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小流量大温差LiBr溶液换热器传热性能的实验研究

点击:1219 日期:[ 2014-04-26 21:35:37 ]
                 小流量大温差LiBr溶液换热器传热性能的实验研究                       河南科技大学 浙江大学 王 林                          河南科技大学 马爱华                            浙江大学 陈光明                           河南科技大学 谈莹莹      摘要:搭建实验台,对小流量大温差条件下溴化锂水溶液在多套管式换热器和钎焊板式换热器中的传热性能进行了研究,并测试了溴化锂水溶液回收的饱和制冷剂水余热。基于实验数据拟合出溴化锂溶液钎焊板式换热器对流换热特征数方程,并与文献中的相应方程进行比较,以验证拟合方程的可靠性。实验结果表明,该方程可用于指导溴化锂溶液在钎焊板式换热器中流动的热力水力特性的理论分析,为换热器优化设计提供依据。     关键词:吸收式制冷 换热器 传热 压降 特征数方程 热回收     0·引言     溴化锂吸收式制冷机既可以燃气驱动,也可以太阳能、地热等可再生能源驱动,陈光明等人曾对溴化锂吸收式燃气空调的小型化技术进行过一些研究[1-5]。溶液换热器的小型化是溴化锂吸收式燃气空调小型化的关键技术。研究表明,强化溶液换热器传热性能有利于提高制冷机性能,同时也是缩小换热器的关键技术。如果溶液换热器换热效果差,必造成发生器浓溶液出口温度过高,换热器回收热量减少,发生器加热量增大,制冷机性能下降,而且吸收器热负荷增大,增加吸收器的传热面积,从而增大制冷机体积。就双效吸收式制冷机而言,低压发生器出口饱和制冷剂(水)的余热可在低温溶液换热器内被稀溶液回收,也节省高压发生器所需加热量,有利于提高制冷机效率。     大型吸收式制冷机组中高温溶液换热器和低温溶液换热器均具有换热量和溶液流量都较大的特点,采用壳管式换热器时,换热器体积较大。与大型吸收式制冷机不同的是,小型吸收式制冷机溶液换热器具有换热量小、溶液流量小(Re小)、换热温差较大的特点,为了实现吸收式制冷机小型化设计,不宜采用传统壳管式换热器,因此提出板式换热器和多套管式换热器两种设计方案。鉴于溴化锂水溶液在板式换热器和多套管式换热器中流动传热特性方面的研究公开报道较少,因此,本文主要介绍溴化锂溶液在这两种类型换热器中的换热特性的实验研究,同时,还对双效溴化锂吸收式制冷机中利用低温溶液换热器回收液态制冷剂(水余热效果进行了实验测试。     1·实验装置     本实验设计并搭建溴化锂溶液换热器性能及制冷剂余热回收实验台。                   实验流程如图1所示,包括溴化锂水溶液循环系统、冷却水循环系统和制冷剂循环系统。板式换热器和多套管式换热器采用并联连接,当进行板式换热器流动传热性能实验时,除溴化锂水溶液系统和冷却水系统工作外,还有闭式制冷剂(水)系统也参与工作。溴化锂水溶液循环过程为:集液器中溴化锂溶液经溶液泵送入溶液加热器而被加热成较高温度溶液,然后流入板式换热器(或多套管式换热器)与来自水冷却器的较低温度溶液进行换热而成为中间温度溶液,之后,中间温度溶液流入水冷却器与冷却水换热而成为较低温度溶液,水冷却器出口较低温度溶液经板式换热器(或多套管式换热器)换热后再流入集液器,并重复上述循环过程。其中溴化锂溶液流量调节是通过电压调节器来调节溶液泵转速、手动调节阀V9及手动调节阀V10来实现的;板式换热器(或多套管式换热器)高温溶液入口温度调节是通过调节溶液加热器加热量实现的;板式换热器(或多套管式换热器)低温侧入口溶液温度调节是通过调节板式水冷却器冷却水入口温度和冷却水流量来实现的,其中通过调节阀WV3和WV4调节进入水箱回水的流量从而实现温度调节,通过冷却水循环泵出口调节阀WV1及WV2可实现流量调节。