充分展開潤濕表面，降低了吸收器的傳熱傳質(zhì)性能；雖然液膜處于層流區(qū)，但換熱系數(shù)隨溶液流速的增加而增大；建立了努塞爾數(shù)與溶液雷諾數(shù)的特征關(guān)聯(lián)式；順流時，液膜傳熱系數(shù)受溶液流量影響不大，逆流時，液膜的傳熱系數(shù)受蒸汽流量影響較大；隨著溶液濃度的增加，氨氣流量對傳熱傳質(zhì)的影響逐漸減小。

牛曉峰等[12]對常規(guī)的改進(jìn)滲透模型做出修改，將整個降膜吸收過程劃分為非湍流區(qū)和湍流區(qū)，并對非湍流區(qū)波峰和波谷的 Levich厚度及整體波動速度進(jìn)行了修正和計算。同時在長950 mm，外徑25 mm的光管上進(jìn)行了氨水降膜實驗，對不同雷諾數(shù)下的吸收過程傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行了實驗測定。結(jié)果表明理論數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)偏差不超過 10%～15%。該模型在較低雷諾數(shù)下具有較好的預(yù)測性。

許峰等[13]根據(jù)包天舒文獻(xiàn)[14]中提供的實驗數(shù)據(jù)，計算出吸收過程所需傳熱面積為0.44 m2，吸收器總傳熱系數(shù)略低于實驗值。并選取吸收管內(nèi)徑、噴淋密度和冷卻水流量為變量，研究了它們對液膜溫度和濃度的影響。模擬結(jié)果表明：噴淋密度是制約吸收效果的主要因素。

林芃等[15]對垂直管管內(nèi)氨水降膜吸收過程建立數(shù)學(xué)模型，分析吸收過程中氣相濃度、傳質(zhì)系數(shù)和液膜溫度沿吸收管長度的變化情況。計算結(jié)果顯示在冷卻水溫度為20 ℃，吸收壓力為0.2 MPa，稀溶液濃度為22.5%工況下，降膜管的吸收長度為1.1 m。 當(dāng)冷卻水溫提高到35 ℃時，其吸收長度則迅速增大到4.48 m。而稀溶液進(jìn)口溫度從30 ℃增大到50 ℃時，吸收長度幾乎沒有變化。通過改變工況研究結(jié)果表明，冷卻水溫度越高，稀溶液濃度越高，吸收壓力越低，降膜管完全吸收所需要的吸收長度越長，并且長度增加速度越快。

在數(shù)值模擬計算上，上海化工學(xué)院無機(jī)化工教研組[16]在尿素生產(chǎn)用降膜吸收塔的背景下，對吸收塔的尺寸進(jìn)行了試算。并在此基礎(chǔ)上，對吸收過程的物理模型做出了改進(jìn)，將管內(nèi)壁分為被液膜覆蓋的潤濕界面和直接與氣相接觸的非潤濕界面，從而給出了更為精準(zhǔn)的計算公式。Sieres等[17]基于氨水傳熱傳質(zhì)微分方程以及雙膜理論,在有限差分法的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一套通用的計算關(guān)聯(lián)式,可以用于計算氨水吸收制冷中的吸收、發(fā)生以及精餾過程。

此外，還可以通過搭建實驗臺的方式，采用單一變量法，對影響吸收器吸收性能的關(guān)鍵因素進(jìn)行實驗分析。Niu等[18-19]進(jìn)行了磁場條件下氨水溶液降膜吸收的實驗研究。通過對吸收器外施加不同強(qiáng)度的磁場，來找到磁場強(qiáng)度對液膜吸收性能的影響。實驗結(jié)果表明，當(dāng)施加的外部磁場方向不變，磁場強(qiáng)度從0 T增大到0.14 T時，吸收器出口氨水溶液濃度、冷卻水出口溫度都隨之增大。說明磁場強(qiáng)度對液膜的吸收過程確實有強(qiáng)化作用。實驗還發(fā)現(xiàn)當(dāng)磁場方向與降膜方向垂直時，液膜的吸收速率會減慢。下表為不同電流強(qiáng)度條件下，磁感應(yīng)強(qiáng)度、冷卻水出口溫度和濃氨水濃度值。

表1 不同電流強(qiáng)度下磁場強(qiáng)度、冷卻水出口溫度和溶液濃度值Table 1 Corresponding value of magnetic induction intensity,tempertature of cooling water at outlet,concentration of ammonia-water after absorption for current flow

