基于热-机械泵循环的降膜蒸发换热特性的理论及实验研究

摘要

吸附式制冷是一种节能环保的绿色制冷技术,在低品位热能回收和太阳能等新能源开发利用方面具有广阔的应用前景,然而吸附床的换热效率较低,尤其是在冷却后期,由于温差变小,吸附床的换热性能急剧下降,造成系统的制冷系数偏低,成为制约吸附制冷技术大规模工业化应用的瓶颈之一。
　　 针对吸附床换热效率低的问题,本文提出了基于热驱动循环的降膜蒸发换热热管对吸附床进行强化换热,同现有的分离式热管相比,本文提出的新型热管具有以下四个方面的显著优势:其一是在冷却阶段采用了高效的降膜蒸发冷却,可充分发挥其换热温差小的优势,即当吸附床温度在100℃以下,特别是在60℃以下,依然能实现高效的潜热换热,使床温很快得到冷却,实现吸附制冷；其二是系统中采用热驱动的热.机械泵进行强化循环,系统无运转部件且实现低品位热能驱动,可提高能源利用率和系统运行可靠性,降低运行成本；其三是采用热驱动循环降膜蒸发冷却后,减少了系统阀门的用量,且所需阀门均是单向动作,因而可采用工作可靠且密封良好的电磁阀,避免了以往采用球阀在吸附床高低压交变和冷热交变工况下频繁启闭而出现的性能下降,可靠性降低等问题；其四是系统采用输送管与蒸发管的一体化设计,使系统更为紧凑,便于系统的小型化。对于这一新型热管,其工作特性不仅取决于所采用的热-机械泵的水力学特性,也取决于降膜蒸发换热特性。对此,本文从理论上进行了深入的分析与讨论,并搭建了相关实验研究平台,对其工作特性进行了测试,主要工作内容如下:
　　 (1)提出了低品位热驱动的热-机械泵循环降膜蒸发换热器,对其工作原理,影响因素和工作特点进行了详细的介绍和论述。并对其应用于重力热管和分离式热管中,用于吸附制冷系统中双床运行系统和多效双重系统中的工作特点展开了论述。
　　 (2)分别对蒸汽举升输送和喷射输送热.机械泵的流动特性展开了深入的理论和实验研究,结果表明:在输送相同流量时,采用喷射输送的高度比为采用蒸汽举升输送的2.8-12倍,前者的效率为后者的4-8倍。可见喷射输送的工作特性更优,更适合用于本文提出的热.机械泵循环降膜蒸发器的一体化设计中。对用于单管降膜蒸发的喷射输送热-机械泵,其喷嘴直径推荐为1mm,喉嘴距为8mm,输送管直径为4mm。
　　 (3)对降膜蒸发换热展开了深入的理论研究,针对降膜蒸发过程中蒸发蒸汽所产生的界面剪应力沿程变化的特点,建立了变剪应力层流饱和液膜流动和换热数学模型,模型充分考虑了液膜初始雷诺数、蒸发管管径、壁面过热度和蒸发温度等因素对液膜流动和换热的影响,同现有的等剪应力模型计算结果相比,其具有更高的预测精度,在本文研究范围内,由蒸发蒸汽所产生的无因次界面剪应力在0.9～0.99之间。另外,也建立了湍流饱和液膜流动和换热模型,将理论分析结果同已有的实验结果进行了验证,结果表明其相对误差不超过20％。
　　 (4)搭建了基于热驱动喷射输送的热一机械泵循环降膜蒸发换热器性能测试台,研究了在稳定工况下,热水侧进口水温和驱动热源温度对降膜蒸发换热性能的影响；并模拟故障或停机工况,研究了非稳定工况下的换热特性,结果表明:在热负荷的进口水温为34℃,蒸发温度为29℃时,热驱动降膜蒸发的蒸发换热系数可达6865 W/m2.K,达到良好的传热效果；在本文研究的非稳定工况工作范围内,夹套中热水以约12℃/min的速率均匀下降,因此也适合处理热敏性介质。
　　 (5)对基于热.机械泵循环降膜蒸发换热热管的工作特性展开了深入的研究,表明在相同热管高度时,本文提出的新型热管的热传导性能是常规重力热管的4.0～5.5倍；同时搭建了热.机械泵循环降膜蒸发分离式热管实验台,研究其在冷热交变和高低压交变工况下的工作特性,表明该新型分离式热管在高温段(100℃～150℃)和低温段(100℃以下),尤其是60℃以下,均具有良好的换热效果,说明该新型热管采用同一种工作介质可在更宽广的温度范围内工作。
　　 以上研究表明,与常规机械泵循环降膜蒸发换热器相比,在达到相同换热效果的情况下,基于热.机械泵循环的降膜蒸发换热器可采用低品位热驱动循环,实现无运转部件运行,提高能源利用率,降低运行成本:且可实现循环与换热的一体化设计,使系统更为紧凑,便于小型化应用。而将其用于重力热管中则可大幅度提高了热管蒸发段的换热面积,并且在蒸发段实现高效的降膜蒸发换热,同时可消除常规重力热管中携带限和沸腾限的约束,有效缩短了热管的启动时间,增大了热管的工作温度范围。将其应用于吸附制冷系统,模拟实验研究表明,采用热.机械泵循环降膜蒸发换热器可加快吸附床冷却后期的冷却速率,使吸附床的加热/冷却周期由30min左右缩短到16min,可有效提高系统工作性能；且对于双床运行系统,只需4台单向动作的电磁阀即可完成切换运行,极大提高了系统运行的可靠性。

