超聲強化溴化鋰水溶液發(fā)生過程的性能實驗研究

周西文，侯召寧，談瑩瑩，王 林,李修真

(河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

0 引言

傳統(tǒng)吸收制冷機組發(fā)生器中制冷劑的傳熱傳質(zhì)特性直接決定了機組的制冷效率，特別是當(dāng)采用太陽能等可再生能源驅(qū)動時，由于驅(qū)動熱源溫度較低，發(fā)生器內(nèi)冷劑水的蒸發(fā)能力更顯不足，為此，國內(nèi)外研究學(xué)者圍繞提升發(fā)生器發(fā)生效率開展了豐富的研究[1]。

應(yīng)用強化傳熱管是一種提升冷劑水沸騰蒸發(fā)效率的有效方法。文獻(xiàn)[2]將發(fā)生器內(nèi)原有的普通圓管替換為加肋扁管強化溴化鋰水溶液的蒸發(fā)，可明顯強化溴化鋰水溶液的發(fā)生過程。此外，減小溴化鋰水溶液傳質(zhì)阻力也可一定程度上改善其蒸發(fā)性能。文獻(xiàn)[3]通過添加活性劑減小溴化鋰水溶液的表面張力，從而強化了冷劑水的蒸發(fā)傳質(zhì)效果。然而，從實際運行效果來看，借助被動式傳熱強化技術(shù)和添加活性劑等方法對發(fā)生器傳質(zhì)效率的提升效果有限[4]。近年來，隨著聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲波因其主動可調(diào)的優(yōu)勢已在傳熱傳質(zhì)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

在傳熱強化方面，研究者嘗試將超聲波用于對流傳熱[5-6]和相變傳熱[7-8]的強化上，并利用實驗和理論分析的手段揭示其強化機理。文獻(xiàn)[7]對比分析了超聲作用對池沸騰傳熱性能的影響，并研究了超聲作用下的氣泡動力特性。文獻(xiàn)[8]表明超聲波對沸騰傳熱強化作用的根本原因在于超聲作用下的空化效應(yīng)。文獻(xiàn)[9]總結(jié)了超聲對蓄冷材料過冷度、成核速率、生長速率以及穩(wěn)定性等方面的影響，認(rèn)為超聲既能改善相變蓄冷材料的過冷度高、蓄冷時間慢等缺點又不影響其潛熱。文獻(xiàn)[10]通過理論分析發(fā)現(xiàn)，特定超聲參數(shù)下可以誘導(dǎo)液體在蒸發(fā)過程中產(chǎn)生共振，從而強化液體的蒸發(fā)。

另外，超聲波在強化傳質(zhì)性能方面表現(xiàn)優(yōu)異[11-14]，已有學(xué)者將其用于霧化技術(shù)和吸收式制冷裝置中。為獲得溶液除濕系統(tǒng)更加優(yōu)良的除濕性能，文獻(xiàn)[15-16]結(jié)合超聲技術(shù)提出超聲霧化的溶液除濕系統(tǒng)，并探討了不同運行壓力對溶液除濕系統(tǒng)性能的影響。文獻(xiàn)[17-18]指出超聲波作為主動強化換熱技術(shù)，應(yīng)用于吸收式制冷系統(tǒng)的發(fā)生器內(nèi)溴化鋰水溶液的傳熱過程時，可以增強溶液的傳熱效率。文獻(xiàn)[19]進(jìn)行了超聲強化小型溴化鋰吸收式制冷機性能實驗研究，結(jié)果表明：超聲波可以強化溴化鋰吸收式制冷機組性能，且強化效果與溶液液位有關(guān)，對發(fā)生器液位的控制是超聲波強化溴冷機組性能的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[20]研究了氣泡在外加超聲波作用下，氣泡粒徑的變化規(guī)律以及氣泡的運動特性。文獻(xiàn)[21]對超聲強化對沉浸于溴化鋰水溶液內(nèi)的結(jié)構(gòu)管傳熱進(jìn)行研究，結(jié)果表明：超聲空化對強化傳熱效率具有重要作用。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[22]對超聲作用于溴化鋰水溶液的傳熱過程進(jìn)行實驗研究，結(jié)果表明：發(fā)生效率不變情況下，超聲空化可促使發(fā)生溫度降低約5.0 ℃。文獻(xiàn)[23]提出采用超聲波和納米材料強化吸收制冷系統(tǒng)中NH3-H2O-LiBr三元溶液對氨的吸收作用，僅超聲作用對氨的吸收比可達(dá)到1.09。文獻(xiàn)[24]從傳熱傳質(zhì)強化角度研究了超聲對于冷劑水蒸發(fā)分離能力的強化效果。

