溴化锂溶液中添加活性炭颗粒对制冷机出力的影响

蔡 杰 市桥伸久 板谷义纪

(1南京师范大学能源与机械工程学院 南京 210042)

(2日本名古屋大学化学工学系 日本名古屋 464-8603)

1 引言

当溴化锂吸收式制冷系统以余热、废热、排热等低品位废热为驱动能源时，其具有非常显著的节能效果，从而成为一种高效的节能技术。同时，该技术以溴化锂溶液作为吸收剂，以水为制冷剂，对大气没有污染。因此，溴化锂吸收式制冷技术在近年来受到广泛的重视。自20世纪80年代以来，中国溴化锂吸收式制冷技术发展迅速，产量已经居于世界前列［1-2］。溴化锂吸收式制冷机行业是中国制冷、空调领域中少有的拥有全部核心技术的一个行业。

单纯溴化锂水溶液的传热(0.5—2.5 kW/(m2·K))和传质系数较低，因此溴化锂吸收式制冷机组内部换热器所需换热面积很大［3-5］，这导致了溴化锂吸收式制冷系统的体积较压缩式制冷机大。因此，强化吸收剂的传热传质，减少必要的传热面积是溴化锂吸收式制冷系统小型化的关键，是近年来溴化锂吸收式制冷研究领域的热点问题［6-8］。

目前，国内外强化吸收式制冷机组传热传质的手段主要有采用强化传热管和添加界面活性剂［9-14］。文献［15-16］的研究表明在溴化锂溶液中添加适量纳米颗粒形成的纳米颗粒悬浮液的传热传质系数较单纯溴化锂水溶液有明显提高，但是，纳米颗粒成本较高，不适合大规模工业化生产。日本名古屋大学板谷义纪教授研究发现在溴化锂水溶液中添加微米级的活性炭、沸石等吸着剂颗粒形成的悬浮液的传热传质效果亦较溴化锂水溶液有明显的改善［17］。吸着剂颗粒属于微米级材料，制造成本远较纳米颗粒的低。日本M会社已经开发出小型化的吸着式热泵制冷机。因此，基于活性炭、沸石等吸着剂颗粒的悬浮液作为吸收剂是强化吸收式制冷机组传热传质的一个新途径。

本文通过实验方法，分析研究了活性炭颗粒的添加对制冷机出力的影响。

2 实验装置及实验条件

2.1 活性炭/溴化锂悬浮液传热传质实验装置

实验台主要由上部容器、再生器(换热表面做亲水处理)、下部容器、冷凝器、冷凝水容器、加热器、真空泵、冷却器、数据采集系统等几部分组成。装置简图如图1所示。溴化锂溶液中添加活性炭形成的白色悬浮液如图2所示。从再生器中出来的水蒸汽经冷凝器冷却成水之后进入冷凝水容器，再进入蒸发器。

2.2 实验条件

实验用活性炭颗粒的粒径为微米级，算术平均粒径为7.227 4 μm，变动系数为37.633 9，算术标准偏差为2.72μm。溴化锂浓度为0.7 kg-LiBr/kg-Solution。

图1 实验装置简图Fig.1 Diagram of experimental equipment

图2 过饱和活性炭/溴化锂水溶液悬浮液Fig.2 Super-saturated active Carbon/LiBr aqueous solution suspension

图3 活性炭颗粒的粒径分布Fig.3 Particle size distribution of active Carbon

3 实验结果及分析

3.1 吸收剂的粘度随活性炭加入量的变化

溴化锂溶液中添加活性炭颗粒之后，其粘度必然会发生变化，从而对溶液的流动及传热产生影响，因此本文对50℃条件下，浓度59.17%，添加了不同量活性炭的溴化锂溶液的粘度进行了测量。图4反映了不同活性炭浓度条件下悬浮液的粘度。由图4中可以看出，随着活性炭浓度的增加，悬浮液的粘度亦随之增加，并且，粘度变化与活性炭浓度变化呈近似线性关系。因此，随着活性炭浓度的增大，吸收液沿换热面流动的速度也呈下降趋势。如果活性炭的添加量合适，可控制吸收液在换热表面的流动速度，这在一定程度上有利于吸收剂充分吸收蒸气。

图4 悬浮液粘度随活性炭浓度的变化Fig.4 Change of viscosity of suspension with different concentrations of active carbon

