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小流量大溫差LiBr溶液換熱器傳熱性能的實驗研究

點擊:2038 日期:[ 2014-04-26 21:35:37 ]
                 小流量大溫差LiBr溶液換熱器傳熱性能的實驗研究                       河南科技大學 浙江大學 王 林                          河南科技大學 馬愛華                            浙江大學 陳光明                           河南科技大學 談瑩瑩      摘要:搭建實驗臺,對小流量大溫差條件下溴化鋰水溶液在多套管式換熱器和釬焊板式換熱器中的傳熱性能進行了研究,并測試了溴化鋰水溶液回收的飽和制冷劑水余熱。基于實驗數據擬合出溴化鋰溶液釬焊板式換熱器對流換熱特征數方程,并與文獻中的相應方程進行比較,以驗證擬合方程的可靠性。實驗結果表明,該方程可用于指導溴化鋰溶液在釬焊板式換熱器中流動的熱力水力特性的理論分析,為換熱器優化設計提供依據。     關鍵詞:吸收式制冷 換熱器 傳熱 壓降 特征數方程 熱回收     0·引言     溴化鋰吸收式制冷機既可以燃氣驅動,也可以太陽能、地熱等可再生能源驅動,陳光明等人曾對溴化鋰吸收式燃氣空調的小型化技術進行過一些研究[1-5]。溶液換熱器的小型化是溴化鋰吸收式燃氣空調小型化的關鍵技術。研究表明,強化溶液換熱器傳熱性能有利于提高制冷機性能,同時也是縮小換熱器的關鍵技術。如果溶液換熱器換熱效果差,必造成發生器濃溶液出口溫度過高,換熱器回收熱量減少,發生器加熱量增大,制冷機性能下降,而且吸收器熱負荷增大,增加吸收器的傳熱面積,從而增大制冷機體積。就雙效吸收式制冷機而言,低壓發生器出口飽和制冷劑(水)的余熱可在低溫溶液換熱器內被稀溶液回收,也節省高壓發生器所需加熱量,有利于提高制冷機效率。     大型吸收式制冷機組中高溫溶液換熱器和低溫溶液換熱器均具有換熱量和溶液流量都較大的特點,采用殼管式換熱器時,換熱器體積較大。與大型吸收式制冷機不同的是,小型吸收式制冷機溶液換熱器具有換熱量小、溶液流量小(Re小)、換熱溫差較大的特點,為了實現吸收式制冷機小型化設計,不宜采用傳統殼管式換熱器,因此提出板式換熱器和多套管式換熱器兩種設計方案。鑒于溴化鋰水溶液在板式換熱器和多套管式換熱器中流動傳熱特性方面的研究公開報道較少,因此,本文主要介紹溴化鋰溶液在這兩種類型換熱器中的換熱特性的實驗研究,同時,還對雙效溴化鋰吸收式制冷機中利用低溫溶液換熱器回收液態制冷劑(水余熱效果進行了實驗測試。     1·實驗裝置     本實驗設計并搭建溴化鋰溶液換熱器性能及制冷劑余熱回收實驗臺。                   實驗流程如圖1所示,包括溴化鋰水溶液循環系統、冷卻水循環系統和制冷劑循環系統。板式換熱器和多套管式換熱器采用并聯連接,當進行板式換熱器流動傳熱性能實驗時,除溴化鋰水溶液系統和冷卻水系統工作外,還有閉式制冷劑(水)系統也參與工作。溴化鋰水溶液循環過程為:集液器中溴化鋰溶液經溶液泵送入溶液加熱器而被加熱成較高溫度溶液,然后流入板式換熱器(或多套管式換熱器)與來自水冷卻器的較低溫度溶液進行換熱而成為中間溫度溶液,之后,中間溫度溶液流入水冷卻器與冷卻水換熱而成為較低溫度溶液,水冷卻器出口較低溫度溶液經板式換熱器(或多套管式換熱器)換熱后再流入集液器,并重復上述循環過程。