垂直管内有机工质(R124-DMAC)鼓泡吸收特性实验研究

摘要

以废热驱动的吸收式制冷系统具有很广阔的应用前景。车、船在行驶中不仅需要消耗大量燃油，而且同时也产生大量废热。如果将这些废热用于驱动吸收制冷系统来为车、船提供所需要的冷量，则车、船的能源利用率将会得到很大提高。为了解决这一问题，作者所在课题组于2013年，提出了一种以R124-DMAC为工质的汽车发动机废热/动力联合驱动的吸收-压缩混合制冷循环，并在国家自然科学基金(51076022)的资助下对其循环工作特性进行了深入的理论和实验研究，研究结果验证了该循环系统的可行性。然而，该系统中的重要部件—风冷翅片管鼓泡吸收器，其吸收过程热、质传递特性尚未被深入研究。
　　目前，国内外公开发表的大气液体积流率比条件下风冷翅片管鼓泡吸收器热、质传递特性研究成果非常稀少，这为风冷翅片管鼓泡吸收器的设计、设备的小型化及其热、质传递特性的研究带来很大困难和不确定性。为此，在国家自然科学基金(51376032)资助下，课题组继续对R124-DMAC有机工质在垂直管内鼓泡吸收过程热、质传递特性进行研究。由于鼓泡吸收过程热、传质理论的不完善性以及缺乏有机工质鼓泡吸收过程相关基础数据，目前还无法采用纯理论的方式对该鼓泡吸收特性进行分析。所以，本研究首先搭建一套可视化与非可视化并行的垂直管内鼓泡吸收特性测试实验台，再对鼓泡吸收过程气泡形态演化及热、质传递特性进行实验研究，根据实验所得数据结合理论分析方法，最终得到不同工作参数条件下的鼓泡吸收过程的流型及吸收高度变化规律和其整管段与局部管段的热、质传递系数，并分别给出相应的无量纲关联式。
　　可视化鼓泡吸收器用于观察鼓泡吸收过程气泡形态演化、气液两相流流型变化特征、流型分布规律和鼓泡吸收高度。研究发现，气液流率比超过一定值后，鼓泡吸收过程会出现搅拌流，弹状流和泡状流三种流型。弹状流是影响鼓泡吸收高度的重要流型，可以通过强化弹状流阶段的鼓泡吸收性能来降低鼓泡吸收高度，并得到误差±20％以内的鼓泡吸收高度估算式。另外，研究还发现喷嘴孔结构及尺寸也是影响鼓泡吸收高度和流型分布规律的重要参数之一，喷孔总流通面积是影响鼓泡吸收高度的主要因素，而不是喷孔数。
　　非可视化实验用于研究鼓泡吸收过程热、质传递变化规律。研究发现，增加气、液体积流率，降低溶液入口温度、浓度和冷却水入口温度，减小鼓泡喷嘴孔径均能增强鼓泡吸收热、质传递性能。通过对实验测得的数据进行分析、归纳给出误差±20％以内的整管段热、质传递系数无量纲关联式。
　　通过建立简化的R124-DMAC垂直管内鼓泡吸收过程分布参数模型，结合可视化实验获得的鼓泡吸收高度、两相区与单相区的分布和非可视化实验获得的沿程管壁温度分布和传热数据，经数值模拟得到到两相区的对流换热系数与体积传质系数，最终给出R124-DMAC在垂直鼓泡吸收管内两相区及单相区溶液侧对流换热系数和两相区传质系数的无量纲关联式，误差分布均在±15％以内。
　　本文研究成果可为有机工质管内鼓泡吸收热、质传递特性的深入研究提供基础数据，为采用R124-DMAC工质的空冷、高效、紧凑式鼓泡吸收器设计提供理论依据，并为其在废热驱动的移动型吸收制冷系统的实际应用提供帮助。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 吸收方式及吸收器选用

1．3 鼓泡吸收研究现状

1．3．1 传统工质鼓泡吸收研究现状

1．3．2 有机工质鼓泡吸收研究现状

1．4 本文研究思路与内容

1．4．1 研究思路

1．4．2 研究内容

2 实验设计与实验系统

2．1 实验设计与流程

2．2 实验设备介绍

2．2．1 主要部件

2．2．2 测试系统

2．3 关于吸收高度和流型判断的说明

2．3．1 吸收高度定义与流型种类

2．3．2 流型判断方法

2．4 直接测量的不确定度分析

2．5 本章小结

3 R124-DMAC垂直管内鼓泡吸收可视化实验研究

3．1 垂直管内鼓泡吸收气泡形态及流型演化过程

3．2 工作参数变化对鼓泡吸收流型演化的影响

3．2．1 气／液体积流率比变化对鼓泡吸收流型演化的影响

3．2．2 溶液入口温度变化对鼓泡吸收流型的影响

3．2．3 不同喷孔直径及喷孔数对鼓泡吸收流型的影响

3．3 工作参数变化对鼓泡吸收高度的影响

3．3．1 气、液流率变化对鼓泡吸收高度的影响

3．3．2 溶液入口温度变化对鼓泡吸收高度的影响

3．3．3 溶液入口浓度变化对鼓泡吸收高度的影响

3．3．4 喷口直径与孔口数量变化对鼓泡吸收高度的影响

3．3．5 吸收压力变化对鼓泡吸收高度的影响

3．3．6 冷却水入口温度变化对鼓泡吸收高度的影响

3．4 工作参数变化对流型分布规律的影响

3．4．1 气、液流率变化对流型分布的影响

3．4．2 溶液入口温度变化对流型分布的影响

3．4．3 喷孔直径与孔数量变化对流型分布的影响

3．4．4 孔口结构对气体侧压力的影响

3．5 垂直管内R124-DMAC鼓泡吸收高度实验估算式

3．6 本章小结

4 可视化鼓泡吸收过程热、质传递规律及性能研究

4．1 热、质传递计算模型

4．2 工作参数变化对可视化鼓泡吸收过程热、质传递性能的影响

4．2．1 气、液流率变化对鼓泡吸收热、质传递系数的影响

4．2．2 溶液入口温度变化对鼓泡吸收热、质传递系数的影响

4．2．3 溶液入口浓度变化对鼓泡吸收热、质传递系数的影响

4．2．4 孔口直径变化对鼓泡吸收热、质传递系数的影响

4．3 本章小结

5 非可视化鼓泡吸收过程热、质传递规律及性能研究

5．1 鼓泡吸收过程沿程温度变化规律

5．2 鼓泡吸收过程的工作参数变化对热、质传递性能的影响

5．2．1 气液流率变化对鼓泡吸收热、质传递性能的影响

5．2．2 溶液入口温度变化对鼓泡吸收热、质传递性能的影响

5．2．3 溶液入口浓度变化对鼓泡吸收热、质传递性能的影响

5．2．4 喷孔直径变化对鼓泡吸收热、质传递性能的影响

5．2．5 冷却水入口温度变化对鼓泡吸收热质传递性能的影响

5．2．6 溶液出口过冷度

5．3 热、质传递无量纲关联式

5．4 导出量的不确定度分析

5．5 本章小结

6 数值建模及两相段热、质传递系数研究

6．1 数值模型的建立

6．1．1 模型假设

6．1．2 微元段热、质传递计算

6．1．3 模型计算步骤

6．2 模型计算结果与实验值的对比分析

6．2．1 鼓泡吸收高度比对

6．2．2 对流换热系数比对

6．2．3 两相传质系数比对

6．3 两相热、质传递系数无量纲关联式

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介