熱水型LiBr制冷機中兩相流提升管的強化傳熱研究

1、第38期第1期2004年1月西安交通大學學報JOURNALOFXIANJIAOTONGUNIVERSITYVol.381Jan.2004熱水型LiBr制冷機中兩相流提升管的強化傳熱研究張聯(lián)英,吳裕遠,郭金剛,陳東升(西安交通大學動力工程多相流國家重點實驗室,710049,西安)摘要:對LiBr溶液在3種不同截面尺寸弦月形通道中的沸騰傳熱及熱虹吸提升過程進行了實驗研究,發(fā)現(xiàn)在相同的條件下,通道間隙尺寸對傳熱及溶液提升有直接影響,其中兩管直徑之比為1932的弦月形通道提升管的提升效果最好,溶液的凈提升高度可達到稀溶液浸沒高度的2.5倍,是目前國內的最大提升高度,同時比現(xiàn)行發(fā)生器所需熱源溫度降低10

2、左右;隨著熱流密度的增大和加熱水溫度的升高,冷劑水產量和提升管出口氣體質量分數(shù)均增大;提升管出口處的氣體質量分數(shù)隨著試件浸沒深度的增大而減小.關鍵詞:溴化鋰制冷機;兩相流;提升管;弦月形通道中圖分類號:TK124文獻標識碼:A文章編號:02532987X(2004)0120006204StudyontheHeatTransferEnhancementofTwo2PhaseFlowElevationTubeinLiBrChillerwithHotWaterSourceZhangLianying,WuYuyuan,GuoJingang,ChenDongsheng(StateKeyLaborator

3、yofMultiphaseFlowinPowerEngineering,XianJiaotongUniversity,Xian710049,China)Abstract:ExperimentonboilingheattransferandthermosiphonelevationofLiBrsolutioninsidethreelunatechannelswithdifferentdiameterswereperformed.Theexperimentalresultsshowthatthedimensionofthelu2natechannelhasadirectinfluenceonthe

4、heattransferandsolutionelevation.Theelevatingtube,whosediame2terratiooftwopipesis1932hasthebestelevationeffectamongthem,anditsnetelevatingheightofsolutionis2.5timesashighasthesolutionsubmergence.TheelevatingheightisthehighestinChina,andatthesametime,thetemperatureoftheheatsourcedrivingthegeneratoris

5、10lowerthanothers.Thedistilledwateryieldandvaporfractionatoutletoftheelevatingtubeincreasewiththeheatingwatertemperatureandheatflux.Thevapormassfractionattheoutletoftheelevatingtubeincreaseswiththedecreaseofthedrivingliquidhead.Keywords:LiBrchiller;two2phaseflow;elevationtube;lunnatechannel20世紀80年代中

6、期,在日本就出現(xiàn)了用太陽能熱水為驅動熱源的無泵LiBr吸收式制冷機產品,其制冷量為7kW左右,但要求的熱源溫度均在90以上1,這對太陽能集熱器提出了很高的要求.為此,如何強化相關過程傳熱、減小熱阻以降低對熱源溫度的要求就顯得十分重要而有價值.本文采用弦月形通道內小溫差強化傳熱的方法,設計了多種不同尺寸的弦月形通道熱虹吸溶液提升管,并對之進行了實驗測試.結果表明,弦月形通道熱虹吸溶液提升管具有明顯的溶液提升功效,實現(xiàn)了較低加熱水溫度下LiBr水溶液的沸騰與提升,熱源溫度保持在80左右,系統(tǒng)即可正常運行,比現(xiàn)行發(fā)生器所需熱源溫度降低10左右,而且比文獻2的凈提升高度高30cm,改善了太陽能空調系統(tǒng)

7、的整體性能.收稿日期:2003205207.作者簡介:張聯(lián)英(1968),女,在職博士生,講師;吳裕遠(聯(lián)系人),男,教授,博士生導師.基金項目:國家自然科學基金資助項目(50176036,50276048).© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第1期張聯(lián)英,等:熱水型LiBr制冷機中兩相流提升管的強化傳熱研究7方面的考慮.1弦月形通道熱虹吸沸騰換熱強化傳熱的理論基礎將狹縫通道豎直沉浸在液體中,當對通道壁面加熱時通道內部的液體就會沸騰并產生氣泡,于是通道內外產生密度差,并相應

