機械振動強化吸收式制冷傳熱傳質的實驗研究

申 江 鄒國文 王建民 Josephine Lau 申子奇 孫 歡

(1天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134；2內布拉斯加州林肯大學 美國林肯市 68045)

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機械振動強化吸收式制冷傳熱傳質的實驗研究

申 江1鄒國文1王建民1Josephine Lau2申子奇2孫 歡1

(1天津商業大學 天津市制冷技術重點實驗室 天津 300134；2內布拉斯加州林肯大學 美國林肯市 68045)

本文對機械振動強化吸收式制冷傳熱傳質進行實驗研究。搭建了一套綜合的性能研究實驗臺，在吸收式制冷機的底部安裝了一個電動振動機，使機組在垂直方向上產生振動，分別對振動頻率和振幅兩個因素對機組性能強化的效果進行實驗分析，得出結論：振幅相同時，振動頻率對強化效果的影響較大；而在最佳噴淋量下，頻率相同時，振幅太大或太小，振動的強化效果都會下降。且在實驗范圍內，得到最佳強化效果的頻率段為20～30 Hz，此時傳熱的強化效果可達到8%～20%，傳質的強化效果可達到10%～25%，制冷量可提高12%～18%。

吸收式制冷；振動；傳熱傳質；強化

溴化鋰吸收式制冷機采用熱能作為驅動力，能耗低，可以利用低品位熱能，因此在余熱回收領域有明顯的優勢[1]。以溴化鋰溶液-水作為工質，無毒、無害、不燃不爆炸、環保性能好，符合國家可持續發展的戰略目標[2]。但是，由于溴化鋰吸收式制冷機的效率較低，推廣和應用受到限制。由于吸收器內的傳熱和傳質是一個相互影響、相互耦合的復雜過程，所以傳熱傳質的強化一直是國內外研究的熱點課題。目前工程實踐中強化溴化鋰吸收式制冷機吸收器的傳熱傳質的方法主要有降膜吸收、強化傳熱管以及添加表面活性劑等形式，其中機械振動強化吸收式制冷為降膜吸收的一種形式[3-7]。

國內外的學者很早就開始了對吸收過程中傳熱傳質強化的研究。Islam M R等[8]對加入新型膜反轉機構的吸收器的降膜吸收性能做了研究，證實膜反轉吸收器可以極大提高蒸氣的吸收率。Ghiaasiaan S M等[9]對吸收過程中球形液滴的瞬態傳熱進行了研究。Meza C E等[10]對大振幅波動垂直降膜過程進行了模擬和實驗研究。Kang Y T等[11]借助氨-水系統的水平管降膜吸收器，提出了應用馬蘭格尼對流來強化氨水吸收過程中的換熱。Cheng L等[12]對流體誘導換熱器振動加強換熱進行了研究，發現低流速的脈動流誘導換熱器產生振動，可以顯著地增強換熱。Merrill T L等[13]研究發現通過增加單位體積的蒸氣和液體的接觸面積，在氣-液接觸的界面處，使更多的氣體變成小氣泡，利于被液體吸收。孫歡[14]進行了傳熱傳質分離的絕熱吸收研究，從熱質分離的角度研究發現，絕熱吸收的確提高了整個吸收過程的吸收效率。劉艷麗[15]針對漁船上的吸收式制冷機的吸收過程，對搖擺狀態下的吸收式制冷機的降膜吸收過程進行了實驗研究。結果表明，通過附加機械裝置使吸收器中的換熱管束震動、旋轉或搖動，使管束上的溶液液膜變薄，減小了傳質阻力，強化了傳熱傳質。

在化工領域的相關研究較多，如Ellenberger J等[16]通過實驗發現，當吸收模型產生微振時，溶液對氣體的吸收系數提高約400%。但是在制冷空調領域，對此課題的研究還很少。

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置的介紹

實驗臺系統循環示意圖如圖1所示，主要包括一臺單效溴化鋰吸收式制冷機組、電動振動臺系統、恒溫水循環系統、實驗數據測量采集系統以及一些輔助設備。

圖1 系統循環示意圖Fig.1 The schematic diagram of the cycle system

如圖1所示，溴化鋰吸收式冷水機組需要的熱水由電加熱鍋爐提供，提供95～100 ℃的恒溫熱水。冷媒水箱和冷卻水箱內都裝有電加熱器，外接有制冷機組，同時冷媒水箱內還接了一路冷卻水旁通，既可為冷卻水降溫，也可為冷媒水提供熱量，通過這幾種方式可以使冷媒水和冷卻水的入口溫度保持恒定。夏季做實驗時，由于熱負荷較大，可以開啟冷卻塔，輔助制冷機組為冷卻水降溫。其中，冷卻塔、冷水機組以及冷卻水旁通都采用并聯連接，可根據不同季節不同負荷進行靈活切換、調節。恒溫水循環系統與溴化鋰吸收式制冷機組的連接均采用避震軟管，盡量減小機組在振動過程中管路對其產生的橫向作用力。

