工作参数对垂直管内R124/DMAC鼓泡吸收能力的影响

徐士鸣，蒋孟男，胡军勇，王 伟，吴 曦

（大连理工大学能源与动力学院，大连 116024）

工作参数对垂直管内R124/DMAC鼓泡吸收能力的影响

徐士鸣，蒋孟男，胡军勇，王 伟，吴 曦

（大连理工大学能源与动力学院，大连 116024）

通过搭建一套垂直管管内鼓泡吸收可视化实验平台，探究工作参数变化对以 R124/DMAC为工质的管内鼓泡吸收过程流型变化及吸收高度的影响情况.吸收高度表征鼓泡吸收器的吸收能力，在相同的工作参数下，吸收高度越低表明鼓泡吸收器的吸收能力越强.实验结果表明，吸收高度与气、液体积流率，溶液入口温度、质量分数，喷嘴孔径，吸收压力及冷却效果均有关系.增加液体体积流率、吸收压力与增强冷却效果，降低溶液入口温度、质量分数及喷嘴孔径，均能降低鼓泡吸收高度，提高吸收器的吸收能力.经对实验数据进行多元线性回归处理，给出R124/DMAC鼓泡吸收高度的估算式，误差约为±20%,.

鼓泡吸收；可视化；R124/DMAC；垂直管；吸收高度

随着吸收式制冷应用范围的不断扩展，吸收式制冷能否小型化成为制约其应用领域的重要因素之一.尤其是对于汽车、舰船等废热制冷系统，要求其系统小型、轻量化，并能在颠簸、摇摆等不稳定情况下正常工作.同时还要求系统内所采用的工质尽可能是无毒或低毒、不可燃或低可燃性等.常用的溴化锂水溶液系统与氨水溶液系统并不完全适用于这类运动型废热制冷设备［1］.为满足废热驱动的吸收式制冷系统在车、船等特殊场合中应用，新型的有机工质可以满足其要求.综合目前对有机工质吸收性能研究［2-4］分析，R124/DMAC有机工质比较适合用于车、船等废热制冷系统中. 徐士鸣等［5-8］对以R124/DMAC为工质的车用新型吸收/压缩混合制冷系统的可行性进行了理论分析与实验验证，获得较为理想的效果.然而对系统中的重要部件即空冷翅片管内鼓泡吸收器的热、质传递特性研究尚鲜见报道，这给采用R124/DMAC工质的管内鼓泡吸收器的设计和实际应用带来不便.

鼓泡吸收比降膜吸收具有更优异的吸收性能［9-10］，且鼓泡吸收器的特殊结构形式使其可以用于运动型的废热制冷系统中.然而，作为吸收式制冷系统中的重要设备之一，其吸收能力很大程度上决定其结构尺寸，也是吸收式制冷系统能否小型化的关键因素之一.目前，对鼓泡吸收研究大多数集中于大池面单气泡或连续单气泡吸收过程热、质传递特性和气泡直径的估算以及纳米粒子对鼓泡吸收的强化［11］等方面，与实际的大气、液体积流率比条件下管内鼓泡吸收过程有相当大的差距.因此，为满足车、船等废热制冷要求，需要对具有大气、液体积流率比的鼓泡吸收过程进行探究.

目前，对具有大气、液体积流率比的鼓泡吸收过程的研究还比较少，且主要集中在氨水吸收方面. Kim等［12-13］以可视化实验与理论建模的方法，对在大气、液体积流率比条件下垂直管内氨水鼓泡吸收过程进行了研究，给出了吸收高度与气、液流率，溶液温度、质量分数，冷却水温度及热、质传递系数等参数之间的关系.Ferreira等［14］对垂直管内氨水鼓泡吸收的热、质传递性能进行研究，建立了热、质传递模型，并得出了吸收高度的关联式.Fernández-Seara等［15］对多管排风冷氨水鼓泡吸收器的吸收过程进行研究，针对不同两相流流型分别建立了热、质传递模型，并探究了气、液流率，冷却空气温度，管排结构尺寸等参数变化对吸收高度的影响，得出了相应的结构优化方法.罗玉林等［16］对风冷垂直管内氨水鼓泡吸收过程进行了仿真研究，得出吸收高度随多种参数变化的情况，以及吸收过程中出现的搅拌流、弹状流、泡状流3种流型所占比例等研究结果.

