水平管外重力降膜吸收過程傳熱特性數(shù)值模擬

王天

太原學(xué)院市政與環(huán)境工程系

0 引言

吸收器、蒸發(fā)器、發(fā)生器、冷凝器、節(jié)流裝置是溴化鋰吸收式制冷機(jī)組中的主要組成部分[1]。多數(shù)吸收器中采用的吸收模式是水平管外重力降膜吸收,以噴淋管束式為主[2]。吸收器的傳熱傳質(zhì)性能與整個制冷系統(tǒng)的COP緊密相關(guān)。故對吸收器中水平管外LiBr溶液降膜吸收過程進(jìn)行研究很有必要。

各國學(xué)者通過數(shù)值模擬對重力作用下的降膜吸收進(jìn)行了大量的研究。Sutalo等[3]對非牛頓流體沿著傾斜板降膜流動進(jìn)行了CFD數(shù)值分析，并與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。呂多[4]總結(jié)了橢圓水平管外的重力降膜流動中膜厚、流速等分布規(guī)律及不同管型參數(shù)對流動特性的影響。于意奇等[5-6]對重力作用下的降膜行為進(jìn)行二維和三維數(shù)值模擬，分析了當(dāng)Re不同時的膜厚、液膜流速等。此外，他們對大平板的降膜流動傳熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬。Yoshida等[7]在Moran等[8]的實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)值三維模擬，得到了重力降膜流動中液膜表面的波形態(tài)及液膜厚度概率密度分布。

本文對吸收器中LiBr溶液重力作用下水平管外降膜吸收過程進(jìn)行了二維數(shù)值模擬，探究了不同條件下液膜厚度，溫度場及換熱量的變化規(guī)律。

1 建立模型

圖1為LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過程的模型。水平管上方設(shè)置有布液管，LiBr濃溶液從布液管中噴淋到水平管上，在重力加速度的作用下垂直向下形成降膜流動，在水平管外壁上形成一層液膜。與此同時，從蒸發(fā)器進(jìn)入吸收器的制冷劑水蒸氣被LiBr濃溶液吸收，吸收過程所釋放的潛熱被水平管內(nèi)流動的冷卻水帶走，這樣可以使LiBr溶液持續(xù)不斷的吸收水蒸氣。吸收水蒸氣后濃度減小的LiBr溶液在重力作用下聚集在管底，當(dāng)溶液液滴所受重力與其表面張力失去平衡時，液滴便會從上一根水平管管底落到下一根水平管管頂上。

圖1 LiBr溶液水平管外降膜吸收過程模型

2 數(shù)值模擬方法

Fluent軟件是一個功能強(qiáng)大的CFD分析軟件，它不僅自身包含多種模型，用戶還可以根據(jù)需要自定義函數(shù)以實(shí)現(xiàn)設(shè)置材料屬性及邊界條件等功能[9]，故本文采用Fluent軟件對LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過程進(jìn)行模擬并對其液膜厚度、溫度場等進(jìn)行分析。統(tǒng)一取水平管管徑為10 mm。由于LiBr溶液的Re較小，可以認(rèn)為是層流狀態(tài)，因此選擇Laminar作為粘性模型。該降膜吸收過程涉及到水蒸氣和LiBr溶液，是多相流模型。選擇VOF模型進(jìn)行數(shù)值模擬。邊界條件的設(shè)置如圖2所示。

圖2 邊界條件的設(shè)置

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 液膜厚度分布

采用Fluent軟件中的VOF模型對LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過程進(jìn)行數(shù)值模擬。圖3為不同噴淋密度下即布液管中的濃溶液流速不同時，LiBr溶液水平管外重力降膜吸收過程體積分布圖。

圖3 不同噴淋密度下LiBr溶液水平管外重力降膜體積分布圖

由圖3可知，當(dāng)水平管上方的布液管噴淋密度逐漸減小時，水平管外LiBr溶液的液膜厚度是逐漸變薄的。噴淋密度越小，溶液在水平管底部越晚脫離管壁。如圖中所示，當(dāng)布液管溶液流速為0.3 m/s時，第一根水平管（取上方的水平管為第一根水平管，下方的水平管為第二根水平管）外的液膜大約在周向角為160°左右處脫離管壁。當(dāng)布液管溶液流速為0.15 m/s時，液膜大約在周向角為175°左右處脫離管壁。當(dāng)布液管流速為0.08 m/s和0.06 m/s時，液膜沒有在管底脫離管壁。此外，從圖中還可以看出，當(dāng)布液管流速為0.06 m/s，第二根水平管外的液膜并沒有完全包覆管壁，出現(xiàn)了“干斑”，這種情況在吸收器里面是應(yīng)該避免的，因?yàn)闆]有被LiBr溶液液膜包裹的地方無法良好的進(jìn)行傳熱傳質(zhì)，會影響整個吸收器傳熱傳質(zhì)性能乃至整個吸收式制冷機(jī)組的制冷性能系數(shù)。故在實(shí)際中應(yīng)控制LiBr溶液的噴淋密度，防止噴淋密度過小引起管壁出現(xiàn)干斑，影響傳熱及傳質(zhì)效率。