本裝置振動臺體能夠提供垂直方向對溴冷機組進行振動，并對其振動頻率及振幅進行調節設定。

本實驗需要測量的參數主要有：冷媒水、冷卻水、熱水的溫度和流量，溶液的溫度、流量以及濃度，吸收器內部的壓力等。水回路的測點布置情況如圖1所示，溶液回路的測點布置情況如圖2所示。

1.2 實驗方法

當溶液噴淋量為0.3 m3/h時，實驗測試不同振動頻率與不同振幅分別對制冷效果的影響。開機之前，先開啟真空泵對機組抽真空，待真空度達到實驗要求之后開啟電加熱鍋爐，為機組提供熱水。機組開機啟動后，調節鍋爐、電加熱器、制冷機組以及各個閥門等，使冷卻水、熱水以及冷媒水入口溫度以及流量達到實驗設定值，開始記錄數據，系統至少穩定運行1 h后，啟動電動振動臺，開始振動實驗，并記錄振動過程中的數據變化。每個振動工況至少持續1 h，振動停止后，待系統恢復到原來的狀態，穩定運行1 h，再進行下一個振動工況的實驗。

實驗過程中保證運行條件下各參數不變，只改變振動頻率或振幅，記錄相應的參數改變量，并保證實驗的可重復性。

圖2 溶液回路測點布置示意圖Fig.2 The schematic diagram of the solution circuit set-up with measurement station numbered

2 實驗數據處理

2.1 吸收器內總傳熱系數的確定

對數傳熱溫差ΔTln通過溶液進出口溫度以及冷卻水進出口溫度計算：

(1)

吸收器內降膜吸收過程總的傳熱系數為：

(2)

傳熱強化比用公式(3)計算：

(3)

式中：Tw,out為冷卻水的出口溫度，℃；Tw,in為冷卻水的入口溫度，℃；Ts,in為吸收器內溶液入口溫度，℃；Ts,out為吸收器內溶液出口溫度，℃；Qa,v為振動情況下的傳熱量，W；Qa,j為靜止狀態下的傳熱量，W。

2.2 吸收器內總傳質量的確定

吸收器內溴化鋰溶質進出口質量守恒方程為：

(4)

(5)

傳質的強化比用公式(6)計算：

(6)

3 實驗結果與分析

在之前的實驗中發現，15 Hz以下的振動工況基本沒有強化效果或效果不明顯，而15～30 Hz的頻率段內的強化效果比較明顯。由于實驗臺本身的極限性，在超出30 Hz頻率段實驗臺共振較厲害，故沒有對其進行實驗，包括頻率在30 Hz，振幅為0.4 mm這組工況也沒能進行實驗。

3.1 不同頻率下振幅對強化效果的影響

圖3～圖6分別給出了溶液流量值控制在0.3 m3/h下，頻率為15 Hz、20 Hz、25 Hz、30 Hz時振幅對機組性能的影響。

圖3 頻率為15 Hz時強化效果隨振幅的變化情況Fig.3 The variation of the strengthening effect with amplitude when the frequency is 15 Hz

由圖3可知，傳熱傳質強化比以及制冷量提高比，這三者的最大值均出現在振幅為0.2 mm時，0.2 mm之后隨著振幅的增加傳熱強化比、傳質強化比以及制冷量提高比都開始降低。所以，在15 Hz頻率下、振幅為0.2 mm時，振動對于機組性能的提高作用最佳，且三者的協同程度較好。

由圖4可知，傳熱傳質強化比以及制冷量提高比這三者的最大值也出現在振幅為0.2 mm時，但此時三者的協同程度不是很好，振幅從0.1 mm增加到0.2 mm時傳質強化比和制冷量提高比的增加很明顯，而傳熱強化比增加不大；0.2 mm之后隨著振幅的增加傳熱強化比、傳質強化比以及制冷量提高比都開始降低。所以，在20 Hz頻率下、振幅為0.2 mm時，振動對于機組性能的提高作用最佳，但是振幅為0.3 mm時三者的協同程度最好。

圖4 頻率為20 Hz時強化效果隨振幅的變化情況Fig.4 The variation of the strengthening effect with amplitude when the frequency is 20 Hz

圖5 頻率為25 Hz時強化效果隨振幅的變化情況Fig.5 The variation of the strengthening effect with amplitude when the frequency is 25 Hz