针对有机工质在大气、液体积流率比条件下的鼓泡吸收能力的研究鲜有报道，Suresh等［17-20］对以R134a/DMF为工质的鼓泡吸收过程及热、质传递特性进行了实验与理论的对比研究，但依然是针对单气泡或连续单气泡的鼓泡吸收过程.Sujatha等［21-23］研究了 R22与不同吸收剂组合时的吸收性能，重点研究了 R22/DMF在垂直管内鼓泡吸收过程的热、质传递特性，并给出传质系数关联式，但是其并没有对鼓泡吸收过程的吸收高度问题进行可视化实验.

本文采用可视化实验研究方法，对垂直管内R124/DMAC鼓泡吸收过程的流型变化、吸收高度以及影响吸收高度的多种参数进行探究，为R124/DMAC鼓泡吸收过程热、质传递特性研究奠定基础.

1　实验流程

实验流程如图1所示.

图1　垂直管内鼓泡吸收实验装置流程Fig.1　Experimental setup of vertical tubular bubble absorbers

实验前先将调制好的具有一定浓度的 R124/ DMAC溶液充入下溶液罐，并关闭上、下溶液罐之间阀门.然后开启溶液泵，调节溶液入口流率，溶液经换热器加热后，由吸收管底部进入，通过吸收管后流入上溶液罐贮存.当溶液流率稳定并达到所需温度与压力后（吸收压力由吸收管后的针阀调控），开启制冷剂罐阀门，调节气体流率，冷剂气体由吸收管下部喷嘴进入吸收管内产生气泡并被溶液吸收.实验用鼓泡吸收器采用有效长度为 630，mm的同心套管结构形式，内管为吸收管，冷却水流经内、外管间的环形通道带走吸收过程产生的热量.实验用鼓泡吸收器有两种形式，一种是可视化的玻璃套管鼓泡吸收器（内管内径 14，mm，外管内径 36，mm，壁厚均为3，mm），用于对两相流型以及吸收高度的观测；另一种是非可视化的铜质套管鼓泡吸收器（内管内径14，mm，外管内径 36，mm，壁厚均为 3，mm），利用铜管具有良好的导热性和易于设置温度传感器等优点，用于鼓泡吸收过程中，局部或整体热、质传递特性的测试和研究.本文针对可视化鼓泡吸收实验，利用高速摄像仪对鼓泡吸收过程形状和变化规律进行拍摄，同时记录进出口测点处的温度、压力和质量分数等参数.溶液吸收制冷剂后流入上溶液罐中的溶液质量分数高于下溶液罐中溶液质量分数，当下溶液罐内溶液达到最低液面后本轮实验结束，打开上、下溶液罐之间阀门，使上溶液罐内的溶液流入下溶液罐.这样可以进行下一轮溶液质量分数升高后的鼓泡吸收实验.实验参数测试范围如表1所示.

表1　实验参数测试范围Tab.1 Range of experimental parameters

2　鼓泡吸收过程可视化实验

图2显示了1组R124/DMAC管内鼓泡吸收过程由高速摄像机所拍摄的照片.实验条件为：吸收压力0.165，MPa，气体流率400，L/h，溶液流率4，L/h，溶液入口温度39，℃，质量分数40%，喷嘴孔径2.8，mm，冷却水温度33，℃，冷却水流量44,L/h.该组照片是以追踪一段气泡的方法，对在大气、液体积流率比条件下由气体喷嘴出口开始追踪一段气泡，直至该段气泡消失的整个过程进行拍摄，用以观察气泡从形成到消失整个过程的气泡形状以及两相流型的变化规律，并可测量吸收高度（喷嘴出口到气泡消失的垂直距离）.

