超声强化溴化锂水溶液发生过程的性能实验研究

周西文，侯召宁，谈莹莹，王 林,李修真

(河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳 471023)

0 引言

传统吸收制冷机组发生器中制冷剂的传热传质特性直接决定了机组的制冷效率，特别是当采用太阳能等可再生能源驱动时，由于驱动热源温度较低，发生器内冷剂水的蒸发能力更显不足，为此，国内外研究学者围绕提升发生器发生效率开展了丰富的研究[1]。

应用强化传热管是一种提升冷剂水沸腾蒸发效率的有效方法。文献[2]将发生器内原有的普通圆管替换为加肋扁管强化溴化锂水溶液的蒸发，可明显强化溴化锂水溶液的发生过程。此外，减小溴化锂水溶液传质阻力也可一定程度上改善其蒸发性能。文献[3]通过添加活性剂减小溴化锂水溶液的表面张力，从而强化了冷剂水的蒸发传质效果。然而，从实际运行效果来看，借助被动式传热强化技术和添加活性剂等方法对发生器传质效率的提升效果有限[4]。近年来，随着声学技术的发展，超声波因其主动可调的优势已在传热传质等领域得到应用。

在传热强化方面，研究者尝试将超声波用于对流传热[5-6]和相变传热[7-8]的强化上，并利用实验和理论分析的手段揭示其强化机理。文献[7]对比分析了超声作用对池沸腾传热性能的影响，并研究了超声作用下的气泡动力特性。文献[8]表明超声波对沸腾传热强化作用的根本原因在于超声作用下的空化效应。文献[9]总结了超声对蓄冷材料过冷度、成核速率、生长速率以及稳定性等方面的影响，认为超声既能改善相变蓄冷材料的过冷度高、蓄冷时间慢等缺点又不影响其潜热。文献[10]通过理论分析发现，特定超声参数下可以诱导液体在蒸发过程中产生共振，从而强化液体的蒸发。

另外，超声波在强化传质性能方面表现优异[11-14]，已有学者将其用于雾化技术和吸收式制冷装置中。为获得溶液除湿系统更加优良的除湿性能，文献[15-16]结合超声技术提出超声雾化的溶液除湿系统，并探讨了不同运行压力对溶液除湿系统性能的影响。文献[17-18]指出超声波作为主动强化换热技术，应用于吸收式制冷系统的发生器内溴化锂水溶液的传热过程时，可以增强溶液的传热效率。文献[19]进行了超声强化小型溴化锂吸收式制冷机性能实验研究，结果表明：超声波可以强化溴化锂吸收式制冷机组性能，且强化效果与溶液液位有关，对发生器液位的控制是超声波强化溴冷机组性能的关键。文献[20]研究了气泡在外加超声波作用下，气泡粒径的变化规律以及气泡的运动特性。文献[21]对超声强化对沉浸于溴化锂水溶液内的结构管传热进行研究，结果表明：超声空化对强化传热效率具有重要作用。文献[4]和文献[22]对超声作用于溴化锂水溶液的传热过程进行实验研究，结果表明：发生效率不变情况下，超声空化可促使发生温度降低约5.0 ℃。文献[23]提出采用超声波和纳米材料强化吸收制冷系统中NH3-H2O-LiBr三元溶液对氨的吸收作用，仅超声作用对氨的吸收比可达到1.09。文献[24]从传热传质强化角度研究了超声对于冷剂水蒸发分离能力的强化效果。

综上所述，超声技术在传热传质过程强化效果显著，但应用超声技术提升吸收式制冷系统中发生器性能方面的研究仍多见于理论分析中，且超声强化发生器中盐溶液蒸发传质的实验研究相对较少，超声作用下，发生器内溴化锂溶液发生规律有待探究。为此，本文设计并搭建了一套超声波强化溴化锂水溶液发生过程实验台，通过实验着重研究超声频率及功率、发生压力、溶液温度、溶液质量分数等因素对超声强化溶液发生率的影响规律，为强化发生器发生效果提供理论参考，同时也为超声技术在提升吸收式制冷系统性能中的应用奠定基础。

