添加納米粒子的溴化鋰溶液傳質特性

解國珍　褚偉鵬　王 剛,3　于文賢

(1 北京建筑大學環境與能源工程學院　北京　100044；2 北京市水利規劃設計研究院　北京　100048;3 西安交通大學能源與動力工程學院　西安　710049)

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添加納米粒子的溴化鋰溶液傳質特性

解國珍1褚偉鵬2王 剛1,3于文賢1

(1 北京建筑大學環境與能源工程學院北京100044；2 北京市水利規劃設計研究院北京100048;3 西安交通大學能源與動力工程學院西安710049)

建立了納米溴化鋰溶液二維降膜傳熱傳質數學模型，以實驗數據對模型進行驗證。研究結果表明，在溴化鋰溶液中加入納米粒子可以顯著增強溴化鋰溶液對水蒸氣的吸收速率，并且隨著納米粒子添加量的增大，納米溴化鋰溶液對水蒸氣的吸收速率越大；在納米粒子添加量相同時，納米溴化鋰溶液的水蒸氣吸收速率隨著溶液流量的增大而增大，且水蒸氣吸收速率隨溶液流量的變化趨勢為對數曲線趨勢；溶液的傳質強化比隨著納米粒子添加量的增加而增大；在溴化鋰溶液中加入納米粒子后，吸收器的傳質系數隨著納米粒子添加量的增大而增大，在溶液流量為1.2 L/min時，添加0.05%納米粒子后，吸收器傳質系數增加1.32倍，添加0.1%納米粒子后，吸收器傳質系數增加1.41倍, 但是，傳質系數增幅隨著納米粒子含量的增加而逐漸減弱。

納米粒子；傳質；溴化鋰溶液；降膜吸收

納米粒子具有表面效應等傳統固體不具有的許多特殊性質，可以強化溶液的傳熱、傳質過程。納米流體的傳熱傳質機制有傳輸作用[1-2]、抑制氣泡聚、邊界層混合[3-4]以及滲透作用。基于上述理論，眾多學者對納米溶液進行了強化傳熱傳質研究。對于納米粒子的粒徑、體積份額和材料屬性等對納米流體的導熱系數的影響， Li C H等[5]添加粒徑為29 nm、體積分數為2.00～6.00的CuO納米微粒于水溶液，使納米水溶液的導熱系數增加1.38～1.51倍。Krishnamurthy S等[6]測定染色劑在納米溶液中的擴散系數與在離子水中的擴散系數相比成倍增加。Li J等[7]研究發現，在水與制冷劑HFC-134a的混合物中加入納米CuO粒子能強化水合物的傳熱和傳質。方曉鵬等[8]的實驗結果表明，羅丹明B在納米溶液中的擴散系數隨著納米粒子體積分數的增大而增大，且均大于其在原溶液中的擴散系數。劉輝等[9]認為，在氨水鼓泡吸收的過程中，納米顆粒的強化傳質主要由納米粒子在界面處引起的Marangoni 對流導致。唐忠利等[10]通過向乙醇溶液中分別添加Al2O3，TiO2，MgO和SiO2納米粒子，研究其對CO2的吸收的影響，結果表明添加了Al2O3顆粒的吸收效果最佳，吸收效果與納米流體體積分數呈正相關，與粒子粒徑呈負相關。周志鋼等[11]研究氨水中加入ZnO納米粒子對降膜吸收的影響，發現傳質強化程度與ZnO納米粒子的濃度相關并存在最佳濃度。Kang Y T等[12]選用納米粒子SiO2，碳納米管和Fe，發現這3種納米粒子都對溴化鋰溶液吸收水蒸氣起到促進作用，其中碳納米管的促進作用強于Fe納米粒子。高洪濤等[13]在溴化鋰溶液中加入不同碳原子數的醇類表面活性劑，發現溶液表面張力越小，越促進溴化鋰溶液的傳質能力。朱蓓蓓等[14]將醇類表面活性劑加入水或溴化鋰水溶液，發現表面活性劑分子吸附在氣-液界面處，疏水基指向氣相，親水基指向液相的優勢取向。

研究人員對納米粒子添加劑對溴化鋰溶液降膜傳質特性的影響的研究較少。筆者通過對斜板吸收器物理過程的分析，建立降膜傳質過程二維數學模型，通過模擬分析和實驗對比研究純溴化鋰溶液與添加納米粒子的溴化鋰溶液在斜板降膜吸收水蒸氣過程中的傳質特性。