在圖5中，從總體上來看，本實驗的振幅范圍內，傳熱強化比、傳質強化比以及制冷量提高比三者均隨著振幅的增加而增加，變化趨勢基本相同。但是當振幅從0.3 mm增加到0.4 mm時，傳質強化比稍有下降，分析原因可能是測量儀器本身存在測量誤差。從圖上還可以看出當振幅為0.2 mm時，三者的值基本相同，協同程度很好。

由圖6可知，在30 Hz頻率下，傳熱強化比以及傳質強化比的最大值均出現在振幅為0.2 mm時，0.2 mm之后隨著振幅的增加均有所降低，但是變化比較平緩，而制冷量提高比則隨著振幅的增加一直增加；0.2 mm之后與傳熱傳質強化比和制冷量提高比的變化趨勢相反。分析產生這種現象的原因可能是：當振幅從0.2 mm增加到0.3 mm時，雖然振動對于吸收器傳熱傳質的強化作用變弱，但振動對于蒸發器的蒸發吸熱過程的強化作用變強，而制冷量是蒸發器蒸發效果最直接的體現，所以會出現上述現象。

圖6 頻率為30 Hz時強化效果隨振幅的變化情況Fig.6 The variation of the strengthening effect with amplitude when the frequency is 30 Hz

3.2 不同振幅下頻率對強化效果的影響

圖7～圖10分別給出了振幅為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm時頻率對強化效果的影響情況。

圖7 振幅為0.1 mm時強化效果隨頻率的變化情況Fig.7 The variation of the strengthening effect with frequency when the amplitude is 0.1 mm

圖8 振幅為0.2 mm時強化效果隨頻率的變化情況Fig.8 The variation of the strengthening effect with frequency when the amplitude is 0.2 mm

圖9 振幅為0.3 mm強化效果隨頻率的變化情況Fig.9 The variation of the strengthening effect with frequency when the amplitude is 0.3 mm

圖10 振幅為0.4 mm強化效果隨頻率的變化情況Fig.10 The variation of the strengthening effect with frequency when the amplitude is 0.4 mm

由圖7可知，傳熱、傳質強化比以及制冷量提高比這三者的最大值也出現在頻率為20 Hz時，當頻率增加到25 Hz時，這三者均開始下降，但是當頻率繼續增加到30 Hz時，這三者的值又開始增加。所以，從總體來看，當振幅為0.1 mm時，傳熱、傳質強化比以及制冷量提高比這三者隨頻率的變化沒有明確的趨勢，而且這三者在各個頻率點的協同性也不是很好，很難說哪個頻率點的振動強化效果最好。但振幅為0.1 mm時，傳熱、傳質強化比以及制冷量提高比這三者的變化趨勢，基本上是一致的。

由圖8可知，在25 Hz之前，傳熱強化比、傳質強化比以及制冷量提高比均隨著頻率的增加而增加，在25 Hz時達到最大值，25 Hz之后，頻率繼續增加時這三者均開始下降。且當振幅為0.2 mm時傳質的強化效果比較明顯。振幅為0.2 mm、頻率為25 Hz時，振動對機組性能的強化效果最好，但此時傳熱、傳質強化比及制冷量提高比三者的協同性并不是很好。

由圖9可知，振幅為0.3 mm時，傳熱、傳質強化比以及制冷量提高比三者的變化趨勢與0.2 mm時相同。在25 Hz之前，三者均隨著頻率的增加而增加，25 Hz時達到最大值，25 Hz之后，頻率繼續增加時這三者均開始下降。當振幅為0.3 mm、頻率為25 Hz時，振動對機組性能的強化效果最好。但振幅為0.3 mm、頻率為20 Hz的振動工況下，傳熱、傳質強化比以及制冷量提高比三者的協同性很好。

由圖10可知，當頻率從15 Hz增加到20 Hz時，傳質強化比和制冷量提高比的變化幅度很小，而傳熱強化比減小為零；當頻率增加到25 Hz時，傳熱、傳質強化比以及制冷量提高比三者的增加幅度很大。所以當振幅為0.4 mm時，同樣也是頻率為25 Hz的振動工況，對機組性能的強化效果最好。

3.3 不同頻率和振幅時強化效果的變化情況對比

圖11～圖13分別給出了傳熱強化比、傳質強化比以及制冷量提高比隨頻率和振幅的變化情況。

由圖11可知，振幅為0.1 mm時，傳質強化比隨頻率的變化不明顯，比較平穩；振幅為0.2 mm和0.3 mm時傳質強化比的變化趨勢相同，25 Hz之前隨著頻率的增加而增加，25 Hz時達到最大值，之后開始下降。從圖中還可以看出，25 Hz時傳質強化比在不同的振幅下變化比較顯著。