綜上所述，超聲技術(shù)在傳熱傳質(zhì)過程強化效果顯著，但應(yīng)用超聲技術(shù)提升吸收式制冷系統(tǒng)中發(fā)生器性能方面的研究仍多見于理論分析中，且超聲強化發(fā)生器中鹽溶液蒸發(fā)傳質(zhì)的實驗研究相對較少，超聲作用下，發(fā)生器內(nèi)溴化鋰溶液發(fā)生規(guī)律有待探究。為此，本文設(shè)計并搭建了一套超聲波強化溴化鋰水溶液發(fā)生過程實驗臺，通過實驗著重研究超聲頻率及功率、發(fā)生壓力、溶液溫度、溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)等因素對超聲強化溶液發(fā)生率的影響規(guī)律，為強化發(fā)生器發(fā)生效果提供理論參考，同時也為超聲技術(shù)在提升吸收式制冷系統(tǒng)性能中的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實驗系統(tǒng)

超聲波強化溴化鋰水溶液發(fā)生過程實驗臺如圖1所示，主要由發(fā)生器、集水器、冷卻水系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等構(gòu)成。發(fā)生器內(nèi)布置的8根電加熱棒(400 W/根)用來模擬熱源加熱溴化鋰水溶液產(chǎn)生水蒸氣，其由一臺5 kW的調(diào)壓器調(diào)節(jié)加熱功率從而控制溶液發(fā)生溫度。在發(fā)生器底部外表面貼附設(shè)置4組超聲振子(2組25 kHz/60 W、1組28 kHz/60 W和1組40 kHz/60 W)，超聲波發(fā)生器用以控制超聲振子開啟的數(shù)量、頻率和功率。在發(fā)生器側(cè)面設(shè)置取樣桶，所采溶液用于計算分析發(fā)生器內(nèi)溴化鋰水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化。在發(fā)生器另一側(cè)設(shè)置集水器和液位計，液位計和集水器連通，發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生的過熱蒸汽經(jīng)冷凝盤管冷卻為液體后排入集水器內(nèi)，通過液位計觀測集水器內(nèi)液位高度，由此計算產(chǎn)生液態(tài)水對應(yīng)的質(zhì)量。冷卻水系統(tǒng)向冷凝盤管提供低溫冷水用以冷卻過熱蒸汽為液態(tài)水。

圖1 超聲波強化溴化鋰水溶液發(fā)生過程實驗裝置

發(fā)生器內(nèi)溴化鋰水溶液的溫度、冷卻水進(jìn)出口溫度和發(fā)生器內(nèi)產(chǎn)生的蒸汽溫度均由T型熱電偶(誤差為±0.1 ℃)測量，冷卻水流量采用電磁流量計(精度0.5級)測量，所測得的溫度及流量數(shù)據(jù)由Agilent 34970A型數(shù)據(jù)采集儀實時采集記錄。發(fā)生器內(nèi)壓力由真空壓力表(誤差為±0.5 kPa，精度0.4級)測量。液位計內(nèi)水的質(zhì)量和采樣的溴化鋰水溶液質(zhì)量均采用電子天平(誤差為±0.01 g)測量，液位計內(nèi)水柱的高度由精度為1 mm的毫米刻度尺測量。

2 實驗數(shù)據(jù)處理

2.1 不確定度分析

不確定度作為測量數(shù)據(jù)是否可信的指標(biāo)，表征測量結(jié)果的可信賴程度。本實驗研究測量的各個關(guān)鍵參數(shù)的不確定度主要由測量儀表的誤差引起，系統(tǒng)發(fā)生率和溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的不確定度主要由實驗誤差和計算中的誤差傳遞所致。實驗系統(tǒng)中各個測量參數(shù)的不確定度根據(jù)文獻(xiàn)[25]的不確定度分析準(zhǔn)則計算，計算公式見式(1)和式(2)。