其中溴化鋰溶液流量調節是通過電壓調節器來調節溶液泵轉速、手動調節閥V9及手動調節閥V10來實現的;板式換熱器(或多套管式換熱器)高溫溶液入口溫度調節是通過調節溶液加熱器加熱量實現的;板式換熱器(或多套管式換熱器)低溫側入口溶液溫度調節是通過調節板式水冷卻器冷卻水入口溫度和冷卻水流量來實現的,其中通過調節閥WV3和WV4調節進入水箱回水的流量從而實現溫度調節,通過冷卻水循環泵出口調節閥WV1及WV2可實現流量調節。冷卻水循環過程為:板式水冷卻器出口冷卻水分為兩支,其中一支流入水箱與作為冷卻水的自來水混合后經循環泵送入板式水冷卻器與來自板式換熱器(或多套管式換熱器)溶液進行換熱,而另一支經冷卻水出口被排至室外。制冷劑水循環過程為:制冷劑水在恒溫熱水器內加熱至恒定溫度后被送入板式換熱器,并與少量較低溫度的溶液換熱后,再流回恒溫熱水器加熱。換熱器中流體之間流動均布置成逆流換熱方式。     溶液換熱器設計為板式換熱器和多套管式換熱器兩種類型。實驗中共設計并測試4種型號釬焊板式換熱器,結構尺寸參數如表1所示,板片為人字形波紋板片,其波紋角度為120°。表1中B3-027-72-3.0-H型和SWEP-027-62-H型設制冷劑(水)余熱回收通道(6個通道中制冷劑(水)通道3個),低溫側溶液和較高溫度液態制冷劑進行換熱。多套管式換熱器由7根內管和1根外管組成,其中內管呈正三角形排列,內管采用Φ9.52×0.35 mm銅管,外管尺寸為Φ50×4 mm鋼管,換熱器有效長度1.96 m,其中設計結構如圖2所示。                     實驗所需測量參數為溶液(冷卻水或制冷劑)溫度、電加熱器功率、換熱器進出口壓降、溶液(或冷卻水、制冷劑)流量和溶液濃度等。溫度測量均采用Pt100鉑電阻,標定后精度為±0.1℃。加熱器功率采用功率表測量。換熱器的溶液進出口壓降采用微壓計測量。溶液流量和冷卻水流量測量采用渦輪流量傳感器測量。制冷劑水流量采用稱重法測量以保證測量精度。溶液濃度測量方法是首先精確測量溫度為30℃時溶液密度,然后再依據30℃時溴化鋰溶液ρ-X關系式計算溶液濃度。溶液體積采用規格為(50±0.05)mL的容量瓶測量,采用電子天平測量質量,取3次測量結果平均值作為每組密度測量值。測量方法是將溫度低于30℃的取樣溶液注入3支預先洗凈且烘干的容量瓶中,旋上瓶塞,然后放入溫度為30℃的恒溫槽中恒溫15 min,取出洗凈外壁殘留溶液,再用干凈毛巾和濾紙擦干外壁后稱重。恒溫槽溫度控制精度±0.1℃。30℃溴化鋰溶液濃度由文獻[6]中擬合關聯式確定:     式中 ρ為密度,kg/m3;X為質量分數。     測量儀表精度見表2。                   2·實驗數據處理     2.1·換熱器換熱量計算方法                  式(2)~(8)中 Q為換熱器換熱量,W;G為溶液、冷卻水或制冷劑(水)流量,kg/s;h為溶液比焓,kJ/kg;t為冷卻水或制冷劑溫度,℃;cp為冷卻水或制冷劑(水)比熱容,kJ/(kg·℃);ε為換熱器熱漏率;K為換熱器傳熱系數,W/(m2·℃);F為換熱器有效換熱面積,m2;Δtm為冷熱流體傳熱對數平均溫差,℃;下標h表示高溫側溶液,l表示低溫側溶液,r表示制冷劑(水),i表示進口,o表示出口,w表示冷卻水。     2.2 換熱器進出口壓降計算方法     流體流動總壓降包括加速壓降、重力壓降和流動阻力壓降三部分。流動總壓降僅由重力壓降和流動阻力壓降組成,這是由于溶液進出口流速相等,故加速壓降為零。           