溴化鋰溶液中添加活性炭顆粒對制冷機出力的影響

蔡 杰 市橋伸久 板谷義紀

(1南京師范大學能源與機械工程學院 南京 210042)

(2日本名古屋大學化學工學系 日本名古屋 464-8603)

1 引言

當溴化鋰吸收式制冷系統以余熱、廢熱、排熱等低品位廢熱為驅動能源時，其具有非常顯著的節能效果，從而成為一種高效的節能技術。同時，該技術以溴化鋰溶液作為吸收劑，以水為制冷劑，對大氣沒有污染。因此，溴化鋰吸收式制冷技術在近年來受到廣泛的重視。自20世紀80年代以來，中國溴化鋰吸收式制冷技術發展迅速，產量已經居于世界前列［1-2］。溴化鋰吸收式制冷機行業是中國制冷、空調領域中少有的擁有全部核心技術的一個行業。

單純溴化鋰水溶液的傳熱(0.5—2.5 kW/(m2·K))和傳質系數較低，因此溴化鋰吸收式制冷機組內部換熱器所需換熱面積很大［3-5］，這導致了溴化鋰吸收式制冷系統的體積較壓縮式制冷機大。因此，強化吸收劑的傳熱傳質，減少必要的傳熱面積是溴化鋰吸收式制冷系統小型化的關鍵，是近年來溴化鋰吸收式制冷研究領域的熱點問題［6-8］。

目前，國內外強化吸收式制冷機組傳熱傳質的手段主要有采用強化傳熱管和添加界面活性劑［9-14］。文獻［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系數較單純溴化鋰水溶液有明顯提高，但是，納米顆粒成本較高，不適合大規模工業化生產。日本名古屋大學板谷義紀教授研究發現在溴化鋰水溶液中添加微米級的活性炭、沸石等吸著劑顆粒形成的懸浮液的傳熱傳質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材料，制造成本遠較納米顆粒的低。日本M會社已經開發出小型化的吸著式熱泵制冷機。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化吸收式制冷機組傳熱傳質的一個新途徑。

本文通過實驗方法，分析研究了活性炭顆粒的添加對制冷機出力的影響。

2 實驗裝置及實驗條件

2.1 活性炭/溴化鋰懸浮液傳熱傳質實驗裝置

實驗臺主要由上部容器、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、數據采集系統等幾部分組成。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冷凝器冷卻成水之后進入冷凝水容器，再進入蒸發器。

2.2 實驗條件

實驗用活性炭顆粒的粒徑為微米級，算術平均粒徑為7.227 4 μm，變動系數為37.633 9，算術標準偏差為2.72μm。溴化鋰濃度為0.7 kg-LiBr/kg-Solution。

圖1 實驗裝置簡圖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 實驗結果及分析

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，其粘度必然會發生變化，從而對溶液的流動及傳熱產生影響，因此本文對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系。因此，隨著活性炭濃度的增大，吸收液沿換熱面流動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 制冷機出力隨透濕系數的變化

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

3.3 制冷機出力隨吸附平衡系數的變化

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

制冷機的出力作為吸收式制冷機的重要指標，可以反映吸收劑的品質及性能。因此，本文對冷卻水入口溫度290 K，蒸發器溫度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實驗條件下，吸附平衡常數在0—1.5范圍內的制冷機出力進行了測量，研究分析活性炭/溴化鋰懸浮液吸收式制冷機出力與吸附平衡常數之間的關系。圖6反映了不同吸附平衡常數條件下的制冷機出力。由圖6中可以看出，隨著吸附平衡常數的增加，制冷機出力由7.86 kW上升到8.25 kW，相應的，制冷機出力比值由1上升到1.05，制冷機出力有較為明顯的增加。通過提高吸收劑的吸附平衡常數可以改善吸收劑的蒸氣吸收量，提高制冷的出力。

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

3.4 制冷機出力隨換熱面積的變化

換熱面積對制冷機出力有非常顯著的影響，因此對1.0—2.0 m2換熱面積條件下的制冷機出力進行了實驗測量。實驗條件為:冷凝器溫度290 K，蒸發器溫度280 K，吸附平衡常數為2，溶液流量為0.01 kg/s，透濕系數為 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，也對純溴化鋰溶液條件下的制冷機出力進行了測量。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出力。由圖7中可以看出，隨著換熱面積的增加，制冷機出力由7.86 kW上升到14 kW，制冷機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的出力比純溴化鋰吸收制冷機的出力高0.46—2 kW。

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

4 結論

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

(1)在0—0.14 kg-AC/kg-Solution活性炭濃度范圍內，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系;

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

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

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

(5)添加適量微米級活性炭顆?？梢杂行Ц纳其寤嚾芤旱膫鳠醾髻|性能。

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