溴化鋰溶液熱物理性及傳質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)裝置
解國(guó)珍，李代程，武 威，馮瑞軍
（北京建筑工程學(xué)院環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044）
摘 要：介紹一套多功能溴化鋰吸收式制冷實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)的多功能模塊，該裝置可以進(jìn)行傳熱功能實(shí)驗(yàn)、傳質(zhì)功能實(shí)驗(yàn)以及溴化鋰溶液工程熱物理特性研究實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)可以任選裝置內(nèi)部不同功能模塊組合進(jìn)行不同目的的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置能夠提供高度穩(wěn)定的溫度和壓力環(huán)境。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，該裝置具有操作靈活、運(yùn)行方便、功能多樣化、熱工參數(shù)自動(dòng)數(shù)字監(jiān)測(cè)和控制等特點(diǎn)，可以為開發(fā)改良型Ｈ２Ｏ－ＬｉＢｒ溶液、研發(fā)新型吸收式制冷空調(diào)設(shè)備提供服務(wù)。
關(guān)鍵詞：溴化鋰溶液；熱物性；傳熱傳質(zhì)；模塊化
中圖分類號(hào)：TB64 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1002－4956（2011）12－0059-04
由于傳統(tǒng)的電力空調(diào)使用氟里昂制冷劑，因而對(duì)大氣臭氧層具有一定的破壞作用，隨著人類保護(hù)生態(tài)環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，人們開始尋找氟里昂制冷劑的替代品。在高溫工況下，溴化鋰吸收式制冷機(jī)以溴化鋰溶液作吸收劑，以水作制冷劑，利用水在高真空狀態(tài)下蒸
發(fā)吸收熱量達(dá)到制冷的目的。由于它具有節(jié)省能源、不污染環(huán)境、效率高、噪聲低、一機(jī)多用、自動(dòng)化程度高等諸多優(yōu)點(diǎn)而被越來越多的用戶所采用［１］。
隨著溴化鋰吸收式制冷應(yīng)用的擴(kuò)大及研究的深入，各國(guó)科學(xué)工作者陸續(xù)開展了對(duì)溴化鋰溶液熱物性的研究及其傳熱傳質(zhì)特性的改善研究，部分成果已被廣泛應(yīng)用于空調(diào)制冷等行業(yè)。為了更好地研究溴化鋰溶液的熱物性和傳質(zhì)特性的改善，研發(fā)了具有更高制冷效率的溴化鋰吸收式制冷機(jī)組，研制了溴化鋰溶液熱物理性及傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。利用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)研究：溴化鋰溶液熱物性測(cè)試實(shí)驗(yàn)；溴化鋰溶液傳熱性能實(shí)驗(yàn)研究；溴化鋰溶液傳質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)研究；添加劑對(duì)溴化鋰溶液的影響實(shí)驗(yàn)研究，為溴化鋰吸收式制冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供相關(guān)數(shù)據(jù)。
1 溴化鋰溶液性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1實(shí)驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)
溴化鋰溶液性能檢測(cè)與實(shí)驗(yàn)裝置［2-4］主要用來進(jìn)行溴化鋰溶液的工程熱物理特性的研究，也是為了研究改善溴化鋰溶液等制冷工質(zhì)的傳熱、傳質(zhì)性能及其工程應(yīng)用而設(shè)計(jì)、建造的技術(shù)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)具有功能多、性能齊全以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度高的優(yōu)點(diǎn)。溴化鋰溶液性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括傳質(zhì)及傳熱多功能實(shí)驗(yàn)?zāi)K（模塊1）、封閉式溶液系統(tǒng)溫度和真空度測(cè)試和控制模塊（模塊2），以及溶液濃度和溶液質(zhì)量測(cè)試和控制模塊（模塊3）［5］，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程如圖１所示。
圖１?。龋玻希蹋椋拢蛉芤盒阅軐?shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)示意圖
1.2各模塊功能設(shè)計(jì)
1.2.1模塊1技術(shù)功能
模塊1包括Ａ、Ｂ、Ｃ 3個(gè)子模塊［6－7］，即：水平板式傳熱和換熱實(shí)驗(yàn)?zāi)K（圖1中Ａ），結(jié)構(gòu)見圖2；光管降膜傳熱和換熱實(shí)驗(yàn)?zāi)K（圖1中Ｂ），結(jié)構(gòu)見圖3；肋管降膜傳熱和換熱實(shí)驗(yàn)?zāi)K（圖1中Ｃ），結(jié)構(gòu)見圖3。
圖2 水平式傳熱和換熱實(shí)驗(yàn)?zāi)K結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 肋管洗管降膜傳熱和換熱實(shí)驗(yàn)?zāi)K結(jié)構(gòu)示意圖