冷却水循环过程为:板式水冷却器出口冷却水分为两支,其中一支流入水箱与作为冷却水的自来水混合后经循环泵送入板式水冷却器与来自板式换热器(或多套管式换热器)溶液进行换热,而另一支经冷却水出口被排至室外。制冷剂水循环过程为:制冷剂水在恒温热水器内加热至恒定温度后被送入板式换热器,并与少量较低温度的溶液换热后,再流回恒温热水器加热。换热器中流体之间流动均布置成逆流换热方式。     溶液换热器设计为板式换热器和多套管式换热器两种类型。实验中共设计并测试4种型号钎焊板式换热器,结构尺寸参数如表1所示,板片为人字形波纹板片,其波纹角度为120°。表1中B3-027-72-3.0-H型和SWEP-027-62-H型设制冷剂(水)余热回收通道(6个通道中制冷剂(水)通道3个),低温侧溶液和较高温度液态制冷剂进行换热。多套管式换热器由7根内管和1根外管组成,其中内管呈正三角形排列,内管采用Φ9.52×0.35 mm铜管,外管尺寸为Φ50×4 mm钢管,换热器有效长度1.96 m,其中设计结构如图2所示。                     实验所需测量参数为溶液(冷却水或制冷剂)温度、电加热器功率、换热器进出口压降、溶液(或冷却水、制冷剂)流量和溶液浓度等。温度测量均采用Pt100铂电阻,标定后精度为±0.1℃。加热器功率采用功率表测量。换热器的溶液进出口压降采用微压计测量。溶液流量和冷却水流量测量采用涡轮流量传感器测量。制冷剂水流量采用称重法测量以保证测量精度。溶液浓度测量方法是首先精确测量温度为30℃时溶液密度,然后再依据30℃时溴化锂溶液ρ-X关系式计算溶液浓度。溶液体积采用规格为(50±0.05)mL的容量瓶测量,采用电子天平测量质量,取3次测量结果平均值作为每组密度测量值。测量方法是将温度低于30℃的取样溶液注入3支预先洗净且烘干的容量瓶中,旋上瓶塞,然后放入温度为30℃的恒温槽中恒温15 min,取出洗净外壁残留溶液,再用干净毛巾和滤纸擦干外壁后称重。恒温槽温度控制精度±0.1℃。30℃溴化锂溶液浓度由文献[6]中拟合关联式确定:     式中 ρ为密度,kg/m3;X为质量分数。     测量仪表精度见表2。                   2·实验数据处理     2.1·换热器换热量计算方法                  式(2)~(8)中 Q为换热器换热量,W;G为溶液、冷却水或制冷剂(水)流量,kg/s;h为溶液比焓,kJ/kg;t为冷却水或制冷剂温度,℃;cp为冷却水或制冷剂(水)比热容,kJ/(kg·℃);ε为换热器热漏率;K为换热器传热系数,W/(m2·℃);F为换热器有效换热面积,m2;Δtm为冷热流体传热对数平均温差,℃;下标h表示高温侧溶液,l表示低温侧溶液,r表示制冷剂(水),i表示进口,o表示出口,w表示冷却水。     2.2 换热器进出口压降计算方法     流体流动总压降包括加速压降、重力压降和流动阻力压降三部分。流动总压降仅由重力压降和流动阻力压降组成,这是由于溶液进出口流速相等,故加速压降为零。           式中 Δpt为高温侧或低温侧流体流动总压降,Pa;Li,o为换热器进出口高差,m,就多套管式换热器而言,Li,o=0,就板式换热器而言,Li,o为板式换热器高度;Δpf为高温侧或低温侧流体流动阻力损失,包括摩擦阻力和局部阻力损失,Pa。     2.3 板式换热器特征数方程拟合     基于传热相似理论,同时考虑溶液换热器中流体温差较大,Nu计算公式为:          式中 Nu为努塞尔数;C,P,n为常数;Re为雷诺数,就板式换热器而言,特征尺寸为板间距的2倍,就多套管式换热器而言,特征尺寸为当量直径;Pr为普朗特数;μ,μwl分别为对应流体平均温度和壁面温度的溶液黏度,Pa·s。     