溴化鋰溶液中添加活性炭顆粒對(duì)制冷機(jī)出力的影響

蔡 杰 市橋伸久 板谷義紀(jì)

(1南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院 南京 210042)

(2日本名古屋大學(xué)化學(xué)工學(xué)系 日本名古屋 464-8603)

1 引言

當(dāng)溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)以余熱、廢熱、排熱等低品位廢熱為驅(qū)動(dòng)能源時(shí)，其具有非常顯著的節(jié)能效果，從而成為一種高效的節(jié)能技術(shù)。同時(shí)，該技術(shù)以溴化鋰溶液作為吸收劑，以水為制冷劑，對(duì)大氣沒有污染。因此，溴化鋰吸收式制冷技術(shù)在近年來受到廣泛的重視。自20世紀(jì)80年代以來，中國溴化鋰吸收式制冷技術(shù)發(fā)展迅速，產(chǎn)量已經(jīng)居于世界前列［1-2］。溴化鋰吸收式制冷機(jī)行業(yè)是中國制冷、空調(diào)領(lǐng)域中少有的擁有全部核心技術(shù)的一個(gè)行業(yè)。

單純溴化鋰水溶液的傳熱(0.5—2.5 kW/(m2·K))和傳質(zhì)系數(shù)較低，因此溴化鋰吸收式制冷機(jī)組內(nèi)部換熱器所需換熱面積很大［3-5］，這導(dǎo)致了溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的體積較壓縮式制冷機(jī)大。因此，強(qiáng)化吸收劑的傳熱傳質(zhì)，減少必要的傳熱面積是溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)小型化的關(guān)鍵，是近年來溴化鋰吸收式制冷研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題［6-8］。

目前，國內(nèi)外強(qiáng)化吸收式制冷機(jī)組傳熱傳質(zhì)的手段主要有采用強(qiáng)化傳熱管和添加界面活性劑［9-14］。文獻(xiàn)［15-16］的研究表明在溴化鋰溶液中添加適量納米顆粒形成的納米顆粒懸浮液的傳熱傳質(zhì)系數(shù)較單純溴化鋰水溶液有明顯提高，但是，納米顆粒成本較高，不適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。日本名古屋大學(xué)板谷義紀(jì)教授研究發(fā)現(xiàn)在溴化鋰水溶液中添加微米級(jí)的活性炭、沸石等吸著劑顆粒形成的懸浮液的傳熱傳質(zhì)效果亦較溴化鋰水溶液有明顯的改善［17］。吸著劑顆粒屬于微米級(jí)材料，制造成本遠(yuǎn)較納米顆粒的低。日本M會(huì)社已經(jīng)開發(fā)出小型化的吸著式熱泵制冷機(jī)。因此，基于活性炭、沸石等吸著劑顆粒的懸浮液作為吸收劑是強(qiáng)化吸收式制冷機(jī)組傳熱傳質(zhì)的一個(gè)新途徑。

本文通過實(shí)驗(yàn)方法，分析研究了活性炭顆粒的添加對(duì)制冷機(jī)出力的影響。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)條件

2.1 活性炭/溴化鋰懸浮液傳熱傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由上部容器、再生器(換熱表面做親水處理)、下部容器、冷凝器、冷凝水容器、加熱器、真空泵、冷卻器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等幾部分組成。裝置簡圖如圖1所示。溴化鋰溶液中添加活性炭形成的白色懸浮液如圖2所示。從再生器中出來的水蒸汽經(jīng)冷凝器冷卻成水之后進(jìn)入冷凝水容器，再進(jìn)入蒸發(fā)器。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)用活性炭顆粒的粒徑為微米級(jí)，算術(shù)平均粒徑為7.227 4 μm，變動(dòng)系數(shù)為37.633 9，算術(shù)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.72μm。溴化鋰濃度為0.7 kg-LiBr/kg-Solution。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡圖Fig.1 Diagram of experimental equipment

圖2 過飽和活性炭/溴化鋰水溶液懸浮液Fig.2 Super-saturated active Carbon/LiBr aqueous solution suspension

圖3 活性炭顆粒的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of active Carbon

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 吸收劑的粘度隨活性炭加入量的變化

溴化鋰溶液中添加活性炭顆粒之后，其粘度必然會(huì)發(fā)生變化，從而對(duì)溶液的流動(dòng)及傳熱產(chǎn)生影響，因此本文對(duì)50℃條件下，濃度59.17%，添加了不同量活性炭的溴化鋰溶液的粘度進(jìn)行了測量。圖4反映了不同活性炭濃度條件下懸浮液的粘度。由圖4中可以看出，隨著活性炭濃度的增加，懸浮液的粘度亦隨之增加，并且，粘度變化與活性炭濃度變化呈近似線性關(guān)系。因此，隨著活性炭濃度的增大，吸收液沿?fù)Q熱面流動(dòng)的速度也呈下降趨勢。如果活性炭的添加量合適，可控制吸收液在換熱表面的流動(dòng)速度，這在一定程度上有利于吸收劑充分吸收蒸氣。