1 溴化鋰溶液降膜吸收數學模型

在吸收式制冷循環中，溴化鋰濃溶液均勻噴灑在吸收器換熱管外側，并由降膜方法吸收水蒸氣而成為稀溶液，管內流動的冷卻水帶走吸收熱量。溶液在管外吸收水蒸氣的過程屬于水蒸氣由氣相轉移到液相的相際間傳質和傳熱過程。筆者以平板降膜理論模型和傳熱傳質實驗臺研究其傳質特性。

1.1 降膜吸收物理模型

圖1所示為斜板式降膜吸收器結構圖。

1溢流槽2納米溴化鋰溶液3斜板4隔板5水蒸氣圖1 斜板式降膜吸收器Fig.1 Inclined plate typefalling film absorber

斜板式降膜吸收器利用溢流方法，流入吸收器的濃溶液充滿溢流槽后，在斜板上進行均勻地膜狀流動。斜板與水平面的夾角為37°。隔板將整個斜板分成三塊相等的面積，根據需要選擇一塊或幾塊斜板進行研究。

溶液降膜物理模型如圖2所示。

1水蒸氣2納米溴化鋰溶液 3斜形板4冷卻水圖2 降膜吸收過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of falling film absorption process

在圖2中，u為溶液沿著x軸方向的速度；T為溶液溫度；C為溴化鋰溶液濃度。實驗時具有吸濕性的溴化鋰溶液在重力作用下呈膜狀沿斜板向下流動，流動時液膜上部與斜板式吸收器內水蒸氣接觸，在降膜流動過程中吸收氣相中的水蒸氣，水蒸氣在液膜處凝結釋放吸收熱，熱量被冷卻水帶走。

1.2 建立數學模型條件

如圖2所示，取x軸為降膜流動方向，y軸為液膜流動的法線方向。在如下假設條件下建立數學模型：

1)溴化鋰溶液熱物性能為常數，即：黏度、比熱容等不隨溫度而變化；

2)實驗時溶液質量流量不改變；

3)界面處無氣液切應力，液膜表面呈光滑態，溶液降膜流態不受周圍氣體影響；

4)氣液傳質界面為平衡狀態；

5)忽略水蒸氣的傳質阻力，斜板形吸收器中周圍水蒸氣壓力均勻；

6)吸收熱通過液膜而傳遞給冷卻水；

7)斜板吸收壁的溫度作為常壁溫邊界條件。

1.3 微分方程

降膜吸收過程的微分方程如下：

1)連續性方程

(1)

2)動量守恒方程

(2)

3)能量守恒方程

(3)

4)傳質方程

(4)

式(1)～式(4)中：C為液體濃度；cp為比熱容，kJ/(kg·K)；D為濃度擴散系數，m/s；p為壓力, kPa；T為溫度，K；u、v為溶液沿x、y方向的流動速度, m/s;x,y為沿著斜金屬板水平和垂直方向的坐標；μ為溶液動力黏度, N·s/m2；λ為溶液導熱系數，W/(m·K)；ρ為溶液密度，kg/m3。

1.4 邊界條件

降膜吸收數學模型的邊界條件如下：

1)斜板進口處溶液溫度、速度、濃度為常數，即x=0時，

T=TS,in,ν=νS,in,C=CS,in

2)斜板出口處T，V和C參數采用溶液主流參數。

3)斜板壁面處溶液無滑移和無質量滲透，

即y=0時，

壁面溫度為第三類邊界條件，即Tw=常數。

4)氣-液界面處，即y=δ0時，由相平衡得Ci=Ci(T,p)；

界面處傳質量為:

界面處吸收熱為:

qi=Habs·mi

式中：qi為吸收熱量，W；mi為溶液流量，kg/s；Habs為溶液比焓，kJ/kg；δ0為溶液初始厚度，m；Tw為斜金屬板壁溫，K。

1.5 溶液熱物性參數

在求解控制方程時，必須對納米溴化鋰溶液熱物性參數進行計算。納米溴化鋰溶液的黏度選用稀相牛頓型液-固懸浮液納米流體的Einstein公式[15]；溶液導熱系數采用Rayleigh球形粒子-液體懸浮液導熱系數的理論模型[16]；吸收器斜板的納米溶液膜厚度采用文獻[17]提供的公式計算；溶液濃度由WBA-505全自動密度計測定并擬合；水蒸氣吸收速率由吸收器進出口溶液濃度、流量確定。

