水平管间溴化锂溶液滴状降膜流动分析

　　水平管束降膜式热力设备以其高效、低阻的特性在空调制冷[1]、地热脱盐[2]和海水淡化[3]等众多领域得到了广泛的应用.溴化锂吸收式制冷机中，溴化锂溶液在水平管束降膜吸收器中的传热传质性能决定了机组的能源效率和投资造价，因此吸收器降膜传热传质模型成为众多学者研究的热点[4-6].

　　吸收器的传热传质性能与降膜流动的流动模态有很大关系.在吸收器中，典型工况下的降膜流动一般为滴状流动[7].在管表面布膜的溴化锂溶液沿管壁向下流动，在管底积聚形成液滴，液滴从上根管底脱落降落到下一根管的顶部.大多数降膜吸收数值模型假设传热传质过程只发生在沿管壁的降膜区域而未考虑管与管之间液滴降落过程的传热传质影响，即使考虑了管间的溶液传热传质，也只是简单地把其流动的流形描述为连续光滑的薄膜流动换热[8-9].

　　Kirby 等[10]认为除了水平管表面的降膜吸收外，管间区域的传热传质过程也不能忽略，并将溴化锂溶液的降膜吸收过程划分为3个区域，即沿冷却管壁的降膜流动传热传质区、管底部的液滴形成区和管与管之间的液滴自由降落传热传质区. 该滴状降膜模型先后被Janis等[11]、Kyung 等[6]和Jeong 等[12]在降膜吸收问题求解中采用.Kirby等[10]将管间溶液流动理想化为球形液滴.溴化锂溶液在水平管底部逐渐形成半球形液滴，脱落后由于表面张力的作用在管间收缩为球形液滴，降落到下一根水平管表面.事实上，流体在水平管间实际的滴状降膜流动特征与理想化的球形液滴有着非常大的区别.因此，对水平管间溴化锂溶液液滴形成的研究有助于水平管束降膜吸收模型的改进.

　　笔者搭建了水平管束降膜流动的动力学实验台，利用高速摄像机拍摄分析了水平管间溴化锂溶液液滴发展形成的真实过程.采用液滴边缘图像识别技术、样条拟合和二维曲线旋转积分方法，得到了液滴表面积和体积关于时间的变化关系.根据液滴的发展特点，提出了不同降流量下液滴发展形成的预测模型，以期在滴状降膜传热传质数值计算中得到应用.

　　1 实验装置

　　液滴的形成破裂过程非常短暂，不仅用肉眼难以详细描述，普通的数码相机也只能捕捉到破裂的单一时刻的图像.为了分析单元液滴完整的形成过程，使用高速摄像机对水平管间的溴化锂溶液液滴形成过程进行了记录和分析.水平管束溴化锂溶液降膜流动图像采集实验装置主要由两部分构成，即水平管束降膜流动装置和图像高速采集系统.实验装置如图1所示.

　　本项研究的目的是观察溴化锂溶液在水平管间的滴状流动动力学特性，因此整个实验装置处在大气环境中.溴化锂溶液从储液箱流出，经过滤器后由变频泵提升至布液器.使用变频器配合阀门实现流量的调节，使用涡轮流量计测量流量.