一种氨水垂直降膜吸收传质模型

    引 言

    近年来,随着保护环境和节约能源观念的增强,人们对研究氨水吸收式制冷又产生了兴趣,研究的主要目的是使氨水吸收式制冷机具有更广泛的使用性和更高的效率,研究的热点之一集中于强化吸收器中的传热传质过程.

    随着对吸收机理的深入研究,人们认为垂直降膜吸收器具有比较良好的性能[1-3].针对垂直降膜吸收器,进行了广泛的理论探索和实验研究[4-8].其中 在吸收模型方面, Harriott提出的改进渗透模型具有重要的影响. Harriott否定了液体向下流动过程中产生的每一个漩涡都能够达到气液交界面,认为并不是每个漩涡都能够对传质做出贡献,指出由于运动产生的漩涡受表 面张力的作用,只能在距表面一定的距离内活动,并且假设一个波对应着一个有效漩涡,在两个漩涡间的一个波动周期内,气体是以非稳定分子扩散进入降膜液层中 的,漩涡作用的区域只为一个几何点[9].

    本文就在Harriott理论的基础上,对改进渗透模型做进一步的发展,并且以氨气吸收为对象进行相关的实验研究,以达到模型能够更加真实地反映实际吸收过程的目的.

    1 Harriott理论的不足

    Harriott理论抛开了错综复杂的速度场问题,使这一理论在很广的Reynolds数范围内(Re=150~800)得到了应用,其理论与实验的最大 误差为29%.尽管这一模型在研究降膜从层流区到湍流区比较理想,但是由于使用对象和应用场合的不同,也暴露出它的一些不足之处.

    Harriott模型的假设之一是液膜厚度与浓度梯度层厚度相比可视为无穷大,这对表面规则、扰动不强烈的降膜流动来讲是合理的,但是当降膜吸收管表面为非规则状,且Reynolds数又不小时,继续沿用这一假设就会有一定偏差.

    Harriott模型的另一个假设是当一个周期结束时,由于漩涡的作用,浓度场才发生横向混合,这样的假设没有很好地反映实际情况.事实上,在一个周期的 前半周期和后半周期,传质机理是不同的,漩涡的作用点不是一个几何点,而应该是一个区域.当流动进入全湍流区后,漩涡的作用几乎遍及整个流动区域,即波谷 区产生的漩涡一直要延伸到波峰区. Harriott模型的处理手法是从非湍流区到全湍流区采用一致的关系式,实际上这是不妥当的,因为在非湍流区降膜流动的流体特性与在全湍流区的特性是不 完全相同的,应当区别开来,采用分区处理的方法.

    2 新模型的提出

    2.1 理论分析

    在降膜过程中,当波动发生时就可能产生了漩涡,漩涡的产生地是在波谷区域,波峰区域的漩涡是波谷处的延伸,其规则度与强度远不如波谷 处.Levich[10]提出,表面张力的存在保证表面的稳定性,给予湍运动以阻滞作用,在液体表面附近某一区域内,运动状态与液体主体中不同.据此,本 文将自由面附近湍流衰减的区域尺寸定义为Levich厚度,漩涡只能在距表面Levich厚度以外的范围内活动,波峰波谷处的漩涡都不可能完全到达液面. 本文采用了平均膜厚,为了将波峰波谷区域的膜厚区别开来,可以采取波峰波谷区Levich厚度分别取值的方法,假设在波谷区域Levich厚度为H,则在 波峰区域不可达距离为αH(α≥1),由于H的量级和波幅的量级差不多,所以α可取值2.