3.2 制冷机出力随透湿系数的变化

为研究透湿系数对制冷机出力的影响，此处实验测量了2.0—4.0 kg/(m2·s·Pa)透湿系数条件下的活性炭/溴化锂悬浮液吸收式制冷机的出力。实验条件为:蒸发器温度为280 K，冷凝器温度为290 K，吸附平衡参数为2，换热面积为1.0 m2，传热系数为400 W/(m2·K)。测量结果如图5所示。另外，为了与纯溴化锂溶液条件下的情况作比较，也对纯溴化锂溶液条件下的制冷机出力进行了测量，并将结果一并列于图5中。从图5中可以看出，随着透湿系数的增大，不管溴化锂溶液中是否含有活性炭颗粒，制冷机的出力都会呈线性增加。并且，活性炭/溴化锂悬浮液制冷机的出力比溴化锂吸收式制冷机的出力高0.32—0.46 kW。

3.3 制冷机出力随吸附平衡系数的变化

图5 不同的透湿系数条件下的制冷机出力Fig.5 Output of refrigerating machine at condition of different moisture permeance factors

制冷机的出力作为吸收式制冷机的重要指标，可以反映吸收剂的品质及性能。因此，本文对冷却水入口温度290 K，蒸发器温度280 K，活性炭浓度为0.2 kg-AC/kg-Solution，溶液流量为 0.01 kg/s，溴化锂浓度为 0.7 kg-LiBr/kg-Solution，传热面积为 1.0 m2实验条件下，吸附平衡常数在0—1.5范围内的制冷机出力进行了测量，研究分析活性炭/溴化锂悬浮液吸收式制冷机出力与吸附平衡常数之间的关系。图6反映了不同吸附平衡常数条件下的制冷机出力。由图6中可以看出，随着吸附平衡常数的增加，制冷机出力由7.86 kW上升到8.25 kW，相应的，制冷机出力比值由1上升到1.05，制冷机出力有较为明显的增加。通过提高吸收剂的吸附平衡常数可以改善吸收剂的蒸气吸收量，提高制冷的出力。

图6 不同吸附平衡常数条件下的制冷机出力Fig.6 Output of refrigerating machine at condition of different equilibrium parameters

3.4 制冷机出力随换热面积的变化

换热面积对制冷机出力有非常显著的影响，因此对1.0—2.0 m2换热面积条件下的制冷机出力进行了实验测量。实验条件为:冷凝器温度290 K，蒸发器温度280 K，吸附平衡常数为2，溶液流量为0.01 kg/s，透湿系数为 2.0 kg/(m2·s·Pa)，溴化锂浓度为 0.2 kg-LiBr/kg-Solution，传热面积为 1.0 m2。为便于比较，也对纯溴化锂溶液条件下的制冷机出力进行了测量。图7反映了不同换热面积条件下溴化锂溶液中含活性炭和不含活性炭两种情况下的制冷机出力。由图7中可以看出，随着换热面积的增加，制冷机出力由7.86 kW上升到14 kW，制冷机出力有较为明显的增加。活性炭/溴化锂悬浮液吸收式制冷机的出力比纯溴化锂吸收制冷机的出力高0.46—2 kW。

图7 不同换热面积条件下的制冷机出力Fig.7 Output of refrigerating machine at condition of different heat exchange surfaces

4 结论

本论文研究了在溴化锂溶液中添加活性炭吸着剂颗粒对溴化锂吸收式制冷机出力的影响。研究表明:

(1)在0—0.14 kg-AC/kg-Solution活性炭浓度范围内，活性炭/溴化锂水溶液悬浮液的粘度与活性的浓度呈线性增加关系;

(2)在 2.0—4.0 kg/(m2·s·Pa)范围内，活性炭/溴化锂悬浮液吸收式制冷机的出力随透湿系数呈线性增长，比纯溴化锂吸收式制冷机的出力高0.32—0.46kW;

(3)在0—1.5吸附平衡常数范围内，活性炭/溴化锂悬浮液吸收式制冷机的出力与吸附平衡常数值增加呈线性增长关系;

(4)活性炭/溴化锂悬浮液吸收式制冷机的出力与换热面积呈线性增长关系，并且比纯溴化锂吸收式制冷机的出力高0.46—2 kW;

(5)添加适量微米级活性炭颗粒可以有效改善溴化锂溶液的传热传质性能。

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