吸收式制冷传热传质的实验研究范文

《制冷学报》2015年第六期

摘要

本文对机械振动强化吸收式制冷传热传质进行实验研究。搭建了一套综合的性能研究实验台，在吸收式制冷机的底部安装了一个电动振动机，使机组在垂直方向上产生振动，分别对振动频率和振幅两个因素对机组性能强化的效果进行实验分析，得出结论：振幅相同时，振动频率对强化效果的影响较大；而在最佳喷淋量下，频率相同时，振幅太大或太小，振动的强化效果都会下降。且在实验范围内，得到最佳强化效果的频率段为20~30Hz，此时传热的强化效果可达到8%~20%，传质的强化效果可达到10%~25%，制冷量可提高12%~18%。

关键词

吸收式制冷；振动；传热传质；强化

溴化锂吸收式制冷机采用热能作为驱动力，能耗低，可以利用低品位热能，因此在余热回收领域有着明显的优势[1]。以溴化锂溶液-水作为工质，无毒、无害、不燃不爆炸、环保性能好，符合国家可持续发展的战略目标[2]。但是，由于溴化锂吸收式制冷机的效率比较低，其推广和应用受到限制。由于吸收器内的传热和传质是一个相互影响、相互耦合的复杂过程，所以传热传质的强化一直是国内外研究的热点课题。目前工程实践中强化溴化锂吸收式制冷机吸收器的传热传质的方法主要有降膜吸收、强化传热管以及添加表面活性剂等形式，其中机械振动强化吸收式制冷就为降膜吸收的一种形式[3-7]。国内外的学者很早就开始了对吸收过程中传热传质强化的研究。IslamMR等[8]对加入新型膜反转机构的吸收器的降膜吸收性能做了研究，证实了膜反转吸收器可以极大提高蒸气的吸收率。GhiaasiaanSM等[9]对吸收过程中球形液滴的瞬态传热进行了研究。MezaCE等[10]对大振幅波动垂直降膜过程进行了模拟和实验研究。KangYT等[11]借助氨-水系统的水平管降膜吸收器，提出了应用马兰格尼对流来强化氨水吸收过程中的换热。ChengL等[12]对流体诱导换热器振动加强换热进行了研究，发现低流速的脉动流诱导换热器产生振动，可以显著地增强换热。MerrillTL等[13]研究发现通过增加单位体积的蒸气和液体的接触面积，在气-液接触的界面处，使更多的气体变成小气泡，利于被液体吸收。孙欢[14]进行了传热传质分离的绝热吸收研究，从热质分离的角度研究发现，绝热吸收的确提高了整个吸收过程的吸收效率。刘艳丽[15]针对渔船上的吸收式制冷机的吸收过程，对摇摆状态下的吸收式制冷机的降膜吸收过程进行了实验研究。结果表明，通过附加机械装置使吸收器中的换热管束震动、旋转或摇动，使管束上的溶液液膜变薄，减小了传质阻力，强化了传热传质。在化工领域的相关研究较多，如EllenbergerJ等[16]通过实验发现，当吸收模型产生微振时，溶液对气体的吸收系数提高约400%。但是在制冷空调领域，对这个课题的研究还很少。

1实验装置与方法

1.1实验装置的介绍本实验台系统主要包括一台单效的溴化锂吸收式制冷机组、电动振动台系统、恒温水循环系统、实验数据测量采集系统以及一些辅助设备。实验台系统循环示意图如1所示。如图1所示，溴化锂吸收式冷水机组需要的热水由电加热锅炉提供，提供95~100℃的恒温热水。冷媒水箱和冷却水箱内都装有电加热器，外接有制冷机组，同时冷媒水箱内还接了一路冷却水旁通，既可为冷却水降温，也可为冷媒水提供热量，通过这几种方式可以使冷媒水和冷却水的入口温度保持恒定。夏季做实验时，由于热负荷较大，可以开启冷却塔，辅助制冷机组为冷却水降温。其中，冷却塔、冷水机组以及冷却水旁通都采用并联连接，可根据不同季节不同负荷进行灵活切换、调节。恒温水循环系统与溴化锂吸收式制冷机组的连接均采用避震软管，尽量减小机组在振动过程中管路对其产生的横向作用力。本装置振动台体能够提供垂直方向上对溴冷机组进行振动，并对其振动频率以及振幅进行调节设定。本实验中需要测量的参数主要有：冷媒水、冷却水、热水的温度和流量，溶液的温度、流量以及浓度，吸收器内部的压力等。水回路的测点布置情况如图1所示，溶液回路的测点布置情况如图2所示。

