叉排管束与M-W引流丝网交替热质传递结构吸收性能研究

发布时间：2017-08-07 15:10

  本文关键词：叉排管束与M-W引流丝网交替热质传递结构吸收性能研究

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【摘要】：吸收式制冷不仅能够利用太阳能和工业余热等各种低品位热源,还满足低碳环保的可持续发展要求。在吸收式空调制冷领域,当制冷温度不低于0℃时,溴化锂吸收式制冷方式因其热力系数高而成为首选。在溴化锂吸收式制冷系统中,吸收器是最核心的部件,其传热传质特性对整机特性影响重大。因此深入研究强化溴化锂降膜吸收式制冷系统的吸收器结构及其内部传热传质机理,不仅具有重要的学术价值而且还有广阔的应用前景。论文围绕一种基于交替热质耦合的叉排管束与“M-W型”引流丝网交替的新型吸收芯体结构复合强化吸收方案,分别从理论建模、CFD模拟、试验台搭建及调试、实验数据与模拟结果比较分析等方面开展相关研究。所谓叉排管束与“M-W”引流丝网方案是指在叉排水平管束中插入波高与管束竖直方向管间距相同,波纹节距与管束水平方向中心距相同的纵向不锈钢引流丝网,形成交替吸收芯体结构,使溴化锂溶液交替地在水平管表面上实现传热传质耦合吸收过程,然后再在丝网层内实现绝热传质吸收过程。因此该方案是一种结合内冷吸收与绝热吸收交替进行的复合强化方案。丝网填料不仅具有良好的混合作用,溶液还能在其表面形成极薄的双面液膜。理论建模方面,将整个吸收器划分为管表面降膜吸收区、丝网填料层内绝热吸收区和管内冷却水流动区以及在单列水平管束方案中管子之间自由下落的液滴或液柱流动区并分别建立模型,在各局部模型基础上建立整个吸收器总的传热传质模型,采用MATLAB软件编写程序对模型进行求解。首先采用当前模型计算得到的单管外液膜内和单列水平管束内的温度和浓度分布与Kyung等的模拟结果相互吻合,验证了本文模型的可靠性；然后通过研究单根水平圆管表面液膜、丝网填料层内液膜和单列水平管束与丝网填料层交替结构内以及单列水平管束局部传热传质规律,分析研究了不同管径和管间距对吸收器性能的影响。结果表明孔隙率为0.9时,丝网填料层吸收水蒸汽效果最佳；单列水平管束与引流丝网层交替结构的传热传质性能优于不添加丝网的单列水平管束结构。CFD模拟方面,用GAMBIT软件分别对单根水平圆管、单层丝网、水平管束吸收器、水平管束与引流丝网层交替吸收器建立三维几何模型,用FLUENT软件的VOF方法对其分别进行CFD求解计算。水平管外液膜为层流状态时,CFD模拟得到的液膜速度、温度和浓度与文献相吻合,说明VOF模型研究水平管外降膜吸收是可行的。CFD模拟显示液膜在丝网网孔中心形成凹透状的双面液膜,浓度分布云图与温度云图呈相似趋势,液膜内外温度差和浓度差分别接近2℃和1%。对“M-W型”丝网和未添加丝网的两种吸收器分别进行CFD模拟,结果表明“M-W型”丝网结构提高了管表面润湿面积,充分利用管的冷却能力,吸收器内溶液温度呈波动变化,浓度逐渐降低,管表面局部换热系数高于无丝网吸收器,“M-W型”引流丝网能显著提高吸收器的传热传质效率。实验研究方面,参与设计并搭建了一套集降膜吸收、参数控制、数据测量和采集为一体的单压力吸收和解吸的闭式实验系统。依托该实验系统分别考察不同参数条件对整个吸收器传热传质性能的影响,实验结果分别与数值模型以及CFD模型计算结果进行比较分析。吸收器内平均的传热传质系数随着喷淋密度、喷淋浓度、吸收压力和冷却水质量流率增大而增大,随着喷淋温度和冷却水入口温度的降低而减小；质量流分配比ε越大,传热传质系数越大,实验值介于ε为0.6和0.8之间,说明实验中存在30%左右溶液旁落现象；冷却水质量流率超过12kg/min,其对传热传质的影响越来越小,实际运行中,冷却水流量建议选择12kg/min。相同的工况条件下,与水平管束无丝网吸收器相比,叉排管束与“M-W型”引流丝网交替吸收器的传热传质系数分别提高了15～25%和48～94%。无论是CFD模拟数据还是数值模型计算结果与实验数据均能较好的吻合,偏差在10%左右,说明当前建立的模型能够较好的反映吸收器的传热传质性能。
【关键词】：降膜吸收 交替热质耦合传递 M-W引流丝网 叉排管束 CFD数值模拟