1 实验系统

超声波强化溴化锂水溶液发生过程实验台如图1所示，主要由发生器、集水器、冷却水系统及数据采集系统等构成。发生器内布置的8根电加热棒(400 W/根)用来模拟热源加热溴化锂水溶液产生水蒸气，其由一台5 kW的调压器调节加热功率从而控制溶液发生温度。在发生器底部外表面贴附设置4组超声振子(2组25 kHz/60 W、1组28 kHz/60 W和1组40 kHz/60 W)，超声波发生器用以控制超声振子开启的数量、频率和功率。在发生器侧面设置取样桶，所采溶液用于计算分析发生器内溴化锂水溶液的质量分数变化。在发生器另一侧设置集水器和液位计，液位计和集水器连通，发生器内产生的过热蒸汽经冷凝盘管冷却为液体后排入集水器内，通过液位计观测集水器内液位高度，由此计算产生液态水对应的质量。冷却水系统向冷凝盘管提供低温冷水用以冷却过热蒸汽为液态水。

图1 超声波强化溴化锂水溶液发生过程实验装置

发生器内溴化锂水溶液的温度、冷却水进出口温度和发生器内产生的蒸汽温度均由T型热电偶(误差为±0.1 ℃)测量，冷却水流量采用电磁流量计(精度0.5级)测量，所测得的温度及流量数据由Agilent 34970A型数据采集仪实时采集记录。发生器内压力由真空压力表(误差为±0.5 kPa，精度0.4级)测量。液位计内水的质量和采样的溴化锂水溶液质量均采用电子天平(误差为±0.01 g)测量，液位计内水柱的高度由精度为1 mm的毫米刻度尺测量。

2 实验数据处理

2.1 不确定度分析

不确定度作为测量数据是否可信的指标，表征测量结果的可信赖程度。本实验研究测量的各个关键参数的不确定度主要由测量仪表的误差引起，系统发生率和溶液质量分数的不确定度主要由实验误差和计算中的误差传递所致。实验系统中各个测量参数的不确定度根据文献[25]的不确定度分析准则计算，计算公式见式(1)和式(2)。

(1)

(2)

其中：E为被测量与各直接测量的函数关系；Xi为第i个不确定度分量；δY/Y为合成相对不确定度。

由各测量仪表的误差可计算出测量参数的不确定度，温度不确定度为0.1 ℃，质量不确定度为0.01 g，压力不确定度为0.01 kPa，系统发生率不确定度为1.31%，溶液质量分数不确定度为0.07%。

2.2 系统性能评价

在实验过程中，发生器内溴化锂水溶液的质量分数在其受热发生过程逐渐增大，当达到稳定状态后，溴化锂水溶液质量分数保持不变，为此，采用溶液极限最高质量分数和系统发生率[26]来评价不同因素对超声强化溶液发生过程的影响。极限最高质量分数Xmax是指加热状态下集水器的液位不再发生变化时所对应的溴化锂水溶液质量分数，系统发生率指单位时间内溴化锂水溶液产生的蒸汽量，系统发生率由式(3)计算：

(3)

其中：yw为系统发生率，%；mw为液位计刻度对应的集水器内冷凝水的质量，g；t为系统运行稳定后，集水器开始集水的时间，s。

3 实验结果及分析

溴化锂水溶液在实验初始时质量分数为49.57%，冷却水系统水温为11.4 ℃，循环水泵流量为390 L/h，热源加热功率为3.2 kW。在溶液温度分别为50.0 ℃、60.0 ℃和70.0 ℃时，分析溶液温度、超声频率、发生压力等因素对系统发生率的影响。

3.1 系统发生率的变化规律

3.1.1 溶液温度对系统发生率的影响

超声作用下溶液温度对系统发生率的影响如图2所示。由图2可知：相同溶液温度下，超声作用较无超声作用使系统发生率明显升高。当液位计刻度为0.0 cm，温度为50.0 ℃和60.0 ℃时，超声作用下系统发生率较无超声时分别提高了7.75%和5.69%。液位计刻度为2.0 cm时，温度为50.0 ℃和60.0 ℃时，超声作用下系统发生率较无超声时分别提高了5.09%和4.06%。溶液温度越低，超声对系统发生率的提升作用越明显，表明较低热流密度下超声强化溶液发生过程更显著。