(1)

(2)

其中：E為被測量與各直接測量的函數(shù)關(guān)系；Xi為第i個不確定度分量；δY/Y為合成相對不確定度。

由各測量儀表的誤差可計算出測量參數(shù)的不確定度，溫度不確定度為0.1 ℃，質(zhì)量不確定度為0.01 g，壓力不確定度為0.01 kPa，系統(tǒng)發(fā)生率不確定度為1.31%，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)不確定度為0.07%。

2.2 系統(tǒng)性能評價

在實驗過程中，發(fā)生器內(nèi)溴化鋰水溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在其受熱發(fā)生過程逐漸增大，當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，溴化鋰水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持不變，為此，采用溶液極限最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)和系統(tǒng)發(fā)生率[26]來評價不同因素對超聲強化溶液發(fā)生過程的影響。極限最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)Xmax是指加熱狀態(tài)下集水器的液位不再發(fā)生變化時所對應(yīng)的溴化鋰水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，系統(tǒng)發(fā)生率指單位時間內(nèi)溴化鋰水溶液產(chǎn)生的蒸汽量，系統(tǒng)發(fā)生率由式(3)計算：

(3)

其中：yw為系統(tǒng)發(fā)生率，%；mw為液位計刻度對應(yīng)的集水器內(nèi)冷凝水的質(zhì)量，g；t為系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，集水器開始集水的時間，s。

3 實驗結(jié)果及分析

溴化鋰水溶液在實驗初始時質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49.57%，冷卻水系統(tǒng)水溫為11.4 ℃，循環(huán)水泵流量為390 L/h，熱源加熱功率為3.2 kW。在溶液溫度分別為50.0 ℃、60.0 ℃和70.0 ℃時，分析溶液溫度、超聲頻率、發(fā)生壓力等因素對系統(tǒng)發(fā)生率的影響。

3.1 系統(tǒng)發(fā)生率的變化規(guī)律

3.1.1 溶液溫度對系統(tǒng)發(fā)生率的影響

超聲作用下溶液溫度對系統(tǒng)發(fā)生率的影響如圖2所示。由圖2可知：相同溶液溫度下，超聲作用較無超聲作用使系統(tǒng)發(fā)生率明顯升高。當(dāng)液位計刻度為0.0 cm，溫度為50.0 ℃和60.0 ℃時，超聲作用下系統(tǒng)發(fā)生率較無超聲時分別提高了7.75%和5.69%。液位計刻度為2.0 cm時，溫度為50.0 ℃和60.0 ℃時，超聲作用下系統(tǒng)發(fā)生率較無超聲時分別提高了5.09%和4.06%。溶液溫度越低，超聲對系統(tǒng)發(fā)生率的提升作用越明顯，表明較低熱流密度下超聲強化溶液發(fā)生過程更顯著。

圖2 溶液溫度對超聲作用下系統(tǒng)發(fā)生率的影響

3.1.2 超聲頻率對系統(tǒng)發(fā)生率的影響

超聲頻率對系統(tǒng)發(fā)生率的影響如圖3所示。由圖3可知：在相同的溶液溫度下，系統(tǒng)發(fā)生率隨著超聲頻率的降低而增加。當(dāng)液位計刻度為0.0 cm，超聲頻率分別為25 kHz、28 kHz和40 kHz的系統(tǒng)發(fā)生率較無超聲作用時，分別提高了5.69%、4.61%和2.01%；當(dāng)液位計刻度為2.0 cm時，超聲頻率分別為25 kHz、28 kHz和40 kHz的系統(tǒng)發(fā)生率較無超聲作用時，分別提高了4.06%、3.01%和2.09%。綜上可知，溶液溫度相同時，低頻超聲對系統(tǒng)發(fā)生率的提高更明顯，表明低頻超聲較高頻超聲對強化溶液發(fā)生過程具有更大影響。

