超聲強化溴化鋰水溶液發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 土木工程學院，河南 洛陽 471023)

0 引言

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

應用強化傳熱管是一種提升冷劑水沸騰蒸發效率的有效方法。文獻[2]將發生器內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，可明顯強化溴化鋰水溶液的發生過程。此外，減小溴化鋰水溶液傳質阻力也可一定程度上改善其蒸發性能。文獻[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傳質效果。然而，從實際運行效果來看，借助被動式傳熱強化技術和添加活性劑等方法對發生器傳質效率的提升效果有限[4]。近年來，隨著聲學技術的發展，超聲波因其主動可調的優勢已在傳熱傳質等領域得到應用。

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[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[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。文獻[9]總結了超聲對蓄冷材料過冷度、成核速率、生長速率以及穩定性等方面的影響，認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[10]通過理論分析發現，特定超聲參數下可以誘導液體在蒸發過程中產生共振，從而強化液體的蒸發。

另外，超聲波在強化傳質性能方面表現優異[11-14]，已有學者將其用于霧化技術和吸收式制冷裝置中。為獲得溶液除濕系統更加優良的除濕性能，文獻[15-16]結合超聲技術提出超聲霧化的溶液除濕系統，并探討了不同運行壓力對溶液除濕系統性能的影響。文獻[17-18]指出超聲波作為主動強化換熱技術，應用于吸收式制冷系統的發生器內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[19]進行了超聲強化小型溴化鋰吸收式制冷機性能實驗研究，結果表明：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，對發生器液位的控制是超聲波強化溴冷機組性能的關鍵。文獻[20]研究了氣泡在外加超聲波作用下，氣泡粒徑的變化規律以及氣泡的運動特性。文獻[21]對超聲強化對沉浸于溴化鋰水溶液內的結構管傳熱進行研究，結果表明：超聲空化對強化傳熱效率具有重要作用。文獻[4]和文獻[22]對超聲作用于溴化鋰水溶液的傳熱過程進行實驗研究，結果表明：發生效率不變情況下，超聲空化可促使發生溫度降低約5.0 ℃。文獻[23]提出采用超聲波和納米材料強化吸收制冷系統中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到1.09。文獻[24]從傳熱傳質強化角度研究了超聲對于冷劑水蒸發分離能力的強化效果。

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

1 實驗系統

超聲波強化溴化鋰水溶液發生過程實驗臺如圖1所示，主要由發生器、集水器、冷卻水系統及數據采集系統等構成。發生器內布置的8根電加熱棒(400 W/根)用來模擬熱源加熱溴化鋰水溶液產生水蒸氣，其由一臺5 kW的調壓器調節加熱功率從而控制溶液發生溫度。在發生器底部外表面貼附設置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)，超聲波發生器用以控制超聲振子開啟的數量、頻率和功率。在發生器側面設置取樣桶，所采溶液用于計算分析發生器內溴化鋰水溶液的質量分數變化。在發生器另一側設置集水器和液位計，液位計和集水器連通，發生器內產生的過熱蒸汽經冷凝盤管冷卻為液體后排入集水器內，通過液位計觀測集水器內液位高度，由此計算產生液態水對應的質量。冷卻水系統向冷凝盤管提供低溫冷水用以冷卻過熱蒸汽為液態水。

圖1 超聲波強化溴化鋰水溶液發生過程實驗裝置

發生器內溴化鋰水溶液的溫度、冷卻水進出口溫度和發生器內產生的蒸汽溫度均由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據由Agilent 34970A型數據采集儀實時采集記錄。發生器內壓力由真空壓力表(誤差為±0.5 kPa，精度0.4級)測量。液位計內水的質量和采樣的溴化鋰水溶液質量均采用電子天平(誤差為±0.01 g)測量，液位計內水柱的高度由精度為1 mm的毫米刻度尺測量。

2 實驗數據處理

2.1 不確定度分析

不確定度作為測量數據是否可信的指標，表征測量結果的可信賴程度。本實驗研究測量的各個關鍵參數的不確定度主要由測量儀表的誤差引起，系統發生率和溶液質量分數的不確定度主要由實驗誤差和計算中的誤差傳遞所致。實驗系統中各個測量參數的不確定度根據文獻[25]的不確定度分析準則計算，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關系；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的不確定度，溫度不確定度為0.1 ℃，質量不確定度為0.01 g，壓力不確定度為0.01 kPa，系統發生率不確定度為1.31%，溶液質量分數不確定度為0.07%。

2.2 系統性能評價

在實驗過程中，發生器內溴化鋰水溶液的質量分數在其受熱發生過程逐漸增大，當達到穩定狀態后，溴化鋰水溶液質量分數保持不變，為此，采用溶液極限最高質量分數和系統發生率[26]來評價不同因素對超聲強化溶液發生過程的影響。極限最高質量分數Xmax是指加熱狀態下集水器的液位不再發生變化時所對應的溴化鋰水溶液質量分數，系統發生率指單位時間內溴化鋰水溶液產生的蒸汽量，系統發生率由式(3)計算：

(3)

