王天
太原學(xué)院市政與環(huán)境工程系
吸收器、蒸發(fā)器、發(fā)生器、冷凝器、節(jié)流裝置是溴化鋰吸收式制冷機(jī)組中的主要組成部分[1]。多數(shù)吸收器中采用的吸收模式是水平管外重力降膜吸收,以噴淋管束式為主[2]。吸收器的傳熱傳質(zhì)性能與整個(gè)制冷系統(tǒng)的COP緊密相關(guān)。故對(duì)吸收器中水平管外LiBr溶液降膜吸收過(guò)程進(jìn)行研究很有必要。
各國(guó)學(xué)者通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)重力作用下的降膜吸收進(jìn)行了大量的研究。Sutalo等[3]對(duì)非牛頓流體沿著傾斜板降膜流動(dòng)進(jìn)行了CFD數(shù)值分析,并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。呂多[4]總結(jié)了橢圓水平管外的重力降膜流動(dòng)中膜厚、流速等分布規(guī)律及不同管型參數(shù)對(duì)流動(dòng)特性的影響。于意奇等[5-6]對(duì)重力作用下的降膜行為進(jìn)行二維和三維數(shù)值模擬,分析了當(dāng)Re不同時(shí)的膜厚、液膜流速等。此外,他們對(duì)大平板的降膜流動(dòng)傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。Yoshida等[7]在Moran等[8]的實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值三維模擬,得到了重力降膜流動(dòng)中液膜表面的波形態(tài)及液膜厚度概率密度分布。
本文對(duì)吸收器中LiBr溶液重力作用下水平管外降膜吸收過(guò)程進(jìn)行了二維數(shù)值模擬,探究了不同條件下液膜厚度,溫度場(chǎng)及換熱量的變化規(guī)律。
圖1為L(zhǎng)iBr溶液水平管外重力降膜吸收過(guò)程的模型。水平管上方設(shè)置有布液管,LiBr濃溶液從布液管中噴淋到水平管上,在重力加速度的作用下垂直向下形成降膜流動(dòng),在水平管外壁上形成一層液膜。與此同時(shí),從蒸發(fā)器進(jìn)入吸收器的制冷劑水蒸氣被LiBr濃溶液吸收,吸收過(guò)程所釋放的潛熱被水平管內(nèi)流動(dòng)的冷卻水帶走,這樣可以使LiBr溶液持續(xù)不斷的吸收水蒸氣。吸收水蒸氣后濃度減小的LiBr溶液在重力作用下聚集在管底,當(dāng)溶液液滴所受重力與其表面張力失去平衡時(shí),液滴便會(huì)從上一根水平管管底落到下一根水平管管頂上。
圖1 LiBr溶液水平管外降膜吸收過(guò)程模型
Fluent軟件是一個(gè)功能強(qiáng)大的CFD分析軟件,它不僅自身包含多種模型,用戶還可以根據(jù)需要自定義函數(shù)以實(shí)現(xiàn)設(shè)置材料屬性及邊界條件等功能[9],故本文采用Fluent軟件對(duì)LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過(guò)程進(jìn)行模擬并對(duì)其液膜厚度、溫度場(chǎng)等進(jìn)行分析。統(tǒng)一取水平管管徑為10 mm。由于LiBr溶液的Re較小,可以認(rèn)為是層流狀態(tài),因此選擇Laminar作為粘性模型。該降膜吸收過(guò)程涉及到水蒸氣和LiBr溶液,是多相流模型。選擇VOF模型進(jìn)行數(shù)值模擬。邊界條件的設(shè)置如圖2所示。
圖2 邊界條件的設(shè)置
采用Fluent軟件中的VOF模型對(duì)LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。圖3為不同噴淋密度下即布液管中的濃溶液流速不同時(shí),LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過(guò)程體積分布圖。
圖3 不同噴淋密度下LiBr溶液水平管外重力降膜體積分布圖
