孫 健 胡 鵬 付 林

(清華大學建筑技術(shù)科學系 北京 100084)

吸收式熱泵是一種利用低品位熱源、實現(xiàn)將熱量從低溫熱源向高溫熱源泵送的循環(huán)系統(tǒng)，是一種回收利用低位熱能的有效裝置，由于其具有節(jié)約能源、保護環(huán)境的雙重作用，正逐漸成為一項節(jié)能減排的重要技術(shù)。吸收器作為吸收式熱泵的重要組成部件，其傳熱傳質(zhì)系數(shù)要遠低于其他部分，所以如何提升吸收器的傳熱與傳質(zhì)系數(shù)，成為國內(nèi)外研究重點。目前國內(nèi)大多數(shù)的吸收式熱泵采用的都是管外水平降膜的方式，這里研究的垂直降膜方式與水平降膜比較有以下優(yōu)點：

1)工質(zhì)在裝置內(nèi)流經(jīng)時間短；2)傳熱溫差小，熱損失小；3)同樣工況下有更高的傳熱傳質(zhì)系數(shù)；4)機組占地面積小。

從這些優(yōu)點可以看出，垂直降膜機組有著更廣闊的發(fā)展前景，但是目前鮮有對其布液器性能的研究，這已成為制約其發(fā)展一個重要因素，這里制作了不同型號的布液器，通過實驗進行比較以優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)，優(yōu)化后的布液器已經(jīng)被成功應(yīng)用于國內(nèi)首臺供熱量為1.3MW垂直降膜式吸收式熱泵機組樣機。

1 布液器樣品概述

吸收機里為了提高傳熱傳質(zhì)系數(shù)，LiBr水溶液大都采用噴淋方式，常用的方式有兩種：

1)噴嘴噴淋方式。溶液在一定壓力作用下經(jīng)噴嘴物化，形成均勻的霧滴，噴淋于傳熱管上。噴淋的壓力一般是借助于發(fā)生器和吸收器之間的壓力差或借助于專用的溶液噴淋泵。

2)淋激式噴淋方式。該系統(tǒng)通常是將溶液流過鉆有許多小孔的淋板，噴淋在傳熱管上。淋板有壓力式和重力式兩種。

由于方式1)往往需要外界提供壓力，不利于節(jié)能，而且液膜分布不夠理想，而方式2)是將濃溶液淋在冷卻水管外壁，對于水平放置的管束而言，溶液不能噴淋到管壁的下方區(qū)域，造成傳熱面積的浪費。所以人們提出冷卻水從傳熱管內(nèi)壁縱向流動，濃溶液依靠自身的重力沿傳熱管外表面垂直降膜吸收的方式，以期能解決上述遇到的問題。垂直管外降膜式熱質(zhì)傳遞設(shè)備的結(jié)構(gòu)大致上類似于固定管板式列管換熱器, 只是在傳熱管上端安裝布液器。文獻[1]中提出了一種螺旋溝槽布液器形式，但是沒有提出其合適的具體參數(shù)，因而缺乏實際應(yīng)用價值。這里的目的即為通過多組實驗對比，提出具體合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)，以用于指導實際機組的設(shè)計。布液器與傳熱管的連接形式如圖1所示。

圖1 管外布液器與銅管的連接方式Fig.1 Connection of distributor with copper pipe

圖2 布液器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 The structure of liquid distributor

圖2為管外布液器剖面圖，其外觀為圓柱形，內(nèi)表面上加工切向螺旋狀溝槽，而切向溝槽下方加工導流環(huán)隙。溝槽內(nèi)的液體受到毛細力和重力的雙重作用沿著溝槽流下，在導流環(huán)隙作用下能沿管外壁順利的成膜狀分布。

由圖2，布液器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有溝槽深度a、溝槽寬度b、溝槽數(shù)目n、布液器高度e、導流環(huán)隙內(nèi)徑R、導流環(huán)隙外徑R0、導流環(huán)隙高度h、以及切向旋轉(zhuǎn)溝槽角度β。

由于切向溝槽的限流作用，其流通面積越小，數(shù)目越多，越有利于液體均勻的分配；但流通面積過小，溝槽易被液體中雜物堵塞，而且加工困難。經(jīng)過實驗比較，通道數(shù)取3～5個, 每通道的流通截面積取3.5～6.0mm2較為合適。實驗中取單個流通截面積為4.5mm2，槽深為1.5mm，槽寬為3mm。

