申　江, 王建民, Lau J, 申子奇, 孫　歡

(1.天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300134；2.內(nèi)布拉斯加州林肯大學(xué)，美國(guó)林肯市　68588)

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機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)化吸收式制冷機(jī)傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究

申江1, 王建民1, Lau J2, 申子奇2, 孫歡1

(1.天津商業(yè)大學(xué) 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300134；2.內(nèi)布拉斯加州林肯大學(xué)，美國(guó)林肯市68588)

摘要：搭建了帶有電動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)的吸收式制冷性能研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究了振動(dòng)對(duì)于吸收式制冷機(jī)傳熱性能的強(qiáng)化效果。結(jié)果表明，振動(dòng)可有效地強(qiáng)化吸收式制冷機(jī)的傳熱性能，增加制冷量；在低頻、低振幅的范圍內(nèi)，傳熱的強(qiáng)化效果隨頻率和振幅的增加而增加。該研究成果對(duì)于提高溴化鋰吸收式制冷機(jī)的效率有一定的借鑒作用。

關(guān)鍵詞：機(jī)械振動(dòng)；吸收式制冷機(jī)；強(qiáng)化；傳熱性能

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，對(duì)于能源的需求不斷增加，但是能源利用率卻很低，生產(chǎn)單位產(chǎn)品的能耗比發(fā)達(dá)國(guó)家高出50%～100%，能源的綜合利用效率僅為30%左右，可見(jiàn)能源的浪費(fèi)是巨大的，其中大量的能源通過(guò)廢熱的形式白白浪費(fèi)掉了。所以工業(yè)余熱的回收是節(jié)能和解決環(huán)境熱污染問(wèn)題的重要途徑，具有重大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。在余熱回收技術(shù)中，溴化鋰吸收式制冷技術(shù)有著明顯的優(yōu)勢(shì)，但是由于吸收式制冷機(jī)效率不高，因此溴化鋰吸收式制冷機(jī)的傳熱傳質(zhì)強(qiáng)化一直是國(guó)內(nèi)外研究的主要方向。在溴化鋰吸收式制冷機(jī)的四大部件里面有大量的傳熱管，尤其是吸收器，它的換熱面積占了整個(gè)機(jī)組的三分之一。因此，尋求一種能夠有效強(qiáng)化換熱的方法對(duì)于提高溴化鋰吸收式制冷機(jī)的效率有著重要的意義[1-3]。

機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，有時(shí)候是因?yàn)檠b置本身運(yùn)行而產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)，有時(shí)是由于流體流過(guò)換熱壁面而產(chǎn)生的誘導(dǎo)振動(dòng)。多年來(lái)，人們一直致力于研究如何有效地消除這樣的振動(dòng)，然而事實(shí)上，研究人員發(fā)現(xiàn)壁面振動(dòng)可以增加貼壁處流體的湍流度，減薄流動(dòng)邊界層和熱邊界層，從而有效地強(qiáng)化換熱[4]。大量的文獻(xiàn)研究也表明振動(dòng)可以強(qiáng)化換熱。

Lemlish等[5-6]的實(shí)驗(yàn)研究表明，在自然對(duì)流條件下，換熱管垂直振動(dòng)時(shí)，換熱系數(shù)可增大4倍，并且增大的幅度與振動(dòng)的頻率和振幅成正比。Lee等[7]實(shí)驗(yàn)研究了傳熱管振動(dòng)對(duì)臨界熱通量的影響，實(shí)驗(yàn)通過(guò)機(jī)械裝置使傳熱管沿介質(zhì)流動(dòng)方向垂直振動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，臨界熱通量隨管的振動(dòng)而增加，原因是傳熱管的振動(dòng)增加了管壁附面層的流體的湍流混合度，從而強(qiáng)化了換熱；一般情況下臨界熱通量隨振動(dòng)強(qiáng)度的增加而增加，而且在振動(dòng)參數(shù)方面，振幅的影響要大于頻率的影響。

吳宏等[8]實(shí)驗(yàn)研究了振動(dòng)對(duì)自然對(duì)流的換熱特性的影響，實(shí)驗(yàn)中采用電鈴諧振器作為振動(dòng)源，并采用紅外熱像儀對(duì)電加熱膜表面的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于靜止條件下，自然對(duì)流的換熱系數(shù)最大可提高90.7%，并且隨著振動(dòng)強(qiáng)度的增加，換熱系數(shù)的提高也越多；在一定的振動(dòng)能量下， 熱流密度越小，換熱強(qiáng)化效果越好。冷學(xué)禮等[9]設(shè)計(jì)了一套振動(dòng)管與靜止管的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)，研究了流體低速橫掠振動(dòng)圓管的傳熱特性，實(shí)驗(yàn)研究表明，流體流過(guò)振動(dòng)圓管時(shí)，換熱過(guò)程得到有效的強(qiáng)化，振幅和頻率均對(duì)傳熱有較大影響，在低振幅和低頻范圍內(nèi)，換熱的強(qiáng)化效果隨振幅和頻率的增加而增加。

