機械振動強化吸收式制冷機傳熱性能的實驗研究

申　江, 王建民, Lau J, 申子奇, 孫　歡

(1.天津商業(yè)大學 天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津　300134；2.內(nèi)布拉斯加州林肯大學，美國林肯市　68588)

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機械振動強化吸收式制冷機傳熱性能的實驗研究

申江1, 王建民1, Lau J2, 申子奇2, 孫歡1

(1.天津商業(yè)大學 天津市制冷技術(shù)重點實驗室，天津300134；2.內(nèi)布拉斯加州林肯大學，美國林肯市68588)

摘要：搭建了帶有電動振動系統(tǒng)的吸收式制冷性能研究實驗臺，實驗重點研究了振動對于吸收式制冷機傳熱性能的強化效果。結(jié)果表明，振動可有效地強化吸收式制冷機的傳熱性能，增加制冷量；在低頻、低振幅的范圍內(nèi)，傳熱的強化效果隨頻率和振幅的增加而增加。該研究成果對于提高溴化鋰吸收式制冷機的效率有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：機械振動；吸收式制冷機；強化；傳熱性能

近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，對于能源的需求不斷增加，但是能源利用率卻很低，生產(chǎn)單位產(chǎn)品的能耗比發(fā)達國家高出50%～100%，能源的綜合利用效率僅為30%左右，可見能源的浪費是巨大的，其中大量的能源通過廢熱的形式白白浪費掉了。所以工業(yè)余熱的回收是節(jié)能和解決環(huán)境熱污染問題的重要途徑，具有重大的社會經(jīng)濟效益。在余熱回收技術(shù)中，溴化鋰吸收式制冷技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢，但是由于吸收式制冷機效率不高，因此溴化鋰吸收式制冷機的傳熱傳質(zhì)強化一直是國內(nèi)外研究的主要方向。在溴化鋰吸收式制冷機的四大部件里面有大量的傳熱管，尤其是吸收器，它的換熱面積占了整個機組的三分之一。因此，尋求一種能夠有效強化換熱的方法對于提高溴化鋰吸收式制冷機的效率有著重要的意義[1-3]。

機械設(shè)備在運行過程中不可避免的會產(chǎn)生振動現(xiàn)象，有時候是因為裝置本身運行而產(chǎn)生的機械振動，有時是由于流體流過換熱壁面而產(chǎn)生的誘導(dǎo)振動。多年來，人們一直致力于研究如何有效地消除這樣的振動，然而事實上，研究人員發(fā)現(xiàn)壁面振動可以增加貼壁處流體的湍流度，減薄流動邊界層和熱邊界層，從而有效地強化換熱[4]。大量的文獻研究也表明振動可以強化換熱。

Lemlish等[5-6]的實驗研究表明，在自然對流條件下，換熱管垂直振動時，換熱系數(shù)可增大4倍，并且增大的幅度與振動的頻率和振幅成正比。Lee等[7]實驗研究了傳熱管振動對臨界熱通量的影響，實驗通過機械裝置使傳熱管沿介質(zhì)流動方向垂直振動，實驗結(jié)果顯示，臨界熱通量隨管的振動而增加，原因是傳熱管的振動增加了管壁附面層的流體的湍流混合度，從而強化了換熱；一般情況下臨界熱通量隨振動強度的增加而增加，而且在振動參數(shù)方面，振幅的影響要大于頻率的影響。

吳宏等[8]實驗研究了振動對自然對流的換熱特性的影響，實驗中采用電鈴諧振器作為振動源，并采用紅外熱像儀對電加熱膜表面的溫度場進行測量，實驗結(jié)果表明，相比于靜止條件下，自然對流的換熱系數(shù)最大可提高90.7%，并且隨著振動強度的增加，換熱系數(shù)的提高也越多；在一定的振動能量下， 熱流密度越小，換熱強化效果越好。冷學禮等[9]設(shè)計了一套振動管與靜止管的對比實驗研究系統(tǒng)，研究了流體低速橫掠振動圓管的傳熱特性，實驗研究表明，流體流過振動圓管時，換熱過程得到有效的強化，振幅和頻率均對傳熱有較大影響，在低振幅和低頻范圍內(nèi)，換熱的強化效果隨振幅和頻率的增加而增加。

