添加纳米粒子的溴化锂溶液传质特性

解国珍　褚伟鹏　王 刚,3　于文贤

(1 北京建筑大学环境与能源工程学院　北京　100044；2 北京市水利规划设计研究院　北京　100048;3 西安交通大学能源与动力工程学院　西安　710049)



添加纳米粒子的溴化锂溶液传质特性

解国珍1褚伟鹏2王 刚1,3于文贤1

(1 北京建筑大学环境与能源工程学院北京100044；2 北京市水利规划设计研究院北京100048;3 西安交通大学能源与动力工程学院西安710049)

建立了纳米溴化锂溶液二维降膜传热传质数学模型，以实验数据对模型进行验证。研究结果表明，在溴化锂溶液中加入纳米粒子可以显著增强溴化锂溶液对水蒸气的吸收速率，并且随着纳米粒子添加量的增大，纳米溴化锂溶液对水蒸气的吸收速率越大；在纳米粒子添加量相同时，纳米溴化锂溶液的水蒸气吸收速率随着溶液流量的增大而增大，且水蒸气吸收速率随溶液流量的变化趋势为对数曲线趋势；溶液的传质强化比随着纳米粒子添加量的增加而增大；在溴化锂溶液中加入纳米粒子后，吸收器的传质系数随着纳米粒子添加量的增大而增大，在溶液流量为1.2 L/min时，添加0.05%纳米粒子后，吸收器传质系数增加1.32倍，添加0.1%纳米粒子后，吸收器传质系数增加1.41倍, 但是，传质系数增幅随着纳米粒子含量的增加而逐渐减弱。

纳米粒子；传质；溴化锂溶液；降膜吸收

纳米粒子具有表面效应等传统固体不具有的许多特殊性质，可以强化溶液的传热、传质过程。纳米流体的传热传质机制有传输作用[1-2]、抑制气泡聚、边界层混合[3-4]以及渗透作用。基于上述理论，众多学者对纳米溶液进行了强化传热传质研究。对于纳米粒子的粒径、体积份额和材料属性等对纳米流体的导热系数的影响， Li C H等[5]添加粒径为29 nm、体积分数为2.00～6.00的CuO纳米微粒于水溶液，使纳米水溶液的导热系数增加1.38～1.51倍。Krishnamurthy S等[6]测定染色剂在纳米溶液中的扩散系数与在离子水中的扩散系数相比成倍增加。Li J等[7]研究发现，在水与制冷剂HFC-134a的混合物中加入纳米CuO粒子能强化水合物的传热和传质。方晓鹏等[8]的实验结果表明，罗丹明B在纳米溶液中的扩散系数随着纳米粒子体积分数的增大而增大，且均大于其在原溶液中的扩散系数。刘辉等[9]认为，在氨水鼓泡吸收的过程中，纳米颗粒的强化传质主要由纳米粒子在界面处引起的Marangoni 对流导致。唐忠利等[10]通过向乙醇溶液中分别添加Al2O3，TiO2，MgO和SiO2纳米粒子，研究其对CO2的吸收的影响，结果表明添加了Al2O3颗粒的吸收效果最佳，吸收效果与纳米流体体积分数呈正相关，与粒子粒径呈负相关。周志钢等[11]研究氨水中加入ZnO纳米粒子对降膜吸收的影响，发现传质强化程度与ZnO纳米粒子的浓度相关并存在最佳浓度。Kang Y T等[12]选用纳米粒子SiO2，碳纳米管和Fe，发现这3种纳米粒子都对溴化锂溶液吸收水蒸气起到促进作用，其中碳纳米管的促进作用强于Fe纳米粒子。高洪涛等[13]在溴化锂溶液中加入不同碳原子数的醇类表面活性剂，发现溶液表面张力越小，越促进溴化锂溶液的传质能力。朱蓓蓓等[14]将醇类表面活性剂加入水或溴化锂水溶液，发现表面活性剂分子吸附在气-液界面处，疏水基指向气相，亲水基指向液相的优势取向。

研究人员对纳米粒子添加剂对溴化锂溶液降膜传质特性的影响的研究较少。笔者通过对斜板吸收器物理过程的分析，建立降膜传质过程二维数学模型，通过模拟分析和实验对比研究纯溴化锂溶液与添加纳米粒子的溴化锂溶液在斜板降膜吸收水蒸气过程中的传质特性。

1 溴化锂溶液降膜吸收数学模型

在吸收式制冷循环中，溴化锂浓溶液均匀喷洒在吸收器换热管外侧，并由降膜方法吸收水蒸气而成为稀溶液，管内流动的冷却水带走吸收热量。溶液在管外吸收水蒸气的过程属于水蒸气由气相转移到液相的相际间传质和传热过程。笔者以平板降膜理论模型和传热传质实验台研究其传质特性。

1.1 降膜吸收物理模型

图1所示为斜板式降膜吸收器结构图。

1溢流槽2纳米溴化锂溶液3斜板4隔板5水蒸气图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，流入吸收器的浓溶液充满溢流槽后，在斜板上进行均匀地膜状流动。斜板与水平面的夹角为37°。隔板将整个斜板分成三块相等的面积，根据需要选择一块或几块斜板进行研究。