图2 溶液温度对超声作用下系统发生率的影响

3.1.2 超声频率对系统发生率的影响

超声频率对系统发生率的影响如图3所示。由图3可知：在相同的溶液温度下，系统发生率随着超声频率的降低而增加。当液位计刻度为0.0 cm，超声频率分别为25 kHz、28 kHz和40 kHz的系统发生率较无超声作用时，分别提高了5.69%、4.61%和2.01%；当液位计刻度为2.0 cm时，超声频率分别为25 kHz、28 kHz和40 kHz的系统发生率较无超声作用时，分别提高了4.06%、3.01%和2.09%。综上可知，溶液温度相同时，低频超声对系统发生率的提高更明显，表明低频超声较高频超声对强化溶液发生过程具有更大影响。

图3 超声频率对系统发生率的影响

3.1.3 发生压力对系统发生率的影响

发生压力对系统发生率的影响如图4所示。由图4可知：系统发生率随着冷却水温度的升高而降低。当液位计刻度为0.0 cm，冷却水温度为11.4 ℃、22.7 ℃和29.7 ℃(所对应发生压力分别为4.15 kPa、5.02 kPa和6.18 kPa)时，系统的发生率较无超声作用时，提高了5.69%、6.15%和6.62%；当液位计刻度为2.0 cm，冷却水温度分别为11.4 ℃、22.7 ℃和29.7 ℃时，系统发生率较无超声作用时，分别增大了4.08%、2.88%和0.98%。文献[14]指出在超声作用下，溶液空化强度随发生压力的升高而增强。因此，尽管系统发生率随着发生压力的升高而降低，但超声作用下系统发生率较无超声作用时提升效果随压力升高而增大。

图4 发生压力对系统发生率的影响

3.1.4 溶液质量分数对系统发生率的影响

溶液质量分数对系统发生率的影响如图5所示。由图5可知：系统的发生率随着溶液质量分数的增加而降低。当液位计刻度为0.0 cm时，溶液初始质量分数分别为49.57%、51.07%和52.33%时，系统发生率较无超声作用时，分别提高了5.69%、5.29%和3.17%；当液位计刻度为2.0 cm时，溶液质量分数分别为49.57%、51.07%和52.33%时，系统产水率较无超声作用时，分别提高了4.08%、5.61%和5.76%超声作用对系统发生率的影响随着溶液质量分数的增大而增强。溶液质量分数越高，超声作用对系统发生率的强化作用越明显。

图5 溶液质量分数对系统发生率的影响

3.2 发生器内溶液极限质量分数的变化规律

溶液极限质量分数作为不同因素下，加热溶液产生最多水蒸气后溶液的最高质量分数，是探讨超声作用下溶液极端产水量的重要指标。当溶液温度为60.0 ℃，超声振子的数量为1，超声频率为25 kHz，超声功率为60 W，溶液的初始质量分数为49.57%时，探讨溶液温度、超声频率、冷却水流量(发生压力)和超声振子数量对溶液极限质量分数的影响。

3.2.1 超声频率对溶液极限质量分数的影响

超声频率对溶液极限质量分数的影响如图6所示。由图6可知：溶液极限质量分数随着溶液温度的升高而增大，溶液温度由60.0 ℃升至70.0 ℃时，Xmax由52.26%增加至56.51%，增加了4.25%。溶液蒸汽压随温度的升高而升高，在发生压力相同时，提高溶液温度将增加气液传质推动力，有助于溶液加速蒸发，产生更多的水蒸气，进而使溶液质量分数提高。由图6可知：溶液极限质量分数随超声频率增加而降低，温度60.0 ℃时，频率25 kHz、28 kHz和40 kHz的溶液极限质量分数相较于无超声时分别提高了1.58%、1.39%和1.02%。溶液温度为70.0 ℃时，频率25 kHz、28 kHz和40 kHz的溶液极限质量分数较无超声时，分别提高了0.54%、0.39%和0.24%。超声频率越低，空化强度越大，溶液扰动越大，产水量越高，则溶液极限质量分数越高。另外，溶液温度越高，超声强化溶液传热效果降低。在初始溶液质量分数相同时，达到相同溶液极限质量分数，超声强化溶液发生过程的热源温度可降低约2.0 ℃左右。