實驗采用的布液器和實際機組的布液器材料均為聚四氟乙烯，該材料有易于加工、耐高溫等優(yōu)勢，保證了其在機組長期運行下不會老化變形。由于該材料不透明，為了直觀顯示其內(nèi)部的流道，制作的與實際應(yīng)用的布液器尺寸完全一致的透明塑料模型如圖3所示。

圖3 布液器模型圖Fig.3 The model of liquid distributor

實驗的布液器結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1：

表1 實驗中使用的布液器參數(shù)Tab.1 Parameter of different liquid distributor

2 實驗系統(tǒng)原理

實驗裝置如圖4。由于實際機組中溶液靠自身重力流動，所以實驗系統(tǒng)沒有設(shè)置水泵，為保證裝置2中流動壓頭恒定，容器2始終保持滿液狀態(tài)。

圖4 實驗裝置圖Fig.4 The equipment fi gure of experimentation

調(diào)節(jié)1供給管道上閥門開度，使得2始終充滿溶液，2的溢液流入3中。調(diào)節(jié)5使得6中的液面穩(wěn)定在不同的高度以便測量。

測量純凈水的流量采用的是浮子流量計，由于吸收式熱泵內(nèi)單根管束的流量較小，故選定型號為DFM165，量程為5～60L/h。

用液壓打孔機在6底部打孔，將7嵌入孔中，確保布液器與孔之間沒有空隙。在6中垂直液面放入直尺讀取靜液柱高度h，記錄不同液面高度時候的流量。

3 實驗測量過程

調(diào)節(jié)5的開度使得6內(nèi)的液面穩(wěn)定在不同高度，通過對管束布液情況觀察判定布液是否圓滿、均勻、穩(wěn)定，并記錄下布液良好時對應(yīng)的靜液柱高度范圍。

在實際機組中，要求布液器的流率要大小合適，如果太大，溶液不能與冷卻水充分換熱，而且溶液容易飛濺；如果太小，則溶液循環(huán)時間過長，機組性能下降。為保證最佳的吸收效果，需測量靜液柱高度H與實際液體流率Γ之間的關(guān)系。靜液柱高度指的是容器6的液面到容器6底部的距離。而實際液體流率的定義為管壁單位周邊長度、單位時間內(nèi)流下的液體量：

式中：Qm—質(zhì)量流量，單位kg/h；

R —導流環(huán)隙內(nèi)徑，單位m。

靜液柱高度與布液器的流量是一一對應(yīng)的關(guān)系。實驗中分別對4種布液器分組進行測量，介質(zhì)分別為純凈水和質(zhì)量分數(shù)50%的溴化鋰水溶液，換熱管分別為光滑銅管和強化換熱管(外表面做麻面處理)。

由于浮子流量計是針對水設(shè)計的，其測量原理決定了不能直接測量溴化鋰水溶液流量，所以使用精度為0.1kg的臺秤和計時器用稱重法測量溴化鋰水溶液的質(zhì)量流量。為了保證測量必須的精度，所以適當延長每次測量的時間間隔，實驗計時間隔為5分鐘。

4 實驗數(shù)據(jù)分析

依據(jù)實驗介質(zhì)、布液器型號和管束不同分組進行實驗，得到以下實驗結(jié)果：

4.1 介質(zhì)為純凈水

選擇I號、II號布液器對Φ19的紫銅光管進行管外降膜實驗，數(shù)據(jù)對比如圖5所示：

圖5 I號與II號布液器數(shù)據(jù)Fig.5 Experimental data of I&II liquid distributor

圖6 III號與IV號布液器數(shù)據(jù)Fig.6 Experimental data of III&IV liquid distributor

選擇III號、IV號布液器對Φ25的紫銅光管進行管外降膜實驗，實驗數(shù)據(jù)如圖6所示：

由于II號布液器比I號布液器多一個槽，同樣靜液柱高度下，流量明顯增大，就布液效果來看，兩種布液器在光管表面都不能完整穩(wěn)定布液，II號布液較I號圓滿。

4.2 介質(zhì)為LiBr水溶液

對Φ19的紫銅光管進行管外降膜實驗，I號、II號布液器數(shù)據(jù)對比如圖7所示：

圖7 I號與II號布液器數(shù)據(jù)Fig.7 Experimental data of I&II liquid distributor

圖8 III號布液器數(shù)據(jù)Fig.8 Experimental data of III liquid distributor

圖9 溶液在強化管壁均勻分布Fig.9 Solution distributs uniformly on the surface of enhancement pipe

采用III號布液器對Φ25紫銅光管的管外降膜實驗，由于IV號布液器僅與III號導流環(huán)隙尺寸不同，因而流動阻力一致，所以實驗數(shù)據(jù)與III號一致，數(shù)據(jù)如圖8所示。