徐振中等[20]搭建實驗臺，通過實驗測得在吸收壓力0.35 MPa，稀溶液進(jìn)口過冷度為27 ℃的工況下，不同流量下的傳質(zhì)速率。并對吸收過程進(jìn)行了絕熱吸收模擬分析。實驗結(jié)果表明，吸收傳質(zhì)速率隨著降膜稀溶液雷諾數(shù)的增大而升高，最大值為0.126 g/s，與模擬結(jié)果的趨勢一致。在相同雷諾數(shù)條件下，隨著入口稀溶液過冷度的增加，吸收傳質(zhì)速率也隨之升高。這說明吸收溶液過冷有利于傳質(zhì)過程的實現(xiàn)。因而在氨水降膜吸收過程中，需要合理的進(jìn)行過冷和冷卻。

對降膜管結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，能顯著促進(jìn)吸收速率。陳小磚等[21]針對3根不同尺寸規(guī)格的橫紋管，研究吸收器吸收性能達(dá)到最優(yōu)的管型結(jié)構(gòu)。實驗結(jié)果表明，在相同工況下，采用橫紋管比采用光滑管有更高的傳熱和傳質(zhì)能力，當(dāng)溶液的噴淋密度為479.6 kg/(m·h)時，橫紋管比光滑管的傳質(zhì)系數(shù)增大了97.8%。這表明改善降膜管表面結(jié)構(gòu)，可以提高液膜的傳質(zhì)系數(shù)。Goel等[22]對傳統(tǒng)的微通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，通過在微通道中添加一種絲網(wǎng)輔助結(jié)構(gòu)，充分利用了垂直空間距離強(qiáng)化傳質(zhì)過程，構(gòu)造了新型微通道降膜吸收器，強(qiáng)化了吸收過程。

此外，強(qiáng)化吸收溶液性能也是途徑之一。Kim等[23]研究了納米流體和表面添加劑強(qiáng)化氨水溶液吸收過程傳熱傳質(zhì)的性能問題。實驗中，他們以銅、氧化銅和氧化鋁為材料制成納米流體添加到稀氨水溶液中。實驗的結(jié)果說明，在稀氨水中添加的納米流體和表面活性劑均對吸收過程起到了強(qiáng)化作用。

3 板式降膜吸收器的研究進(jìn)展

板式降膜吸收器在工程應(yīng)用上較少。Delphine等[24]通過搭建了一套小型板式降膜氨水系數(shù)實驗臺，對平板式吸收器的傳熱傳質(zhì)過程進(jìn)行了分析。氨氣與液膜流動方向保持一致。重點(diǎn)研究了冷卻水流量對板式表面液膜的傳熱傳質(zhì)能力。研究結(jié)果表明，傳質(zhì)阻力主要存在于液膜一側(cè)，而液膜的熱阻幾乎對液膜的吸收過程無影響。吸收器的性能主要取決于液膜側(cè)的傳質(zhì)能力。

Kang等[25]則搭建了板式降膜吸收器的實驗臺來進(jìn)行分析。該吸收器的降膜板垂直放置，尺寸為110 mm×130 mm×34 mm，在平板的表面設(shè)置有條形翅片來強(qiáng)化傳熱傳質(zhì)能力。通過改變濃溶液進(jìn)口濃度、溫度、流速測得了不同工況下吸收器的傳熱傳質(zhì)系數(shù)。結(jié)果表明：隨著降膜板上液膜的雷諾數(shù)增大，其努塞爾數(shù)以及舍伍德數(shù)都隨之增大。但是努塞爾數(shù)的變化主要受濃溶液流速影響，舍伍德數(shù)的變化則主要受氨蒸氣的雷諾數(shù)影響。此外，板式降膜吸收器與鼓泡式吸收器進(jìn)行了對比[26]。實驗結(jié)果表明：在相同工況下，由于鼓泡式吸收器具有更大的氣液接觸面積，其吸收速率高于板式降膜吸收器的吸收速率。板式降膜吸收器液相中傳質(zhì)阻力占主導(dǎo)因素，氣相中傳熱傳質(zhì)阻力都非常大。

4 總結(jié)與展望

降膜式吸收器因其吸收速率高、結(jié)構(gòu)簡單、易加工等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到重視，并廣泛的應(yīng)用于氨水吸收式制冷機(jī)組中。對其進(jìn)行的理論分析日益深入，實驗范圍不斷擴(kuò)大。而采用計算機(jī)模擬和應(yīng)用數(shù)值計算技術(shù)，既加快了研究速度，又拓寬了研究參數(shù)的變化范圍，從而增加降膜式吸收器研究的深度和廣度。目前，國內(nèi)外學(xué)者針對降膜式吸收器應(yīng)用的研究愈加活躍，新系統(tǒng)新方法不斷呈現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域和范圍也在不斷拓寬。

但是也存在許多不足之處，有待進(jìn)一步的解決。尤其是在液膜的流動與成型、氣液相之間的傳熱傳質(zhì)、添加物和納米流體促進(jìn)吸收的機(jī)理、評價吸收器性能的綜合指標(biāo)等，這是目前研究降膜式吸收器的關(guān)鍵方向。