管排与V形丝网填料交替结构中液膜流动可视化实验

易哲宇 吴嘉峰 陈亚平 纪光菊

(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)



管排与V形丝网填料交替结构中液膜流动可视化实验

易哲宇 吴嘉峰 陈亚平 纪光菊

(东南大学能源与环境学院, 南京 210096)

搭建了管排和填料交替结构中液膜流动的可视化实验装置,并对管排和V形不锈钢丝网填料交替结构以及无丝网的光管排中的溴化锂溶液流动进行了观察实验.通过对比溴化锂溶液在单列光管排和管排加丝网填料交替结构中的流动特征,分析了V形丝网填料对溶液流动的引流、布液和收集飞溅液体的有益作用.溴化锂溶液在交替结构中流动时,溶液在填料上依附于丝网表面向下流淌,并由丝网填料导流至下层管子上端.这种结构能够加强溶液混合,减小溶液的飞溅率和管子表面的干斑比例,有利于增加溶液与蒸汽接触的时间和传质面积,从而增强溶液吸收的驱动势,有利于吸收传热传质的强化.

强化吸收;流动形态;不锈钢丝网填料;交替结构

溴化锂溶液广泛应用于工业吸收器中，但吸收器的性能比其他热工设备差[1].因此提高吸收器内的热、质交换系数,增强吸收性能具有重要的工程意义[2-5].填料式吸收器在增加吸收面积、延长接触时间等方面具有优势,目前已在一些氨水吸收等领域中得到了广泛应用[6].然而,在以溴化锂溶液为吸收剂的系统中,填料式吸收器作为绝热吸收器,通常只应用于传热、传质分离的吸收系统中[7-8].由于传热和传质过程的分离,溴化锂浓溶液将在预冷降温后进入填料区.在预冷却段,溶液容易结晶,而进入填料区的快速温升则将很快减弱溶液吸收的驱动势差.

为了更好地解决溴化锂溶液吸收器缺少吸收面积、接触时间过短等问题,弥补传热传质分离吸收方案的不足,将金属丝网在折叠后作为填料,插入到传统的吸收器管束中.以管排与填料交替的热、质耦合传递过程替代传统的水平管束降膜吸收过程,可以设计出有利于强化传热传质的管排和丝网填料交替的吸收芯体结构.

在交替结构中溶液的流动状况是影响溶液与冷却水的换热、溶液的浓度变化、气液界面的平衡温度等决定吸收传热传质性能的重要因素[9].水平管间的丝网填料如能在增加吸收面积、延长吸收时间的同时促进溶液的混合和均匀分布,并减小溶液的飞溅损耗,将有利于吸收性能的强化.可见,开展溶液在交替结构中流动的可视化实验研究对丝网结构的科学设计具有重要的意义.然而,由于密封条件的限制,在测量吸收传热传质性能的同时开展流动的可视化实验比较困难,因此,本文单独搭建了一套敞开的观测管排与丝网填料交替结构中流体流动的可视化实验装置,并开展了实验研究.通过对比加入丝网填料前后流体的流动形态及分布等方面的不同,从流形变化的角度来揭示带丝网填料的交替结构强化吸收传热传质的机理.在现有的文献资料中,对水平管表面的降膜流动和管间溶液流动已有较多的研究[10-15].但是,管排和丝网交替结构中的流动问题研究较少.因此,本文的研究工作对丰富管间填料区域的溶液流动理论具有参考价值.

1 实验装置

1.1 可视化实验台

如图1所示,实验主体段自上而下分别为布液器、布液管和管排.为了拍摄清晰和测量简单,实验台采用单列管排方案模拟吸收器的内部结构.流体(溴化锂溶液)通过布液器均匀喷淋在布液管上,以模拟吸收器中的布液情况.布液器为一直管,底部开孔直径为1.2 mm,孔中心间距为5 mm,有效布液长度为500 mm,两端均匀进液.布液器下2 mm处设置布液管,用于减小流体对第1根水平管的冲击,保证流体在第1根测试管表面分布均匀.管排为8根外径12 mm的不锈钢管,管子中心距50 mm(管间距38 mm).管子两端固定在支架上,将各管调节至同一竖直平面且间距相等.管子间的丝网填料为V形丝网填料,如图1(a)的局部放大图所示.40目丝网的底部折线与水平管平行,而且与水平管的顶部对齐,V形结构有利于收集上一根管子上流下的溶液,以使溶液能够聚集在一起向下一根管流动.丝网的端面被堵死,以防溶液从两端泄漏.流体流过管排与丝网填料交替结构后由储液箱收集,通过循环泵循环.丝网填料可拆卸,能够卸下丝网填料进行传统单列管排的对比实验.在实验台正面摆放摄像仪,拍摄流体在水平管束和丝网间流动的影像.