上述文獻研究主要集中在化工領(lǐng)域，而且基本都是僅研究了振動對于單個傳熱管的換熱特性的影響，而在制冷與空調(diào)領(lǐng)域這方面的研究則非常少，很少有研究振動對整個機組的換熱特性的影響的。在本文中，建立了機械振動強化吸收式制冷機傳熱性能的實驗臺，在吸收式制冷機的底部安裝了一個電動振動臺，使機組在垂直方向上產(chǎn)生振動，旨在研究機械振動對于吸收式制冷機傳熱性能的強化效果。

1實驗系統(tǒng)及實驗方法

1.1實驗系統(tǒng)

實驗系統(tǒng)由吸收式制冷機組、電動振動及振動控制系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、恒溫水循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)以及電加熱鍋爐等部分組成，具體的系統(tǒng)循環(huán)原理圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)循環(huán)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cycle system

在本實驗系統(tǒng)中，吸收式制冷機組采用的實驗介質(zhì)為溴化鋰溶液。其中，機組運行需要的熱水由電加熱鍋爐提供；恒溫水循環(huán)系統(tǒng)由電加熱器、制冷機組、調(diào)節(jié)閥門、循環(huán)水泵、流量計、水位控制裝置、冷卻塔、冷凍水箱、冷卻水箱以及補水箱等組成，保證冷媒水和冷卻水的入口溫度保持恒定。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)中溫度的采集是采用天津鼎拓公司生產(chǎn)的DT-W100鎧裝熱點阻，其測量精度為A級精度，允許偏差為±(0.15+0.002)|t|。流量均采用液體渦輪流量計進行測量，液體渦輪流量計選用天津鼎拓公司生產(chǎn)的LWGY液體渦輪流量計，其測量精度為0.5級精度。采集到的數(shù)據(jù)通過傳感器傳送到MX100數(shù)據(jù)采集設(shè)備中，經(jīng)過處理后呈現(xiàn)在PC機上。

實驗系統(tǒng)的外置振動源為電動振動系統(tǒng)，選用的是蘇州東菱振動實驗儀器有限公司生產(chǎn)的ES-50-445型電動振動系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：ET-50-445電動振動臺、DA-50開關(guān)式功率放大器、Amber數(shù)字振動控制儀、DL加速度傳感器、B-7000冷卻風機和輔助支撐及空壓機。具體結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。其中，振動臺是本系統(tǒng)的核心，其基本工作原理為：勵磁線圈在振動臺臺體內(nèi)建立磁場，勵磁線圈與直流電源相連，在環(huán)形氣隙里產(chǎn)生一個高磁通量。動圈部件，包括臺面、骨架和驅(qū)動線圈，懸掛在振動臺的環(huán)形氣隙里。當交流電通過驅(qū)動線圈時，電磁力會在驅(qū)動線圈的繞組上產(chǎn)生，使得臺面產(chǎn)生向上和向下的往復(fù)運動，臺面的移動量取決于振動控制儀發(fā)出的驅(qū)動信號的大小和頻率以及擴展臺面的質(zhì)量、所加的負載質(zhì)量和臺面懸掛系統(tǒng)的剛度。Amber數(shù)字振動控制儀為振動臺體提供正弦、隨機、經(jīng)典沖擊、諧振搜索與駐留等輸出信號，并能對振幅、振動頻率、加速度和速度等參數(shù)進行設(shè)定和調(diào)節(jié)。

圖2　電動振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Principle and structure diagram of electrodynamic vibration system

1.2實驗方法

開機啟動后，調(diào)節(jié)電加熱器和制冷機組，保證冷卻水和冷媒水入口溫度的恒定，待系統(tǒng)運行穩(wěn)定后，開始記錄數(shù)據(jù)，系統(tǒng)至少穩(wěn)定運行一小時后，啟動電動振動臺，開始振動實驗，并記錄振動過程中的數(shù)據(jù)變化。每個振動工況持續(xù)時間一小時，振動停止后，待系統(tǒng)恢復(fù)到原來的狀態(tài)，穩(wěn)定運行一小時，再進行下一個振動工況實驗。