3個(gè)子模塊內(nèi)部分別用隔板將吸收換熱管束分隔為不同換熱面積，通過開啟和關(guān)閉各隔板間換熱管束對(duì)應(yīng)的噴淋閥門來改變換熱面積；每個(gè)子模塊與主系統(tǒng)管路均由真空隔膜閥門連接，閥門通過法蘭與管路連接，法蘭可以拆卸，從而可以更換更多的子模塊；各子模塊都有冷卻水通過降膜管束或水平吸收板，進(jìn)行換熱試驗(yàn)；也可以關(guān)閉冷卻水系統(tǒng)，進(jìn)行傳熱傳質(zhì)分離的傳質(zhì)試驗(yàn)（溶液在進(jìn)入吸收器前提前預(yù)冷，釋放吸收熱）；各子模塊均可連接真空泵和水蒸氣發(fā)生裝置；配置壓力及濃度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并連接壓力傳感器和濃
度分析儀，并連接計(jì)算機(jī)輸出。
1.2.2模塊2的技術(shù)功能
模塊2要保證模塊1中在3種傳質(zhì)和換熱實(shí)驗(yàn)條件下系統(tǒng)的真空度要求；保證模塊１中在3種傳質(zhì)和換熱實(shí)驗(yàn)條件下系統(tǒng)內(nèi)工質(zhì)（冷卻水、水蒸氣及溴化鋰溶液）的溫度自動(dòng)測(cè)試；冷卻水系統(tǒng)在溫度過高時(shí)帶走多余熱量，起到保護(hù)作用；控制進(jìn)入吸收器的溶液溫
度；具有儲(chǔ)存溶液的作用；整個(gè)模塊中系統(tǒng)的真空度和液體溫度可以達(dá)到較高的自控程度；配備溫度自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。
1.2.3功能模塊3的技術(shù)功能
模塊3可分解為如圖４所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3個(gè)子模塊。
圖4 模塊3結(jié)構(gòu)示意圖
子模塊Ⅰ為吸收終了溶液桶，便于獨(dú)立回收吸收終了的溶液并測(cè)量其濃度；模塊Ⅱ?yàn)槌跏既芤和?，用于制備不同濃度的溴化鋰溶液；模塊Ⅲ為純水容器，用于冷凝和收集子模塊Ⅱ加熱時(shí)發(fā)生出的水蒸氣，同時(shí)還具有給子模塊Ⅲ補(bǔ)水功能，可稀釋子模塊Ⅱ中溶液的
濃度。
閥門的開閉關(guān)系如下：
制備初始溶液：當(dāng)Ⅱ中溶液初始濃度需要增大時(shí)，發(fā)生裝置打開，閥門ａ、ｇ、ｉ關(guān)閉，閥門ｈ打開，同時(shí)與Ⅲ連接的冷水機(jī)組打開；當(dāng)Ⅱ中溶液初始濃度需要減小時(shí)，閥門ａ、ｇ、ｈ關(guān)閉，閥門ｉ打開，Ⅲ中的純水靠重力流入容器Ⅱ。實(shí)驗(yàn)過程中，閥門ｇ、ｈ、ｉ關(guān)閉，閥門ａ打開；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后溶液回收時(shí)閥門ａ、ｈ、ｉ關(guān)閉，閥門ｇ打開。
功能模塊３具備的技術(shù)功能：
（1）此裝置為開式容器，在此處添加溶液；
（2）儲(chǔ)存溴化鋰溶液；
（3）添加溴化鋰溶液的功能；
（4）通過加熱和溶液補(bǔ)充裝置可以控制進(jìn)入系統(tǒng)的溶液濃度；
（5）保證模塊１在３種傳質(zhì)和換熱試驗(yàn)條件下系統(tǒng)循環(huán)溴化鋰溶液的濃度的自動(dòng)控制與測(cè)試；
（6）配置溶液濃度檢測(cè)裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)。
2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)
2.1自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)
測(cè)控系統(tǒng)包括控制部分與測(cè)量部分［8－9］。控制部分需要4個(gè)控制參數(shù)：子模塊Ⅱ的溶液濃度、模塊２的溶液濃度、子模塊１的溶液溫度及模塊2的溶液溫度。測(cè)量部分需要測(cè)量溶液的溫度、壓力、電加熱器的電性能、溶液密度等。微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)由測(cè)量元件、ＰＩＤ調(diào)節(jié)器、驅(qū)動(dòng)器、執(zhí)行器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等組成，如圖5所示。
（1）控制部分。計(jì)算機(jī)通過與ＰＩＤ調(diào)節(jié)器通信，將設(shè)定溫度／密度送到調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器將其轉(zhuǎn)化為電壓值，并加在給定電壓輸入端上，由于Ｐｔ１００鉑電阻的實(shí)測(cè)電壓（代表實(shí)測(cè)溫度值）加在調(diào)節(jié)器反饋輸入端上，溫度調(diào)節(jié)器根據(jù)給定的電壓與實(shí)測(cè)電壓的差值，按照ＰＩＤ規(guī)律調(diào)節(jié)調(diào)器的輸出量，驅(qū)動(dòng)器（調(diào)功器）根據(jù)來自ＰＩＤ調(diào)節(jié)器的控制量來控制加熱器的實(shí)際輸出量，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制。其他參數(shù)的控制結(jié)構(gòu)雷同。各電動(dòng)設(shè)備（電動(dòng)閥、冷水機(jī)組、電加熱、溶液泵等）的開／停由ＰＬＣ（可編程控制器）自動(dòng)控制。人機(jī)之間的聯(lián)系通過可視性很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)測(cè)試程序及觸摸屏實(shí)現(xiàn)。
（2）測(cè)量部分。測(cè)量元件連接到數(shù)據(jù)采集儀的輸入端，數(shù)據(jù)采集儀巡回檢測(cè)各輸入端的電壓值（代表實(shí)際測(cè)量值），并將電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)參數(shù)的數(shù)字量后輸送到計(jì)算機(jī)顯示并儲(chǔ)存。電加熱器的功耗由帶有計(jì)算機(jī)通信接口的多功能數(shù)字電功率測(cè)量?jī)x測(cè)量。