1—布液器；2—布液管；3—丝网；4—调节螺母；5—储液箱；6—过滤器；7—循环泵；8—流量计；9—测试管；10—调节阀

(a) 可视化实验台原理图及丝网填料左视局部放大图

(b) 可视化实验台照片

实验中使用的溴化锂溶液浓度为(50±0.1)%,与吸收器中稀溶液的浓度接近.为了保证实验区域的清洁,在每次实验前,都将对布液器、布液管、管排和丝网填料进行清洗.清洗剂依次采用去离子水、酒精、丙酮,之后再用去离子水洗净.必要时还可用稀硫酸去除表面锈斑.同时,为了保护泵和流量计,在溶液泵入口设置了过滤装置.

1.2 实验数据处理及误差分析

在液膜流动的可视化实验中,除流体在管束和填料交替结构中流动的影像资料外,还可以同时获得流体入口质量流率、飞溅率和管子表面的干斑面积率等实验数据.

通过控制调节阀,可以调节流体的体积流量V.体积流量使用Omega FTB602B流量计来测量,其精度为εV=±1%.实验中,流体入口质量流率Γ可由下式计算得到:

(1)

式中,ρ为溶液的密度,通过文献[16]查取,其不确定度为ερ=±0.2%;l为水平管长,l=0.5,其不确定度为δl=±0.002 m,相对误差为εl=0.4%.根据下式,可得Γ的相对误差εΓ:

(2)

流体的降膜雷诺数Re和其相对误差εRe由下式得到:

(3)

(4)

式中,μ为流体运动黏度,通过文献[16]查取,其不确定度为εμ=±0.2%.结合溴化锂吸收式制冷的实际应用,实验中Re取值范围约为20～85.

流体的飞溅率φ可由下式求出:

(5)

(6)

式中,gf为单位时间流体的飞溅量;Gf为流体飞溅量,由电子天平称重测量;t为测量时间,由秒表测量.流体飞溅量的最大相对误差为εGf=±2%;测量时间误差为δt=0.1 s,测量时间固定为t=2 min,因此测量时间相对误差εt=±0.08%.单位时间流体飞溅量的相对误差εgf和流体飞溅量相对误差εφ为

(7)

(8)

管子表面的干斑面积可以通过图片分析获得.如图2所示,在拍摄的照片中可以清晰地分辨管道润湿和干斑区域.由此可以获得管子表面的干斑面积率θ为

(9)

式中,Ag为管子的干斑面积;A为管子的总表面积.为保证数据有效性,每个数据点都计算随机的5张全景照片中的干斑面积,取其均值.通过图片分析计算,干斑面积的不确定性较大,在本实验中,单张全景照片统计的干斑面积率与5张照片的统计均值θ的最大相对误差为17.4%,因此取εθ=±17.4%.

(a) 不带丝网填料

(b) 带有丝网填料

根据式(1)～(9),可以得到实验中所有计算参数的不确定度,如表1所示.

表1 实验计算参数的不确定度

2 可视化实验结果及分析

为了研究溴化锂溶液在管排和丝网填料交替中的流动状态,本文基于文献[10]对实验装置进行了验证.在相近的实验条件下,随着Re的变化,流体流形也有相同的变化.由此可知，在以溴化锂溶液为工质时,通过实验装置所获得的流型是可靠的.

2.1 流体流形

图3为溴化锂溶液在单列管排结构和交替结构上的流动全景照片.为了便于比较,本文选取了2组相近Re的流体,其中单列管排结构为Re=71.9±0.8,40.5±0.4,交替结构为Re=71.3±0.8,40.9±0.4.

当Re≈71.6时,图3(a)显示溴化锂溶液在单列管排上流动时,第1～3根管子上能够基本保持溶液的均匀分布和稳定流动,在第4～8根管子上溶液的流动已经由于各种扰动而无法稳定.溶液与管子撞击后的飞溅现象十分明显.图3(b)显示在管排间加入V形丝网后,溴化锂溶液在前7根管子上都能够保持较均匀的分布和稳定的流动,仅在最后1根管子表面均匀性和稳定性较差.由于丝网的滞留和导流等作用,几乎看不到溶液的飞溅现象.