圖4 懸浮液粘度隨活性炭濃度的變化Fig.4 Change of viscosity of suspension with different concentrations of active carbon

3.2 制冷機(jī)出力隨透濕系數(shù)的變化

為研究透濕系數(shù)對(duì)制冷機(jī)出力的影響，此處實(shí)驗(yàn)測量了2.0—4.0 kg/(m2·s·Pa)透濕系數(shù)條件下的活性炭/溴化鋰懸浮液吸收式制冷機(jī)的出力。實(shí)驗(yàn)條件為:蒸發(fā)器溫度為280 K，冷凝器溫度為290 K，吸附平衡參數(shù)為2，換熱面積為1.0 m2，傳熱系數(shù)為400 W/(m2·K)。測量結(jié)果如圖5所示。另外，為了與純溴化鋰溶液條件下的情況作比較，也對(duì)純溴化鋰溶液條件下的制冷機(jī)出力進(jìn)行了測量，并將結(jié)果一并列于圖5中。從圖5中可以看出，隨著透濕系數(shù)的增大，不管溴化鋰溶液中是否含有活性炭顆粒，制冷機(jī)的出力都會(huì)呈線性增加。并且，活性炭/溴化鋰懸浮液制冷機(jī)的出力比溴化鋰吸收式制冷機(jī)的出力高0.32—0.46 kW。

3.3 制冷機(jī)出力隨吸附平衡系數(shù)的變化

圖5 不同的透濕系數(shù)條件下的制冷機(jī)出力Fig.5 Output of refrigerating machine at condition of different moisture permeance factors

制冷機(jī)的出力作為吸收式制冷機(jī)的重要指標(biāo)，可以反映吸收劑的品質(zhì)及性能。因此，本文對(duì)冷卻水入口溫度290 K，蒸發(fā)器溫度280 K，活性炭濃度為0.2 kg-AC/kg-Solution，溶液流量為 0.01 kg/s，溴化鋰濃度為 0.7 kg-LiBr/kg-Solution，傳熱面積為 1.0 m2實(shí)驗(yàn)條件下，吸附平衡常數(shù)在0—1.5范圍內(nèi)的制冷機(jī)出力進(jìn)行了測量，研究分析活性炭/溴化鋰懸浮液吸收式制冷機(jī)出力與吸附平衡常數(shù)之間的關(guān)系。圖6反映了不同吸附平衡常數(shù)條件下的制冷機(jī)出力。由圖6中可以看出，隨著吸附平衡常數(shù)的增加，制冷機(jī)出力由7.86 kW上升到8.25 kW，相應(yīng)的，制冷機(jī)出力比值由1上升到1.05，制冷機(jī)出力有較為明顯的增加。通過提高吸收劑的吸附平衡常數(shù)可以改善吸收劑的蒸氣吸收量，提高制冷的出力。

圖6 不同吸附平衡常數(shù)條件下的制冷機(jī)出力Fig.6 Output of refrigerating machine at condition of different equilibrium parameters

3.4 制冷機(jī)出力隨換熱面積的變化

換熱面積對(duì)制冷機(jī)出力有非常顯著的影響，因此對(duì)1.0—2.0 m2換熱面積條件下的制冷機(jī)出力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量。實(shí)驗(yàn)條件為:冷凝器溫度290 K，蒸發(fā)器溫度280 K，吸附平衡常數(shù)為2，溶液流量為0.01 kg/s，透濕系數(shù)為 2.0 kg/(m2·s·Pa)，溴化鋰濃度為 0.2 kg-LiBr/kg-Solution，傳熱面積為 1.0 m2。為便于比較，也對(duì)純溴化鋰溶液條件下的制冷機(jī)出力進(jìn)行了測量。圖7反映了不同換熱面積條件下溴化鋰溶液中含活性炭和不含活性炭兩種情況下的制冷機(jī)出力。由圖7中可以看出，隨著換熱面積的增加，制冷機(jī)出力由7.86 kW上升到14 kW，制冷機(jī)出力有較為明顯的增加。活性炭/溴化鋰懸浮液吸收式制冷機(jī)的出力比純溴化鋰吸收制冷機(jī)的出力高0.46—2 kW。

圖7 不同換熱面積條件下的制冷機(jī)出力Fig.7 Output of refrigerating machine at condition of different heat exchange surfaces

