溴化锂吸收式制冷中膜蓄能器传热传质特性分析

李赛男

【摘 要】太阳能的低能量密度，使得防止热驱动的制冷系统中任何热损失都显得有价值，浓度差蓄能是一种有效蓄能方式。针对普通溴化锂浓度差蓄能器中溶液易结晶的问题，提出膜蓄能器的解决方法，研究其传热传质特性，分析了吸收水蒸气后溴化锂溶液温度和质量分数的变化趋势。

【关键词】溴化锂吸收式制冷；纤维膜；传热传质

0 前言

传统的吸收式制冷一般以燃油或燃气为动力，不仅消耗大量不可再生资源，而且矿物质燃烧产生的硫化物和氮化物还会对环境造成污染[1]。近年来发展的太阳能制冷技术，能够缓解能源短缺和环境问题，降低常规制冷方式带来的巨大能源消耗，符合我国节能减排的基本政策，成为了具有发展潜力的制冷技术。目前利用太阳能制冷方式中，太阳能溴化锂吸收式制冷效率较高，是应用太阳能制冷最成功的方式之一[2]。但由于太阳能存在能流密度低、间断性及不稳定性的局限性，使得大规模应用增加了难度，如若成为与常规能源相竞争的替代能源，就得很好地解决蓄能问题。

针对太阳能驱动的溴化锂吸收式制冷系统中不稳定热源与相对稳定冷负荷之间相互矛盾的问题，并考虑到溴化锂溶液易结晶的弊端，提出膜蓄能器基本构想，并建立了传热传质数学模型分析其特性。

2 结果及分析

通过MATLAB对上述方程组进行求解，得到溶液温度变化如图1所示。

图1 溴化锂溶液温度与时间的变化关系

由图1可以看到在0-25s内溴化锂溶液温度与时间变化趋势。溶液温度随着时间的增加而升高，随着坐标r增大而降低，因为水蒸气最先被膜表面上的溶液吸收而放出热量，同时溶液导热系数较小，热量传递和水蒸气扩散均需要一定时间；膜表面处温度变化率最大。

溶液质量分数随时间变化如图2所示：

图2 溴化锂溶液的质量分数与时间的变化关系

由图2可以看到在0-25s内溴化锂溶液质量分数与时间变化趋势。溶液浓度随时间增加而降低，随坐标r增大而升高，因为水蒸气首先被膜表面上溶液吸收，稀释了溶液，同时溶液分子扩散系数较小，扩散传质需要一定时间；膜表面处质量分数变化率最大。

将溶液初始质量分数分别设定0.55、0.60、0.65和0.70后计算得到溶液温度和浓度变化如图3和4所示。

图3 不同初始条件溶液温度的变化（下转第159页）

（上接第154页）

图4 不同初始条件溶液浓度的变化

由图3和4中可知溴化锂溶液在不同初始质量分数下温度和浓度与时间变化关系。溶液温度随着时间增加都成递增趋势，浓度随着时间增加都成递减趋势。但不同的是，随着溶液初始浓度降低，溶液温度和浓度变化率都降低，这是因为初始浓度的降低减小了膜通量，最终导致溶液温度和浓度变化率减小。

3 结论

通过对一定初始条件的溴化锂溶液和水蒸气进行模拟计算，得到溶液温度和浓度变化关系如下：

（1）水蒸气透过膜溶解到溶液中，溶液温度会升高，在膜表面处温度变化率最大；溶液温度随坐标r增大反而降低。吸收水蒸气后，溶液浓度会降低，膜表面处溶液浓度变化率最大；溶液浓度随坐标r增加而升高。

（2）降低溶液初始浓度会减小温度和质量分数的变化率，对于浓度越高的溴化锂溶液，这种新型的膜蓄能器工作效率越高，效果更显著。

【参考文献】

[1]孙小琴，周军莉，张国强，张泉.太阳能吸收式制冷系统研究进展[J].建筑热能通风空调，2010（03）.

[2]韩崇巍.太阳能双效溴化锂吸收式制冷系统的性能研究[D].中国科学技术大学，2009.

[3]李畅，李保安.减压膜蒸馏过程模拟及通量强化研究[D].天津：天津大学，2013.

[4]朱春燕，赵之平，刘殿忠，等.膜蒸馏过程传递机理研究进展（Ⅲ）真空膜蒸馏[J]. 膜科学与技术，2009，29（6）：99.

[5]童国柱，李保安.减压膜蒸馏过程模拟及组件优化[D].天津：天津大学，2011.

[6]高振.真空膜蒸馏传递机理和过程特性研究[D].天津：天津大学，2003.

[7]Iversen S.B.， Bhatia V K.， Dam—Johansen， K.， Characterization of Micro-porous Membranes for Use in Membrane Contactors[J]. Journal of Membrane Science， 130（1997）：205-217.

[责任编辑：杨玉洁]