图6 超声频率对溶液极限质量分数的影响

3.2.2 超声振子数量对溶液极限质量分数的影响

超声振子数量对溶液极限质量分数的影响如图7所示。由图7可知：溶液极限质量分数随振子数量增加而增加。溶液温度为60.0 ℃时，单超声振子和双超声振子的溶液极限质量分数较无超声作用时，分别提高了1.58%和2.12%；溶液温度为70.0 ℃，单超声振子和双超声振子的溶液极限质量分数较无超声作用时，分别提高了0.54%和0.71%。可见，消耗相同电能，双超声振子较单超声振子具有更好强化溶液发生过程。

图7 超声振子数量对溶液极限质量分数的影响

3.2.3 超声功率对溶液极限质量分数的影响

超声功率对溶液极限质量分数的影响如图8所示。由图8可知：溶液极限质量分数随超声功率增加而增加。溶液温度和超声频率分别为60.0 ℃和25 kHz，超声功率分别为60 W、90 W和120 W时的溶液极限质量分数较无超声作用时，分别提高了1.58%、2.36%和3.01%；另外，溶液温度和超声频率分别为70.0 ℃和25 kHz，超声功率分别为60 W、90 W和120 W时的溶液极限质量分数较无超声作用时，分别提高了0.54%、0.75%和1.03%。随着超声功率增加，空化强度提高，溶液振荡和扰动增强，相同工况下，产水量增加，溶液极限质量分数升高。

由图8可得:与无超声且达到相同极限浓度相比，超声功率为90 W时，超声强化溶液传热的热源温度可降低约2 ℃。超声强化传热技术在消耗较低能耗下，对提高系统能效，降低热源温度具有明显作用。

图8 超声功率对溶液极限质量分数的影响

3.2.4 冷却水流量对溶液极限质量分数的影响

冷却水流量对溶液极限质量分数的影响如图9所示。由图9可知：随着冷却水流量增加，发生压力逐渐降低。热源对溶液加热过程中，冷却水流量增加将提高冷却水对过热蒸汽的吸热率，过热蒸汽冷凝速率增加，致使发生压力降低。溶液极限质量分数随冷却水流量增大而升高，随发生压力增加而降低。发生压力降低造成溴化锂水溶液的气液传质推动力增加，溶液产水率提高，溶液极限质量分数提高。当溶液温度为60.0 ℃，超声频率25 kHz，超声功率60 W，冷却水流量150 L/h时，单超声振子和双超声振子的溶液极限质量分数较无超声作用时，分别提高了0.66%和0.91%；冷却水流量400 L/h时，单超声振子和双超声振子的溶液极限质量分数较无超声作用时，分别提高了1.58%和2.11%。发生压力越低，发生器中溴化锂水溶液蒸发产水量越大，超声强化溶液传热效果越明显。另外，发生压力越低，空化强度越低，然而冷却水流量增加对溶液产水量增加的影响大于发生压力对超声空化强度降低的影响，最终导致超声作用下溶液极限质量分数随冷却水流量增大而升高。

图9 冷却水流量对溶液极限质量分数的影响

4 结论

(1)发生器中溴化锂水溶液温度越低，超声对系统发生率的提高作用越明显，双超声振子较单超声振子强化溶液发生过程的作用更显著，超声强化溴化锂水溶液发生过程的作用在较低热流密度下更加显著。

(2)超声作用下，发生压力分别为4.15 kPa、5.02 kPa和6.18 kPa时的系统发生率较无超声作用，分别提高了5.69%、6.15%和6.62%。系统发生率虽然随着发生压力的升高而降低，但超声作用使得系统发生率提升效果随着发生压力的升高而愈加显著，超声强化作用有助于改善吸收式制冷系统受限于发生压力而导致的发生过程传热效率较低的问题。

(3)溶液初始质量分数49.57%，超声频率25 kHz，超声功率90 W，冷却水流量400 L/h时，产生相同量冷凝水，超声强化溶液传热热源温度可降低2 ℃左右。超声强化传热技术在消耗较低能耗下，对降低热源温度具有明显作用。