8、地產生靜壓差,從而形成液體由狹縫外從底部流進通道的自然循環(huán),這一過程稱為狹縫熱虹吸沸騰換熱.它有兩個顯著特點:一是具有顯著的強化傳熱效果3,4,尤其在高熱流密度下,強化效果尤為明顯;二是沸騰所需的過熱度小4.本研究小組與我國杭州制氧機集團合作,已將這種狹縫微液膜沸騰機理應用到新開發(fā)的板翅式冷凝蒸發(fā)器中,其整體換熱系數(shù)提高50%5.探索如何將該傳熱機理應用于無泵吸收式太陽能空調系統(tǒng)中,對改善整個太陽能空調系統(tǒng)性能有非常重要的作用.弦月形狹縫通道由較大的紫銅管內偏心地放置一較小的紫銅管所形成,并將兩管接觸線的兩端焊在一起形成豎直弦月形通道,如圖1所示.這種結構有以下優(yōu)點6:加工方便;弦月形通道兩尖

9、角處形成了人工汽化核心,氣泡易于生成;在弦月形通道較寬處具有補液作用,可防止壁面蒸干.2實驗裝置與實驗方法本實驗系統(tǒng)主要由兩相流熱虹吸溶液提升管、冷凝器、氣液分離器、儲液桶、電熱水器、加熱套筒,以及它們之間的連通管、壓力平衡管等組成.該實驗的兩相流熱虹吸溶液提升管為一弦月形通道,外管是直徑為32mm、長為1660mm的紫銅管,內管是直徑為1622mm的紫銅管,其熱水出口在加熱套筒頂端下40mm處.提升管與儲液筒、氣液分離器、冷凝器相連而形成熱虹吸循環(huán)如圖2所示,由電熱水器提供的熱水從底部進入內管和加熱套筒,從上部流出,這樣弦月形通道內的LiBr溶液就被內管和加熱套筒中的熱水同時加熱,并開始沸騰

10、,兩相流體在密度差的作用下向上流入氣液分離器,濃溶液通過回流管進入儲液筒,而水蒸氣先經過隔板進入冷凝器,然后也通過回流管進入儲液筒,混合后形成的稀溶液再進入熱虹吸溶液提升管完成一個循環(huán).實驗中由電熱水器產生的加熱水和冷卻水由普通的熱、冷水表測量,冷劑水和濃溶液流量由液體流量計測量.為了監(jiān)測系統(tǒng)各部分的溫度變化狀況以便對熱負荷進行精確計算,在提升管的出入口以及冷凝器和提升管周圍的關鍵部位均布有經標定過的熱電偶,熱電偶提供的電位信號由數(shù)字式微伏計直接讀出,相對誤差為1%.系統(tǒng)的真空度由水銀真空壓力表測量,壓力表的最小刻度為1mm(133.29圖1弦月型通道結構示意圖由于弦月形通道的尖角處起到了人工

11、汽化核心的作用,同樣的熱流密度情況下促成了氣泡的形成,加上內外管壁同時加熱,熱邊界層較薄,所以氣泡形成所需的過熱度大幅度減小.溶液在上升過程中經過自然對流區(qū)、核態(tài)沸騰區(qū)、彈狀流或環(huán)狀流區(qū)域.根據(jù)文獻7介紹,彈狀流更有利于溶液的提升.再加上LiBr溶液又有一定的粘度,要獲得通道內的彈狀流,通道截面尺寸的選取非常重要.通道過窄不利于彈狀流的形成,此時因兩相流的流動阻力加大,不利于擾動,從而導致?lián)Q熱減弱,影響溶液的提升;通道過寬,沸騰所需的熱流密度增大,較低的加熱水溫度同樣不利于彈狀流的形成,影響兩相流的提升,循環(huán)穩(wěn)定性也將變差,本實驗通道的選取也進行了這1:冷凝器;2:氣液分離器;3:弦月形通道兩

12、相流提升管;4:熱水表;5:冷劑水流量計;6:濃溶液流量計圖2實驗裝置剖面圖© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.8西安交通大學學報第38卷Pa).整個裝置用石棉繩和玻璃絨包護,最后再用鋁箔包裝以減少熱損失.當熱電偶的讀數(shù)穩(wěn)定后即可進行數(shù)據(jù)測量.3兩相流熱虹吸提升管的運行特點熱虹吸溶液提升管的運行參數(shù)有加熱水溫度(T)、熱流密度(q)、通道結構參數(shù)和試件浸沒深度(h).實驗均在真空條件(約10kPa)下進行,主要運行和設計參數(shù)對冷劑水產量(GH2O)和提升管出口處氣體質量分數(shù)(

