基于熱-機械泵循環(huán)的降膜蒸發(fā)換熱特性的理論及實驗研究.pdf

1、吸附式制冷是一種節(jié)能環(huán)保的綠色制冷技術(shù),在低品位熱能回收和太陽能等新能源開發(fā)利用方面具有廣闊的應(yīng)用前景,然而吸附床的換熱效率較低,尤其是在冷卻后期,由于溫差變小,吸附床的換熱性能急劇下降,造成系統(tǒng)的制冷系數(shù)偏低,成為制約吸附制冷技術(shù)大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸之一。
　　 針對吸附床換熱效率低的問題,本文提出了基于熱驅(qū)動循環(huán)的降膜蒸發(fā)換熱熱管對吸附床進行強化換熱,同現(xiàn)有的分離式熱管相比,本文提出的新型熱管具有以下四個方面的顯著優(yōu)勢:其

2、一是在冷卻階段采用了高效的降膜蒸發(fā)冷卻,可充分發(fā)揮其換熱溫差小的優(yōu)勢,即當(dāng)吸附床溫度在100℃以下,特別是在60℃以下,依然能實現(xiàn)高效的潛熱換熱,使床溫很快得到冷卻,實現(xiàn)吸附制冷；其二是系統(tǒng)中采用熱驅(qū)動的熱.機械泵進行強化循環(huán),系統(tǒng)無運轉(zhuǎn)部件且實現(xiàn)低品位熱能驅(qū)動,可提高能源利用率和系統(tǒng)運行可靠性,降低運行成本；其三是采用熱驅(qū)動循環(huán)降膜蒸發(fā)冷卻后,減少了系統(tǒng)閥門的用量,且所需閥門均是單向動作,因而可采用工作可靠且密封良好的電磁閥,避免了以

3、往采用球閥在吸附床高低壓交變和冷熱交變工況下頻繁啟閉而出現(xiàn)的性能下降,可靠性降低等問題；其四是系統(tǒng)采用輸送管與蒸發(fā)管的一體化設(shè)計,使系統(tǒng)更為緊湊,便于系統(tǒng)的小型化。對于這一新型熱管,其工作特性不僅取決于所采用的熱-機械泵的水力學(xué)特性,也取決于降膜蒸發(fā)換熱特性。對此,本文從理論上進行了深入的分析與討論,并搭建了相關(guān)實驗研究平臺,對其工作特性進行了測試,主要工作內(nèi)容如下:
　　 (1)提出了低品位熱驅(qū)動的熱-機械泵循環(huán)降膜蒸發(fā)換熱器

4、,對其工作原理,影響因素和工作特點進行了詳細的介紹和論述。并對其應(yīng)用于重力熱管和分離式熱管中,用于吸附制冷系統(tǒng)中雙床運行系統(tǒng)和多效雙重系統(tǒng)中的工作特點展開了論述。
　　 (2)分別對蒸汽舉升輸送和噴射輸送熱.機械泵的流動特性展開了深入的理論和實驗研究,結(jié)果表明:在輸送相同流量時,采用噴射輸送的高度比為采用蒸汽舉升輸送的2.8-12倍,前者的效率為后者的4-8倍?？梢妵娚漭斔偷墓ぷ魈匦愿鼉?yōu),更適合用于本文提出的熱.機械泵循環(huán)降膜蒸

5、發(fā)器的一體化設(shè)計中。對用于單管降膜蒸發(fā)的噴射輸送熱-機械泵,其噴嘴直徑推薦為1mm,喉嘴距為8mm,輸送管直徑為4mm。
　　 (3)對降膜蒸發(fā)換熱展開了深入的理論研究,針對降膜蒸發(fā)過程中蒸發(fā)蒸汽所產(chǎn)生的界面剪應(yīng)力沿程變化的特點,建立了變剪應(yīng)力層流飽和液膜流動和換熱數(shù)學(xué)模型,模型充分考慮了液膜初始雷諾數(shù)、蒸發(fā)管管徑、壁面過熱度和蒸發(fā)溫度等因素對液膜流動和換熱的影響,同現(xiàn)有的等剪應(yīng)力模型計算結(jié)果相比,其具有更高的預(yù)測精度,在本文研

6、究范圍內(nèi),由蒸發(fā)蒸汽所產(chǎn)生的無因次界面剪應(yīng)力在0.9～0.99之間。另外,也建立了湍流飽和液膜流動和換熱模型,將理論分析結(jié)果同已有的實驗結(jié)果進行了驗證,結(jié)果表明其相對誤差不超過20％。
　　 (4)搭建了基于熱驅(qū)動噴射輸送的熱一機械泵循環(huán)降膜蒸發(fā)換熱器性能測試臺,研究了在穩(wěn)定工況下,熱水側(cè)進口水溫和驅(qū)動熱源溫度對降膜蒸發(fā)換熱性能的影響；并模擬故障或停機工況,研究了非穩(wěn)定工況下的換熱特性,結(jié)果表明:在熱負(fù)荷的進口水溫為34℃,蒸發(fā)

7、溫度為29℃時,熱驅(qū)動降膜蒸發(fā)的蒸發(fā)換熱系數(shù)可達6865 W/m2.K,達到良好的傳熱效果；在本文研究的非穩(wěn)定工況工作范圍內(nèi),夾套中熱水以約12℃/min的速率均勻下降,因此也適合處理熱敏性介質(zhì)。
　　 (5)對基于熱.機械泵循環(huán)降膜蒸發(fā)換熱熱管的工作特性展開了深入的研究,表明在相同熱管高度時,本文提出的新型熱管的熱傳導(dǎo)性能是常規(guī)重力熱管的4.0～5.5倍；同時搭建了熱.機械泵循環(huán)降膜蒸發(fā)分離式熱管實驗臺,研究其在冷熱交變和高低

8、壓交變工況下的工作特性,表明該新型分離式熱管在高溫段(100℃～150℃)和低溫段(100℃以下),尤其是60℃以下,均具有良好的換熱效果,說明該新型熱管采用同一種工作介質(zhì)可在更寬廣的溫度范圍內(nèi)工作。
　　 以上研究表明,與常規(guī)機械泵循環(huán)降膜蒸發(fā)換熱器相比,在達到相同換熱效果的情況下,基于熱.機械泵循環(huán)的降膜蒸發(fā)換熱器可采用低品位熱驅(qū)動循環(huán),實現(xiàn)無運轉(zhuǎn)部件運行,提高能源利用率,降低運行成本:且可實現(xiàn)循環(huán)與換熱的一體化設(shè)計,使系統(tǒng)

9、更為緊湊,便于小型化應(yīng)用。而將其用于重力熱管中則可大幅度提高了熱管蒸發(fā)段的換熱面積,并且在蒸發(fā)段實現(xiàn)高效的降膜蒸發(fā)換熱,同時可消除常規(guī)重力熱管中攜帶限和沸騰限的約束,有效縮短了熱管的啟動時間,增大了熱管的工作溫度范圍。將其應(yīng)用于吸附制冷系統(tǒng),模擬實驗研究表明,采用熱.機械泵循環(huán)降膜蒸發(fā)換熱器可加快吸附床冷卻后期的冷卻速率,使吸附床的加熱/冷卻周期由30min左右縮短到16min,可有效提高系統(tǒng)工作性能；且對于雙床運行系統(tǒng),只需4臺單向動