喷嘴孔径对纳米流体强化氨水泡状吸收过程的影响

苏风民,马鸿斌,邓洋波

(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连 116026)

喷嘴孔径对纳米流体强化氨水泡状吸收过程的影响

苏风民*,马鸿斌,邓洋波

(大连海事大学轮机工程学院,辽宁大连 116026)

氨水吸收制冷系统取代压缩制冷系统在船舶上应用具有非常好的应用前景,而吸收性能的强化则有助于氨水吸收制冷系统性能的提高和整机体积的减少。本文针对纳米流体这种新型吸收强化方法开展研究。通过实验,分析了喷嘴孔径对纳米流体强化氨水泡状吸收过程的影响。研究结果显示,喷嘴孔径的变化不会恶化纳米流体的吸收强化效果,吸收强化比始终能够保持稳定。此研究结果将有助于纳米流体这种新型吸收工质在实际吸收制冷系统中的应用。

吸收制冷;纳米流体;氨水;喷嘴孔径

0 引言

氨水吸收式制冷循环作为一种重要的绿色节能制冷循环,将其应用到船舶制冷系统中,一方面可以利用船舶上的低品位余热,有效降低船舶能源消耗,另一方面采用的氨/水这种工质对是一种天然环保型工质,可以有效避免制冷工质对大气的污染。因此,它有着非常不错的经济效益和社会效益[1-3]。然而相对于压缩制冷系统,吸收制冷系统存在制冷系数低和整机体积大等缺点,因此,提高吸收制冷系统性能、降低整机体积是该系统走向船舶应用的必由之路。

吸收器因其在吸收制冷系统中的关键作用而成为很多人研究关注的对象,对其性能的强化研究一直是吸收制冷系统研究的热点之一。纳米流体是指在液体中添加纳米级的颗粒而形成的稳定的固体颗粒悬浮液。它对传热传质过程有很大的强化作用[4-5]。实验研究表明,在氨水工质中添加纳米级的颗粒而形成稳定的纳米流体,利用纳米流体在热质传递两方面的强化作用,可极大地增强氨水泡状吸收过程的吸收性能[6-8]。

纳米流体这种吸收强化方法还处在一个初步实验研究阶段。目前研究多集中在颗粒的种类、形状和浓度等纳米流体自身性质对吸收强化效果的影响上。氨水吸收制冷循环中的相关参数的变化对纳米流体吸收强化效果的影响则缺乏研究,而这些影响对于纳米流体在氨水吸收制冷系统实际应用尤为重要。这其中吸收器的喷嘴孔径就是重要参数之一。它的变化会直接影响到氨气泡的形成与运动过程,改变气泡在喷嘴上的驻留时间,脱离直径及在氨水中的上升速度等参数。这些参数的变化又会影响吸收过程的热质传递过程,进而改变吸收器的吸收速率。这些由喷嘴孔径变化而导致的气泡行为变化还可能会影响到纳米流体对吸收性能的强化效果。而这方面目前未见报道。本文将建立氨水泡状吸收实验装置,通过实验来分析吸收器的喷嘴孔径变化对纳米流体强化效果的影响。

1 实验方法

本文建立的氨水泡状吸收实验装置如图 1所示:整个实验装置主要由吸收器、蒸发器和氨气瓶三大部分组成。氨气瓶的作用是为实验提供高纯度的氨气(纯度＞99.99%)。蒸发器的作用是模拟氨水吸收制冷系统中的蒸发器,提供特定制冷温度的氨饱和蒸气,用于吸收过程。方法是首先通过与之连接的冷冻盘管和恒温浴将从氨气瓶来的氨气冷凝成液氨,再通过改变恒温浴的温度,使得液氨在特定温度下蒸发,进而产生用于吸收过程的饱和氨蒸气。恒温浴中的冷却介质为体积百分比为45%的乙二醇溶液(其凝固点为-30 ℃)。蒸发器顶部的压力表则用于测量蒸发器内的压力,热电偶用于测量其内部液氨的温度。吸收器的作用则是模拟氨水吸收制冷系统中吸收器的吸收环境,完成泡状吸收过程。吸收器顶部连接有一组阀门和压力表。一端与真空泵连接,并装有一个真空表,用于实验前整个系统的真空抽吸;另一端与一个正压压力表相连,测量吸收过程中吸收器内的压力。与之相连的恒温水浴则用于带走吸收过程中产生的吸收热。整个设备在连接完成后,主体部件和附属连接管路均采用保温材料进行绝热处理。