图2表明，在大气、液体积流率比条件下，出喷嘴的气体速度较高，使得气体对吸收溶液产生剧烈扰动，并发生复杂的热、质传递过程［24］，气液两相流流型表现为无规则的搅拌流流型（见图2（a））.由于气泡在搅拌流中剧烈碰撞并迅速合并，并被溶液大量吸收，气柱中的气体流速逐渐降低，在溶液的表面张力、重力和扰动力的共同作用下，逐渐形成了由气弹和液弹组成的弹状流流型（见图2（b）～（i））.在此流型转变期间，由于气弹尾迹的卷吸以及制冷剂气体流速减慢，观察到后续气泡的上升速度大于先前气泡的上升速度，并逐渐追赶前一个气泡，出现气泡合并现象（见图2（b）～（e））.由于鼓泡吸收过程中搅拌流以及搅拌流与弹状流流型转变阶段的热、质传递速率较大［25-26］，所以气泡追赶、合并现象在该流型转变部位体现更加明显.在弹状流阶段，气弹与吸收管内壁面之间存在薄薄的一层环状液膜，使得液膜导热热阻减小.气弹上升的表观速度高于液膜上升的表观速度，气弹周围的液膜相对于气弹向下运动，气弹尾部与液膜脱离会产生复杂的紊流流态而形成大量小气泡群，相比于气弹与周围环状液膜间发生更剧烈的热、质传递现象.表现的形式即为气弹在上升过程中，尾部迅速被液体吸收而缩短.逐渐形成半椭圆形或椭圆形的泡状流（见图2（j）、（k）），最后被液体完全吸收而消失.在泡状流阶段，气泡与吸收管内壁面之间液膜平均厚度增大，液膜导热热阻随之增大.气泡相对于溶液的流速差减小，气体对溶液的扰动减弱.相比于搅拌流和弹状流阶段，泡状流阶段的气泡吸收过程热、质传递能力最弱.

图2　R124/DMAC鼓泡吸收过程气液两相流流型变化Fig.2 Gas-liquid two-phase flow patterns of R124/DMAC bubble absorption process

3　结果与讨论

3.1气、液体积流率对吸收高度的影响

在相同的气体体积流率条件下，管内鼓泡吸收高度的高低表征了吸收器吸收能力的大小，吸收高度越低，吸收器吸收能力越大.图3给出了在其他实验条件不变的情况下，气体体积流率和溶液体积流率变化对管内鼓泡吸收器吸收高度的影响.由图可见，溶液体积流率不变时，气体体积流率增加吸收高度随之增加.溶液体积流率分别为 2,L/h、4,L/h、6,L/h、8,L/h时，吸收高度对应标准偏差最大值分别为±29.7，mm（±8%，）、±40.9，mm（±11%，）、±33.5，mm（±10%，）、±42.1，mm（±14%，）.在实验值范围内，吸收高度增加的趋势基本为线性.这表明，鼓泡吸收器实际的吸收高度是随所吸收的制冷剂气体流量的大小而发生变化的.当吸收高度达到鼓泡吸收管有效吸收长度时，为鼓泡吸收器在该吸收条件下的最大吸收制冷剂量.

图3　不同溶液体积流率下，吸收高度随气体体积流率的变化Fig.3 Change of absorption height with vapor flow rate at different absorption solution flow rates

而气体体积流率不变时，溶液体积流率增加会使吸收高度降低.其原因在于，吸收相同流率的制冷剂气体，当溶液体积流率增加后，吸收结束时溶液质量分数会相对降低，使得吸收管内溶液平均质量分数减小，气、液之间的传质推动力增大，溶液可以更快地吸收制冷剂气体，从而导致吸收高度的降低.但是，对于吸收式制冷系统而言，制冷负荷不变而增大溶液流量，意味着溶液循环倍率增加，溶液泵功将会增加，系统的性能系数（COP值）会降低.尤其是对于采用气化潜热较小的氟利昂类制冷剂的有机工质，吸收式制冷系统溶液泵所消耗的功要远大于采用气化潜热大的水和氨制冷剂的无机工质系统溶液泵所消耗的功.从实验结果看，为了降低采用有机工质的吸收式制冷系统溶液泵所耗的能量，需要采用较小的溶液循环倍率，当制冷负荷降低时，溶液泵的流量也相应降低.即在制冷系统全工况内尽可能保持大的气、液体积流率比，以充分利用鼓泡吸收器面积，降低制冷系统全工况内溶液泵所消耗的能量.