溶液降膜物理模型如图2所示。

1水蒸气2纳米溴化锂溶液 3斜形板4冷却水图2 降膜吸收过程示意图Fig.2 Schematic diagram of falling film absorption process

在图2中，u为溶液沿着x轴方向的速度；T为溶液温度；C为溴化锂溶液浓度。实验时具有吸湿性的溴化锂溶液在重力作用下呈膜状沿斜板向下流动，流动时液膜上部与斜板式吸收器内水蒸气接触，在降膜流动过程中吸收气相中的水蒸气，水蒸气在液膜处凝结释放吸收热，热量被冷却水带走。

1.2 建立数学模型条件

如图2所示，取x轴为降膜流动方向，y轴为液膜流动的法线方向。在如下假设条件下建立数学模型：

1)溴化锂溶液热物性能为常数，即：黏度、比热容等不随温度而变化；

2)实验时溶液质量流量不改变；

3)界面处无气液切应力，液膜表面呈光滑态，溶液降膜流态不受周围气体影响；

4)气液传质界面为平衡状态；

5)忽略水蒸气的传质阻力，斜板形吸收器中周围水蒸气压力均匀；

6)吸收热通过液膜而传递给冷却水；

7)斜板吸收壁的温度作为常壁温边界条件。

1.3 微分方程

降膜吸收过程的微分方程如下：

1)连续性方程

(1)

2)动量守恒方程

(2)

3)能量守恒方程

(3)

4)传质方程

(4)

式(1)～式(4)中：C为液体浓度；cp为比热容，kJ/(kg·K)；D为浓度扩散系数，m/s；p为压力, kPa；T为温度，K；u、v为溶液沿x、y方向的流动速度, m/s;x,y为沿着斜金属板水平和垂直方向的坐标；μ为溶液动力黏度, N·s/m2；λ为溶液导热系数，W/(m·K)；ρ为溶液密度，kg/m3。

1.4 边界条件

降膜吸收数学模型的边界条件如下：

1)斜板进口处溶液温度、速度、浓度为常数，即x=0时，

T=TS,in,ν=νS,in,C=CS,in

2)斜板出口处T，V和C参数采用溶液主流参数。

3)斜板壁面处溶液无滑移和无质量渗透，

即y=0时，

壁面温度为第三类边界条件，即Tw=常数。

4)气-液界面处，即y=δ0时，由相平衡得Ci=Ci(T,p)；

界面处传质量为:

界面处吸收热为:

qi=Habs·mi

式中：qi为吸收热量，W；mi为溶液流量，kg/s；Habs为溶液比焓，kJ/kg；δ0为溶液初始厚度，m；Tw为斜金属板壁温，K。

1.5 溶液热物性参数

在求解控制方程时，必须对纳米溴化锂溶液热物性参数进行计算。纳米溴化锂溶液的黏度选用稀相牛顿型液-固悬浮液纳米流体的Einstein公式[15]；溶液导热系数采用Rayleigh球形粒子-液体悬浮液导热系数的理论模型[16]；吸收器斜板的纳米溶液膜厚度采用文献[17]提供的公式计算；溶液浓度由WBA-505全自动密度计测定并拟合；水蒸气吸收速率由吸收器进出口溶液浓度、流量确定。

2 实验装置

为了验证数学模型的精确度，建立了溴化锂溶液传质性能实验台，其系统图如图3所示。

1斜板式吸收器2，5溶液储液罐 3恒温稳压器4冷却水水箱6蒸气发生器7溢流槽8降膜斜平板9冷却盘管10，11溶液泵12冷却水泵13，14液体流量计15调节阀16加热器17温度传感器18压力传感器图3 溴化锂溶液传质性能实验台的系统图Fig.3 Diagram of mass transfer performance rig

实验台由热质交换系统(1，7和8)、冷却水系统(4，9，12和13)、水蒸气发生和浓、稀溶液系统(6，5，2，10，11，3和14)、抽真空系统和控制测量系统等组成。工作时，由吸收器出来的稀溶液流入稀溶液储液罐，再送入蒸气发生器6 加热释放水蒸气和浓缩溴化锂溶液，分别通入斜板式吸收器1和溶液储液罐2，浓溶液由溶液泵11送入恒温稳压器3，继续往复循环。恒温稳压器3既可以精确调节溶液温度，又采用溢流稳压设计，保证进入溢流槽的浓溶液以稳定压头流入斜板式吸收器1。

实验台所用的测量仪器型号、量程及精度如表1所示。

表1 实验用测量仪器特性

3 结果与分析

基于上述控制方程、溶液热物性参数以及边界条件，利用Fluent软件进行求解，结合实验数据，可获得计算值和实验处理数据值。

实验测定了不同流量、不同纳米粒子添加量的溴化锂溶液在降膜吸收过程中的热物性参数，分析了纳米粒子对溴化锂溶液传质特性的影响，具体参数如下：

1)纳米粒子比例：0，0.05%和0.1%；

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

3)材料：工业溴化锂溶液、纳米粒子CuO和阿拉伯树胶；

4)各实验工况设置相同参数：降膜斜平板入口溴化锂溶液浓度为58%，温度为40 ℃，吸收压力为1 kPa，冷却水进、口出口平均温度25 ℃，流量1.0 L/min。

