王天

太原學(xué)院市政與環(huán)境工程系

0 引言

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。

1 建立模型

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

2 數(shù)值模擬方法

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

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 液膜厚度分布

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。

3.2 溫度分布

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。

3.3 換熱量

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

4 結(jié)論

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。