当Re≈40.7时,图3(c)显示溴化锂溶液在单列管排上流动时,仅第1根管子能保持溶液的均匀和稳定流动,随着溶液向下流淌,干斑面积逐渐增大,管间流淌的溶液也因飞溅等原因,逐渐减少.图3(d)显示在管排间加入丝网填料后,明显看到管子表面的溴化锂溶液分布得更均匀.溶液在前6根管子上都能保持稳定流动,而且几乎看不到液体飞溅现象.

(a) 单列管排,Re=71.9±0.8

(b) 交替结构,Re=71.3±0.8

(c) 单列管排,Re=40.5±0.4

(d) 交替结构,Re=40.9±0.4

由图3可见,在单列管排上,溶液沿着流动方向越来越不稳定,越流越少,干斑区域在液体飞溅等因素的作用下逐渐扩大.而在管排与丝网的交替方案中,溶液离开上层管子后进入了丝网区域.在丝网区域中,溶液的流动速度由于丝网的阻滞而减缓,这有利于增加溶液与蒸汽接触的时间;丝网填料是良好的混合装置,浓度更为均匀,可以减轻因吸收水蒸气后层流溶液的外层浓度减小而减弱溶液吸收驱动势的问题.此外,丝网填料还起到良好的导流作用,几乎所有的溶液都被均匀地导流至下层管子的上端.在图3(b)和(d)中可以看到,溴化锂溶液液膜在丝网表面成股或成片流下.这些溶液在没有丝网的条件下,大多将成为飞溅的溶液离开管排区域.此外,在表面张力的作用下,溶液在单列管排上的布液长度沿流动方向逐渐收缩.在图3(a)和(c)中,第8根管子上的布液长度分别仅为第1根管的2/3左右和1/2左右;而在图3(b)和(d)中,第8根管子上的布液长度分别为第1根管子的4/5左右和3/4左右.由于液体的飞溅和布液长度的缩短,在溴化锂溶液流经单列管排上时,管子表面会形成大量干斑.图3(a)和(c)中管子表面的干斑比例θ分别为15.2%和18.5%;而图3(b)和(d)中管子表面的干斑比例θ分别为6.4%和7.5%.可见溴化锂溶液流经交替结构时,管子表面的干斑比例明显减少.

图4为不同Re下,单列管排和添加丝网填料的交替结构中溶液的局部流动状态.在单列管排上,溶液总是沿着流动方向越来越不稳定,越流越少,润湿区域逐渐缩小;而在添加丝网填料的交替结构上,能看到大块的丝网表面被溶液覆盖,几乎所有溶液都能流到下层管子的上表面,溶液沿流动方向减少和管子表面润湿区域缩小的趋势都不明显.可见,在单列管排中加入丝网填料,溶液在管间顺着丝网向下流淌至下层管子的上端.受到丝网多孔介质的影响,溶液在流经丝网填料时不仅流动速度会减缓,还会顺着钢丝向两侧流动,均匀地流到下层管子,使得溶液在整个吸收段都能较均匀地分布.丝网填料这种阻滞和引导溶液流动的效果,有利于增加溶液与蒸汽的接触时间和接触面积,增强传热传质.

Re=32.4±0.4

Re=50.6±0.6

Re=60.8±0.7

Re=81.0±0.9

Re=33.2±0.4

Re=50.9±0.6

Re=61.1±0.7

Re=80.5±0.9

2.2 飞溅率和干斑面积率

图5给出了溶液的飞溅率φ随Re变化的实验曲线.在单列管排方案中,溶液在管间的流动几乎没有阻力.液滴在重力的作用下,会以较高的动量撞击在下层管排上,溅起小水花.这会使一部分溶液脱离管子区域,从管子两侧飞溅下来.数据显示飞溅溶液量较大,占总流量的55%～64%.加入V形丝网填料后,V形丝网的开口结构能够把管排两侧的飞溅溶液收集起来,导流至下层管排上表面,减小溶液的飞溅率.而丝网填料的多孔介质结构又能够明显降低溶液在管间区域的流速,使得溶液撞击下层管子时的动量较小,飞溅溶液更少,使飞溅率几乎为0.提高了吸收剂的使用效率,增强吸收能力.为了消除实验系统安装的影响,本文对该组数据进行了多次重复安装和测量,图5中给出了2组单列管排测飞溅率方案的数据.实验结果显示,飞溅率随Re的变化趋势基本稳定.