13、wg)的影響討論如下.3.1加熱水溫度的影響實驗測試了在不同T下的冷劑水產量,結果表明,要保持小溫差條件下的高熱流沸騰換熱存在一溫度閾值,當T高于此值時,才能有足夠的熱虹吸驅動力,使自然循環(huán)沸騰得到良好自維持,從而使狹縫沸騰換熱強度保持在一較高水平上,熱虹吸流率在一定范圍內波動.本實驗系統(tǒng)的這一閾值在68左右.T=65時,溶液提升時有時無,循環(huán)難以進行;T=70時,循環(huán)基本可以進行;T在7585內時,系統(tǒng)運行比較正常.75時,冷劑水的流量已經達到2.0g/s左右,若能在蒸發(fā)器中完成一次蒸發(fā),則該系統(tǒng)的制冷量將達到4.8kW以上.這充分顯示了弦月形通道在小溫差條件下具有很強的傳熱效果.圖3和圖4

14、所示為T與GH2O和wg的關系,可見隨著T的升高,GH2O的增長幅度加大,換熱加強,說明兩相流流動進入彈狀流階段;T升高到85以上時,增長幅度明顯減弱,這是因為在較高的熱流密度下,通道內含氣率較高,雖然液膜蒸發(fā)機理可正常地發(fā)揮作用,但潛在的威脅是通道上部可能因供液不足而導致傳熱性能下降,塊狀流充滿整個通道,影響兩相流的流動,從而影響溶液的提升量.因此,一般弦月形通道中LiBr溶液的加熱水溫度不要超過90.同樣可看到,隨著T的升高,wg的增大幅度較GH2O的增加幅度要小,比如對h=57.5cm,T升高10,GH2O增加109.38%,而wg圖3加熱水溫度對冷劑水產量的影響圖4加熱水溫度對提升管出

15、口氣體質量分數(shù)的影響的關系,從圖中可以看出在3種不同的h下,GH2O和wg隨q的變化趨勢基本一致.q越大,GH2O和wg也越大.當提升管入口部分溶液處于單相流動時,換熱處于對流換熱階段,熱負荷主要用于溶液溫度的升高,而當溶液達到飽和時,熱負荷主要用于溶液中水的汽化.熱負荷越大,對流換熱段越短,沸騰換熱段越長,溶液中水的汽化量越大,提升管通道中干度大,熱虹吸驅動力隨之增大,流量會有所增加,有利于換熱.同時還可看出,隨著q的增大,GH2O的增長幅度較大,而wg增長幅度緩慢,比如對h=57.5cm,當q增加10kW/m2時,GH2O增加40%,而wg增加19.23%.這主要是因為q增大,提升的溶液量

16、增大,這樣在GH2O增大的同時,提升的濃溶液量也增加,所以wg的增長趨勢較GH2O的增長趨勢就要平緩一些.3.3弦月形通道結構參數(shù)的影響增加15.38%.這主要是T越高,傳熱溫差越大,相應的熱流密度增大,熱虹吸驅動力隨之增大,導致提升的溶液量增大,這樣GH2O增長的幅度就比wg的增長幅度要大一些.3.2熱流密度的影響圖5和圖6示出了內管直徑(d1)與外管直徑(d2)之比為1932的弦月形通道提升管,在h分別為68.2cm、57.5cm和47.5cm時q與GH2O和wg本實驗分別對d1/d2為16/32、19/32和22/32的提升管進行了實驗測試,結果表明19/32的組合套管效果最好,16/3

17、2的效果次之,22/32的效果最差(較難正常運行,沒有測出連續(xù)的實驗點).圖7所示的結果也能充分說明這點,19/32的套管可以© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第1期張聯(lián)英,等:熱水型LiBr制冷機中兩相流提升管的強化傳熱研究9圖7通道尺寸對冷劑水產量的影響圖5熱流密度對冷劑水產量的影響h越大,溶液的凈提升高度就相應減小,通道中兩相混合物流動阻力較小,有利于更多的溶液被提升到氣液分離器中;h越大,入口部位非飽和核態(tài)沸騰區(qū)就較長,相應的通道干度值較低,wg就減小.由于GH2O