采用Fluent后處理軟件CFD-Post對圖3中第一根水平管外的液膜厚度進(jìn)行提取，繪制圖4。圖4為不同噴淋密度下LiBr溶液液膜厚度隨周向角變化的分布圖。

圖4 不同噴淋密度下LiBr溶液液膜厚度分布圖

由圖4可知，當(dāng)水平管上方的布液管噴淋密度減小時，液膜厚度的變化范圍減小，即液膜厚度的最大值與最小值的差值減小，且周向角相同的地方液膜厚度減小。同一噴淋密度下，水平管管頂和管底的液膜厚度大于中間區(qū)域的液膜厚度。即周向角從0°變到180°時，液膜先變薄再變厚，最薄的區(qū)域出現(xiàn)在75°到105°之間。由于管底和管頂?shù)囊耗ぽ^厚，故熱阻也較大，傳熱傳質(zhì)主要集中于中間區(qū)域。圖中當(dāng)布液管流速為0.3 m/s時，液膜在周向角為165°時已脫離管壁，故無法提取該處膜厚。

3.2 溫度分布

圖5為噴淋密度不同時第一根水平管管壁附近的溫度分布圖。同樣采用Fluent后處理軟件CFD-Post對圖5的溫度場進(jìn)行溫度提取后繪制圖6。圖6是當(dāng)周向角為90°時，不同噴淋密度下管壁附近溫度隨距管壁距離的變化規(guī)律。

圖5 不同噴淋密度下水平管管壁附近溫度分布圖

圖6 不同噴淋密度下溫度隨距管壁距離變化分布圖（θ=90°）

由圖6可知，對于溫度場中的固定一點(diǎn)，當(dāng)噴淋密度逐漸增大時，該點(diǎn)的溫度逐漸升高，這說明隨著噴淋密度的增大，換熱效果逐漸減弱。故在保證液膜能夠完全覆蓋管壁的情況下，噴淋密度越小，液膜越薄，熱阻越小，越有利用傳熱。當(dāng)噴淋密度不變時，溫度場中距離管壁越遠(yuǎn)的點(diǎn)，溫度越低。

3.3 換熱量

圖7為當(dāng)布液管流速分別為0.06 m/s、0.08 m/s、0.15 m/s、0.3 m/s時水平管的換熱量。當(dāng)布液管流速為0.06 m/s時，換熱量最小。是因?yàn)榇藭r噴淋密度太小，液膜不能完全包覆管壁，會出現(xiàn)“干斑”，影響傳熱。如圖5（d）中，第二根管出現(xiàn)了干斑，故此時換熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他流速時的換熱量。流速為0.08 m/s時，換熱量最大，因?yàn)榇藭r液膜可以完全包覆管壁且液膜厚度很小，故熱阻很小有利于傳熱。當(dāng)流速大于0.08 m/s時，隨著噴淋密度增加，液膜越來越厚，且液膜在管底過早脫離管壁，換熱量越來越小，與前文結(jié)論相吻合。

圖7 不同噴淋密度下?lián)Q熱量變化規(guī)律

4 結(jié)論

1）保持管徑不變，隨著布液管噴淋密度的減小，液膜厚度是逐漸減小的。若噴淋密度不變，液膜先變薄再變厚，最薄的區(qū)域出現(xiàn)在75°到105°之間。

2）實(shí)際工程中應(yīng)保證液膜能夠完全覆蓋管壁，故噴淋密度的選擇應(yīng)合理。若噴淋密度過小，液膜不能包覆管壁，管壁周圍會出現(xiàn)“干斑”，減少換熱量。若噴淋密度過大，液膜變厚，熱阻變大，也會減少換熱量。

3）本文換熱管管徑為10 mm，換熱效果最好的布液管流速出現(xiàn)在0.06 m/s到0.08 m/s之間。