机械振动强化吸收式制冷机传热性能的实验研究

申　江, 王建民, Lau J, 申子奇, 孙　欢

(1.天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室，天津　300134；2.内布拉斯加州林肯大学，美国林肯市　68588)



机械振动强化吸收式制冷机传热性能的实验研究

申江1, 王建民1, Lau J2, 申子奇2, 孙欢1

(1.天津商业大学 天津市制冷技术重点实验室，天津300134；2.内布拉斯加州林肯大学，美国林肯市68588)

摘要：搭建了带有电动振动系统的吸收式制冷性能研究实验台，实验重点研究了振动对于吸收式制冷机传热性能的强化效果。结果表明，振动可有效地强化吸收式制冷机的传热性能，增加制冷量；在低频、低振幅的范围内，传热的强化效果随频率和振幅的增加而增加。该研究成果对于提高溴化锂吸收式制冷机的效率有一定的借鉴作用。

关键词：机械振动；吸收式制冷机；强化；传热性能

近年来，随着我国经济的高速发展，对于能源的需求不断增加，但是能源利用率却很低，生产单位产品的能耗比发达国家高出50%～100%，能源的综合利用效率仅为30%左右，可见能源的浪费是巨大的，其中大量的能源通过废热的形式白白浪费掉了。所以工业余热的回收是节能和解决环境热污染问题的重要途径，具有重大的社会经济效益。在余热回收技术中，溴化锂吸收式制冷技术有着明显的优势，但是由于吸收式制冷机效率不高，因此溴化锂吸收式制冷机的传热传质强化一直是国内外研究的主要方向。在溴化锂吸收式制冷机的四大部件里面有大量的传热管，尤其是吸收器，它的换热面积占了整个机组的三分之一。因此，寻求一种能够有效强化换热的方法对于提高溴化锂吸收式制冷机的效率有着重要的意义[1-3]。

机械设备在运行过程中不可避免的会产生振动现象，有时候是因为装置本身运行而产生的机械振动，有时是由于流体流过换热壁面而产生的诱导振动。多年来，人们一直致力于研究如何有效地消除这样的振动，然而事实上，研究人员发现壁面振动可以增加贴壁处流体的湍流度，减薄流动边界层和热边界层，从而有效地强化换热[4]。大量的文献研究也表明振动可以强化换热。

Lemlish等[5-6]的实验研究表明，在自然对流条件下，换热管垂直振动时，换热系数可增大4倍，并且增大的幅度与振动的频率和振幅成正比。Lee等[7]实验研究了传热管振动对临界热通量的影响，实验通过机械装置使传热管沿介质流动方向垂直振动，实验结果显示，临界热通量随管的振动而增加，原因是传热管的振动增加了管壁附面层的流体的湍流混合度，从而强化了换热；一般情况下临界热通量随振动强度的增加而增加，而且在振动参数方面，振幅的影响要大于频率的影响。

吴宏等[8]实验研究了振动对自然对流的换热特性的影响，实验中采用电铃谐振器作为振动源，并采用红外热像仪对电加热膜表面的温度场进行测量，实验结果表明，相比于静止条件下，自然对流的换热系数最大可提高90.7%，并且随着振动强度的增加，换热系数的提高也越多；在一定的振动能量下， 热流密度越小，换热强化效果越好。冷学礼等[9]设计了一套振动管与静止管的对比实验研究系统，研究了流体低速横掠振动圆管的传热特性，实验研究表明，流体流过振动圆管时，换热过程得到有效的强化，振幅和频率均对传热有较大影响，在低振幅和低频范围内，换热的强化效果随振幅和频率的增加而增加。

上述文献研究主要集中在化工领域，而且基本都是仅研究了振动对于单个传热管的换热特性的影响，而在制冷与空调领域这方面的研究则非常少，很少有研究振动对整个机组的换热特性的影响的。在本文中，建立了机械振动强化吸收式制冷机传热性能的实验台，在吸收式制冷机的底部安装了一个电动振动台，使机组在垂直方向上产生振动，旨在研究机械振动对于吸收式制冷机传热性能的强化效果。

1实验系统及实验方法

1.1实验系统

实验系统由吸收式制冷机组、电动振动及振动控制系统、电加热系统、恒温水循环系统、数据采集及处理系统以及电加热锅炉等部分组成，具体的系统循环原理图如图1所示。

图1　系统循环示意图Fig.1 Schematic diagram of the cycle system

在本实验系统中，吸收式制冷机组采用的实验介质为溴化锂溶液。其中，机组运行需要的热水由电加热锅炉提供；恒温水循环系统由电加热器、制冷机组、调节阀门、循环水泵、流量计、水位控制装置、冷却塔、冷冻水箱、冷却水箱以及补水箱等组成，保证冷媒水和冷却水的入口温度保持恒定。数据采集及处理系统中温度的采集是采用天津鼎拓公司生产的DT-W100铠装热点阻，其测量精度为A级精度，允许偏差为±(0.15+0.002)|t|。流量均采用液体涡轮流量计进行测量，液体涡轮流量计选用天津鼎拓公司生产的LWGY液体涡轮流量计，其测量精度为0.5级精度。采集到的数据通过传感器传送到MX100数据采集设备中，经过处理后呈现在PC机上。