對于強化管而言，LiBr水溶液在管表面分布均勻，而對于光滑銅管，布液均達不到均勻穩(wěn)定，干區(qū)和死區(qū)較多。由于LiBr水溶液粘度大等原因，同樣條件下，LiBr水溶液的布液情況要好于水。如圖9所示，左圖為單管實驗的照片，右圖為機組運行時的照片，由于銅管表面的麻面紋對溴化鋰溶液有很好的導流作用，防止了壁面干區(qū)和死區(qū)的產(chǎn)生，溶液在壁面各處覆蓋均勻，流動穩(wěn)定。

5 實驗結(jié)論及分析

以純凈水和LiBr水溶液為工質(zhì), 測定了各自流量與靜液柱高度的關(guān)系。由于強化管表面流動阻力大于光管，在相同液體流率下，強化管的靜液柱高度大于光滑銅管靜液柱高度。

目前國內(nèi)的吸收式熱泵內(nèi)多采用強化管，所以分析了垂直降膜式熱泵中所選布液器的LiBr水溶液流量系數(shù)與雷諾數(shù)之間的關(guān)系，為此類機組設(shè)計提供依據(jù)。

參照管內(nèi)降膜切線孔式布液器, 流量系數(shù)定義為：

式中：V —體積流量，單位m3/s；

s1—切向旋轉(zhuǎn)溝槽截面積，單位m2；

H —靜液柱高度，單位m。

將流量系數(shù)與雷諾數(shù)進行關(guān)聯(lián), 以切向溝槽當量直徑計算的雷諾數(shù)為：

式中：de—當量直徑，單位m；

u —切向溝槽內(nèi)平均流速，單位m/s；

ρ —溴化鋰溶液密度，單位kg/m3；

μ —溴化鋰溶液動力黏度，單位Pa.s。

分析計算過程中的LiBr水溶液的物性參數(shù)是通過EES軟件中的物性函數(shù)算出。

而當量直徑為：

式中：a —溝槽深度，單位m；

b —溝槽寬度，單位m。

切向溝槽中的平均流速為：

式中：V —體積流量，m3/s；

n —溝槽數(shù)目。

利用EES軟件擬合各個型號的布液器得到C0和Re之間的關(guān)系式，相關(guān)系數(shù)為0.99。

表2 布液器流量系數(shù)與雷諾數(shù)的函數(shù)關(guān)系Tab.2 Function relation between fl ow-rate coef fi cient and reynold number

總之，無論哪種布液器，都難以讓溶液在光管表面均勻穩(wěn)定流下，干區(qū)和死區(qū)較多，過渡段距離比較大，布液不均將造成傳熱面積的浪費，從而降低機組的性能。在增加布液器槽數(shù)后布液效果有所改觀，但是布液仍不夠穩(wěn)定，所以建議在實際機組中使用強化管。布液器設(shè)計采用優(yōu)化后的參數(shù)，推薦槽數(shù)3～5個，單通道的流通截面積取3.5～6.0mm2，旋轉(zhuǎn)溝槽角度25～35°，靜液柱高度不低于60mm，以便最大程度實現(xiàn)布液均勻穩(wěn)定以提高傳熱傳質(zhì)系數(shù)。同時也要注意強化管容易積垢，不易于清洗，污垢形成后會大為降低傳熱系數(shù)的問題，因此要注意機組內(nèi)部的清潔，避免管束上沾有雜質(zhì)和油污。實驗結(jié)果為垂直降膜式吸收式熱泵布液器設(shè)計提供依據(jù)，所研制的布液器已經(jīng)成功應(yīng)用于國內(nèi)首臺供熱量為1.3MW垂直降膜式吸收式熱泵機組樣機，該熱泵有兩級蒸發(fā)器和吸收器，發(fā)生器采用190℃/0.4MPa過熱水蒸氣做為熱源，蒸汽流量為717.3m3/h，冷卻水進出口溫度為35/40℃，冷卻水流量52.6m3/h，熱水進出口溫度為75/90℃，熱水流量為72.3m3/h，吸收器傳熱系數(shù)為1325W/(m2.K)，整體COP為1.31，達到了設(shè)計要求。而且由于垂直降膜吸收器管排緊湊、蒸發(fā)器與吸收器合二為一等獨特優(yōu)勢，能夠顯著減少機組占地面積和系統(tǒng)電耗。

(本文受北京市科技計劃：利用電廠循環(huán)水余熱的供熱技術(shù)研究與應(yīng)用示范(D07040600560701)項目資助。The project was supported by the Key Projects of the Beijing Municipal Science and Technology Plan(D07040600560701).)

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