2 實驗裝置

為了驗證數學模型的精確度，建立了溴化鋰溶液傳質性能實驗臺，其系統圖如圖3所示。

1斜板式吸收器2，5溶液儲液罐 3恒溫穩壓器4冷卻水水箱6蒸氣發生器7溢流槽8降膜斜平板9冷卻盤管10，11溶液泵12冷卻水泵13，14液體流量計15調節閥16加熱器17溫度傳感器18壓力傳感器圖3 溴化鋰溶液傳質性能實驗臺的系統圖Fig.3 Diagram of mass transfer performance rig

實驗臺由熱質交換系統(1，7和8)、冷卻水系統(4，9，12和13)、水蒸氣發生和濃、稀溶液系統(6，5，2，10，11，3和14)、抽真空系統和控制測量系統等組成。工作時，由吸收器出來的稀溶液流入稀溶液儲液罐，再送入蒸氣發生器6 加熱釋放水蒸氣和濃縮溴化鋰溶液，分別通入斜板式吸收器1和溶液儲液罐2，濃溶液由溶液泵11送入恒溫穩壓器3，繼續往復循環。恒溫穩壓器3既可以精確調節溶液溫度，又采用溢流穩壓設計，保證進入溢流槽的濃溶液以穩定壓頭流入斜板式吸收器1。

實驗臺所用的測量儀器型號、量程及精度如表1所示。

表1 實驗用測量儀器特性

3 結果與分析

基于上述控制方程、溶液熱物性參數以及邊界條件，利用Fluent軟件進行求解，結合實驗數據，可獲得計算值和實驗處理數據值。

實驗測定了不同流量、不同納米粒子添加量的溴化鋰溶液在降膜吸收過程中的熱物性參數，分析了納米粒子對溴化鋰溶液傳質特性的影響，具體參數如下：

1)納米粒子比例：0，0.05%和0.1%；

2)溶液流量范圍：0.2，0.4，0.6，0.8，1.0和1.2 L/min；

3)材料：工業溴化鋰溶液、納米粒子CuO和阿拉伯樹膠；

4)各實驗工況設置相同參數：降膜斜平板入口溴化鋰溶液濃度為58%，溫度為40 ℃，吸收壓力為1 kPa，冷卻水進、口出口平均溫度25 ℃，流量1.0 L/min。

圖4是58%溴化鋰溶液吸收器出口濃度實驗值與模擬結果的對比。二者濃度最大絕對誤差為0.11%。這說明模擬結果的精度是可信的。

圖4 58%溴化鋰溶液實驗結果與模擬值對比Fig.4 Comparison between simulation results and test data of 58% LiBr solution

圖5是吸收器進出口濃度差隨溶液流量的變化，其中各工況吸收器入口處溴化鋰溶液濃度均為58%。對于相同成分的納米溴化鋰溶液，吸收器進出口濃度差隨溶液流量的加大而減小；當溶液流量相同時，納米粒子添加量越多，吸收器進出口濃度差越大。其他條件相同時，吸收器進出口溶液濃度差受溶液流量和納米粒子添加量兩個因素影響。在溶液流量為0.2 L/min時，納米添加量為0.00%，0.05%和0.10%時，納米溴化鋰溶液的進出口濃度差分別為0.66%，1.31%和1.54%。這表明，添加納米粒子后，溶液濃度差顯著增大，且隨納米粒子添加量的增加而增加，這是由納米粒子表面效應引起擾動而致。

圖6是水蒸氣吸收速率隨溶液流量的變化，其中各工況吸收器入口處溴化鋰溶液濃度均為58%。對于相同成分的納米溴化鋰溶液，水蒸氣吸收速率隨溶液流量增大而增大；當溶液流量相同時，納米粒子添加量越多，水蒸氣吸收速率越大。其他條件相同時，水蒸氣吸收速率受溶液流量和納米粒子添加量兩個因素影響。對于相同成分的納米溴化鋰溶液，溶液流量越大，降膜過程中溶液平均濃度越大，平均傳質驅動力越大，水蒸氣吸收速率越大。當溶液流量相同時，納米粒子添加量越多，水蒸氣吸收速率越大。當溶液流量為1.2 L/min時，添加0.00%，0.05%和0.10%納米粒子的溴化鋰溶液對水蒸氣吸收速率為0.21 g/s，0.28 g/s和0.30 g/s，添加納米粒子后，水蒸氣的吸收速率明顯提高。