实验系统的外置振动源为电动振动系统，选用的是苏州东菱振动实验仪器有限公司生产的ES-50-445型电动振动系统，该系统包括：ET-50-445电动振动台、DA-50开关式功率放大器、Amber数字振动控制仪、DL加速度传感器、B-7000冷却风机和辅助支撑及空压机。具体结构原理如图2所示。其中，振动台是本系统的核心，其基本工作原理为：励磁线圈在振动台台体内建立磁场，励磁线圈与直流电源相连，在环形气隙里产生一个高磁通量。动圈部件，包括台面、骨架和驱动线圈，悬挂在振动台的环形气隙里。当交流电通过驱动线圈时，电磁力会在驱动线圈的绕组上产生，使得台面产生向上和向下的往复运动，台面的移动量取决于振动控制仪发出的驱动信号的大小和频率以及扩展台面的质量、所加的负载质量和台面悬挂系统的刚度。Amber数字振动控制仪为振动台体提供正弦、随机、经典冲击、谐振搜索与驻留等输出信号，并能对振幅、振动频率、加速度和速度等参数进行设定和调节。

图2　电动振动系统结构原理图Fig.2 Principle and structure diagram of electrodynamic vibration system

1.2实验方法

开机启动后，调节电加热器和制冷机组，保证冷却水和冷媒水入口温度的恒定，待系统运行稳定后，开始记录数据，系统至少稳定运行一小时后，启动电动振动台，开始振动实验，并记录振动过程中的数据变化。每个振动工况持续时间一小时，振动停止后，待系统恢复到原来的状态，稳定运行一小时，再进行下一个振动工况实验。

实验过程中保证吸收器内的溴化锂溶液喷淋量恒定，冷却水、冷水以及热水的流量和入口温度恒定，保证每个实验工况下的溶液喷淋量相同，冷却水、冷水以及热水的入口温度相同。实验过程中需要改变的参数主要是振动频率和振幅。

2实验数据的处理与分析

2.1振动条件下吸收式制冷机某些参数的变化情况

图3～图5分别显示了当f=25 Hz,A=0.2 mm的振动条件下吸收式制冷机某些参数的变化情况。在以下的图中，时间t=60 min时开始振动。

图3显示了振动对于吸收器内冷却水出口水温变化的影响效果。从图中可以看出，振动开始后，在冷却水流量以及入口水温恒定的条件下，出口水温有所上升，冷却水进出口温差增大，强化换热效果明显，换热量提高7%左右。

图4显示了振动对于吸收器内溴化锂溶液进出口温度变化的影响效果。从图中可以看出，振动开始后，溶液进出口温差没有明显变化，但是溶液进出口温度都有一定的升高。从上面的分析结果可知，这主要是由于振动强化了发生器内的换热，所以从发生器出来的溴化锂浓溶液的温度有一定的上升，从而导致吸收器入口浓溶液温度的升高。由于吸收器内进行着复杂的传热传质过程，且传热和传质是相互耦合的，所以振动在强化传热的同时必然也会强化传质，而溴化锂溶液在吸收水蒸气的时候会放出大量的吸收热，因此传质得到强化的同时也会产生更多的吸收热，所以在振动条件下，虽然冷却水的换热量增大了，但是吸收器内溶液进出口温差没有明显变化。

图5显示了振动对于冷媒水出口水温变化的影响效果。从图中可以看出，振动开始以后，在冷媒水入口温度和流量恒定的条件下，出口水温有一定的降幅，进出口温差增大，制冷量增大。根据以上分析可知，这主要是由于振动强化了吸收式制冷机各个换热器的换热效果，从而提升了制冷机整体的效率，使制冷量提高了大约10%。

图3 振动对于吸收器内冷却水出口水温变化的影响Fig.3Effectofvibrationontheoutlettemperaturechangeofcoolingwaterinsidetheabsorber图4 振动对于吸收器内溶液进出口温度变化的影响Fig.4Effectofvibrationontheimportandexporttemperaturechangeofsolutionintheabsorber图5 振动对于冷媒水出口水温变化的影响Fig.5Effectofvibrationontheoutlettemperaturechangeofcoldwater

2.2传热系数随振幅或频率的变化情况

由于吸收式制冷机组当中最重要的部件是吸收器，且吸收器内部的换热面积较大，所以在本文中，主要对吸收器内部的换热情况进行分析，主要考察的是振动对于传热系数的影响。传热系数通过以下公式进行计算[10]：

其中，Δtm采用以下公式进行计算[10]：

在实验过程中，待系统运行达到稳定，开始振动实验，每个工况下振动时间为一小时，数据采集系统每十秒钟记录一次数据，根据记录的温度值计算出每一时刻的传热系数，然后求出平均值，即为这一振动工况下的平均传热系数。