由圖3可知,當(dāng)水平管上方的布液管噴淋密度逐漸減小時(shí),水平管外LiBr溶液的液膜厚度是逐漸變薄的。噴淋密度越小,溶液在水平管底部越晚脫離管壁。如圖中所示,當(dāng)布液管溶液流速為0.3 m/s時(shí),第一根水平管(取上方的水平管為第一根水平管,下方的水平管為第二根水平管)外的液膜大約在周向角為160°左右處脫離管壁。當(dāng)布液管溶液流速為0.15 m/s時(shí),液膜大約在周向角為175°左右處脫離管壁。當(dāng)布液管流速為0.08 m/s和0.06 m/s時(shí),液膜沒(méi)有在管底脫離管壁。此外,從圖中還可以看出,當(dāng)布液管流速為0.06 m/s,第二根水平管外的液膜并沒(méi)有完全包覆管壁,出現(xiàn)了“干斑”,這種情況在吸收器里面是應(yīng)該避免的,因?yàn)闆](méi)有被LiBr溶液液膜包裹的地方無(wú)法良好的進(jìn)行傳熱傳質(zhì),會(huì)影響整個(gè)吸收器傳熱傳質(zhì)性能乃至整個(gè)吸收式制冷機(jī)組的制冷性能系數(shù)。故在實(shí)際中應(yīng)控制LiBr溶液的噴淋密度,防止噴淋密度過(guò)小引起管壁出現(xiàn)干斑,影響傳熱及傳質(zhì)效率。
采用Fluent后處理軟件CFD-Post對(duì)圖3中第一根水平管外的液膜厚度進(jìn)行提取,繪制圖4。圖4為不同噴淋密度下LiBr溶液液膜厚度隨周向角變化的分布圖。
圖4 不同噴淋密度下LiBr溶液液膜厚度分布圖
由圖4可知,當(dāng)水平管上方的布液管噴淋密度減小時(shí),液膜厚度的變化范圍減小,即液膜厚度的最大值與最小值的差值減小,且周向角相同的地方液膜厚度減小。同一噴淋密度下,水平管管頂和管底的液膜厚度大于中間區(qū)域的液膜厚度。即周向角從0°變到180°時(shí),液膜先變薄再變厚,最薄的區(qū)域出現(xiàn)在75°到105°之間。由于管底和管頂?shù)囊耗ぽ^厚,故熱阻也較大,傳熱傳質(zhì)主要集中于中間區(qū)域。圖中當(dāng)布液管流速為0.3 m/s時(shí),液膜在周向角為165°時(shí)已脫離管壁,故無(wú)法提取該處膜厚。
圖5為噴淋密度不同時(shí)第一根水平管管壁附近的溫度分布圖。同樣采用Fluent后處理軟件CFD-Post對(duì)圖5的溫度場(chǎng)進(jìn)行溫度提取后繪制圖6。圖6是當(dāng)周向角為90°時(shí),不同噴淋密度下管壁附近溫度隨距管壁距離的變化規(guī)律。
圖5 不同噴淋密度下水平管管壁附近溫度分布圖
圖6 不同噴淋密度下溫度隨距管壁距離變化分布圖(θ=90°)
由圖6可知,對(duì)于溫度場(chǎng)中的固定一點(diǎn),當(dāng)噴淋密度逐漸增大時(shí),該點(diǎn)的溫度逐漸升高,這說(shuō)明隨著噴淋密度的增大,換熱效果逐漸減弱。故在保證液膜能夠完全覆蓋管壁的情況下,噴淋密度越小,液膜越薄,熱阻越小,越有利用傳熱。當(dāng)噴淋密度不變時(shí),溫度場(chǎng)中距離管壁越遠(yuǎn)的點(diǎn),溫度越低。
圖7為當(dāng)布液管流速分別為0.06 m/s、0.08 m/s、0.15 m/s、0.3 m/s時(shí)水平管的換熱量。當(dāng)布液管流速為0.06 m/s時(shí),換熱量最小。是因?yàn)榇藭r(shí)噴淋密度太小,液膜不能完全包覆管壁,會(huì)出現(xiàn)“干斑”,影響傳熱。如圖5(d)中,第二根管出現(xiàn)了干斑,故此時(shí)換熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他流速時(shí)的換熱量。流速為0.08 m/s時(shí),換熱量最大,因?yàn)榇藭r(shí)液膜可以完全包覆管壁且液膜厚度很小,故熱阻很小有利于傳熱。當(dāng)流速大于0.08 m/s時(shí),隨著噴淋密度增加,液膜越來(lái)越厚,且液膜在管底過(guò)早脫離管壁,換熱量越來(lái)越小,與前文結(jié)論相吻合。
圖7 不同噴淋密度下?lián)Q熱量變化規(guī)律
1)保持管徑不變,隨著布液管噴淋密度的減小,液膜厚度是逐漸減小的。若噴淋密度不變,液膜先變薄再變厚,最薄的區(qū)域出現(xiàn)在75°到105°之間。
2)實(shí)際工程中應(yīng)保證液膜能夠完全覆蓋管壁,故噴淋密度的選擇應(yīng)合理。若噴淋密度過(guò)小,液膜不能包覆管壁,管壁周圍會(huì)出現(xiàn)“干斑”,減少換熱量。若噴淋密度過(guò)大,液膜變厚,熱阻變大,也會(huì)減少換熱量。
3)本文換熱管管徑為10 mm,換熱效果最好的布液管流速出現(xiàn)在0.06 m/s到0.08 m/s之間。