由圖12可知，傳熱強化比隨頻率和振幅的變化趨勢與傳質強化比基本相同。即振幅為0.1 mm時，傳熱強化比隨頻率的增加波動比較小，比較平穩；振幅為0.2 mm和0.3 mm時傳熱強化比的變化趨勢相同，25 Hz之前隨著頻率的增加而增加，25 Hz時達到最大值，25 Hz之后開始下降。此外，傳熱強化比也是在25 Hz時隨振幅的變化比較顯著，在其他頻率時隨振幅的變化不大。

圖12 傳熱強化比在不同振動工況下的變化情況Fig.12 The variation of the heat transfer enhancement under different vibration condition

由圖13可知，制冷量提高比隨頻率和振幅的變化趨勢與傳熱強化比以及傳質強化比基本相同。即振幅為0.1 mm時，制冷量提高比隨頻率的增加波動比較小，比較平穩，沒有明顯的變化趨勢；振幅為0.2 mm和0.3 mm時，制冷量提高比的變化趨勢基本相同，25 Hz之前隨著頻率的增加而增加，25 Hz時達到最大值，之后開始下降；但是振幅為0.2 mm時，曲線的變化趨勢比較平緩，而振幅為0.3 mm時，曲線的變化趨勢比較顯著。此外，制冷量提高比也是在25 Hz時隨振幅的變化比較顯著。

圖13 制冷量提高比在不同振動工況下的變化情況Fig.13 The variation of the cooling capacity enhancement under different vibration condition

4 結論

本文研究了機械振動對吸收式制冷傳熱傳質的強化作用，得出振動臺的振幅以及頻率對吸收器內的傳熱傳質影響。通過分析實驗數據，得到以下結論：

1)振幅相同時，振動頻率對強化效果的影響較大；頻率相同時，振幅太大或太小，振動的強化效果都會下降，而當振幅與液膜厚度比較接近時振動對機組性能的強化效果最好。而且當頻率為20 Hz和25 Hz，且振幅與液膜厚度比較接近時，傳熱強化比、傳質強化比以及制冷量提高比這三者的協同性較好，說明在這樣的振動工況下機組的運行狀態最好，強化效果最佳。

2)在本文的實驗范圍內，頻率為20～30 Hz的頻率段為強化效果最好的頻率段，在這個頻率段內，傳熱的強化效果可達到8%～20%，傳質的強化效果可達到10%～25%，制冷量可提高12%～18%，在本文的實驗過程中，由于熱源的加熱量保持不變，所以制冷量的提高比也即性能系數COP的提高比。

本文受美國ASHRAE基金(1462-RP)項目資助。(The project was supported by the ASHRAE Foundation of the United States of America(No. 1462-RP).)

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About the corresponding author

Zou Guowen, male, master candidate, Mechanical Engineering school, Tianjin University of Commerce, +86 15222897139, E-mail: zou881118@163.com. Research fields: optimization and conservation technology of refrigeration system.

Experimental Study of Heat and Mass Transfer Enhancement of Absorption Refrigeration by Mechanical Vibration

Shen Jiang1Zou Guowen1Wang Jianmin1Josephine Lau2Shen Ziqi2Sun Huan1

(1. Refrigeration Key Laboratory of Tianjin, Tianjin University of Commerce, Tianjin, 300134, China；2. University of Nebraska-Lincoln, Lincoln, 68045, USA)

Effects of mechanical vibration on the heat and mass transfer process of absorption refrigerating system had been researched in this paper. A performance appraisal test bench was set up, thus an electrodynamics vibration generator was installed on the bottom of the absorption refrigerating machine to add vertical vibration into the system. Enhancement effects of vibration frequencies and amplitude on the heat and mass transfer process of absorption refrigerating machine were analyzed respectively. The results showed that when amplitude was constant, vibration frequencies had a strong effect on enhancement effect; and under the optimum spray volume and same vibration frequency, the enhancement effect of vibration would be reduced with too high or too low vibration amplitude. And in the range of test, frequency ranges for the best enhancement effect was 20-30 Hz, in these conditions, the enhancement effect of heat transfer could be 8%-20%, the enhancement effect of mass transfer could be 10%-25%, and cooling capacity increased by 12%-18%.

absorption refrigeration; vibration; heat and mass transfer; enhancement

0253- 4339(2016) 02- 0046- 07

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.02.046

2015年8月15日

TB61+1；TQ051，5

A

簡介

鄒國文，男，碩士研究生，天津商業大學機械工程學院，15222897139，E-mail: zou881118@163.com。研究方向：制冷系統優化及節能技術。