溴化锂溶液竖管内降膜蒸发传热性能分析

　　低品位气体热源用作溴化锂吸收式制冷机的驱动能源时，若采用沉浸式发生器，气体热源在管内的对流传热系数很低，并且难以加装肋片实现强化传热。因此发生器的总换热系数和热流密度都很低，导致整个发生器消耗的金属材料多，体积庞大。另外静液柱高对发生器的传热性能带来严重的不利影响，如图1所示，在低压发生器中，静液柱高度为300mm时，发生器换热量就只有无静液柱影响时换热量的20%左右。对此，笔者提出采用竖管内降膜蒸发^[1]来解决这些问题。气体热源在管外加热管内自上而下流动的溶液薄膜，并且可以在管外加装肋片强化传热，这样可以获得较高的传热系数，无静液柱的影响提高发生器的传热性能。降膜蒸发换热应用于制冷、化工、炼油和海水淡化工业^[2]。早期理论研究较多，实验研究较少^[3]。在对降膜蒸发的研究中，主要有大空间内平板降膜蒸发^[4-5]、水平管外壁面降膜蒸发^[2，6]、槽道内壁面降膜蒸发^[7-8]和竖直圆管内外壁面降膜蒸发。对竖直圆管降膜蒸发的研究主要有：Chun等^[9]进行了竖直管外纯水降膜蒸发的实验研究得到了大量试验数据，目前，很多研究者在验证理论模拟的准确性时多以他们的试验数据为准;Struve^[10]在加热管内以R11为工质进行了降膜蒸发实验研究，发现了局部传热系数是由流动速度、热流密度和膜厚决定的;Fujita等^[11]用纯水在竖管内进行了层流和紊流降膜流动传热实验，实验表明，层流时，Re增大使传热系数降低，但降低的幅度不大;本课题组^[12]曾对竖管内溴化锂溶液层流降膜蒸发进行了数值模拟，得到了液膜内温度和速度分布;Adomeit等^[13]通过粒子微显微镜系统观察了水膜的速度分布、膜厚和表面波特性。这些研究表明，在较低热流密度时，就可得到相对较大的降膜传热系数。

　　目前，研究溴化锂溶液降膜蒸发传热性能的文献报道极少。为了了解降膜发生器的性能，笔者进行了热流密度qw=10000～25000W/m²，溶液进口浓度Win=49.5% ～58%，溶液进口体积流量qin=7～13.458mL/s时层流降膜蒸发传热性能试验。根据试验结果，对降膜发生器和沉浸式发生器进行对比设计。

　　1　实验装置与实验范围

　　1.1　实验装置

　　竖管内溴化锂溶液降膜蒸发传热实验系统如图2所示。实验压力为当地大气压力。在高位液罐中布置了电加热器用来对进入实验管的溶液加热到接近饱和温度。考虑到溴化锂溶液的腐蚀性，所有管材和液罐均采用的是1Cr18Ni9Ti不锈钢。降膜蒸发管尺寸为Φ25mm×2mm，加热长度为760mm。降膜管实验段上装有12支通过校验的镍铬-镍硅热电偶，为了保证温度测量的准确性，Φ0.2mm的漆包热电偶丝紧贴等温壁面长度达20mm以上。实验管长度方向每支热电偶的间距为60mm，周向上4支热电偶互呈90°布置。在高位液罐内布置有热电偶测量进实验管溶液的温度。所有温度测点都是通过Agilent  34970A连入电脑进行监控和测试。布膜器安装如图3所示，汽液之间采用两个锥面实现密封。在管套和布膜器之间环缝里形成薄液膜，该液膜沿着发生管下流。发生管的垂直度经过校核以保证发生管内薄液膜完整和润湿管壁均匀。通过调节高位液罐中溶液高度来控制进入试验管的质量流率，采用在管外布置电阻丝模拟加热。