噴嘴孔徑對納米流體強化氨水泡狀吸收過程的影響

蘇風民,馬鴻斌,鄧洋波

(大連海事大學輪機工程學院,遼寧大連 116026)

噴嘴孔徑對納米流體強化氨水泡狀吸收過程的影響

蘇風民*,馬鴻斌,鄧洋波

(大連海事大學輪機工程學院,遼寧大連 116026)

氨水吸收制冷系統取代壓縮制冷系統在船舶上應用具有非常好的應用前景,而吸收性能的強化則有助于氨水吸收制冷系統性能的提高和整機體積的減少。本文針對納米流體這種新型吸收強化方法開展研究。通過實驗,分析了噴嘴孔徑對納米流體強化氨水泡狀吸收過程的影響。研究結果顯示,噴嘴孔徑的變化不會惡化納米流體的吸收強化效果,吸收強化比始終能夠保持穩定。此研究結果將有助于納米流體這種新型吸收工質在實際吸收制冷系統中的應用。

吸收制冷;納米流體;氨水;噴嘴孔徑

0 引言

氨水吸收式制冷循環作為一種重要的綠色節能制冷循環,將其應用到船舶制冷系統中,一方面可以利用船舶上的低品位余熱,有效降低船舶能源消耗,另一方面采用的氨/水這種工質對是一種天然環保型工質,可以有效避免制冷工質對大氣的污染。因此,它有著非常不錯的經濟效益和社會效益[1-3]。然而相對于壓縮制冷系統,吸收制冷系統存在制冷系數低和整機體積大等缺點,因此,提高吸收制冷系統性能、降低整機體積是該系統走向船舶應用的必由之路。

吸收器因其在吸收制冷系統中的關鍵作用而成為很多人研究關注的對象,對其性能的強化研究一直是吸收制冷系統研究的熱點之一。納米流體是指在液體中添加納米級的顆粒而形成的穩定的固體顆粒懸浮液。它對傳熱傳質過程有很大的強化作用[4-5]。實驗研究表明,在氨水工質中添加納米級的顆粒而形成穩定的納米流體,利用納米流體在熱質傳遞兩方面的強化作用,可極大地增強氨水泡狀吸收過程的吸收性能[6-8]。

納米流體這種吸收強化方法還處在一個初步實驗研究階段。目前研究多集中在顆粒的種類、形狀和濃度等納米流體自身性質對吸收強化效果的影響上。氨水吸收制冷循環中的相關參數的變化對納米流體吸收強化效果的影響則缺乏研究,而這些影響對于納米流體在氨水吸收制冷系統實際應用尤為重要。這其中吸收器的噴嘴孔徑就是重要參數之一。它的變化會直接影響到氨氣泡的形成與運動過程,改變氣泡在噴嘴上的駐留時間,脫離直徑及在氨水中的上升速度等參數。這些參數的變化又會影響吸收過程的熱質傳遞過程,進而改變吸收器的吸收速率。這些由噴嘴孔徑變化而導致的氣泡行為變化還可能會影響到納米流體對吸收性能的強化效果。而這方面目前未見報道。本文將建立氨水泡狀吸收實驗裝置,通過實驗來分析吸收器的噴嘴孔徑變化對納米流體強化效果的影響。

1 實驗方法

本文建立的氨水泡狀吸收實驗裝置如圖 1所示:整個實驗裝置主要由吸收器、蒸發器和氨氣瓶三大部分組成。氨氣瓶的作用是為實驗提供高純度的氨氣(純度＞99.99%)。蒸發器的作用是模擬氨水吸收制冷系統中的蒸發器,提供特定制冷溫度的氨飽和蒸氣,用于吸收過程。方法是首先通過與之連接的冷凍盤管和恒溫浴將從氨氣瓶來的氨氣冷凝成液氨,再通過改變恒溫浴的溫度,使得液氨在特定溫度下蒸發,進而產生用于吸收過程的飽和氨蒸氣。恒溫浴中的冷卻介質為體積百分比為45%的乙二醇溶液(其凝固點為-30 ℃)。蒸發器頂部的壓力表則用于測量蒸發器內的壓力,熱電偶用于測量其內部液氨的溫度。吸收器的作用則是模擬氨水吸收制冷系統中吸收器的吸收環境,完成泡狀吸收過程。吸收器頂部連接有一組閥門和壓力表。一端與真空泵連接,并裝有一個真空表,用于實驗前整個系統的真空抽吸;另一端與一個正壓壓力表相連,測量吸收過程中吸收器內的壓力。與之相連的恒溫水浴則用于帶走吸收過程中產生的吸收熱。整個設備在連接完成后,主體部件和附屬連接管路均采用保溫材料進行絕熱處理。

吸收器的詳細結構如圖2所示:吸收器為一個長方體結構(300 mm×80 mm×80 mm),兩側為冷卻夾層,內部設有折流板。冷卻水分別從底部兩個進口進入,從頂部兩個出口排出。底部設有一個取樣口。在吸收器側下部裝有一個可拆換的噴嘴,其結構為一根盲管,在壁面上開一個圓孔,用于氨氣在吸收工質-氨水中形成氣泡。頂部設有熱電偶和壓縮表的接口。

圖1 泡狀吸收實驗裝置原理圖

圖2 吸收器的結構圖

蒸發器的詳細結構如圖3所示:蒸發器是一個圓柱形的夾層結構,上部采用法蘭密封連接,上層法蘭盤上設有氨氣進口、氨氣出口、熱電偶和壓力表接口。夾層內設置旋轉上升的隔板,冷卻介質從下部入口進入,旋轉上升,從上部出口排除,用以提高冷卻效果。

