垂直管氨水降膜吸收傳質研究

徐振中 夏再忠 林 芃 郭沛民 王如竹

(上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

吸收式制冷能夠利用工業余熱和太陽能等低品位能源，契合節能的倡導，其研究和發展也得到越來越多的重視。常用的吸收制冷工質對為LiBr-H2O和NH3-H2O。相比于溴化鋰吸收機組，以氨水為工質的吸收機組制冷溫度可達到0℃以下，運行時系統處于正壓條件，特別氨水系統能夠采用風冷冷卻[1-2]，去除水冷冷卻塔，可降低系統投資，實現系統小型化，從而解決太陽能驅動的小型家用吸收制冷機所面臨的問題[3]。

氨水吸收制冷的COP較低，需要進行系統部件的優化，其中吸收器是影響吸收制冷系統性能的主要部件。垂直管內降膜吸收器是常用的吸收器，降膜式吸收具有傳熱效率高、傳熱溫差損失小、無靜壓頭引起的沸點升高及物料停留時間短等特點。在典型的氨水管內垂直降膜吸收器中，沿管內壁垂直降下的氨水液膜吸收管內的氨氣，釋放出大量的熱，冷卻介質在吸收管外側帶走熱量，使得管內的吸收過程持續進行，形成了復雜的傳熱傳質過程。

國內外學者對于氨水降膜吸收傳熱傳質過程進行了許多模擬研究。Kim[4]采用連續性方程，動量方程，能量方程和擴散方程分析氨水降膜吸收過程，研究了氣流方向、氨水濃度、氨氣濃度和外部冷卻對吸收過程的影響。Goel和Goswami[5]采用雙膜模型模擬了平板吸收器在平板外側水冷情況下氨水逆流吸收的傳熱傳質，模型同時考慮了氣相側和液相側的傳質阻力。實驗方面的研究工作較少，Kwon[6]等研究了在螺旋盤管降膜吸收器中氨氣流向對吸收傳熱傳質的影響。Kang[7]等人對平板換熱器中氨水降膜順流吸收進行了實驗研究，并擬合出Nusselt和Sherwood的關系式。同時他們還進行了鼓泡吸收的實驗，得到了其傳質關系式[8]。

國內外研究者在對氨水吸收過程的研究中，吸收過程均伴隨外部冷卻，帶走吸收產生的熱量，傳熱和傳質過程相互耦合，這里對氨水垂直光管降膜吸收的傳質研究主要從絕熱吸收的角度入手，對絕熱吸收情況進行模擬和實驗，將模擬與實驗結果比較，集中研究吸收過程中的傳質特性，特別是過冷度對吸收傳質的影響。

1 氨水絕熱吸收過程模擬

在氨水絕熱吸收模擬中，稀氨水溶液從上端進入，氨氣從下端進入，形成逆流吸收，吸收管外為絕熱條件，沒有冷卻。

模擬采用雙膜模型[9]，其主要假設是：1)氣、液兩相流體間存在著穩定的相界面，界面兩側各有一個很薄的停滯膜，相界面兩側的傳質阻力集中于這兩個停滯膜內，吸收質以擴散方式通過此二膜層由氣相主體進入液相主體；2)在相界面處，氣、液兩相處于平衡，界面上沒有傳質阻力；3)在兩個停滯膜以外的氣、液兩相主體中，由于流體充分湍動，不存在濃度梯度，物質組成均勻。

由此傳質吸收過程首先從氣相主體傳到界面，在界面內傳質不存在阻力，界面處于平衡狀態，最后由界面向液相主體傳質。圖1為模擬傳質吸收的示意圖。在沿吸收管段方向上建立氣相主體、界面和液相主體的微元控制容積，利用質量平衡、組分平衡、能量平衡以及傳熱、傳質方程式建立數學模型。絕熱降膜吸收中的傳熱傳質過程包括：主流氣相向氣液界面的傳熱傳質，氣液界面向主流液相的傳熱傳質，各傳熱、傳質系數利用參考文獻[10-11]以及切爾頓.科爾本比擬[12]得出。

圖1 氨水逆流絕熱吸收示意圖Fig.1 Schematic diagram of countercurrent ammonia-water adiabatic absorption

