降膜吸收器布膜装置的实验研究

张继军1  王向举2  史晓平2

(1、石家庄工大化工设备有限公司   2、河北工业大学)

摘要：针对大直径竖管降膜吸收器设计出了一种新型的液体布膜装置，并以水为介质进行了冷模实验及分析，通过对实验的观察及数据分析提出了换热管内均匀成膜的最小喷淋密度。

关键词：竖管降膜吸收器  喷淋密度 液体布膜装置

Design and Experimental Study on the Distribution Equipment

of Falling-film Absorber

ZhangJi-jun  WangXiang-ju  ShiXiao-ping

(1.Shi Jiazhuang Gongda Chemical Engineering Equipments Co.Ltd ;  2. Hebei University of Technology)

abstract  Design a new type of liquid distribution equipment in large-diameter vertical tube Falling-film Absorber,and carry on the cold film equipment and analysis under the situation that take water as to medium,pass to the experiment of the observation and the data analysis put forward the minimal sprayed density that tube come into being well-proportioned film.

keywords  Vertical Tube Falling-film Absorber, Sprayed Density, Liquid Distribution Equipment

0 前言

吸收装置广泛应用于化工、石化、冶金、电力和制冷等工业，分卧式和立式两种形式。相对于卧式降膜吸收器[1,2]，立式降膜吸收器具有多种优点。立式吸收装置占地面积小,适合吸收装置的小型化发展趋势；有研究表明在相同的雷诺数条件下,溶液在沿竖壁降膜时液膜对圆管管壁的覆盖率比水平管时要好，而且液膜膜厚沿流动方向分布更加均匀，传热传质效果也优于水平管外降膜吸收。因此今后竖管型降膜吸收器将会迅速的发展起来并逐渐显示其多方面的优越性[3,4]。在吸收式制冷机中[5]，吸收器的传热面积约占机组总传热面积的40%，其传热传质性能对整个机组经济性的影响很大，因此吸收过程传热传质的强化一直是国内外有关研究的主要着眼点之一[6~10]。对于降膜式吸收器,布膜装置的分布性能是影响其吸收效率的关键,尤其大型竖管降膜吸收器更是如此，因此设计新型的吸收器布膜装置并进行实验分析始终是研究强化吸收过程传热传质的重要课题。

1 实验装置及实验流程

1.1 实验装置

 

 

   Ⅰ

          

图1 实验装置

Fig.1 The experiment equipment

图1为设计的实验装置，装置内有两层环形挡板，外层为溢流板，液体由进液口进入布膜装置，经溢流板溢流入内、外层挡板的环形间隙中；内层档板下端开有小孔，小孔在挡板圆周均匀分布，液体从小孔径向流到管板上。

局部放大图为布膜器与换热管的连接结构,布膜器与换热管的直径及壁厚均相等。每个布膜器距其底端相同高度的圆周上均匀开三个圆孔,液体由开孔进入布膜器内部并在壁面成膜,液膜与从布膜器上端口进入的蒸汽一起向下流动。

     图2 布管结构

   Fig.2 The tube distributes structure

 

为了简化实验，取六分之一圆进行实验，如图2所示。对中心线以左的布管进行分列标记以方便分析与讨论。与左边边沿平行各列从外向内依次为第一、第二、第三列，中心线左右两侧完全对称，因此只对中心线左侧进行分析。

 

1.2 实验流程

图3 试验流程示意图

Fig.3 the experimental flow

1水泵 2阀门 3转子流量计4分布器 5缓冲槽 6量筒 7带夹支座 8水槽

实验流程：实验为冷模实验，以水为介质。水由泵从水槽中抽出后经阀门和转子流量计进入实验装置，由实验装置布膜后先流入缓冲槽，然后再用量筒对位于分布器内不同位置换热管的液体流量进行测量。

 

2 实验数据处理

为了清楚的观察到各管内布膜情况，实验采用的竖直换热管为透明的有机玻璃管，规格为Ф45×3mm。测量时对实验装置内各换热管中的流量进行整体同时测量。

喷淋密度的计算公式：Γ=  （L/m·s）

式中 V——收集液体体积，L；

     d——换热器内径，m；

     t——液体收集时间, s。

 

从布膜装置中心向边沿以环形分层，用qij（i表示不同的层,j表示不同列）表示各换热管内的液体流量。

各列换热管的平均流量：

样本方差： 

分布不均匀度系数：ξ＝/

 

 