4 結(jié)論

本論文研究了在溴化鋰溶液中添加活性炭吸著劑顆粒對(duì)溴化鋰吸收式制冷機(jī)出力的影響。研究表明:

(1)在0—0.14 kg-AC/kg-Solution活性炭濃度范圍內(nèi)，活性炭/溴化鋰水溶液懸浮液的粘度與活性的濃度呈線性增加關(guān)系;

(2)在 2.0—4.0 kg/(m2·s·Pa)范圍內(nèi)，活性炭/溴化鋰懸浮液吸收式制冷機(jī)的出力隨透濕系數(shù)呈線性增長，比純溴化鋰吸收式制冷機(jī)的出力高0.32—0.46kW;

(3)在0—1.5吸附平衡常數(shù)范圍內(nèi)，活性炭/溴化鋰懸浮液吸收式制冷機(jī)的出力與吸附平衡常數(shù)值增加呈線性增長關(guān)系;

(4)活性炭/溴化鋰懸浮液吸收式制冷機(jī)的出力與換熱面積呈線性增長關(guān)系，并且比純溴化鋰吸收式制冷機(jī)的出力高0.46—2 kW;

(5)添加適量微米級(jí)活性炭顆?？梢杂行Ц纳其寤嚾芤旱膫鳠醾髻|(zhì)性能。

1 戴永慶，耿惠彬，蔡小榮.溴化鋰吸收式制冷技術(shù)的回顧與展望［J］.制冷技術(shù)，2001(1):21-24.

2 李明久.溴化鋰吸收式制冷機(jī)的發(fā)展?fàn)顩r及其經(jīng)濟(jì)性分析［J］.低溫與特氣，2007，25(4):4-6.

3 李慧宇，申 江，喬海軍，等.采用預(yù)冷卻絕熱吸收的溴化鋰吸收式制冷循環(huán)的研究［J］.流體機(jī)械，2006，34(6):56-60.

4 任曉峰，孫 歡.吸收壓力對(duì)LiBr斜板絕熱吸收器的影響［J］.制冷，2008，27(2):63-67.

5 石程名，宮世吉，徐燦君，等.豎管內(nèi)溴化鋰溶液降膜發(fā)生實(shí)驗(yàn)［J］.制冷學(xué)報(bào)，2008，29(3):43-46.

6 郭 韻，黃志強(qiáng).活性介質(zhì)強(qiáng)化溴化鋰水溶液的吸收性能［J］.上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，18(2):105-109.

7 丁玉娟，康相玖，趙 然.溴化鋰吸收式冷水機(jī)組的新技術(shù)及應(yīng)用［J］.制冷技術(shù)，2009(3):27-31.

8 李躍智，吳裕遠(yuǎn)，王鵬飛.無泵溴化鋰熱水型吸收式制冷機(jī)小型化研究［J］.制冷技術(shù)，2003(4):16-18.

9 陳達(dá)衛(wèi)，王啟杰，林毅強(qiáng).高效傳熱管的實(shí)驗(yàn)研究［J］.化工學(xué)報(bào)，2004，55(6):888-895.

10 高樹杰，周貴斌，薛 興.高效化技術(shù)在溴化鋰吸收式制冷機(jī)中的應(yīng)用［J］.制冷與空調(diào)，2009，23(2):59-62.

11 Ogawa Kiyoshi，Hitoyilo Naoci.Study on Absorption Heat Transfer of Two-dimensionally Constant Tubes-l(Shape of Heat Transfer Surface and Observation of Liquid Film)［J］.Collections of papers of Japanese Refrigeration Institute，1989，6(2):33-40.

12 Kim K J，Berman N S，Chau D S C，et al.Absorption of water vapor into falling films of aqueous lithium bromide［J］.Int JRefrig，1995，18(7):486-494.

13 高洪濤，飛原英治.含有促進(jìn)傳熱傳質(zhì)添加劑的溴化鋰水溶液的表面張力［J］.制冷學(xué)報(bào)，2004(3):5-8.

14 高洪濤，李 豪.界面活性劑的混合添加對(duì)溴化鋰溶液吸收水蒸汽的影響［J］.制冷學(xué)報(bào)，2007，28(3):11-14.

15 解國珍，李國棟，法曉明，等.納米顆粒對(duì)溴化鋰溶液發(fā)生溫度的影響研究［J］.制冷與空調(diào)，2008(8):80-82.

16 吳 剛.添加納米顆粒的溴化鋰溶液穩(wěn)定性及熱物理特性研究［D］.北京:北京建筑工程學(xué)院，2007.

17 蔡 杰，市橋伸久，板谷義紀(jì)，等.吸著剤/吸収液スラリーの液膜熱交換による吸収式ヒートポンプ性能［C］.鹿兒島:化學(xué)工學(xué)會(huì)第75年會(huì)，2010.