图4是58%溴化锂溶液吸收器出口浓度实验值与模拟结果的对比。二者浓度最大绝对误差为0.11%。这说明模拟结果的精度是可信的。

图4 58%溴化锂溶液实验结果与模拟值对比Fig.4 Comparison between simulation results and test data of 58% LiBr solution

图5是吸收器进出口浓度差随溶液流量的变化，其中各工况吸收器入口处溴化锂溶液浓度均为58%。对于相同成分的纳米溴化锂溶液，吸收器进出口浓度差随溶液流量的加大而减小；当溶液流量相同时，纳米粒子添加量越多，吸收器进出口浓度差越大。其他条件相同时，吸收器进出口溶液浓度差受溶液流量和纳米粒子添加量两个因素影响。在溶液流量为0.2 L/min时，纳米添加量为0.00%，0.05%和0.10%时，纳米溴化锂溶液的进出口浓度差分别为0.66%，1.31%和1.54%。这表明，添加纳米粒子后，溶液浓度差显著增大，且随纳米粒子添加量的增加而增加，这是由纳米粒子表面效应引起扰动而致。

图6是水蒸气吸收速率随溶液流量的变化，其中各工况吸收器入口处溴化锂溶液浓度均为58%。对于相同成分的纳米溴化锂溶液，水蒸气吸收速率随溶液流量增大而增大；当溶液流量相同时，纳米粒子添加量越多，水蒸气吸收速率越大。其他条件相同时，水蒸气吸收速率受溶液流量和纳米粒子添加量两个因素影响。对于相同成分的纳米溴化锂溶液，溶液流量越大，降膜过程中溶液平均浓度越大，平均传质驱动力越大，水蒸气吸收速率越大。当溶液流量相同时，纳米粒子添加量越多，水蒸气吸收速率越大。当溶液流量为1.2 L/min时，添加0.00%，0.05%和0.10%纳米粒子的溴化锂溶液对水蒸气吸收速率为0.21 g/s，0.28 g/s和0.30 g/s，添加纳米粒子后，水蒸气的吸收速率明显提高。

图5 吸收器进出口浓度差随溶液流量的变化Fig.5 Concentration difference versus solution flow rates

图6 水蒸气吸收速率随溶液流量的变化Fig.6 Water vapour absorption rate versus solution flow rates

图7是吸收器传质系数随溶液流量的变化，其中各工况吸收器入口处溴化锂溶液浓度均为58%。对于相同成分的纳米溴化锂溶液，吸收器的传质系数随溶液流量的加大而增大；当溶液流量相同时，纳米粒子添加量越多，吸收器的传质系数越大。其他条件相同时，吸收器的传质系数受溶液流量和纳米粒子添加量两个因素影响。溶液流量越大，流速越快，膜层间掺混越强烈；对于相同流量的纳米溴化锂溶液，纳米粒子添加量越多，吸收器的传质系数越大。当溶液流量为1.2 L/min，纳米粒子在溴化锂溶液中的添加比例为0.05%和0.1%时，传质系数分别为8.90×10-6m/s，9.49×10-6m/s，是纯溴化锂溶液的1.32倍和1.41倍。当溶液流量相同时，纳米粒子的存在使传质系数增加，随着溶液中纳米粒子含量的增加，纳米粒子与溶液分子间的正效应和负效应的相互耦合[18]使溶液的表面张力增强，传质系数增幅下降。

图7 传质系数随溶液流量的变化Fig.7 Mass transfer coefficient varyied with solution flow rates

4 结论

通过利用二维传热传质数学模型计算和溴化锂传热传质实验台测试，研究了纳米溴化锂溶液的传质特性，结果如下：

1)当溶液流量为1.2 L/min，在溴化锂溶液中添加纳米粒子比例为0.05%和0.10%时，溴化锂溶液对水蒸气的吸收率分别为0.28 g/s和0.30 g/s，吸收率是纯溴化锂溶液的1.32倍和1.41倍；

2)添加纳米粒子比例相同时，纳米溴化锂溶液对水蒸气的传质系数随着溶液流量的增大而增大，变化趋势为对数曲线；

3)在溴化锂溶液中加入纳米粒子后，吸收器的整体传质系数随着纳米粒子添加量的增大而增大。但是，传质系数随着纳米含量的增加的增幅逐渐减弱。其原因是，纳米粒子与溶液分子间正效应和负效应相互作用的耦合效应致使溶液表面张力增强所致。

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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

国家自然科学基金(51176007)资助项目。(The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.51176007).)

2016年1月7日

TB64；TB383；TK124

A

简介

解国珍，男，教授, 北京建筑大学环境与能源工程学院，北京市供热、供燃气、通风空调工程重点实验室，(010)68331450，E-mail:xieguozhen@bucea.edu.cn。研究方向：制冷与空调设备关键节能新技术研究；纳米粒子对空调制冷系统流体特性影响研究；制冷与空调系统热物理过程；制冷与空调系统仿真技术。