圖3 蒸發器結構圖

實驗中,首先將整個設備抽真空,最終壓力為1000 Pa,目的是減少系統中的不凝氣。再利用精密天平測量470 ml的氨水溶液(氨的質量濃度X1為30%)的質量(m1),后充入吸收器中。接著打開與之連接的恒溫水浴,使得吸收內氨水的初始溫度調節到35 ℃(與實際氨水吸收器內溫度相近)。與此同時,啟動與蒸發器相連的恒溫浴,溫度設定在-10 ℃,將氨氣瓶內的氨氣引入蒸發器內,并發生冷凝,變成液氨儲存在蒸發器內,之后升高恒溫浴的溫度,使得液氨蒸發。緊接著打開吸收器與蒸發器之間的閥門,從蒸發器出來的飽和氨蒸氣進入吸收器,在噴嘴處形成氨氣泡,氨氣逐漸被氨水吸收。同時采用秒表計時,吸收時間t為600 s。最后關閉吸收器與蒸發器之間的閥門,從吸收器底部取樣,采用比重法測量吸收后氨水的密度,并根據氨水密度與濃度之間的關系,確定氨水的質量濃度X2。

通過實驗測得了吸收前氨水的濃度X1和質量m1、吸收后氨水的濃度X2及吸收時間t。根據質量守恒定律,對于氨水中所含水分有下列平衡式:

對方程(1)進行整理得

結合方程(2),吸收過程中氨氣的吸收質量m3:

氨吸收質量與吸收時間之比,則為吸收過程中的平均吸收速率(m),即:

實驗中,采用的納米顆粒為親水化處理的碳納米管(直徑40 nm,長度5 μm)。此種碳納米管通過濃硝酸的氧化處理,使其表面具有輕基和羧基等親水性的基團,從而提高碳納米管在氨水中的分散穩定性。納米流體的制備方法是采用兩步法。首先計算出氨質量濃度為30%,顆粒的質量濃度為0.3%的納米流體中氨、水和顆粒的質量配比;接著將稱量好的顆粒首先與純水混合,并利用超聲波分散器分散 3 h,形成穩定的純水納米流體;最后在純水納米流體中充入特定質量的氨氣,使得納米流體中氨的濃度達到實驗設定值。

將制備好的納米流體充入吸收器內,在與純氨水實驗相同的條件下,進行吸收實驗并測量吸收速率。為了更好地體現納米流體的吸收強化效果,本文定義吸收強化比:

式中:

mNano——納米流體的吸收速率;

mp——純氨水的吸收速率。

2 結果與討論

在氨水泡狀吸收過程中,氨氣通過噴嘴分散成小氣泡,進而獲得大的氣液接觸面積,完成吸收過程。氨氣泡的形成和運動過程都會受到噴嘴孔徑的影響。一般規律是隨著噴嘴孔徑的增大,氣泡的脫離直徑會增大,氣泡在噴嘴上的駐留時間會增加,而氣泡脫離噴嘴后在氨水中的上升速度增加[9]。噴嘴孔徑的變化對上述氣泡行為的影響規律在純氨水和納米流體中很可能會不同,而這些不同就會改變納米流體對氨水泡狀吸收過程的強化效果。如果這種影響惡化強化效果,納米流體在吸收制冷中的應用就會受到極大的限制。本文通過對比實驗來驗證上述假設。實驗中噴嘴的孔徑分別為 1 mm、2 mm、3 mm、4 mm和5 mm五種。

圖4顯示了相同實驗條件下純氨水和納米流體中的吸收速率隨噴嘴孔徑的變化規律。從圖上可以看出,兩種吸收工質的吸收速率隨噴嘴孔徑變化的規律是一致的,皆是隨著孔徑的增加而增加。納米流體的吸收速率整體上要大于純氨水。

圖5則顯示了吸收強化比隨噴嘴孔徑的變化趨勢。可以看出吸收強化比并不隨著噴嘴孔徑的變化而變化,一直在 1.09～1.10范圍內波動。這說明在本實驗范圍內,噴嘴孔徑的變化對納米流體吸收的強化效果沒有影響。原因可能是噴嘴孔徑的變化對于氣泡行為的影響在納米流體和純氨水中是相近的。這樣的規律對于納米流體這種強化工質在氨水泡狀吸收制冷系統中的應用是有利的。說明噴嘴孔徑的變化不會惡化納米流體對于吸收過程中熱質傳遞過程的強化效果。

圖4 納米流體和純氨水的吸收速率隨噴嘴孔徑的變化

圖5 吸收強化比隨噴嘴孔徑的變化

3 結論

本文搭建了一個氨水泡狀吸收實驗裝置,通過對比實驗,分析了噴嘴的孔徑變化對納米流體強化氨水泡狀吸收效果的影響。實驗結果表明:在純氨水和納米流體中,孔徑的變化對于吸收速率的影響規律是相似的;納米流體對于吸收速率的強化效果沒有隨著噴嘴孔徑的變化而惡化,而始終保持一個固定值。上述實驗結論將有助于納米流體這種新型強化工質走向實用。

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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

*蘇風民(1978-),男,副教授,博士。研究方向:船舶制冷與空調、相變傳熱。聯系地址:遼寧省大連市高新園區凌海路1號大連海事大學輪機工程學院,郵編:116026。聯系電話:0411-84725295。E-mail:fengminsu@dlmu.edu.cn。

國家自然科學基金(51006013)和中央高校基本科研業務費專項資金(3132013021)

本論文選自2013中國制冷學會學術年會論文。