2.2技術(shù)參數(shù)測(cè)量項(xiàng)目
2.2.1壓力測(cè)量
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)壓力測(cè)量點(diǎn)共布置9個(gè)，選用芬蘭維薩拉壓力傳感器ＰＴＢ１００，控制精度為0.01％。對(duì)于模塊１，選用７只壓力傳感器分別測(cè)量平板吸收器、光管降膜吸收器和肋片管降膜吸收器的容器壓力；對(duì)于模塊2，采用１只壓力傳感器測(cè)量模塊２內(nèi)的溶液壓力；對(duì)于模塊３，采用１只壓力傳感器測(cè)量模塊3內(nèi)的溶液壓力。
2.2.2溫度測(cè)量
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)溫度測(cè)量點(diǎn)共布置10個(gè)，選用日本千野的Ｐｔ100溫度計(jì)，控制精度為0.05℃。對(duì)于模塊１，Ｐｔ100溫度傳感器5只，其中3只分別測(cè)量平板吸收器、光管降膜吸收器和肋片管降膜吸收器中溶液的溫度，另２只分別測(cè)量進(jìn)入模塊１吸收器的冷卻水的進(jìn)、出口溫度；對(duì)于模塊２，Ｐｔ１００溫度傳感器２只，用于測(cè)量模塊２容器內(nèi)的溶液溫度；對(duì)于模塊３，Ｐｔ１００溫度傳感器２只，用于測(cè)量模塊３容器內(nèi)的溶液溫度。
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)備有若干個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，備有Ｐｔ１００溫度傳感器１只以及Ｔ型熱電偶若干，用于補(bǔ)測(cè)系統(tǒng)中可能需要額外測(cè)量的其他溫度。
2.2.3溶液密度測(cè)量
溶液密度測(cè)量選用冉控公司的密度傳感器（ＲＫ０８０）２只，控制精度為０．０００?。埃玻纾悖恚常敝挥糜跍y(cè)量模塊１中３個(gè)子模塊實(shí)驗(yàn)吸收終了的溶液密度，另１只用于測(cè)量模塊３中的子模塊Ⅱ中實(shí)驗(yàn)吸收初始溶液的密度。
2.2.4流量測(cè)量
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)流量測(cè)量點(diǎn)共布置3個(gè)，１只流量傳感６１解國(guó)珍，等：溴化鋰溶液熱物理性及傳質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)裝置器用于測(cè)量進(jìn)入模塊１中３個(gè)子模塊的吸收溶液的流速或流量；１只流量傳感器用于測(cè)量進(jìn)入模塊１中３個(gè)子模塊的被吸收蒸氣的流速或流量；１只流量傳感器用于測(cè)量進(jìn)入模塊１或模塊２中冷卻水的流速或流量。
圖５ 實(shí)驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)圖
2.2.5加熱功率測(cè)量
本實(shí)驗(yàn)臺(tái)電功率測(cè)量點(diǎn)共布置２個(gè)，１臺(tái)功率計(jì)用于測(cè)量模塊２中的電加熱功率；另１臺(tái)功率計(jì)用于測(cè)量模塊３中的電加熱功率。
3 結(jié)束語
該實(shí)驗(yàn)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)合理、緊湊、功能強(qiáng)大、測(cè)試精度高、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)能力強(qiáng)。通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以對(duì)各種溴化鋰溶液熱交換器的不同換熱方式及不同的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行傳質(zhì)性能測(cè)試研究，并且結(jié)合多樣化模塊可更換設(shè)計(jì)，可非常方便地進(jìn)行不同功能的轉(zhuǎn)換使用，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，節(jié)省研究成本。同時(shí)，先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和控制手段使實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有高度可靠性。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)還可以進(jìn)行更深層次的教學(xué)與科研的實(shí)驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)和加工的樣機(jī)經(jīng)測(cè)試完全滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)驗(yàn)要求，得到數(shù)位行業(yè)專家的肯定與好評(píng)。預(yù)計(jì)投入使用后，將會(huì)在教學(xué)和科研中發(fā)揮重要作用，同時(shí)可以通過對(duì)外技術(shù)培訓(xùn)創(chuàng)造一定的直接經(jīng)濟(jì)效益［１０］。由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，控制靈活、先進(jìn)，測(cè)量手段可靠，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)將成為溴化鋰溶液性能研究的有力幫手。
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