2 氨水吸收實驗

2.1 實驗裝置介紹

氨水垂直降膜吸收的實驗臺如圖2示意圖所示，實驗垂直吸收管長1m，外徑25mm，壁厚2mm，材料為碳鋼。系統主要由氨水溶液循環、氨氣循環和冷卻水循環組成。在加熱發生裝置中的稀氨水溶液由磁力齒輪泵泵送經過換熱器和質量流量計，送至吸收器頂部的液槽，溶液溢過吸收管管口，沿吸收管內壁垂直下流形成降膜，與進入吸收管的氨水接觸進行吸收，吸收后的濃溶液在底端流回最下部的加熱發生裝置。氨氣由加熱發生器產生，通過閥門控制，經吸收器頂部或吸收器底部進入吸收管，與液膜形成順流或逆流吸收。冷卻水循環一路流過吸收器管外套管，在水冷冷卻吸收條件下使用，另一冷卻水循環流過套管換熱器對稀溶液進行過冷。圖3為實驗裝置的實物圖。

圖2 氨水垂直降膜吸收實驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental apparatus

圖3 氨水垂直降膜吸收實驗裝置實物圖Fig.3 Picture of the experimental apparatus

實驗測量部分主要為流量、密度、溫度和壓力，科里奧利質量流量計測量進入吸收管的稀溶液質量流量和密度。PT100和壓力測量位置見圖2標記。水表測量吸收管水冷和換熱器水冷的冷水流量。測量設備和精度見表1。

表1 測量設備和精度Tab.1 Measurement and accuracy of the instruments

2.2 實驗數據測量和數據計算處理

實驗中，控制冷卻水在吸收器套管和換熱器的流量和溫度，進行了絕熱吸收，水冷吸收不同條件下的實驗。實驗測量工況如表2所示。

表2 實驗測試狀況Tab.2 Test conditions of the experimental study

氨水降膜吸收過程中，總質量、氨組分質量和總能量守恒方程如下：

mw由流量計直接測量，xw由溫度和密度計算得到，xv由氨氣溫度和壓力計算得到，hw由溫度和xw計算得到，hv由氨氣溫度和xv算得，hs與xs和對應溫度相關。Q通過冷卻水流量和進出口溫度得到，在絕熱吸收當中，Q為零。

通過方程組求解mv、ms和xs這些未知量。NH3-H2O混合物物性計算依據參考文獻[13]。

3 結果分析與討論

3.1 絕熱吸收濃度分布模擬

圖4是模擬絕熱吸收得到的濃度分布曲線。稀溶液進口溫度為30℃，過冷度為27℃，降膜Re為230，吸收壓力為350kPa。稀溶液從上端降膜(L=0)，氨氣從底端(L=1)進入，進行逆流吸收。從圖中可以看到，界面液相的濃度始終高于液相主體濃度，兩者之間的濃度差，從上端往下，迅速下降。界面液相濃度在入口處顯著高于液相主體濃度，濃度差為0.14。這是因為稀溶液入口過冷，界面平衡溫度降低，使得初始界面液相平衡濃度比較高。沿管段下降，隨著吸收放熱過程進行，界面液相濃度逐漸下降，濃度差減小。在稀溶液入口段，還存在氣相調整過程。起始段氣相主體濃度Xvb低于界面平衡氣相濃度Xvi。但是由于入口的過冷，界面溫度低于氣相的飽和溫度，從而發生氨的冷凝，產生傳質，產生大量的熱，界面溫度升高。隨著調整氣相主體濃度進而高于界面平衡氣相濃度，繼續進行傳質吸收。

圖4 絕熱吸收模擬濃度分布曲線(L=0～1m)Fig.4 Concentration along the absorber by simulation(L=0～1m)

從圖4的液相主體濃度分布可以看到，在0～0.5m段液相主體濃度由0.33上升到0.365，吸收器的出口濃度為0.369，因而吸收過程主要發生在吸收管的上段。

圖5 絕熱吸收模擬濃度分布曲線(L=0.5～1m)Fig.5 Concentration along the absorber by simulation(L=0.5～1m)

放大圖4的L=0.5～1m段，得到圖5。結合圖4和圖5的濃度分布曲線，可以看到在吸收管的上段(L=0～0.68m)液相主體濃度Xlb與界面平衡液相濃度Xli的濃度差要高于氣相主體濃度Xvb與界面平衡氣相濃度Xvi之間的濃度差，而在下段(L=0.68～1m)處，氣相主體濃度Xvb與界面平衡氣相濃度Xvi之間的濃度差則要更大，在出口處氣相濃度差為0.0079，而液相濃度差為0.00224。