18、為溶液提升量與出口干度的乘積,所以隨著h的增大,GH2O的增減取決于提升量的增大和干度的減小幅度;反之,隨著h的減小,GH2O的增減取決于提升量的減小和干度的增大幅度.實驗結果表明,弦月形通道的提升管具有較強的提升功能,當h=475mm時,濃溶液的凈提升高度為1185mm,約是稀溶液浸沒高度的2.5倍.如果裝置內的真空度進一步提高,其提升溶液的功能還會進一步加強,這為弦月形提升管的實際應用提供了良好的基礎.圖6熱流密度對提升管出口氣體質量分數(shù)的影響),或在同等運行溫度運行到更低的溫度范圍(68下,可產生更大的冷劑水量.16/32的套管起始運行溫度約在76左右,T低于上述溫度時,濃溶液將不能被提

19、升到分離器.這是由于當流道面積很小時,雖然單位質量溶液的受熱面積增大,通道中的含氣率或干度增大,熱虹吸驅動力增大,對溶液的傳熱及提升是有利的,但摩擦阻力大大增加,極不利于溶液的提升,而且此時狹小尖角處的溶液太薄,高溫時極易產生局部結晶,嚴重影響管中溶液的傳熱,造成提升能力下降.當流道面積太大時,單位質量溶液的受熱面積降低,在相同的熱負荷下,通道中的含氣率或干度減小,熱虹吸驅動力減小,對溶液的傳熱及提升不利.本實驗表明,采用19/32的套管是合理的選擇.3.4試件浸沒深度的影響本文定義的浸沒深度h為試件底端入口距自由液面的距離,實驗中濃溶液的出口高度(1660mm)保持不變,h的變化只通過增減儲

20、液桶中溶液數(shù)量來實現(xiàn).從圖3圖6可以看出,在相同的q或T下,h越大,wg越小;反之,h越小,wg越大.GH2O隨著h的增減沒有什么規(guī)律,這主要是因為:4結論(1)采用內外管同時加熱弦月形通道內的LiBr稀溶液,大大減小了加熱水與LiBr溶液之間的傳熱溫差,降低了過熱度,實現(xiàn)了較低太陽能加熱水溫度(80以下)時溶液的沸騰與提升.(2)LiBr溶液在通道中的沸騰與提升受T的影響很大.當T<70時,溶液很難提升;當T在7585時,溶液的提升及冷劑水的產生較為穩(wěn)定.隨著T的升高,GH2O及wg均增加.(3)本實驗研究的弦月形通道溶液提升管具有明顯的溶液提升功效,在適當選擇截面積的情況下,溶液的凈

21、提升高度可達到稀溶液浸沒高度的2.5倍,所需的運行溫度最低可達68左右,這為系統(tǒng)降低對供熱源溫度的要求提供了便利條件.(4)wg隨著h的減小而增大;GH2O隨著h的變化主要取決于溶液提升量和干度的增減幅度.(下轉第46頁)© 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.46西安交通大學學報第38卷對該機構進行了有限元分析和優(yōu)化設計.試制了驅動器的樣機,并對樣機進行了靜、動態(tài)特性分析.實驗結果表明,該前置級驅動器具有較好的位移輸出特性和優(yōu)異的動態(tài)性能,可以應用于電液伺服閥前置級驅動器的實驗

22、研究中.參考文獻:1LindlerJ,AndersonE.Piezoelectricdirectdriveservo2valveA.ProceedingsofSPIE:IndustrialandCommer2cialApplicationsofSmartStructuresTechnologiesC.SanDiego:TheInternationalSocietyforOpticalEngi2neering,2002.488496.2MurrenhoffH.液壓控制技術發(fā)展趨勢J.吳根茂,圖6前置級驅動器的阻抗特性譯.工程設計,1997(3):2029.3GePing,JouanehMusa.Modelinghysteresisinpiezoce2ramicactuatorsJ.PrecisionEngineering,1995,17(3):210221.圖7前置級驅動器的幅頻特性4GePing,JouanehMusa.GeneralizedPreisachmodelforhysteresisnonlinearityofpiezoceramicactuatorsJ.PrecisionEngineering,1997,20(2):99111.器,利用壓電疊堆作為電2機械轉換元件,設計了基于三角形放大原理