實驗過程中保證吸收器內(nèi)的溴化鋰溶液噴淋量恒定，冷卻水、冷水以及熱水的流量和入口溫度恒定，保證每個實驗工況下的溶液噴淋量相同，冷卻水、冷水以及熱水的入口溫度相同。實驗過程中需要改變的參數(shù)主要是振動頻率和振幅。

2實驗數(shù)據(jù)的處理與分析

2.1振動條件下吸收式制冷機某些參數(shù)的變化情況

圖3～圖5分別顯示了當f=25 Hz,A=0.2 mm的振動條件下吸收式制冷機某些參數(shù)的變化情況。在以下的圖中，時間t=60 min時開始振動。

圖3顯示了振動對于吸收器內(nèi)冷卻水出口水溫變化的影響效果。從圖中可以看出，振動開始后，在冷卻水流量以及入口水溫恒定的條件下，出口水溫有所上升，冷卻水進出口溫差增大，強化換熱效果明顯，換熱量提高7%左右。

圖4顯示了振動對于吸收器內(nèi)溴化鋰溶液進出口溫度變化的影響效果。從圖中可以看出，振動開始后，溶液進出口溫差沒有明顯變化，但是溶液進出口溫度都有一定的升高。從上面的分析結(jié)果可知，這主要是由于振動強化了發(fā)生器內(nèi)的換熱，所以從發(fā)生器出來的溴化鋰濃溶液的溫度有一定的上升，從而導(dǎo)致吸收器入口濃溶液溫度的升高。由于吸收器內(nèi)進行著復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過程，且傳熱和傳質(zhì)是相互耦合的，所以振動在強化傳熱的同時必然也會強化傳質(zhì)，而溴化鋰溶液在吸收水蒸氣的時候會放出大量的吸收熱，因此傳質(zhì)得到強化的同時也會產(chǎn)生更多的吸收熱，所以在振動條件下，雖然冷卻水的換熱量增大了，但是吸收器內(nèi)溶液進出口溫差沒有明顯變化。

圖5顯示了振動對于冷媒水出口水溫變化的影響效果。從圖中可以看出，振動開始以后，在冷媒水入口溫度和流量恒定的條件下，出口水溫有一定的降幅，進出口溫差增大，制冷量增大。根據(jù)以上分析可知，這主要是由于振動強化了吸收式制冷機各個換熱器的換熱效果，從而提升了制冷機整體的效率，使制冷量提高了大約10%。

圖3 振動對于吸收器內(nèi)冷卻水出口水溫變化的影響Fig.3Effectofvibrationontheoutlettemperaturechangeofcoolingwaterinsidetheabsorber圖4 振動對于吸收器內(nèi)溶液進出口溫度變化的影響Fig.4Effectofvibrationontheimportandexporttemperaturechangeofsolutionintheabsorber圖5 振動對于冷媒水出口水溫變化的影響Fig.5Effectofvibrationontheoutlettemperaturechangeofcoldwater

2.2傳熱系數(shù)隨振幅或頻率的變化情況

由于吸收式制冷機組當中最重要的部件是吸收器，且吸收器內(nèi)部的換熱面積較大，所以在本文中，主要對吸收器內(nèi)部的換熱情況進行分析，主要考察的是振動對于傳熱系數(shù)的影響。傳熱系數(shù)通過以下公式進行計算[10]：

其中，Δtm采用以下公式進行計算[10]：

在實驗過程中，待系統(tǒng)運行達到穩(wěn)定，開始振動實驗，每個工況下振動時間為一小時，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每十秒鐘記錄一次數(shù)據(jù)，根據(jù)記錄的溫度值計算出每一時刻的傳熱系數(shù)，然后求出平均值，即為這一振動工況下的平均傳熱系數(shù)。