圖3 超聲頻率對系統(tǒng)發(fā)生率的影響

3.1.3 發(fā)生壓力對系統(tǒng)發(fā)生率的影響

發(fā)生壓力對系統(tǒng)發(fā)生率的影響如圖4所示。由圖4可知：系統(tǒng)發(fā)生率隨著冷卻水溫度的升高而降低。當(dāng)液位計刻度為0.0 cm，冷卻水溫度為11.4 ℃、22.7 ℃和29.7 ℃(所對應(yīng)發(fā)生壓力分別為4.15 kPa、5.02 kPa和6.18 kPa)時，系統(tǒng)的發(fā)生率較無超聲作用時，提高了5.69%、6.15%和6.62%；當(dāng)液位計刻度為2.0 cm，冷卻水溫度分別為11.4 ℃、22.7 ℃和29.7 ℃時，系統(tǒng)發(fā)生率較無超聲作用時，分別增大了4.08%、2.88%和0.98%。文獻(xiàn)[14]指出在超聲作用下，溶液空化強度隨發(fā)生壓力的升高而增強。因此，盡管系統(tǒng)發(fā)生率隨著發(fā)生壓力的升高而降低，但超聲作用下系統(tǒng)發(fā)生率較無超聲作用時提升效果隨壓力升高而增大。

圖4 發(fā)生壓力對系統(tǒng)發(fā)生率的影響

3.1.4 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對系統(tǒng)發(fā)生率的影響

溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對系統(tǒng)發(fā)生率的影響如圖5所示。由圖5可知：系統(tǒng)的發(fā)生率隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。當(dāng)液位計刻度為0.0 cm時，溶液初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為49.57%、51.07%和52.33%時，系統(tǒng)發(fā)生率較無超聲作用時，分別提高了5.69%、5.29%和3.17%；當(dāng)液位計刻度為2.0 cm時，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為49.57%、51.07%和52.33%時，系統(tǒng)產(chǎn)水率較無超聲作用時，分別提高了4.08%、5.61%和5.76%超聲作用對系統(tǒng)發(fā)生率的影響隨著溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增強。溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，超聲作用對系統(tǒng)發(fā)生率的強化作用越明顯。

圖5 溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)對系統(tǒng)發(fā)生率的影響

3.2 發(fā)生器內(nèi)溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化規(guī)律

溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)作為不同因素下，加熱溶液產(chǎn)生最多水蒸氣后溶液的最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)，是探討超聲作用下溶液極端產(chǎn)水量的重要指標(biāo)。當(dāng)溶液溫度為60.0 ℃，超聲振子的數(shù)量為1，超聲頻率為25 kHz，超聲功率為60 W，溶液的初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)為49.57%時，探討溶液溫度、超聲頻率、冷卻水流量(發(fā)生壓力)和超聲振子數(shù)量對溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響。

3.2.1 超聲頻率對溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

超聲頻率對溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖6所示。由圖6可知：溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著溶液溫度的升高而增大，溶液溫度由60.0 ℃升至70.0 ℃時，Xmax由52.26%增加至56.51%，增加了4.25%。溶液蒸汽壓隨溫度的升高而升高，在發(fā)生壓力相同時，提高溶液溫度將增加氣液傳質(zhì)推動力，有助于溶液加速蒸發(fā)，產(chǎn)生更多的水蒸氣，進(jìn)而使溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高。由圖6可知：溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨超聲頻率增加而降低，溫度60.0 ℃時，頻率25 kHz、28 kHz和40 kHz的溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)相較于無超聲時分別提高了1.58%、1.39%和1.02%。溶液溫度為70.0 ℃時，頻率25 kHz、28 kHz和40 kHz的溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)較無超聲時，分別提高了0.54%、0.39%和0.24%。超聲頻率越低，空化強度越大，溶液擾動越大，產(chǎn)水量越高，則溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高。另外，溶液溫度越高，超聲強化溶液傳熱效果降低。在初始溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)相同時，達(dá)到相同溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)，超聲強化溶液發(fā)生過程的熱源溫度可降低約2.0 ℃左右。

圖6 超聲頻率對溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

3.2.2 超聲振子數(shù)量對溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

超聲振子數(shù)量對溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖7所示。由圖7可知：溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨振子數(shù)量增加而增加。溶液溫度為60.0 ℃時，單超聲振子和雙超聲振子的溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)較無超聲作用時，分別提高了1.58%和2.12%；溶液溫度為70.0 ℃，單超聲振子和雙超聲振子的溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)較無超聲作用時，分別提高了0.54%和0.71%?？梢姡南嗤娔?，雙超聲振子較單超聲振子具有更好強化溶液發(fā)生過程。