目录

文摘

英文文摘

符号说明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 吸附式制冷强化传热和应用研究

1.2.1 典型的吸附式制冷系统

1.2.2 吸附式制冷强化传热研究

1.3 降膜蒸发研究进展

1.3.1 降膜蒸发换热理论研究进展

1.3.2 降膜蒸发换热实验研究进展

1.4 目前存在的问题

1.5 本文主要研究内容

第二章 热-机械泵循环降膜蒸发换热原理

2.1 热-机械泵循环降膜蒸发换热

2.1.1 热-机械泵循环降膜蒸发换热原理

2.1.2 热-机械泵循环系统与常规机械泵循环系统对比

2.2 热-机械泵循环降膜蒸发换热热管

2.3 热-机械泵循环降膜蒸发热管在吸附制冷系统中的应用

2.3.1 热-机械泵循环降膜蒸发换热热管高效冷却

2.3.1 热-机械泵循环降膜蒸发换热热管型双效热量回收

2.4 本章小结

第三章 单管内降膜蒸发换热循环用热-机械泵流动特性

3.1 基于蒸汽举升效应的热-机械泵流动特性

3.1.1 理论模型

3.1.2 模型有效性验证

3.1.3 基于蒸汽举升效应的热-机械泵流动特性

3.2 基于喷射输送的热-机械泵流动特性

3.2.1 工作原理

3.2.2 实验装置介绍

3.2.3 喷射输送流动特性

3.3 两种不同热驱动输送的流动特性对比

3.4 本章小结

第四章 竖管内降膜蒸发换热特性的理论研究

4.1 层流饱和液膜流动和换热特性

4.1.1 物理模型

4.1.2 变剪应力层流饱和液膜流动和换热模型

4.1.3 计算结果与讨论

4.2 湍流饱和液膜流动和传热特性

4.2.1 液膜侧流动模型

4.2.2 液膜侧传热模型

4.2.3 计算结果与分析

4.3 本章小结

第五章 热-机械泵循环降膜蒸发传热实验研究

5.1 实验装置介绍

5.2 实验方法及测试手段

5.2.1 实验参数控制

5.2.2 实验步骤

5.2.3 实验数据处理

5.3 实验结果和讨论

5.3.1 稳定工作特性

5.3.2 非稳定工作特性

5.3.3 与常规机械泵循环降膜蒸发换热性能对比

4.4 实验误差分析

5.5 本章小结

第六章 热-机械泵循环降膜蒸发换热在吸附制冷系统中的模拟实验研究

6.1 热驱动循环降膜蒸发热管的工作特性

6.1.1 理论基础

6.1.2 计算结果与讨论

6.2 热-机械泵循环降膜蒸发热管在吸附制冷机中的模拟实验

6.2.1 系统设计思路

6.2.2 实验结果分析

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 研究内容总结

7.2 本文创新性点总结

7.3 课题展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文