上述文獻(xiàn)研究主要集中在化工領(lǐng)域，而且基本都是僅研究了振動(dòng)對(duì)于單個(gè)傳熱管的換熱特性的影響，而在制冷與空調(diào)領(lǐng)域這方面的研究則非常少，很少有研究振動(dòng)對(duì)整個(gè)機(jī)組的換熱特性的影響的。在本文中，建立了機(jī)械振動(dòng)強(qiáng)化吸收式制冷機(jī)傳熱性能的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，在吸收式制冷機(jī)的底部安裝了一個(gè)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，使機(jī)組在垂直方向上產(chǎn)生振動(dòng)，旨在研究機(jī)械振動(dòng)對(duì)于吸收式制冷機(jī)傳熱性能的強(qiáng)化效果。

1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法

1.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由吸收式制冷機(jī)組、電動(dòng)振動(dòng)及振動(dòng)控制系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、恒溫水循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)以及電加熱鍋爐等部分組成，具體的系統(tǒng)循環(huán)原理圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)循環(huán)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the cycle system

在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，吸收式制冷機(jī)組采用的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為溴化鋰溶液。其中，機(jī)組運(yùn)行需要的熱水由電加熱鍋爐提供；恒溫水循環(huán)系統(tǒng)由電加熱器、制冷機(jī)組、調(diào)節(jié)閥門(mén)、循環(huán)水泵、流量計(jì)、水位控制裝置、冷卻塔、冷凍水箱、冷卻水箱以及補(bǔ)水箱等組成，保證冷媒水和冷卻水的入口溫度保持恒定。數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)中溫度的采集是采用天津鼎拓公司生產(chǎn)的DT-W100鎧裝熱點(diǎn)阻，其測(cè)量精度為A級(jí)精度，允許偏差為±(0.15+0.002)|t|。流量均采用液體渦輪流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量，液體渦輪流量計(jì)選用天津鼎拓公司生產(chǎn)的LWGY液體渦輪流量計(jì)，其測(cè)量精度為0.5級(jí)精度。采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)傳感器傳送到MX100數(shù)據(jù)采集設(shè)備中，經(jīng)過(guò)處理后呈現(xiàn)在PC機(jī)上。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的外置振動(dòng)源為電動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)，選用的是蘇州東菱振動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的ES-50-445型電動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：ET-50-445電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)、DA-50開(kāi)關(guān)式功率放大器、Amber數(shù)字振動(dòng)控制儀、DL加速度傳感器、B-7000冷卻風(fēng)機(jī)和輔助支撐及空壓機(jī)。具體結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。其中，振動(dòng)臺(tái)是本系統(tǒng)的核心，其基本工作原理為：勵(lì)磁線圈在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)體內(nèi)建立磁場(chǎng)，勵(lì)磁線圈與直流電源相連，在環(huán)形氣隙里產(chǎn)生一個(gè)高磁通量。動(dòng)圈部件，包括臺(tái)面、骨架和驅(qū)動(dòng)線圈，懸掛在振動(dòng)臺(tái)的環(huán)形氣隙里。當(dāng)交流電通過(guò)驅(qū)動(dòng)線圈時(shí)，電磁力會(huì)在驅(qū)動(dòng)線圈的繞組上產(chǎn)生，使得臺(tái)面產(chǎn)生向上和向下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，臺(tái)面的移動(dòng)量取決于振動(dòng)控制儀發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的大小和頻率以及擴(kuò)展臺(tái)面的質(zhì)量、所加的負(fù)載質(zhì)量和臺(tái)面懸掛系統(tǒng)的剛度。Amber數(shù)字振動(dòng)控制儀為振動(dòng)臺(tái)體提供正弦、隨機(jī)、經(jīng)典沖擊、諧振搜索與駐留等輸出信號(hào)，并能對(duì)振幅、振動(dòng)頻率、加速度和速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和調(diào)節(jié)。

圖2　電動(dòng)振動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Principle and structure diagram of electrodynamic vibration system