图5 加入丝网填料前后溶液的φ和θ随Re的变化趋势

图5还给出了管排的干斑比例θ随Re的变化趋势.无论是单列管排还是管排、填料交替方案,管排的干斑面积均将随着溶液流量或Re的增加而有所减小.丝网填料可以引导溶液顺着丝网的钢丝向两侧流动,均匀地流到下一层管子上,使溶液在管上更加均匀地分布,降低管子表面的干斑比例.溴化锂溶液在交替结构方案中流动的飞溅率和管子表面干斑比例均远小于单列管排方案.

在管排间加入V形丝网填料能够明显减少溶液飞溅率和降低管子表面干斑比例;减小溶液流速和加强溶液混合,有利于增加溶液与蒸汽接触的时间,并增强溶液吸收的驱动势;丝网填料能起到良好的导流作用,溶液依附于丝网表面向下流淌,并将溶液集中至下层管子上端,均匀地流过下层管子,这样能够使溶液在管子表面更均匀地分布,从而充分利用传热传质面积.

3 交替结构吸收传热传质效果检验

为检验管排与V形丝网填料交替结构强化溴化锂吸收传热传质的实际效果,对吸收器传热传质性能进行了实验,并将交替结构吸收芯体和光管管排吸收芯体的传热传质实验数据进行了对比.实验的Re范围约为15～40.

吸收传热传质实验在一套单压力的吸收性能实验装置中进行.在实验中,吸收器压力、溴化锂浓溶液喷淋温度和浓度分别稳定控制在(2.5±0.02)kPa、(40±0.2)℃和(55.75±0.15)%.另外,冷却水进口温度控制在(10.5±0.3)℃,流量控制在(4.0±0.15) L/min.

图6是光管管排和管排与V形丝网填料交替结构吸收传热传质实验结果的对比图.实验数据显示,交替结构的冷却水负荷和吸收量均大于光管管排,因此,交替结构吸收器相比于光管管排吸收器有着明显的优势.

图6 光管管排和交替结构性能实验中的Q和G随Re的变化

4 结论

1) 溴化锂溶液在单列管排上流动时,溶液在离开上层管子后,直接滴落到下层管子上或者产生飞溅离开管排;而在管排和填料交替结构中的溶液在离开上层管子后几乎全部被丝网填料层收集.丝网填料具有减小溶液流速和加强混合的作用,有利于增加溶液与蒸汽接触的时间,并增强溶液吸收的驱动势.

2) 溴化锂溶液在单列管排上流动时,溶液总是沿着流动方向越来越不稳定,越流越少,干斑区域在表面张力等的作用下逐渐增大.丝网填料则起到导流的作用,溶液依附于丝网表面成股或成膜向下流淌,并将溶液集中至下层管子上端,均匀地流过下层管子.溴化锂溶液在交替结构方案中流动的飞溅率和管子表面干斑比例均远小于单列管排结构.

3) 传热传质性能实验测量数据表明,管排与 V形丝网填料交替结构吸收芯体能够增强吸收器的吸收能力.

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Visualization study on liquid film flow pattern in tubes and V-shaped mesh alternating structure

Yi Zheyu Wu Jiafeng Chen Yaping Ji Guangju

(School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China)

A visualization test rig was built to observe the LiBr solution flowing in a column of tubes and V-shaped mesh alternating structure. The visual experimental investigation was conducted for the alternating structure and the column of bare tubes. The beneficial impacts of the V-shaped mesh packing inserts between tubes in collecting, guiding and distributing the fluid flow were demonstrated and the different features of LiBr solution flow patterns were investigated in bare tube column and the alternating structure. It is shown that when the LiBr solution flows down from the outer surface of the upper tube, the V-shaped mesh packing can guide and distribute the fluid well onto the lower tube, which greatly decrease both the spatter loss rate of splashed liquid and the dry spots ratio of the lower tube surface and promote solution mixing as well. All these features can expand the absorption time and area, enhance the absorption driving potential, and therefore, enhance the absorption heat and mass transfer.

absorption enhancement;flow pattern;stainless steel mesh packing;alternating structure

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.015

2014-12-21. 作者简介: 易哲宇(1989—)，男，硕士生；陈亚平(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，ypgchen@sina.com.

国家自然科学基金资助项目(51206022,51276035).

易哲宇,吴嘉峰,陈亚平,等.管排与V形丝网填料交替结构中液膜流动可视化实验[J].东南大学学报:自然科学版,2015,45(3):497-502.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.03.015

TK124

A

1001-0505(2015)03-0497-06