吸收器的详细结构如图2所示:吸收器为一个长方体结构(300 mm×80 mm×80 mm),两侧为冷却夹层,内部设有折流板。冷却水分别从底部两个进口进入,从顶部两个出口排出。底部设有一个取样口。在吸收器侧下部装有一个可拆换的喷嘴,其结构为一根盲管,在壁面上开一个圆孔,用于氨气在吸收工质-氨水中形成气泡。顶部设有热电偶和压缩表的接口。

图1 泡状吸收实验装置原理图

图2 吸收器的结构图

蒸发器的详细结构如图3所示:蒸发器是一个圆柱形的夹层结构,上部采用法兰密封连接,上层法兰盘上设有氨气进口、氨气出口、热电偶和压力表接口。夹层内设置旋转上升的隔板,冷却介质从下部入口进入,旋转上升,从上部出口排除,用以提高冷却效果。

图3 蒸发器结构图

实验中,首先将整个设备抽真空,最终压力为1000 Pa,目的是减少系统中的不凝气。再利用精密天平测量470 ml的氨水溶液(氨的质量浓度X1为30%)的质量(m1),后充入吸收器中。接着打开与之连接的恒温水浴,使得吸收内氨水的初始温度调节到35 ℃(与实际氨水吸收器内温度相近)。与此同时,启动与蒸发器相连的恒温浴,温度设定在-10 ℃,将氨气瓶内的氨气引入蒸发器内,并发生冷凝,变成液氨储存在蒸发器内,之后升高恒温浴的温度,使得液氨蒸发。紧接着打开吸收器与蒸发器之间的阀门,从蒸发器出来的饱和氨蒸气进入吸收器,在喷嘴处形成氨气泡,氨气逐渐被氨水吸收。同时采用秒表计时,吸收时间t为600 s。最后关闭吸收器与蒸发器之间的阀门,从吸收器底部取样,采用比重法测量吸收后氨水的密度,并根据氨水密度与浓度之间的关系,确定氨水的质量浓度X2。

通过实验测得了吸收前氨水的浓度X1和质量m1、吸收后氨水的浓度X2及吸收时间t。根据质量守恒定律,对于氨水中所含水分有下列平衡式:

对方程(1)进行整理得

结合方程(2),吸收过程中氨气的吸收质量m3:

氨吸收质量与吸收时间之比,则为吸收过程中的平均吸收速率(m),即:

实验中,采用的纳米颗粒为亲水化处理的碳纳米管(直径40 nm,长度5 μm)。此种碳纳米管通过浓硝酸的氧化处理,使其表面具有轻基和羧基等亲水性的基团,从而提高碳纳米管在氨水中的分散稳定性。纳米流体的制备方法是采用两步法。首先计算出氨质量浓度为30%,颗粒的质量浓度为0.3%的纳米流体中氨、水和颗粒的质量配比;接着将称量好的颗粒首先与纯水混合,并利用超声波分散器分散 3 h,形成稳定的纯水纳米流体;最后在纯水纳米流体中充入特定质量的氨气,使得纳米流体中氨的浓度达到实验设定值。

将制备好的纳米流体充入吸收器内,在与纯氨水实验相同的条件下,进行吸收实验并测量吸收速率。为了更好地体现纳米流体的吸收强化效果,本文定义吸收强化比:

式中:

mNano——纳米流体的吸收速率;

mp——纯氨水的吸收速率。

2 结果与讨论

在氨水泡状吸收过程中,氨气通过喷嘴分散成小气泡,进而获得大的气液接触面积,完成吸收过程。氨气泡的形成和运动过程都会受到喷嘴孔径的影响。一般规律是随着喷嘴孔径的增大,气泡的脱离直径会增大,气泡在喷嘴上的驻留时间会增加,而气泡脱离喷嘴后在氨水中的上升速度增加[9]。喷嘴孔径的变化对上述气泡行为的影响规律在纯氨水和纳米流体中很可能会不同,而这些不同就会改变纳米流体对氨水泡状吸收过程的强化效果。如果这种影响恶化强化效果,纳米流体在吸收制冷中的应用就会受到极大的限制。本文通过对比实验来验证上述假设。实验中喷嘴的孔径分别为 1 mm、2 mm、3 mm、4 mm和5 mm五种。

图4显示了相同实验条件下纯氨水和纳米流体中的吸收速率随喷嘴孔径的变化规律。从图上可以看出,两种吸收工质的吸收速率随喷嘴孔径变化的规律是一致的,皆是随着孔径的增加而增加。纳米流体的吸收速率整体上要大于纯氨水。

图5则显示了吸收强化比随喷嘴孔径的变化趋势。可以看出吸收强化比并不随着喷嘴孔径的变化而变化,一直在 1.09～1.10范围内波动。这说明在本实验范围内,喷嘴孔径的变化对纳米流体吸收的强化效果没有影响。原因可能是喷嘴孔径的变化对于气泡行为的影响在纳米流体和纯氨水中是相近的。这样的规律对于纳米流体这种强化工质在氨水泡状吸收制冷系统中的应用是有利的。说明喷嘴孔径的变化不会恶化纳米流体对于吸收过程中热质传递过程的强化效果。

图4 纳米流体和纯氨水的吸收速率随喷嘴孔径的变化

图5 吸收强化比随喷嘴孔径的变化

3 结论

本文搭建了一个氨水泡状吸收实验装置,通过对比实验,分析了喷嘴的孔径变化对纳米流体强化氨水泡状吸收效果的影响。实验结果表明:在纯氨水和纳米流体中,孔径的变化对于吸收速率的影响规律是相似的;纳米流体对于吸收速率的强化效果没有随着喷嘴孔径的变化而恶化,而始终保持一个固定值。上述实验结论将有助于纳米流体这种新型强化工质走向实用。

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Effect of Nozzle Aperture on lmproving Ammonia-water Bubble Absorption with Nanofluids

SU Feng-min*, MA Hong-bin, DENG Yang-bo
(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian, Liaoning 116026, China)

Ammonia-water absorption refrigeration, instead of compress refrigeration, has a great application prospect in ships. And, improving absorption performance makes for enhancement of absorption refrigeration efficiency and decrease of the whole machine’s size. In this paper, the novel method that nanofluid improves the performance of absorption refrigeration is researched, and the effect of nozzle aperture on ammonia-water bubble absorption with nanofluids is analyzed through experiments. The results show that the change of the nozzle aperture does not deteriorate the enhancement of nanofluids on the absorption rate. The enhancing ratio is steady while the aperture of the nozzle is changed. The current investigation can result in a better application of nanofluids in absorption refrigeration.

Absorption refrigeration; Nanofluids; Ammonia-water; Nozzle aperture

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.03.206

*苏风民(1978-),男,副教授,博士。研究方向:船舶制冷与空调、相变传热。联系地址:辽宁省大连市高新园区凌海路1号大连海事大学轮机工程学院,邮编:116026。联系电话:0411-84725295。E-mail:fengminsu@dlmu.edu.cn。

国家自然科学基金(51006013)和中央高校基本科研业务费专项资金(3132013021)

本论文选自2013中国制冷学会学术年会论文。