降膜吸收传热传质理论与实验研究

摘要

利用流动的液体表面吸收是吸收式制冷和热泵系统中最为被广泛应用的吸收方式，吸收剂多采用液膜的形式分布于吸收器换热表面。具有气体-液体接触表面积大、换热效率高、流量小且容易控制等优点。根据吸收式制冷的吸收器结构，即液膜空间分布，吸收器吸收分有以下一些结构形式：水平管降膜吸收、竖直管/板降膜吸收、螺旋管降膜吸收、倾斜板式降膜吸收等，其中以竖直管降膜吸收最为常见。竖直下降的液膜通常被假设为均匀光滑的层流流动，但实际过程中，层流流动仅仅发生在小Re数、流动初始段。对于一定长度的下降管，液膜会发展成为波态流动，典型的竖直降膜吸收器尺寸中，液膜会发展成为具有长程的周期行波以及孤立波。 吸收的过程受到液膜波动性影响一般无法反映在理论中，模型偏差都比较大。因此一般采用实验关联式的形式表示，而实验关联式无法从机理上反应液膜实际的吸收状态（包括液膜内温度和浓度的分布情况），物性以及热力学参数变化（前者如表面张力、添加剂导致的内部扩散系数的变化；后者如入口处的过热度、平衡压力等的变化）的影响，液膜沿着降膜管轴向的状态发展情况（从而优化降膜管排布），以及波动对降膜流动实际发生影响的作用范围等。为了深入了解降膜吸收理论机理、对降膜吸收进行定量的描述，需要从物理机理对降膜吸收进行建模、求解以及实验验证。 本文首先采用稳定性分析的方法对降膜流动的稳定性进行了纯理论上的解析，通过求解Kuramoto-Sivashinsky方程，获得降膜流动波动性的微分方程的解，通过对解中波动性发生情况与初始值的比较，可以还原出波动性在实际流体中的发生情况与实际流动状态的对应关系。其次，采用格子玻尔兹曼方法对降膜流动过程中受到随机扰动和受迫扰动两种情况液膜流动进行数值模拟，该数值模拟方法具有气液界面清晰、物理机理明确、计算速度快计算方法精度高等显著优点。通过该方法获取在一定Re数下的波动液膜的速度场分布。然后，在固定网格位置的层流降膜吸收方法的基础上，添加波动性速度分布，对降膜吸收过程采用有限差分法进行数值模拟，模拟液膜内部温度分布和浓度分布情况，获得波动性降膜吸收的数值结果。最后，自行搭建了可视化降膜流动和降膜吸收实验装置，采用流动测试装置分别进行水和吸收剂溶液的降膜流动测试实验，采用溶液发生-吸收实验装置测试了溶液吸收水蒸气的传热和传质性能的实验，并与数值方法获得理论结果进行了比较研究。 本文通过物理建模和数值求解，对吸收式制冷降膜吸收常规应用范围的波态流动、传热和传质过程进行了理论研究，并对相应的流动状态下的降膜吸收进行了实验研究。与以往研究相似，波动性对降膜吸收过程有显著的强化作用，本文将该作用采用速度分量的形式表示，能够较好地预测吸收器的传热和传质性能。基于此，可进一步提出对降膜吸收器的优化理论方法。 在相应的流动对流动波形下的竖直降膜吸收过程进行了数值模拟和实验研究，尝试揭示波态降膜传热、传质的内在机理，分析不同形式的波动情况对吸收过程传热、传质的影响。针对波态液膜流动对传热、传质的强化作用，提出可采用定量地强化吸收器的吸收效果的理论方法。

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