3.2溶液入口温度对吸收高度的影响

图4给出了在其他实验条件不变的情况下，溶液入口温度变化对管内鼓泡吸收器吸收高度的影响.由图可见，在相同的制冷剂气体体积流率下，溶液入口温度越高，鼓泡吸收器的吸收高度也越大.其原因在于，溶液质量分数不变时，溶液中的制冷剂组分分压力会随温度的升高而提高，气相制冷剂压力与吸收溶液中的制冷剂组分分压力之间的压力差值减小，使得吸收传质推动力减弱，吸收相同量气体所需的热、质传递面积会增加.反映在管内鼓泡吸收条件下会使鼓泡吸收高度增大.溶液入口温度分别为 54，℃、46，℃、39，℃、26，℃时，吸收高度对应的标准偏差最大值分别为±35.8，mm（±12%，）、±38.3，mm（±11%，）、±40.9，mm（±11%，）、±27.4，mm（±8%，）.

图4　不同溶液入口温度下，吸收高度随气体体积流率的变化Fig.4　Change of absorption height with vapor flow rate at different solution inlet temperatures

在实验条件下，当溶液入口温度超过 46，℃时，发现气体体积流率达到 400，L/h时，吸收管内会出现吸收不完全的情况，即在吸收管出口处仍可以发现气泡.这些未被溶液吸收的气泡会随溶液一起流入上溶液储罐，溶液储罐液面上方累积过量的制冷剂气体后会使储罐内压力升高，而阻碍后续溶液流入，甚至会发生瞬间将液体压回的现象，影响吸收效果.所以，降低溶液入口温度是提高鼓泡吸收器吸收性能的重要措施之一.

3.3溶液入口质量分数对吸收高度的影响

图5给出了在其他实验条件不变的情况下，溶液入口质量分数变化对管内鼓泡吸收高度的影响.由图可见，溶液入口质量分数由 40%，降低到 30%，时，鼓泡吸收高度明显降低，降低约80%，.而溶液入口质量分数继续降低到 25%，时，鼓泡吸收管内几乎观察不到气泡.溶液入口质量分数分别为 40%，与 30%，时，对应的吸收高度标准偏差最大值分别为±35.8，mm（±12%，）与±22.8，mm（±13%，）.由此可见，溶液入口质量分数的高低对吸收高度的影响较大.其原因也在于：在相同的溶液入口温度和流率情况下，入口质量分数降低后，溶液内制冷剂组分分压力随之降低，与被吸收的制冷剂气体之间的分压力差增大，使得传质推动力增大，吸收同量气体所需的传质面积减小.

图5　喷嘴孔径为 2.8 mm时，入口溶液质量分数对吸收高度的影响Fig.5 Effect of solution inlet mass fractions on absorption heights at nozzle orifice diameter of 2.8 mm

然而，对于采用R124/DMAC为工质的吸收式制冷系统，其稀溶液质量分数取决于冷凝压力（或温度）和离开发生器时稀溶液温度（或热源温度）.经循环热力计算，在采用空冷冷凝方式及离开发生器时稀溶液温度不超过130，℃条件下，稀溶液质量分数不会低于 40%［8］.对于采用空气冷却的废热驱动吸收式制冷系统，如何提高鼓泡吸收器在高溶液入口质量分数条件下的吸收能力，是决定制冷系统的制冷效果以及系统小型化的关键问题之一.

3.4喷嘴孔径对吸收高度的影响

图6给出了在其他实验条件不变的情况下，喷嘴孔径（do）变化对吸收高度的影响.由图可见，当喷嘴孔径由 2.8，mm下降到 1.0，mm时，鼓泡吸收高度明显降低，降低了约 70%.对应的吸收高度标准偏差最大值分别为±35.8，mm（±12%）、±23.5，mm（±4%）、±29.5，mm（±13%）.显然，喷嘴孔径变化对鼓泡吸收能力有较大的影响.分析其原因在于，在相同制冷剂气体体积流率下，喷嘴孔径越小，出喷嘴的气柱直径越小，气体流速越大，气体对溶液的扰动越强烈.在管内溶液表面张力、重力和扰动力的共同作用下，气柱容易被溶液切割成一系列小气泡，也增大了气体与溶液之间的传质面积.两种因素的共同作用，导致采用小孔径喷嘴的鼓泡吸收器的吸收能力会有较大的提升.