圖6為振幅A=0.15 mm時，傳熱系數(shù)隨振動頻率的變化情況，振動頻率的變化范圍為080 Hz。圖中，振動頻率為0的狀態(tài)點表示靜態(tài)條件下的實驗結(jié)果。從圖中可以看出，18 Hz之前傳熱的增強效果不明顯，18 Hz之后，傳熱的增強效果顯著，且傳熱系數(shù)隨著振動頻率的增加而增加，25 Hz時傳熱系數(shù)達到最大值，此工況下振動對傳熱的強化效果最好。25 Hz之后傳熱系數(shù)有所下降，當振動頻率在3055 Hz以及65 Hz時，傳熱系數(shù)急劇下降，這時振動產(chǎn)生了負效應(yīng)。根據(jù)實驗現(xiàn)場的情況來看，這主要是由于在這兩個頻率段范圍內(nèi)機組上的部件以及溶液泵、冷劑泵等產(chǎn)生了共振，機組的真空度下降，致使吸收式制冷機偏離了穩(wěn)定運行的狀態(tài)，致使傳熱惡化。65 Hz以后傳熱系數(shù)又隨著頻率的增加而呈現(xiàn)出明顯的遞增趨勢。由圖7可以看出，在25 Hz的情況下振動對傳熱的強化效果最好，因此本文在頻率為25 Hz的工況下又研究了振幅對傳熱系數(shù)的影響效果。

圖7即為傳熱系數(shù)隨振幅的變化情況。圖中，振幅為0的狀態(tài)點表示靜態(tài)條件下的實驗結(jié)果。從圖中可以看出，振動對傳熱的強化效果顯著，傳熱系數(shù)隨振幅的增加而增加；振幅在0.15 mm之前，傳熱系數(shù)隨振幅的增加急劇上升，在0.150.4 mm的范圍內(nèi)，隨著振幅的增加傳熱系數(shù)的增加趨勢不明顯，基本保持穩(wěn)定，與靜止條件下相比，換熱效果的強化程度在7%左右。

圖6　傳熱系數(shù)隨振動頻率的變化情況Fig.6 Heat transfer coefficient changes with the vibration frequency

圖7　傳熱系數(shù)隨振幅的變化情況Fig.7 Heat transfer coefficient changes with the vibration amplitude

3結(jié)論

本文實驗研究了機械振動對于溴化鋰吸收式制冷機組傳熱性能的強化效果，實驗結(jié)論如下：

(1) 機械振動可以有效地強化溴化鋰吸收式制冷機的傳熱效果。通過對傳熱的強化，提高了制冷機的運行效率，使制冷量提高了約10%。

(2) 在低頻振動范圍內(nèi)，頻率越高，振幅越大，強化效果越明顯；但是當振幅超過0.2 mm 之后，傳熱系數(shù)基本保持穩(wěn)定，隨著振幅的增加沒有明顯的增加趨勢。與靜止條件下相比，換熱效果的強化程度在7%左右。

(3) 在高頻(如60 Hz、80 Hz)低振幅的工況下，也有較好的強化傳熱的效果。強化效果在9%左右。

(4) 由于實驗裝置本身的限制，個別頻率點機組產(chǎn)生共振，無法進行正常的實驗，不能得出更加普遍的規(guī)律性成果，所以在以后的工作中，需要對實驗裝置做進一步的改進和完善，進行更加深入的研究。

參 考 文 獻

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基金項目：美國ASHRAE資助項目(1462-TRP)

收稿日期：2014-10-10修改稿收到日期：2015-06-24

通信作者王建民 男，碩士生，1987年10月生

中圖分類號:TB616;TB651

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.01.001

Tests for vibration-strengthened heat transfer performance of an absorption type chiller

SHEN Jiang1, WANG Jian-min1, LAU J2, SHEN Zi-qi2, SUN Huan1

(1. Tainjin Municipal Key Lab of Refrigerating Technique, Tianjin Commercial University, Tianjin 300134, China;2. University of Lincoln, Lincoln, Nebraska 68588, USA)

Abstract:Here, an absorption type refrigerating performance test bench equiped with an electric vibration system was built. The vibration-strengthed effect of heat transfer performance of an absorption type chiller was studied. The results showed that vibration can effectively improve the heat transfer performance of the absorption chiller and increase it’s cooling capacity; within a range of low frequency and low amplitude, the vibration-strengthened effect of its heat transfer increases with increase in frequency and amplitude. The results provided a reference for improving the efficiency of libr absorption type chillers.

Key words:mechanical vibration; absorption type chiller; strengthening; heat transfer performance

第一作者 申江 男，博士，教授，1960年3月生

郵箱：wjm19871020@163.com