式中 Δpt為高溫側或低溫側流體流動總壓降,Pa;Li,o為換熱器進出口高差,m,就多套管式換熱器而言,Li,o=0,就板式換熱器而言,Li,o為板式換熱器高度;Δpf為高溫側或低溫側流體流動阻力損失,包括摩擦阻力和局部阻力損失,Pa。     2.3 板式換熱器特征數方程擬合     基于傳熱相似理論,同時考慮溶液換熱器中流體溫差較大,Nu計算公式為:          式中 Nu為努塞爾數;C,P,n為常數;Re為雷諾數,就板式換熱器而言,特征尺寸為板間距的2倍,就多套管式換熱器而言,特征尺寸為當量直徑;Pr為普朗特數;μ,μwl分別為對應流體平均溫度和壁面溫度的溶液黏度,Pa·s。     對4種型號板式換熱器和多套管式換熱器進行測試,高溫側溶液與低溫側溶液之間換熱的熱平衡誤差平均在±5%以內。鑒于多套式管換熱器實驗數據有限,因此只擬合板式換熱器的換熱性能特征數方程。運用修正Wilson法[7],對板式換熱器測試數據擬合出不同特征數方程,以用于指導小Re大溫差溴化鋰溶液在板式換熱器中流動時的板式換熱器設計和理論分析。     基于262組實驗數據擬合出溶液質量分數55%時特征數方程(Re<200):          3·實驗數據結果分析     如表3所示,多套管式換熱器中溴化鋰溶液流量在0.12~0.36 m3/h范圍時,高溫側溶液在多套管式換熱器中流動換熱時內管內Re從580增加到1 340,而低溫側溶液在內管外流動時,Re從220增加到600。不論管內溶液還是管外溶液始終處于層流流動狀態,傳熱系數幾乎保持不變,約為240 W/(m2·℃)。多套管式換熱器中溶液流動為層流狀態,阻力損失主要為層流摩擦阻力損失,內管內溶液單位長度壓降為110~660 Pa/m,而內管外溶液單位長度壓降為60~430 Pa/m。如表4所示,板式換熱器中溶液流量在0.12~0.38 m3/h范圍內,無論是高溫側溶液通道還是低溫側溶液通道內Re均較低,而傳熱系數卻從140 W/(m2·℃)增到810 W/(m2·℃),傳熱系數較多套管式傳熱系數增加3倍多,可見,Re對板式換熱器傳熱系數影響較顯著,Re<100時溴化鋰溶液在板式換熱器中已處于湍流狀態。板式換熱器較多套管式換熱器傳熱性能顯著增強,板式換熱器可實現溶液換熱器小型化。然而,板式換熱器中溴化鋰溶液流動阻力也顯著增大,其流動阻力損失約為多套管式換熱器流動阻力的2倍。表中列出板式換熱器中溴化鋰溶液回收制冷劑(水)余熱的實驗數據,其中制冷劑流通的通道共3個,制冷劑(水)側有效換熱面積約0.20m2,測定制冷劑(水)流量為0.015 m3/h(設計值為0.014 m3/h),制冷劑(水)的余熱回收量可達到1kW,較設計值0.75 kW高,這是由于實驗測試中低溫側入口溶液測試溫度比設計值低10℃的緣故。實驗結果表明,以板式換熱器為低溫溶液換熱器回收制冷劑(水)的余熱方案可行,滿足設計要求。     4·實驗方程驗證     圖3~6分別是不同濃度溶液在板式換熱器中流動換熱時擬合特征數方程表面傳熱系數計算值與實驗測試值結果比較。溶液質量分數55%情況下,特征數方程計算值與實驗測試值相對偏差范圍為-11.78%~+10.84%;溶液質量分數58%情況下,特征數方程計算值與實驗測試值相對偏差范圍為-16.08%~+15.33%;溶液質量分數60%情況下,特征數方程計算值與實驗測試值相對偏差范圍為-12.14%~+10.56%;溶液質量分數62%情況下,特征數方程計算值與實驗測試值相對偏差范圍為-14.84%~+18.57%。可見,特征數方程預測值和實驗值能較好吻合,方程計算精度較高,適用于板式換熱器的理論分析和設計。     