1.2實(shí)驗(yàn)方法

開(kāi)機(jī)啟動(dòng)后，調(diào)節(jié)電加熱器和制冷機(jī)組，保證冷卻水和冷媒水入口溫度的恒定，待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)，系統(tǒng)至少穩(wěn)定運(yùn)行一小時(shí)后，啟動(dòng)電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，開(kāi)始振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并記錄振動(dòng)過(guò)程中的數(shù)據(jù)變化。每個(gè)振動(dòng)工況持續(xù)時(shí)間一小時(shí)，振動(dòng)停止后，待系統(tǒng)恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)，穩(wěn)定運(yùn)行一小時(shí)，再進(jìn)行下一個(gè)振動(dòng)工況實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中保證吸收器內(nèi)的溴化鋰溶液噴淋量恒定，冷卻水、冷水以及熱水的流量和入口溫度恒定，保證每個(gè)實(shí)驗(yàn)工況下的溶液噴淋量相同，冷卻水、冷水以及熱水的入口溫度相同。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要改變的參數(shù)主要是振動(dòng)頻率和振幅。

2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析

2.1振動(dòng)條件下吸收式制冷機(jī)某些參數(shù)的變化情況

圖3～圖5分別顯示了當(dāng)f=25 Hz,A=0.2 mm的振動(dòng)條件下吸收式制冷機(jī)某些參數(shù)的變化情況。在以下的圖中，時(shí)間t=60 min時(shí)開(kāi)始振動(dòng)。

圖3顯示了振動(dòng)對(duì)于吸收器內(nèi)冷卻水出口水溫變化的影響效果。從圖中可以看出，振動(dòng)開(kāi)始后，在冷卻水流量以及入口水溫恒定的條件下，出口水溫有所上升，冷卻水進(jìn)出口溫差增大，強(qiáng)化換熱效果明顯，換熱量提高7%左右。

圖4顯示了振動(dòng)對(duì)于吸收器內(nèi)溴化鋰溶液進(jìn)出口溫度變化的影響效果。從圖中可以看出，振動(dòng)開(kāi)始后，溶液進(jìn)出口溫差沒(méi)有明顯變化，但是溶液進(jìn)出口溫度都有一定的升高。從上面的分析結(jié)果可知，這主要是由于振動(dòng)強(qiáng)化了發(fā)生器內(nèi)的換熱，所以從發(fā)生器出來(lái)的溴化鋰濃溶液的溫度有一定的上升，從而導(dǎo)致吸收器入口濃溶液溫度的升高。由于吸收器內(nèi)進(jìn)行著復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)過(guò)程，且傳熱和傳質(zhì)是相互耦合的，所以振動(dòng)在強(qiáng)化傳熱的同時(shí)必然也會(huì)強(qiáng)化傳質(zhì)，而溴化鋰溶液在吸收水蒸氣的時(shí)候會(huì)放出大量的吸收熱，因此傳質(zhì)得到強(qiáng)化的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更多的吸收熱，所以在振動(dòng)條件下，雖然冷卻水的換熱量增大了，但是吸收器內(nèi)溶液進(jìn)出口溫差沒(méi)有明顯變化。

圖5顯示了振動(dòng)對(duì)于冷媒水出口水溫變化的影響效果。從圖中可以看出，振動(dòng)開(kāi)始以后，在冷媒水入口溫度和流量恒定的條件下，出口水溫有一定的降幅，進(jìn)出口溫差增大，制冷量增大。根據(jù)以上分析可知，這主要是由于振動(dòng)強(qiáng)化了吸收式制冷機(jī)各個(gè)換熱器的換熱效果，從而提升了制冷機(jī)整體的效率，使制冷量提高了大約10%。

圖3 振動(dòng)對(duì)于吸收器內(nèi)冷卻水出口水溫變化的影響Fig.3Effectofvibrationontheoutlettemperaturechangeofcoolingwaterinsidetheabsorber圖4 振動(dòng)對(duì)于吸收器內(nèi)溶液進(jìn)出口溫度變化的影響Fig.4Effectofvibrationontheimportandexporttemperaturechangeofsolutionintheabsorber圖5 振動(dòng)對(duì)于冷媒水出口水溫變化的影響Fig.5Effectofvibrationontheoutlettemperaturechangeofcoldwater

2.2傳熱系數(shù)隨振幅或頻率的變化情況

由于吸收式制冷機(jī)組當(dāng)中最重要的部件是吸收器，且吸收器內(nèi)部的換熱面積較大，所以在本文中，主要對(duì)吸收器內(nèi)部的換熱情況進(jìn)行分析，主要考察的是振動(dòng)對(duì)于傳熱系數(shù)的影響。傳熱系數(shù)通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算[10]：