1.2实验方法当溶液喷淋量为0.3m3/h时，实验测试不同振动频率与不同振幅分别对制冷效果的影响。开机之前，先开启真空泵对机组抽真空，待真空度达到实验要求之后开启电加热锅炉，为机组提供热水。机组开机启动后，调节锅炉、电加热器、制冷机组以及各个阀门等，使冷却水、热水以及冷媒水入口温度以及流量达到实验设定值，开始记录数据，系统至少稳定运行1h后，启动电动振动台，开始振动实验，并记录振动过程中的数据变化。每个振动工况至少持续1h，振动停止后，待系统恢复到原来的状态，稳定运行1h，再进行下一个振动工况的实验。实验过程中保证运行条件下各参数不变，只改变振动频率或振幅，记录相应的参数改变量，并保证实验的可重复性。

2实验数据处理

2.1吸收器内总传热系数的确定对数传热温差lnT通过溶液进出口温度以及冷却水进出口温度计算。

2.2吸收器内总传质量的确定吸收器内溴化锂溶质进出口质量守恒方程为。

3实验结果与分析

在之前的实验中发现，15Hz以下的振动工况基本没有强化效果或效果不明显，而15~30Hz的频率段内的强化效果比较明显，由于实验台本身的极限性，在超出30Hz频率段实验台共振的比较厉害，故没有对其进行实验，包括频率在30Hz，振幅为0.4mm这组工况也没能进行实验。

3.1不同频率下振幅对强化效果的影响图3~图6分别给出了溶液流量值控制在0.3m3/h下，频率为15Hz、20Hz、25Hz、30Hz时振幅对机组性能的影响。由图3可知，传热传质强化比以及制冷量提高比这三者的最大值均出现在振幅为0.2m时，0.2mm之后随着振幅的增加传热强化比、传质强化比以及制冷量提高比都开始降低。所以，在15Hz频率下、振幅为0.2mm时，振动对于机组性能的提高作用最佳，且三者的协同程度较好。由图4可知，传热传质强化比以及制冷量提高比这三者的最大值也出现在振幅为0.2mm时，但此时三者的协同程度不是很好，振幅从0.1mm增加到0.2mm时传质强化比和制冷量提高比的增加很明显，而传热强化比增加不大；0.2mm之后随着振幅的增加传热强化比、传质强化比以及制冷量提高比都开始降低。所以，在20Hz频率下、振幅为0.2mm时，振动对于机组性能的提高作用最佳，但是振幅为0.3mm时三者的协同程度最好。在图5中，从总体上来看，本实验的振幅范围内，传热强化比、传质强化比以及制冷量提高比三者均随着振幅的增加而增加，变化趋势基本相同。但是当振幅从0.3mm增加到0.4mm时，传质强化比稍微有所下降，分析原因可能是测量仪器本身存在测量误差。从图上还可以看出当振幅为0.2mm的时候，三者的值基本相同，协同程度很好。由图6可知，在30Hz频率下，传热强化比以及传质强化比的最大值均出现在振幅为0.2mm时，0.2mm之后随着振幅的增加均有所降低，但是变化比较平缓，而制冷量提高比则随着振幅的增加一直在增加；0.2mm之后与传热传质强化比与制冷量提高比的变化趋势相反。分析产生这种想象的原因可能是：当振幅从0.2mm增加到0.3mm时，虽然振动对于吸收器传热传质的强化作用变弱，但振动对于蒸发器的蒸发吸热过程的强化作用变强，而制冷量是蒸发器蒸发效果最直接的体现，所以会出现上述现象。