对4种型号板式换热器和多套管式换热器进行测试,高温侧溶液与低温侧溶液之间换热的热平衡误差平均在±5%以内。鉴于多套式管换热器实验数据有限,因此只拟合板式换热器的换热性能特征数方程。运用修正Wilson法[7],对板式换热器测试数据拟合出不同特征数方程,以用于指导小Re大温差溴化锂溶液在板式换热器中流动时的板式换热器设计和理论分析。     基于262组实验数据拟合出溶液质量分数55%时特征数方程(Re<200):          3·实验数据结果分析     如表3所示,多套管式换热器中溴化锂溶液流量在0.12~0.36 m3/h范围时,高温侧溶液在多套管式换热器中流动换热时内管内Re从580增加到1 340,而低温侧溶液在内管外流动时,Re从220增加到600。不论管内溶液还是管外溶液始终处于层流流动状态,传热系数几乎保持不变,约为240 W/(m2·℃)。多套管式换热器中溶液流动为层流状态,阻力损失主要为层流摩擦阻力损失,内管内溶液单位长度压降为110~660 Pa/m,而内管外溶液单位长度压降为60~430 Pa/m。如表4所示,板式换热器中溶液流量在0.12~0.38 m3/h范围内,无论是高温侧溶液通道还是低温侧溶液通道内Re均较低,而传热系数却从140 W/(m2·℃)增到810 W/(m2·℃),传热系数较多套管式传热系数增加3倍多,可见,Re对板式换热器传热系数影响较显著,Re<100时溴化锂溶液在板式换热器中已处于湍流状态。板式换热器较多套管式换热器传热性能显著增强,板式换热器可实现溶液换热器小型化。然而,板式换热器中溴化锂溶液流动阻力也显著增大,其流动阻力损失约为多套管式换热器流动阻力的2倍。表中列出板式换热器中溴化锂溶液回收制冷剂(水)余热的实验数据,其中制冷剂流通的通道共3个,制冷剂(水)侧有效换热面积约0.20m2,测定制冷剂(水)流量为0.015 m3/h(设计值为0.014 m3/h),制冷剂(水)的余热回收量可达到1kW,较设计值0.75 kW高,这是由于实验测试中低温侧入口溶液测试温度比设计值低10℃的缘故。实验结果表明,以板式换热器为低温溶液换热器回收制冷剂(水)的余热方案可行,满足设计要求。     4·实验方程验证     图3~6分别是不同浓度溶液在板式换热器中流动换热时拟合特征数方程表面传热系数计算值与实验测试值结果比较。溶液质量分数55%情况下,特征数方程计算值与实验测试值相对偏差范围为-11.78%~+10.84%;溶液质量分数58%情况下,特征数方程计算值与实验测试值相对偏差范围为-16.08%~+15.33%;溶液质量分数60%情况下,特征数方程计算值与实验测试值相对偏差范围为-12.14%~+10.56%;溶液质量分数62%情况下,特征数方程计算值与实验测试值相对偏差范围为-14.84%~+18.57%。可见,特征数方程预测值和实验值能较好吻合,方程计算精度较高,适用于板式换热器的理论分析和设计。     图7是当前拟合溴化锂溶液在板式换热器中流动的Nu特征数方程与文献[8]所提供板式换热器Nu特征数方程计算结果比较。鉴于文献中尚无溴化锂溶液在板式换热器中流动传热相关研究,故以水在板式换热器中流动对流换热特征数方程进行比较,Manel等依据实验数据拟合冷却水在板式换热器中流动Nu特征数方程[8]:                   如图7所示,溶液浓度影响溴化锂溶液在板式换热器中流动传热特性,溶液浓度增大,表面传热系数减小。实验拟合方程(14)与文献[8]所提供的方程(15)计算表面传热系数偏差较大,随Re增加,偏差越大,Re=100时,方程(15)计算值较方程(14)计算值小59.8%,Re=200时,方程(15)计算值较方程(14)计算值小62.8%。可见,水在板式换热器中表面传热特征数方程用于溴化锂溶液在板式换热器中表面传热面积设计会明显增大板式换热器换热面积。                   