圖7 超聲振子數(shù)量對溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

3.2.3 超聲功率對溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

超聲功率對溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖8所示。由圖8可知：溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨超聲功率增加而增加。溶液溫度和超聲頻率分別為60.0 ℃和25 kHz，超聲功率分別為60 W、90 W和120 W時的溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)較無超聲作用時，分別提高了1.58%、2.36%和3.01%；另外，溶液溫度和超聲頻率分別為70.0 ℃和25 kHz，超聲功率分別為60 W、90 W和120 W時的溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)較無超聲作用時，分別提高了0.54%、0.75%和1.03%。隨著超聲功率增加，空化強度提高，溶液振蕩和擾動增強，相同工況下，產(chǎn)水量增加，溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。

由圖8可得:與無超聲且達(dá)到相同極限濃度相比，超聲功率為90 W時，超聲強化溶液傳熱的熱源溫度可降低約2 ℃。超聲強化傳熱技術(shù)在消耗較低能耗下，對提高系統(tǒng)能效，降低熱源溫度具有明顯作用。

圖8 超聲功率對溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

3.2.4 冷卻水流量對溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

冷卻水流量對溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響如圖9所示。由圖9可知：隨著冷卻水流量增加，發(fā)生壓力逐漸降低。熱源對溶液加熱過程中，冷卻水流量增加將提高冷卻水對過熱蒸汽的吸熱率，過熱蒸汽冷凝速率增加，致使發(fā)生壓力降低。溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨冷卻水流量增大而升高，隨發(fā)生壓力增加而降低。發(fā)生壓力降低造成溴化鋰水溶液的氣液傳質(zhì)推動力增加，溶液產(chǎn)水率提高，溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高。當(dāng)溶液溫度為60.0 ℃，超聲頻率25 kHz，超聲功率60 W，冷卻水流量150 L/h時，單超聲振子和雙超聲振子的溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)較無超聲作用時，分別提高了0.66%和0.91%；冷卻水流量400 L/h時，單超聲振子和雙超聲振子的溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)較無超聲作用時，分別提高了1.58%和2.11%。發(fā)生壓力越低，發(fā)生器中溴化鋰水溶液蒸發(fā)產(chǎn)水量越大，超聲強化溶液傳熱效果越明顯。另外，發(fā)生壓力越低，空化強度越低，然而冷卻水流量增加對溶液產(chǎn)水量增加的影響大于發(fā)生壓力對超聲空化強度降低的影響，最終導(dǎo)致超聲作用下溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨冷卻水流量增大而升高。

圖9 冷卻水流量對溶液極限質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

4 結(jié)論

(1)發(fā)生器中溴化鋰水溶液溫度越低，超聲對系統(tǒng)發(fā)生率的提高作用越明顯，雙超聲振子較單超聲振子強化溶液發(fā)生過程的作用更顯著，超聲強化溴化鋰水溶液發(fā)生過程的作用在較低熱流密度下更加顯著。

(2)超聲作用下，發(fā)生壓力分別為4.15 kPa、5.02 kPa和6.18 kPa時的系統(tǒng)發(fā)生率較無超聲作用，分別提高了5.69%、6.15%和6.62%。系統(tǒng)發(fā)生率雖然隨著發(fā)生壓力的升高而降低，但超聲作用使得系統(tǒng)發(fā)生率提升效果隨著發(fā)生壓力的升高而愈加顯著，超聲強化作用有助于改善吸收式制冷系統(tǒng)受限于發(fā)生壓力而導(dǎo)致的發(fā)生過程傳熱效率較低的問題。

(3)溶液初始質(zhì)量分?jǐn)?shù)49.57%，超聲頻率25 kHz，超聲功率90 W，冷卻水流量400 L/h時，產(chǎn)生相同量冷凝水，超聲強化溶液傳熱熱源溫度可降低2 ℃左右。超聲強化傳熱技術(shù)在消耗較低能耗下，對降低熱源溫度具有明顯作用。