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK124
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 主要符号表8-12
• 第一章 绪论12-24
• 1.1 研究背景及意义12
• 1.2 溴化锂溶液降膜吸收理论研究12-15
• 1.3 溴化锂溶液降膜吸收实验研究15-16
• 1.4 降膜吸收过程强化研究16-19
• 1.5 丝网填料研究现状19-23
• 1.6 本文研究内容23-24
• 第二章 溴化锂溶液降膜吸收传热传质理论基础24-32
• 2.1 降膜吸收传热传质理论基础24-26
• 2.2 溴化锂溶液物性26-31
• 2.2.1 粘度系数的计算26
• 2.2.2 密度计算26-27
• 2.2.3 溶液比焓的计算27
• 2.2.4 导热系数的计算27
• 2.2.5 定压比热容的计算27-28
• 2.2.6 气液平衡方程28
• 2.2.7 溴化锂水溶液浓度计算28-29
• 2.2.8 溴化锂水溶液表面张力系数29
• 2.2.9 溴化锂水溶液分子扩散系数29
• 2.2.10 溴化锂水溶液饱和蒸汽压力29-30
• 2.2.11 溴化锂水溶液各物性参数图30-31
• 2.3 本章小结31-32
• 第三章 管束丝网填料交替结构溴化锂溶液降膜吸收模型的建立32-54
• 3.1 光滑水平圆管外溴化锂溶液降膜吸收模型33-40
• 3.2 管内冷却水交叉流数值模型40-41
• 3.3 丝网填料层数值模型41-46
• 3.4 填料层之间吸收模型46-48
• 3.5 整个管束丝网填料交替结构吸收模型分析求解48-52
• 3.6 本章小结52-54
• 第四章 管束丝网填料交替传热传质过程的数值模拟结果分析54-63
• 4.1 水平圆管表面局部传热传质分析54-57
• 4.2 丝网填料层内传热传质分析57-58
• 4.3 单列水平圆管束与丝网填料交替结构局部传热传质分析58-60
• 4.4 吸收器结构对其性能的影响60-62
• 4.5 本章小结62-63
• 第五章 管束引流丝网交替结构气液两相流CFD模拟63-90
• 5.1 气液两相流中的CFD研究现状63-67
• 5.2 水平圆管外降膜流动CFD模拟67-78
• 5.2.1 数学和物理模型67-69
• 5.2.2 仿真条件设置69-72
• 5.2.3 结果与分析72-78
• 5.3 单层丝网表面液膜流动CFD模拟78-83
• 5.3.1 数学物理模型78-79
• 5.3.2 仿真条件设置79-80
• 5.3.3 结果与分析80-83
• 5.4 整个管束与引流丝网交替结构内气液两相流动CFD模拟83-89
• 5.4.1 数学物理模型83-84
• 5.4.2 仿真条件设置84-85
• 5.4.3 结果与分析85-89
• 5.5 本章小结89-90
• 第六章 管束与丝网填料交替吸收器降膜吸收过程的实验研究90-108
• 6.1 实验系统与装置90-95
• 6.1.1 实验装置及流程90-92
• 6.1.2 试验操作步骤92-93
• 6.1.3 数据采集与系统控制平台93-95
• 6.2 实验数据处理及方法95-98
• 6.2.1 吸收器内传热传质等相关参数计算95-96
• 6.2.2 误差与不确定度分析96-98
• 6.3 实验与模拟结果之间对比分析98-106
• 6.3.1 质量流分配比对吸收器性能的影响98-99
• 6.3.2 喷淋温度对吸收器性能的影响99-100
• 6.3.3 喷淋浓度对吸收器性能的影响100-102
• 6.3.4 冷却水温度对吸收器性能的影响102-104
• 6.3.5 冷却水流量对吸收器性能的影响104-105
• 6.3.6 吸收压力对吸收器性能的影响105-106
• 6.4 本章小结106-108
• 第七章 总结与展望108-110
• 7.1 研究内容及结论108-109
• 7.2 本文创新点109
• 7.3 工作展望109-110
• 致谢110-111
• 参考文献111-118
• 攻读博士学位期间科研成果118

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