图8是当前拟合溴化锂溶液在板式换热器中流动的Nu特征数方程与文献[9]所提供的溴化锂溶液在壳管式换热器中Nu特征数方程计算结果比较。溴化锂溶液在壳管式换热器中表面传热特征数方程[9]:          如图8所示,溴化锂溶液在板式换热器中流动传热特性显著强于溴化锂溶液在壳管式换热器中流动传热特性。实验拟合方程式(14)表面传热系数大于文献[9]所提供的方程式(16)表面传热系数,Re越大,二者偏差越大,Re=100时,拟合方程式(14)计算值比方程式(16)计算值大38.0%;Re=200时,方程式(14)计算值比方程式(16)计算值大43.3%。因此,大流量高Re条件下溴化锂溶液在换热器中表面传热系数的Nu方程不宜用于小型吸收式制冷机溶液换热器设计。溴化锂溶液在套管式换热器中流动传热特性弱于溴化锂溶液在多套管式换热器中流动传热特性,Re<200时,溴化锂溶液在多套管式换热器中表面传热系数是溴化锂溶液在套管式换热器中表面传热系数的2倍,二者变化趋势一致,这与实验结果相一致。     5·结论     5.1 提出小Re条件下溴化锂溶液在钎焊板式换热器流动传热Nu特征数方程,对溴化锂溶液板式换热器的理论分析和设计具有指导意义。     5.2 溶液浓度影响溴化锂溶液在板式换热器中流动传热特性,溶液浓度增大,表面传热系数减小。水在板式换热器中表面传热特征数方程用于溴化锂溶液在板式换热器中对流换热面积设计会明显增大板式换热器换热面积。壳管式换热器表面传热Nu特征数方程不宜用于小型吸收式制冷机溶液换热器设计。     5.3 钎焊板式换热器有利于实现吸收式制冷机的小型化设计。以板式换热器作溶液换热器,传热系数较多套管式换热器增加3倍多,有利于缩小制冷机体积。     5.4 以板式换热器作为低温溶液换热器,溴化锂溶液可有效回收制冷剂(水)的余热,实验结果充分证实制冷剂(水)余热回收方案的合理性。 参考文献: [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]陈光明,王林,钟明,等.小型节能风冷绝热吸收燃气空调装置:中国,ZL200410025649.5[P].2007 [3]王林,陈光明.小型节能风冷绝热吸收制冷循环性能研究[J].工程热物理学报, 2005,26(4):553-556 [4]王林,陈光明,王勤.一种风冷绝热吸收式燃气空调器研究[J].流体机械,2005, 33 (6):57-60 [5]王林,陈光明,王勤.填料型绝热吸收器传质过程影响因素实验研究[J].工程热物理学报,2007,28(2):202-204 [6]Ryan W A. Adiabatic water absorption in a spray ofan aqueous  solution of lithium bromide [D].Hopkins: UMI Company, 1996 [7]Moffat R J. Describing the uncertainties inexperimental results [J]. Experimental Thermal andFluid Science, 1988, 1(1): 3-17 [8]Vallès M, Bourouis M, Boer D, et al. Absorption oforganic fluid  mixtures in plate heat exchangers[J].International Journal of Thermal Sciences, 2003,42(1):85-94 [9]戴永庆.溴化锂吸收式制冷技术及应用[M].北京:机械工业出版社,1996
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