图6　不同喷嘴孔径下，吸收高度随气体体积流率的变化Fig.6 Change of absorption height with vapor flow rate at different nozzle orifice diameters

图7给出了溶液质量分数分别为46%，与40%，而其他实验条件不变的情况下，喷嘴孔径为 1.0，mm时气体体积流率变化对鼓泡吸收高度的影响.比较图5与图7可以发现，喷嘴孔径为2.8，mm时，即使溶液入口质量分数为 40%，的情况下，制冷剂气体体积流率超过 360，L/h后，就出现制冷剂蒸气在鼓泡吸收管内不能被完全吸收的现象.而当喷嘴孔径减小到1.0，mm时，即使在溶液质量分数为40%，甚至高达46%，的情况下，气体体积流率达到 400，L/h时，制冷剂气体仍然可以在鼓泡吸收管内被溶液完全吸收.其中，溶液质量分数分别为46%，和40%，时，吸收高度最大标准偏差分别为±27.9，mm（±7%，）、±29.5 mm（±13%，）.

图7　喷嘴孔径为 1.0，mm时，入口溶液质量分数对吸收高度的影响Fig.7　Effect of solution inlet mass fractions on absorption heights at nozzle orifice diameter of 1.0，mm

但是，随着喷嘴孔径的降低，同体积流率下的制冷剂流过喷嘴的阻力也相应增大，会使气体侧的压力升高. 对于本次实验，当喷嘴孔径由 2.8，mm降低到1.0，mm时，气体侧压力升高约 5，kPa.对于吸收式制冷系统而言，鼓泡吸收器喷嘴流动阻力增大，在吸收压力不变时会使蒸发压力升高，或在蒸发压力不变时会使吸收压力降低.前者会使制冷效果变坏，后者会使吸收器吸收能力降低，吸收结束时溶液质量分数减小.两者最终均会使制冷系统的COP值减小.但实验结果对鼓泡吸收器喷嘴结构设计有一定的指导意义，可以考虑适当减小孔径，并采用多孔数的喷嘴结构（对此结构的喷嘴会做后续实验）.

3.5吸收压力与冷却效果对吸收高度的影响

图8给出了溶液入口温度为 55，℃，喷嘴孔径为1.0，mm，其他实验条件不变的情况下，吸收压力变化对吸收高度的影响.吸收压力为0.150～0.175，MPa对应的吸收高度最大标准偏差分别为±27.4，mm（±7%）、±29.5，mm（±13%）、±15.2，mm（±12%）.

由图8可见，增加吸收压力对鼓泡吸收高度有降低作用，但影响不是很大.对吸收式制冷系统而言，如果不考虑制冷剂蒸气流经喷嘴的阻力，其吸收压力基本与蒸发压力减去液柱压力后的值相等.因此，实际吸收压力变化是取决于系统的蒸发压力.从实验情况看，当蒸发压力提高后，吸收器的吸收能力还是有所提高.

图8　不同吸收压力对吸收高度的影响Fig.8 Effect of different absorption pressures on absorption height

图9给出了在其他实验条件不变的情况下，通过改变冷却水入口温度来改变鼓泡吸收器的冷却效果，并观察其对吸收高度的影响.由于可视化实验管内鼓泡吸收器采用厚壁玻璃套管制成，厚壁玻璃套管导热性能不如薄壁铜管，并且沿玻璃套管高度方向也难以设置温度传感器.故吸收管冷却效果好坏需通过溶液出口温度的高低来反映.在冷却水进口温度可变，而其他实验条件不变的情况下，溶液出口温度越低，表明冷却效果越好；反之，相反.其中，溶液出口温度 44，℃时，吸收高度最大标准偏差±42.7，mm（±10%），溶液出口温度 36，℃时，吸收高度最大标准偏差±27.9，mm（±7%，）.由图可见，随着冷却效果的增强，整体吸收高度随之降低.而在实际系统中，冷却介质入口温度受限条件下，强化鼓泡吸收器的换热，可以使吸收结束时的浓溶液温度降低，可以提高吸收器的吸收能力.