其中，Δtm采用以下公式進(jìn)行計(jì)算[10]：

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，待系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定，開(kāi)始振動(dòng)實(shí)驗(yàn)，每個(gè)工況下振動(dòng)時(shí)間為一小時(shí)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每十秒鐘記錄一次數(shù)據(jù)，根據(jù)記錄的溫度值計(jì)算出每一時(shí)刻的傳熱系數(shù)，然后求出平均值，即為這一振動(dòng)工況下的平均傳熱系數(shù)。

圖6為振幅A=0.15 mm時(shí)，傳熱系數(shù)隨振動(dòng)頻率的變化情況，振動(dòng)頻率的變化范圍為080 Hz。圖中，振動(dòng)頻率為0的狀態(tài)點(diǎn)表示靜態(tài)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，18 Hz之前傳熱的增強(qiáng)效果不明顯，18 Hz之后，傳熱的增強(qiáng)效果顯著，且傳熱系數(shù)隨著振動(dòng)頻率的增加而增加，25 Hz時(shí)傳熱系數(shù)達(dá)到最大值，此工況下振動(dòng)對(duì)傳熱的強(qiáng)化效果最好。25 Hz之后傳熱系數(shù)有所下降，當(dāng)振動(dòng)頻率在3055 Hz以及65 Hz時(shí)，傳熱系數(shù)急劇下降，這時(shí)振動(dòng)產(chǎn)生了負(fù)效應(yīng)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的情況來(lái)看，這主要是由于在這兩個(gè)頻率段范圍內(nèi)機(jī)組上的部件以及溶液泵、冷劑泵等產(chǎn)生了共振，機(jī)組的真空度下降，致使吸收式制冷機(jī)偏離了穩(wěn)定運(yùn)行的狀態(tài)，致使傳熱惡化。65 Hz以后傳熱系數(shù)又隨著頻率的增加而呈現(xiàn)出明顯的遞增趨勢(shì)。由圖7可以看出，在25 Hz的情況下振動(dòng)對(duì)傳熱的強(qiáng)化效果最好，因此本文在頻率為25 Hz的工況下又研究了振幅對(duì)傳熱系數(shù)的影響效果。

圖7即為傳熱系數(shù)隨振幅的變化情況。圖中，振幅為0的狀態(tài)點(diǎn)表示靜態(tài)條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，振動(dòng)對(duì)傳熱的強(qiáng)化效果顯著，傳熱系數(shù)隨振幅的增加而增加；振幅在0.15 mm之前，傳熱系數(shù)隨振幅的增加急劇上升，在0.150.4 mm的范圍內(nèi)，隨著振幅的增加傳熱系數(shù)的增加趨勢(shì)不明顯，基本保持穩(wěn)定，與靜止條件下相比，換熱效果的強(qiáng)化程度在7%左右。

圖6　傳熱系數(shù)隨振動(dòng)頻率的變化情況Fig.6 Heat transfer coefficient changes with the vibration frequency

圖7　傳熱系數(shù)隨振幅的變化情況Fig.7 Heat transfer coefficient changes with the vibration amplitude

3結(jié)論

本文實(shí)驗(yàn)研究了機(jī)械振動(dòng)對(duì)于溴化鋰吸收式制冷機(jī)組傳熱性能的強(qiáng)化效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

(1) 機(jī)械振動(dòng)可以有效地強(qiáng)化溴化鋰吸收式制冷機(jī)的傳熱效果。通過(guò)對(duì)傳熱的強(qiáng)化，提高了制冷機(jī)的運(yùn)行效率，使制冷量提高了約10%。

(2) 在低頻振動(dòng)范圍內(nèi)，頻率越高，振幅越大，強(qiáng)化效果越明顯；但是當(dāng)振幅超過(guò)0.2 mm 之后，傳熱系數(shù)基本保持穩(wěn)定，隨著振幅的增加沒(méi)有明顯的增加趨勢(shì)。與靜止條件下相比，換熱效果的強(qiáng)化程度在7%左右。

(3) 在高頻(如60 Hz、80 Hz)低振幅的工況下，也有較好的強(qiáng)化傳熱的效果。強(qiáng)化效果在9%左右。

(4) 由于實(shí)驗(yàn)裝置本身的限制，個(gè)別頻率點(diǎn)機(jī)組產(chǎn)生共振，無(wú)法進(jìn)行正常的實(shí)驗(yàn)，不能得出更加普遍的規(guī)律性成果，所以在以后的工作中，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置做進(jìn)一步的改進(jìn)和完善，進(jìn)行更加深入的研究。

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基金項(xiàng)目：美國(guó)ASHRAE資助項(xiàng)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，碩士生，1987年10月生

中圖分類(lèi)號(hào):TB616;TB651

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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

郵箱：wjm19871020@163.com