3.2 絕熱吸收傳質率模擬與實驗

圖6是絕熱吸收傳質率模擬與實驗結果之間的比較。通過實驗測量得到了吸收壓力為350kPa，稀溶液進口過冷度為27℃情況下，不同降膜流量的吸收傳質率。吸收傳質率隨著降膜稀溶液Re的增大而升高，與模擬結果的趨勢一致。從模擬值與實驗值的比較來看，實驗值要低于模擬結果。實驗與模擬結果的偏差最小為12.1%，最大為18.5%。在該實驗條件下，最大吸收傳質率為0.126g/s。

圖6 吸收傳質率模擬與實驗結果比較Fig.6 Comparison of mass transfer rate from simulation and experiment

3.3 過冷度對吸收傳質影響

圖7 絕熱傳質率隨過冷度變化Fig.7 Adiabatic absorptive mass transfer rate under different subcooling

通過控制實驗中稀溶液進口過冷度，測量了不同過冷度下絕熱吸收傳質情況。圖7為吸收壓力350kPa條件下，過冷度對吸收傳質率的影響。相同降膜Re下，增大過冷度，絕熱吸收傳質率隨之升高，稀溶液過冷能夠提高吸收傳質速率。過冷使得溶液濃度與飽和溶液濃度差變大，同時過冷溶液的有更大的熱容，促進吸收放熱。

3.4 冷卻吸收

在吸收管套管和換熱器用冷卻水進行冷卻，冷卻水溫度為26℃。吸收前稀溶液具有過冷，在吸收過程中，水冷冷卻帶走吸收放熱，進行冷卻吸收。圖8和圖9是冷卻吸收條件下，吸收傳質率和吸收傳熱量變化的情況。隨吸收壓力的提高，總吸收傳質率也上升。同時吸收傳質率與吸收傳熱量變化趨勢呈現一致。

圖8 冷卻吸收傳質率Fig.8 Mass transfer rate with water cooling

從圖7和圖8的比較可以看到，在350kPa吸收壓力下，Re為160時，絕熱吸收傳質率為0.060g/s，而水冷冷卻吸收條件下，能夠達到0.14g/s。在Re為105時，絕熱吸收傳質率為0.043g/s，水冷冷卻吸收條件下，能夠達到0.10g/s，傳質速率提高了132%，可見冷卻吸收條件下傳質率能夠顯著高于絕熱吸收條件下的傳質率。因而在吸收過程中，需要合理進行過冷和吸收冷卻。

圖9 冷卻吸收傳熱量Fig.9 Heat transfer with water cooling

4 結論

進行了垂直管氨水降膜吸收的絕熱傳質模擬，并實驗測量了絕熱吸收和水冷卻吸收情況的吸收傳質率。絕熱吸收傳質率的模擬與實驗測量結果偏差在20%以內。

1) 絕熱吸收模擬的濃度曲線結果顯示：在進口過冷條件下，降膜吸收入口段氣相存在著調整過程。液相界面與主體液相的濃度差隨著降膜過程迅速減小。在模擬的吸收管段中，吸收過程集中在0～0.5m段。吸收管的上段液相主體濃度與界面平衡液相濃度的濃度差要高于氣相主體濃度與界面平衡氣相濃度之間的濃度差，液相側傳質阻力要大于氣相側傳質阻力，為強化傳質，需要減少液相側傳質阻力，加大液相側傳質驅動力。

2) 絕熱吸收和冷卻吸收的實驗表明：在同等條件下，隨入口溶液過冷度的增加，吸收傳質率升高。采用冷卻吸收，排出吸收放熱，同時對吸收前的稀溶液進行過冷，得到的吸收傳質率要高于過冷絕熱吸收的情況。因而在吸收制冷實驗裝置中，吸收前的稀溶液通過溶液換熱器實現一定過冷度，有利于促進吸收傳質。

本文受上海交通大學研究生創新能力培養專項基金項目資助。(The project was supported by Shanghai Jiao Tong University Innovation Fund For Postgraduates.)

符號說明d 管徑 h 焓 L 長度m 質量流量密度 Q 熱流密度 Re雷諾數T 溫度 x 質量濃度下標w 稀溶液 v 氣相 s 濃溶液lb 液相主體 i 界面 vb 氣相主體li 界面-液相 vi 界面-氣相

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