图6为振幅A=0.15 mm时，传热系数随振动频率的变化情况，振动频率的变化范围为080 Hz。图中，振动频率为0的状态点表示静态条件下的实验结果。从图中可以看出，18 Hz之前传热的增强效果不明显，18 Hz之后，传热的增强效果显著，且传热系数随着振动频率的增加而增加，25 Hz时传热系数达到最大值，此工况下振动对传热的强化效果最好。25 Hz之后传热系数有所下降，当振动频率在3055 Hz以及65 Hz时，传热系数急剧下降，这时振动产生了负效应。根据实验现场的情况来看，这主要是由于在这两个频率段范围内机组上的部件以及溶液泵、冷剂泵等产生了共振，机组的真空度下降，致使吸收式制冷机偏离了稳定运行的状态，致使传热恶化。65 Hz以后传热系数又随着频率的增加而呈现出明显的递增趋势。由图7可以看出，在25 Hz的情况下振动对传热的强化效果最好，因此本文在频率为25 Hz的工况下又研究了振幅对传热系数的影响效果。

图7即为传热系数随振幅的变化情况。图中，振幅为0的状态点表示静态条件下的实验结果。从图中可以看出，振动对传热的强化效果显著，传热系数随振幅的增加而增加；振幅在0.15 mm之前，传热系数随振幅的增加急剧上升，在0.150.4 mm的范围内，随着振幅的增加传热系数的增加趋势不明显，基本保持稳定，与静止条件下相比，换热效果的强化程度在7%左右。

图6　传热系数随振动频率的变化情况Fig.6 Heat transfer coefficient changes with the vibration frequency

图7　传热系数随振幅的变化情况Fig.7 Heat transfer coefficient changes with the vibration amplitude

3结论

本文实验研究了机械振动对于溴化锂吸收式制冷机组传热性能的强化效果，实验结论如下：

(1) 机械振动可以有效地强化溴化锂吸收式制冷机的传热效果。通过对传热的强化，提高了制冷机的运行效率，使制冷量提高了约10%。

(2) 在低频振动范围内，频率越高，振幅越大，强化效果越明显；但是当振幅超过0.2 mm 之后，传热系数基本保持稳定，随着振幅的增加没有明显的增加趋势。与静止条件下相比，换热效果的强化程度在7%左右。

(3) 在高频(如60 Hz、80 Hz)低振幅的工况下，也有较好的强化传热的效果。强化效果在9%左右。

(4) 由于实验装置本身的限制，个别频率点机组产生共振，无法进行正常的实验，不能得出更加普遍的规律性成果，所以在以后的工作中，需要对实验装置做进一步的改进和完善，进行更加深入的研究。

参 考 文 献

[1] 王长庆.吸收式制冷机的应用与发展[J]. 能源技术, 2000,3 (1): 31-35.WANG Chang-qing. Application and development of absorption chiller[J]. Energy Technique, 2000,3 (1): 31-35.[2] 吴业正 主编.制冷原理与设备[M]. 2版.西安:西安交通大学出版社，1996.

[3] 功刀能文. 吸收式制冷机的新发展[J]. 制冷技术，2002(1):44-48.

Yoshi fumi. The new development of absorption refrigeration machine[J]. The Refrigeration Technology, 2002 (1): 44-48.

[4] 姜波，田茂诚,冷学礼,等.振动管外流动与传热实验研究及场协同分析[J].振动与冲击，2009,28(5):102-105.

JIANG Bo, TIAN Mao-cheng, LENG Xue-li,et al. Afield collaborative analysis and experimental study of fluid flow and heat transfer outside a vibrated tube [J]. Journal of Vibration and Shock, 2009,28(5): 102-105.

[5] Lemlich R. Effect of vibration on natural convective heat transfer[J]. Industrial and Engineering Chemisty,1955,47(6): 1175-1181.

[6] Deaver F K, Penney W R, Jefferson T B. Heat trsnsfer from an oscillating horizontal wire to water[J]. Heat Transfer,1962, 84: 251-256.

[7] Lee Y H, Kim D H, Chang S H. An experimental investigation on the critical heat flux enhancement by mechanical vibration in vertical round tube[J].Nuclear Engineering and Design,2004,229:47-58.

[8] 吴宏, 孟恒辉,罗翔，等. 振动表面自然对流强化换热特性[J].北京航空航天大学学报, 2008,34(3):307-310.

WU Hong, MENG Heng-hui,LUO Xiang,et al. The strengthening of natural convection heat transfer characteristics on the vibration surface[J]. Journal of Beihang University, 2008,34(3):307-310.

[9] 冷学礼. 流体低速横掠振动圆管的传热特性研究[J].工程热物理学报，2003,24(2):328-330.

LENG Xue-li. A study of heat transfer characteristics of fluid cross flow vibration round tube on low velocity[J]. Journal of Engineering Thermophysics，2003,24(2):328-330.

[10] 杨世铭，陶文铨. 传热学[M]. 4版.北京: 高等教育出版社，1987: 238-244 .

基金项目：美国ASHRAE资助项目(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，硕士生，1987年10月生

中图分类号:TB616;TB651

文献标志码：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

邮箱：wjm19871020@163.com