圖7是當前擬合溴化鋰溶液在板式換熱器中流動的Nu特征數方程與文獻[8]所提供板式換熱器Nu特征數方程計算結果比較。鑒于文獻中尚無溴化鋰溶液在板式換熱器中流動傳熱相關研究,故以水在板式換熱器中流動對流換熱特征數方程進行比較,Manel等依據實驗數據擬合冷卻水在板式換熱器中流動Nu特征數方程[8]:                   如圖7所示,溶液濃度影響溴化鋰溶液在板式換熱器中流動傳熱特性,溶液濃度增大,表面傳熱系數減小。實驗擬合方程(14)與文獻[8]所提供的方程(15)計算表面傳熱系數偏差較大,隨Re增加,偏差越大,Re=100時,方程(15)計算值較方程(14)計算值小59.8%,Re=200時,方程(15)計算值較方程(14)計算值小62.8%。可見,水在板式換熱器中表面傳熱特征數方程用于溴化鋰溶液在板式換熱器中表面傳熱面積設計會明顯增大板式換熱器換熱面積。                   圖8是當前擬合溴化鋰溶液在板式換熱器中流動的Nu特征數方程與文獻[9]所提供的溴化鋰溶液在殼管式換熱器中Nu特征數方程計算結果比較。溴化鋰溶液在殼管式換熱器中表面傳熱特征數方程[9]:          如圖8所示,溴化鋰溶液在板式換熱器中流動傳熱特性顯著強于溴化鋰溶液在殼管式換熱器中流動傳熱特性。實驗擬合方程式(14)表面傳熱系數大于文獻[9]所提供的方程式(16)表面傳熱系數,Re越大,二者偏差越大,Re=100時,擬合方程式(14)計算值比方程式(16)計算值大38.0%;Re=200時,方程式(14)計算值比方程式(16)計算值大43.3%。因此,大流量高Re條件下溴化鋰溶液在換熱器中表面傳熱系數的Nu方程不宜用于小型吸收式制冷機溶液換熱器設計。溴化鋰溶液在套管式換熱器中流動傳熱特性弱于溴化鋰溶液在多套管式換熱器中流動傳熱特性,Re<200時,溴化鋰溶液在多套管式換熱器中表面傳熱系數是溴化鋰溶液在套管式換熱器中表面傳熱系數的2倍,二者變化趨勢一致,這與實驗結果相一致。     5·結論     5.1 提出小Re條件下溴化鋰溶液在釬焊板式換熱器流動傳熱Nu特征數方程,對溴化鋰溶液板式換熱器的理論分析和設計具有指導意義。     5.2 溶液濃度影響溴化鋰溶液在板式換熱器中流動傳熱特性,溶液濃度增大,表面傳熱系數減小。水在板式換熱器中表面傳熱特征數方程用于溴化鋰溶液在板式換熱器中對流換熱面積設計會明顯增大板式換熱器換熱面積。殼管式換熱器表面傳熱Nu特征數方程不宜用于小型吸收式制冷機溶液換熱器設計。     5.3 釬焊板式換熱器有利于實現吸收式制冷機的小型化設計。以板式換熱器作溶液換熱器,傳熱系數較多套管式換熱器增加3倍多,有利于縮小制冷機體積。     5.4 以板式換熱器作為低溫溶液換熱器,溴化鋰溶液可有效回收制冷劑(水)的余熱,實驗結果充分證實制冷劑(水)余熱回收方案的合理性。 參考文獻: [1]Wang Lin, Chen Guangming, Wang Qin. Thermodynamicperformance  analysis of gas-fired air-cooled adiabaticabsorption refrigeration  systems [J]. Applied ThermalEngineering,2007,27(8/9): 1642-1652 [2]陳光明,王林,鐘明,等.小型節能風冷絕熱吸收燃氣空調裝置:中國,ZL200410025649.5[P].2007 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