图9　不同溶液出口温度对吸收高度的影响Fig.9 Effect of different solution outlet temperatures on absorption height

4　管内鼓泡吸收高度关联式

由实验结果可知，管内鼓泡吸收高度与气、液体积流率，溶液入口温度、质量分数，喷嘴孔径，吸收压力，冷却效果均有关系.考虑到可视化实验所用鼓泡管为导热性能较差的厚壁玻璃套管，如果将冷却效果的参数设定为冷却水温度或与溶液间的换热热量，可能会对吸收高度关联式带来较大误差.所以，在吸收高度关联式中，冷却效果对吸收高度的影响表征为浓溶液出口温度对吸收高度的影响.在实验测试参数范围内，对大量实测数据进行多元线性回归处理，得出 R124/DMAC工质对在管内鼓泡吸收器内吸收高度的关联式为

图10为R124/DMAC吸收高度实验值与关联式估算值对比.由图可见，对于 90%，以上的随机测试点，关联式计算值与实验数据误差范围在±20%，以内，可以作为R124/DMAC管内鼓泡吸收高度计算的关联式.

图10　吸收高度实验值与估算值对比Fig.10　Comparison between experimental and predicted absorption heights

5　结　论

通过搭建一套垂直管内鼓泡吸收可视化实验平台，对以R124/DMAC为工质的鼓泡吸收过程的气泡形态变化及工作参数对鼓泡吸收高度的影响进行实验研究，研究结论如下.

（1） 在大气、液体积流率比、较高溶液入口温度和质量分数条件下，管内鼓泡吸收过程中流型变化依次出现搅拌流、弹状流与泡状流 3种流型，气泡在吸收管内会发生追赶、合并现象，而影响吸收高度.

（2） 吸收高度与气、液体积流率，溶液入口温度、质量分数，喷嘴孔径，吸收压力及冷却效果均有关系.增加溶液流率、吸收压力和冷却效果，减小气体流率、溶液入口温度、质量分数及喷嘴孔径，均能降低吸收高度，提高鼓泡吸收器的吸收能力.

（3） 通过对实验数据的线性回归分析，得出R124/DMAC管内鼓泡吸收高度的关联式，其计算值与实验值误差约为±20%，可用于对采用R124/DMAC为工质的鼓泡吸收器高度进行设计计算.

符号说明：

do—喷嘴孔径，mm；

p —吸收压力，MPa；

qV—体积流率，m3/s；

t —温度，℃；

w —制冷剂质量分数，%；

Z —吸收高度，m.

下标：

in —入口；

out —出口；

l —溶液；

g —制冷剂气体.

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［26］ 夏利江，魏 琪. 垂直管吸收器内泡式吸收热质传递过程分析［J］. 郑州轻工业学院学报：自然科学版，2007，22（1）：46-49. Xia Lijiang，Wei Qi. Analysis of heat and mass transfer process during the bubble absorption process in vertical tubular absorber［J］. Journal of Zhengzhou University of Light Industry：Natural Science，2007，22（1）：46-49（in Chinese）.

（责任编辑：田 军）

Effect of Working Parameters on the Bubble Absorption Capacity of R124/DMAC in a Vertical Tube

Xu Shiming，Jiang Mengnan，Hu Junyong，Wang Wei，Wu Xi
（School of Energy and Power，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

By constructing a set of visualization experimental platform for bubble absorption in the vertical tube，the influence of the working parameter changes on flow pattern change and absorption height in absorption process was explored for using R124/DMAC as working fluid.The absorption height can represent the absorption capacity of the bubble absorber.Low absorption height means high absorption capacity under the same conditions.Experimental results show that the absorption height is related to the refrigerant vapor flow rate，absorption solution flow rate，and its inlet temperature and mass fraction，the nozzle orifice diameter，absorption pressure and cooling effect.By increasing the solution flow rate and the absorption pressure，enhancing the cooling effect，decreasing the solution inlet temperature and mass fraction and the nozzle orifice diameter，all bubble absorption heights can be reduced and the absorption capacity of the absorber can be improved.By performing the multiple linear regression of experimental data，a correlation equation for estimating the R124/DMAC bubble absorption height was given within±20%， error band.

bubble absorption；visualization；R124/DMAC；vertical tube；absorption height

TB61

A

0493-2137（2016）08-0855-08

10.11784/tdxbz201503027

2015-03-12；

2015-07-08.

国家自然科学基金资助项目（51376032）.

徐士鸣（1957— ），男，教授，xsming@dlut.edu.cn.

蒋孟男，jiangmengnan@126.com.

网络出版时间：2015-07-14. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/12.1127.N.20150714.1426.003.html.