3.2不同振幅下频率对强化效果的影响图7~图10分别给出了振幅为0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm时频率对强化效果的影响情况。由图7可知，传热、传质强化比以及制冷量提高比这三者的最大值也是出现在频率为20Hz时，当频率增加到25Hz时，这三者均开始下降，但是当频率继续增加到30Hz时，这三者的值又开始增加。所以，从总体来看，当振幅为0.1mm时，传热、传质强化比以及制冷量提高比这三者随频率的变化没有明确的趋势，而且这三者在各个频率点的协同性也不是很好，很难说哪个频率点的振动强化效果最好。但振幅为0.1mm时，传热、传质强化比以及制冷量提高比这三者的变化趋势，基本上是一致的。由图8可知，在25Hz之前，传热强化比、传质强化比以及制冷量提高比均随着频率的增加而增加，在25Hz时达到最大值，25Hz之后，频率继续增加时这三者均开始下降。且当振幅为0.2mm时传质的强化效果比较明显。振幅为0.2mm、频率为25Hz时，振动对机组性能的强化效果最好，但是此时传热、传质强化比以及制冷量提高比三者的协同性并不是很好。由图9可知，振幅为0.3mm时，传热、传质强化比以及制冷量提高比三者的变化趋势与0.2mm时相同。在25Hz之前，三者均随着频率的增加而增加，25Hz时达到最大值，25Hz之后，频率继续增加时这三者均开始下降。当幅为0.3mm、频率为25Hz时，振动对机组性能的强化效果最好。但振幅为0.3mm、频率为20Hz的振动工况下，传热、传质强化比以及制冷量提高比三者的协同性很好。由图10可知，当频率从15Hz增加到20Hz时，传质强化比和制冷量提高比的变化幅度很小，而传热强化比减小为零；当频率增加到25Hz时，传热、传质强化比以及制冷量提高比三者的增加幅度很大。所以当振幅为0.4mm时，同样也是频率为25Hz的振动工况，对机组性能的强化效果最好。

3.3不同频率和振幅时强化效果的变化情况对比图11~图13分别给出了传热强化比、传质强化比以及制冷量提高比随频率和振幅的变化情况。由图11可知，振幅为0.1mm时，传质强化比随频率的变化不明显，比较平稳；振幅为0.2mm和0.3mm时传质强化比变化趋势相同，25Hz之前随着频率的增加而增加，25Hz时达到最大值，之后开始下降。从图中还可以看出，25Hz时传质强化比在不同的振幅下变化较显著。由图12可知，传热强化比随频率和振幅的变化趋势与传质强化比基本相同。即振幅为0.1mm时，传热强化比随频率的增加波动比较小，比较平稳；振幅为0.2mm和0.3mm时传热强化比的变化趋势相同，25Hz之前随着频率的增加而增加，25Hz时达到最大值，25Hz之后开始下降。此外，传热强化比也是在25Hz时随振幅的变化比较显著，在其他频率时随振幅的变化不大。由图13可知，制冷量提高比随频率和振幅的变化趋势与传热强化比以及传质强化比基本相同。即振幅为0.1mm时，制冷量提高比随频率的增加波动比较小，比较平稳，没有明显的变化趋势；振幅为0.2mm和0.3mm时，制冷量提高比的变化趋势基本相同，25Hz之前随着频率的增加而增加，25Hz时达到最大值，之后开始下降；但是振幅为0.2mm时，曲线的变化趋势比较平缓，而振幅为0.3mm时，曲线的变化趋势比较显著。此外，制冷量提高比也是在25Hz时随振幅的变化比较显著。

4结论

本文研究了机械振动对吸收式制冷传热传质的强化作用，得出了振动台的振幅以及频率对吸收器内的传热传质影响。通过对实验数据的分析，得到以下结论：1）振幅相同时，振动频率对强化效果的影响较大；频率相同时，振幅太大或太小，振动的强化效果都会下降，而当振幅与液膜厚度比较接近时振动对机组性能的强化效果最好。而且当频率为20Hz和25Hz，且振幅与液膜厚度比较接近时，传热强化比、传质强化比以及制冷量提高比这三者的协同性比较好，说明在这样的振动工况下机组的运行状态最好，强化效果最佳。2）在本文的实验范围内，频率为20~30Hz的频率段为强化效果最好的频率段，在这个频率段内，传热的强化效果可达到8%~20%，传质的强化效果可达到10%~25%，制冷量可提高12~18%，在本文的实验过程中，由于热源的加热量保持不变，所以制冷量的提高比也即是性能系数COP的提高比。本文受美国ASHRAE基金（1462-RP）项目资助。(TheprojectwassupportedbytheASHRAEFoundationoftheUnitedStatesofAmerica（No.1462-RP）.）

参考文献

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作者：申江 邹国文 王建民 Josephine Lau 申子奇 孙欢 单位：天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室 内布拉斯加州林肯大学