有机工质管内鼓泡吸收过程热、质耦合传递特性研究

This research project is to explore and discuss the rules of bubble motion and form change and the characteristics of heat and mass coupling transfer in a fin-tube bubble absorber while the refrigerant vapors are absorbed by organic working fluids in it. The main research contents conclude: 1) the rules of bubble form change in the process of bubble getting together, breaking and dissolving after the refrigerant vapor breaks away from a bubbling hole in a bubble absorption tube; 2) the heat and mass coupling transfer characteristics in the processes of the refrigerant bubble absorbed by organic working fluids under different vapor-liquid two phase flow form; and 3) to determine the heat and mass transfer coefficients and to give their non-dimensional relation expressions under the conditions of different inlet vapor-liquid volume flow ratios, different inlet concentration and temperatures of working fluids, different structure parameters of fin-tube bubble absorber and different heat transfer features outside fin-tube. The methods of experimental research combined with theoretical analysis are adopted in this research. Through the research, the characteristics of heat and mass transfer in the air cooling fin-tube bubble absorption process can be known, and the influence of the absorption and compression hybrid refrigeration cycle operation parameters and the absorber structure parameters on the working performance of the absorber can be explained. The research results can lay the foundations for researching and developing the compact vehicle waste heat absorption refrigeration system and air cooling fit-tube bubble absorber.

研究管内鼓泡吸收过程有约束制冷剂气泡群在有机吸收溶液中的运动和形态变化规律，以及热、质耦合传递特性。项目主要研究内容包括：1）受管壁约束条件下，鼓泡管内制冷剂蒸气从鼓泡孔脱离、聚合、破裂、湮灭全过程气泡形态变化规律；2）不同气液两相流态下，制冷剂气泡被管内有机吸收剂吸收过程质量、热量耦合传递特性及变化规律；3）测定各种制冷剂蒸气在不同入口气液体积流率比、不同入口浓度和温度，不同鼓泡吸收器结构参数和不同管外换热特性下，管内鼓泡吸收的热、质传递系数，给出相应的无量纲关联式。项目采用以实验研究为主结合理论分析的方法，揭示空冷翅片管内鼓泡吸收过程热、质传递特性，阐明汽车排气废热与动力联合驱动的吸收-压缩混合制冷系统运行参数和吸收器的结构参数对其工作性能的影响，为研发结构紧凑的车用余热吸收式制冷系统及空冷吸收器奠定基础。

车、船等运动型设备在行驶中需要消耗大量燃油，同时也将产生大量废热直接排放到大气中。回收这些废热并用于驱动吸收制冷系统来为车、船等提供所需要的冷量，可以提高其能源利用率。但适合处于颠簸，摇摆状态下工作的风冷翅片管鼓泡吸收器内的气泡形态变化以及热、质传递特性尚未被深入研究，这为风冷翅片管鼓泡吸收器的设计及设备的小型化带来很大困难。因此，在国家自然科学基金（51376032）资助下，以实验研究为主结合理论分析对R124-DMAC有机工质在垂直管内鼓泡吸收过程及其热、质传递特性进行了研究。通过可视化实验研究发现，一般情况下鼓泡吸收过程会出现搅拌流，弹状流和泡状流三种流型。弹状流是影响鼓泡吸收高度的重要流型，可以通过强化弹状流阶段的鼓泡吸收性能来降低鼓泡吸收高度，并得到鼓泡吸收高度估算式。通过非可视化实验研究发现，增加气、液体积流率、减小溶液入口温度与浓度、鼓泡喷嘴的孔口直径和冷却水入口温度均能增强其热、质传递性能。并得出了误差±20%以内的整管段热、质传递系数无量纲关联式。通过建立R124-DMAC垂直管内鼓泡吸收过程分布参数模型并进行数值模拟计算，并与可视化实验获得的吸收高度及非可视化实验获得的热、质传递系数进行了对比验证，其结果表明模型计算结果与实验结果具有较佳的一致性。并最终提出了R124-DMAC有机工质在垂直管内鼓泡过程的两相区及单相区溶液侧对流换热系数和两相区传质系数的无量纲关联式，误差分布均在±15%以内。本项目研究成果可为R124-DMAC有机工质的空冷、高效、紧凑式吸收器的设计提供理论依据，为R124-DMAC有机工质在吸收制冷系统的实际应用奠定基础。