圖5 吸收器進出口濃度差隨溶液流量的變化Fig.5 Concentration difference versus solution flow rates

圖6 水蒸氣吸收速率隨溶液流量的變化Fig.6 Water vapour absorption rate versus solution flow rates

圖7是吸收器傳質系數隨溶液流量的變化，其中各工況吸收器入口處溴化鋰溶液濃度均為58%。對于相同成分的納米溴化鋰溶液，吸收器的傳質系數隨溶液流量的加大而增大；當溶液流量相同時，納米粒子添加量越多，吸收器的傳質系數越大。其他條件相同時，吸收器的傳質系數受溶液流量和納米粒子添加量兩個因素影響。溶液流量越大，流速越快，膜層間摻混越強烈；對于相同流量的納米溴化鋰溶液，納米粒子添加量越多，吸收器的傳質系數越大。當溶液流量為1.2 L/min，納米粒子在溴化鋰溶液中的添加比例為0.05%和0.1%時，傳質系數分別為8.90×10-6m/s，9.49×10-6m/s，是純溴化鋰溶液的1.32倍和1.41倍。當溶液流量相同時，納米粒子的存在使傳質系數增加，隨著溶液中納米粒子含量的增加，納米粒子與溶液分子間的正效應和負效應的相互耦合[18]使溶液的表面張力增強，傳質系數增幅下降。

圖7 傳質系數隨溶液流量的變化Fig.7 Mass transfer coefficient varyied with solution flow rates

4 結論

通過利用二維傳熱傳質數學模型計算和溴化鋰傳熱傳質實驗臺測試，研究了納米溴化鋰溶液的傳質特性，結果如下：

1)當溶液流量為1.2 L/min，在溴化鋰溶液中添加納米粒子比例為0.05%和0.10%時，溴化鋰溶液對水蒸氣的吸收率分別為0.28 g/s和0.30 g/s，吸收率是純溴化鋰溶液的1.32倍和1.41倍；

2)添加納米粒子比例相同時，納米溴化鋰溶液對水蒸氣的傳質系數隨著溶液流量的增大而增大，變化趨勢為對數曲線；

3)在溴化鋰溶液中加入納米粒子后，吸收器的整體傳質系數隨著納米粒子添加量的增大而增大。但是，傳質系數隨著納米含量的增加的增幅逐漸減弱。其原因是，納米粒子與溶液分子間正效應和負效應相互作用的耦合效應致使溶液表面張力增強所致。

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About the corresponding author

Xie Guozhen,male, professor,Beijing Key Laboratory of Heating, Gas,Ventilation and Air-conditioning Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, +86 10-68331450，E-mail:xieguozhen@bucea.edu.cn. Research fields: key novel energy-saving technology of refrigeration and air-conditioning facility; influence of nano-particles on the thermal-physical properties of flowing working medium used in refrigeration systems; thermal-physical process of refrigeration cycle or air-conditioning system; simulation of refrigeration cycle or air-conditioning system.

Mass Transfer Characteristics of LiBr-aqueous Solution Added Nano-particles

Xie Guozhen1Chu Weipeng2Wang Gang1，3Yu Wenxian1

(1.Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing, 100044，China; 2.Beijng Institute of Water, Beijng, 100048，China；3. School of Energy and Power Engineering, Xi′an Jiaotong University, Xi′an, 710049, China；3.School of Energy and Power Engineering, Xi′an Jiaotong Unviersity, Xi′an， 710049, China)

The mathematic models of two-dimensional heat and mass transfer for lithium bromide (LiBr)aqueous solution added nano-particles are developed and validated by experimental data. The research results show that: the nano-particles can significantly improve the water vapor absorbing rate of the nano-fluid and the water vapor absorbing rate is increased with the amount of added nano-particles;with the same amount of nano-particles, the water vapor absorbing rate is increased with the flow rates of the nano-fluid and the water vapor absorbing rate as a function of flow rates shows logarithmic curve pattern; the mass transfer enhancement factor is increased with the increasing amount of nano-particles; the mass transfer coefficient of absorber is increased with the amount of added nano-particles;with the flow rate (1.2 L/min) of nano-fluid the mass transfer coefficient increased 1.32 and 1.41 times for adding 0.05% and 0.1% nano-particles respectively, but the amplification is reduced with the increasing of nano′svolume.

nano-particle; mass transfer; LiBr-aqueous solution; falling film absorption

0253- 4339(2016) 04- 0033- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.033

國家自然科學基金(51176007)資助項目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51176007).)

2016年1月7日

TB64；TB383；TK124

A

簡介

解國珍，男，教授, 北京建筑大學環境與能源工程學院，北京市供熱、供燃氣、通風空調工程重點實驗室，(010)68331450，E-mail:xieguozhen@bucea.edu.cn。研究方向：制冷與空調設備關鍵節能新技術研究；納米粒子對空調制冷系統流體特性影響研究；制冷與空調系統熱物理過程；制冷與空調系統仿真技術。