其中：yw為系統發生率，%；mw為液位計刻度對應的集水器內冷凝水的質量，g；t為系統運行穩定后，集水器開始集水的時間，s。

3 實驗結果及分析

溴化鋰水溶液在實驗初始時質量分數為49.57%，冷卻水系統水溫為11.4 ℃，循環水泵流量為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、發生壓力等因素對系統發生率的影響。

3.1 系統發生率的變化規律

3.1.1 溶液溫度對系統發生率的影響

超聲作用下溶液溫度對系統發生率的影響如圖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發生率明顯升高。當液位計刻度為0.0 cm，溫度為50.0 ℃和60.0 ℃時，超聲作用下系統發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，超聲作用下系統發生率較無超聲時分別提高了5.09%和4.06%。溶液溫度越低，超聲對系統發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生過程更顯著。

圖2 溶液溫度對超聲作用下系統發生率的影響

3.1.2 超聲頻率對系統發生率的影響

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

圖3 超聲頻率對系統發生率的影響

3.1.3 發生壓力對系統發生率的影響

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

圖4 發生壓力對系統發生率的影響

3.1.4 溶液質量分數對系統發生率的影響

溶液質量分數對系統發生率的影響如圖5所示。由圖5可知：系統的發生率隨著溶液質量分數的增加而降低。當液位計刻度為0.0 cm時，溶液初始質量分數分別為49.57%、51.07%和52.33%時，系統發生率較無超聲作用時，分別提高了5.69%、5.29%和3.17%；當液位計刻度為2.0 cm時，溶液質量分數分別為49.57%、51.07%和52.33%時，系統產水率較無超聲作用時，分別提高了4.08%、5.61%和5.76%超聲作用對系統發生率的影響隨著溶液質量分數的增大而增強。溶液質量分數越高，超聲作用對系統發生率的強化作用越明顯。

圖5 溶液質量分數對系統發生率的影響

3.2 發生器內溶液極限質量分數的變化規律

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

3.2.1 超聲頻率對溶液極限質量分數的影響

超聲頻率對溶液極限質量分數的影響如圖6所示。由圖6可知：溶液極限質量分數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，在發生壓力相同時，提高溶液溫度將增加氣液傳質推動力，有助于溶液加速蒸發，產生更多的水蒸氣，進而使溶液質量分數提高。由圖6可知：溶液極限質量分數隨超聲頻率增加而降低，溫度60.0 ℃時，頻率25 kHz、28 kHz和40 kHz的溶液極限質量分數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的溶液極限質量分數較無超聲時，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，產水量越高，則溶液極限質量分數越高。另外，溶液溫度越高，超聲強化溶液傳熱效果降低。在初始溶液質量分數相同時，達到相同溶液極限質量分數，超聲強化溶液發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量分數的影響

3.2.2 超聲振子數量對溶液極限質量分數的影響

超聲振子數量對溶液極限質量分數的影響如圖7所示。由圖7可知：溶液極限質量分數隨振子數量增加而增加。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量分數較無超聲作用時，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量分數較無超聲作用時，分別提高了0.54%和0.71%。可見，消耗相同電能，雙超聲振子較單超聲振子具有更好強化溶液發生過程。

圖7 超聲振子數量對溶液極限質量分數的影響

3.2.3 超聲功率對溶液極限質量分數的影響

超聲功率對溶液極限質量分數的影響如圖8所示。由圖8可知：溶液極限質量分數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時的溶液極限質量分數較無超聲作用時，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時的溶液極限質量分數較無超聲作用時，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，產水量增加，溶液極限質量分數升高。

由圖8可得:與無超聲且達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 ℃。超聲強化傳熱技術在消耗較低能耗下，對提高系統能效，降低熱源溫度具有明顯作用。

圖8 超聲功率對溶液極限質量分數的影響

3.2.4 冷卻水流量對溶液極限質量分數的影響

冷卻水流量對溶液極限質量分數的影響如圖9所示。由圖9可知：隨著冷卻水流量增加，發生壓力逐漸降低。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，致使發生壓力降低。溶液極限質量分數隨冷卻水流量增大而升高，隨發生壓力增加而降低。發生壓力降低造成溴化鋰水溶液的氣液傳質推動力增加，溶液產水率提高，溶液極限質量分數提高。當溶液溫度為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量分數較無超聲作用時，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量分數較無超聲作用時，分別提高了1.58%和2.11%。發生壓力越低，發生器中溴化鋰水溶液蒸發產水量越大，超聲強化溶液傳熱效果越明顯。另外，發生壓力越低，空化強度越低，然而冷卻水流量增加對溶液產水量增加的影響大于發生壓力對超聲空化強度降低的影響，最終導致超聲作用下溶液極限質量分數隨冷卻水流量增大而升高。

圖9 冷卻水流量對溶液極限質量分數的影響

4 結論

(1)發生器中溴化鋰水溶液溫度越低，超聲對系統發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生過程的作用更顯著，超聲強化溴化鋰水溶液發生過程的作用在較低熱流密度下更加顯著。

(2)超聲作用下，發生壓力分別為4.15 kPa、5.02 kPa和6.18 kPa時的系統發生率較無超聲作用，分別提高了5.69%、6.15%和6.62%。系統發生率雖然隨著發生壓力的升高而降低，但超聲作用使得系統發生率提升效果隨著發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受限于發生壓力而導致的發生過程傳熱效率較低的問題。

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