磁场作用下垂直管外氨水降膜吸收的模型

    引 言

    氨水吸收式制冷因其节能环保而越来越受到重视,但是其设备庞大,热力系数低也是不争的事实。强化吸收器中的氨气吸收过程,增强吸收中的传热传质,是提高氨水吸收式制冷循环性能、实现设备小型化的有效途径。

    目前吸收强化技术的实现途径都是加大气液界面处的溶液混合,加快溶液表面更新速度,从而加强热、质传递。其手段主要有:采用高效强化传热管、添加活性剂等方法来实现热、质传递的增强[1-2];对吸收过程施加一定的外力来增大吸收的推动力[3]。目前虽已经有众多关于NH₃-H₂O降膜吸收的研究[4-7],但是对磁场在强化吸收方面的作用研究还非常少。作者在前期工作中[8]提出利用磁场强化氨水吸收的理念,本文主要对这一新的强化吸收理念从理论上进行宏观建模研究,通过数值求解,分析在磁场作用下氨水降膜吸收过程中动量、热量、质量传递特点,为磁场作用下氨水吸收提供一定的理论基础。

    1 磁场作用下氨水降膜吸收物理模型

    如图1所示,稀氨水溶液从吸收器的上部进入吸收器,沿降膜吸收管外表面呈膜状向下流动,吸收器空间内充满被吸收氨蒸气,在传质推动力pv-p*v的作用下,氨蒸气进入溶液主体被吸收,同时放出吸收热(pv是被吸收氨气的压力,p*v是与吸收溶液温度、浓度相对应的溶液表面氨蒸气分压力)。随着吸收过程的进行,吸收推动力减小,为了将吸收热带走,有利于吸收的进行,冷却水由降膜吸收管的底部进入,上部流出,与吸收溶液进行逆流换热。与普通降膜吸收不同的是,在吸收器外部施加了一定强度的磁场,本文研究的磁场方向为竖直向下。

    根据双膜理论[9],在气液两相间有一个相分界面,在分界面两侧各有一层稳定的气液薄膜,蒸气在进入溶液前以扩散方式穿过静止的气液薄膜。在整个降膜吸收的过程中,对流和扩散是同时在起作用的,尤其膜厚方向的对流是不可忽略的,尽管膜厚方向的速度很小,但对传热传质的作用比较大[10]。

    氨气降膜吸收过程是一个流场、温度场、浓度场相互耦合的复杂过程。对吸收溶液施加磁场后,由于所受体积力的改变,直接影响的是降膜溶液流场,场之间的耦合作用又可能会使热量和质量的传递过程呈现不同于普通降膜吸收的特点,需要建立数学模型进行研究。

    2 磁场作用下氨水降膜吸收数学模型

    在建立数学模型的过程中,为简化模型,方便求解,对求解条件做以下处理。

    (1)溶液为牛顿型流体,不可压缩。考虑吸收过程中溶液物性的变化。