3 实验结果与分析

图4  喷淋密度Γ为0.046 L/（m·s）

Fig.4 sprayed density Γ as 0.046 L/（m·s）

图4为在相同喷淋密度下不同列的流量对比及同列在不同离心距位置流量的比较。由上图可知,相同喷淋密度下三列的流量有明显的差别,流量从第一到第三层依次减小。同一列不同位置处流量大小波动也较明显。

对导致以上的结果进行分析,主要因素为：液体从进液口进入布膜装置后,会先充满装置的边沿区域,因此会使内列液位略低于外列液位,当喷淋密度为0.046 L/（m·s）时，布膜装置内液体总流量比较小，布膜器开孔处液位较低，因此液位略微的差别都会对流量产生较大的影响，结果令各列流量差别较大；对于同列不同位置,由于各位置与进液口距离的不同,也会对开孔处的液位有所影响,因此流量有明显波动,离进液口近处流量较大。实验过程中当喷淋密度为0.046L/（m·s）时，换热管内还不能完全成膜。

图5 喷淋密度Γ为0.058 L/（m·s）

Fig.5 sprayed density Γ as 0.058 L/（m·s）

随着喷淋密度的增大，布膜装置内的液位也随之升高，当喷淋密度Γ达到0.058 L/（m·s）时，各布膜器开孔处液位差相对于液位已经很小，因此各列及同列不同位置流量接近，分布均匀效果明显。实验过程中，当喷淋密度达到0.058 L/（m·s）时，布膜器上的小孔开始有喷流现象发生且换热器内形成的液膜比较均匀，此时分布装置内整体液位稳定。因此，此分布装置在喷淋密度为0.058 L/（m·s）时，各布膜器内可以形成均匀的液膜且整体分布均匀效果明显。

图6 分布不均匀度系数与喷淋密度之间的关系

Fig.6 The relation between unwell-distributed coefficient and sprayed density

图6为分布不均匀度系数与喷淋密度之间的关系图，分布不均匀度系数ξ用来表示布膜装置的分布均匀性，分布不均匀度系数ξ越小，表示分布越均匀。

由上图可知，随着喷淋密度的增大，分布不均匀系数也随着减小。喷淋密度从a增加到c时，分布不均匀度系数ξ减小很快，从c开始到f时，虽然不均匀度系数也有减小的趋势，但减小幅度比较小。喷淋密度在a、b区间时，分布不均匀度都系数ξ比较大，说明布膜装置在此喷淋密度区间内分布不够均匀；当喷淋密度达到c时，分布不均匀度系数ξ较小，且喷淋密度从c~f分布不均匀度系数变化不大，说明当喷淋密度达到c时，布膜装置有较好的分布均匀性且比较稳定。

 

4 结论

4.1 随着喷淋密度的增加，分布不均匀度系数不断减小，喷淋密度达到0.058L/（m·s）时不均匀度系数变化趋缓。

4.1 换热管内开始形成均匀液膜的最小喷淋密度Γ为0.058 L/（m·s）；Γ>0.058时，布膜装置内分布不均匀度系数很小，可达到工业运行的要求。

参 考 文 献

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[3] 毛雯萍. 垂直管外降膜吸收传热传质研究[D].上海:上海交通大学动力与能源工程学院,1997.

[4] 史晓平,胡修慈,赵景利. 竖管降膜蒸发器的布料装置[J].化学工程,1990,18(4):14-18

[5] 郑飞,陈光明. 溴化锂水溶液绝热吸收过程实验研究[J].太阳能学报,2002,23(02):166-170

[6] 胡德福. 溴化锂吸收式制冷机高效传热管应用技术研究·船舶工程1998, 5:21-24

[7] J.I. Yoon, E. Kim, K. H. Choi, W. S. Seol Heat transfer enhancement with a surfactant on horizontal bundle tubes of an absorber International Journal of Heat and Mass Transfer 2002, 4514:735-741

[8] Jin-Soo Kim, Huen Lee, Sun II Yu Absorption of water wapour into lithium bromide-based solutions with additives using a simple stagnant pool absorber International Journal of refrigeration 1999, 22(3):188-193

[9] 陈晓,李俊明,王补宣. 吸收器传热传质强化的研究综述.供热制冷2003,12:47-51

[10] William M. Worek, Daniele Ludovisi, Milton Meckler  Enhancement of a double-effect absorption cooling system using a vapor recompression absorber Energy2003,28(12):1151-1163