吳?曦，劉嘉威，蔣孟男，徐士鳴，王?偉

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振動參數(shù)對豎直管內(nèi)R124/DMAC工質(zhì)鼓泡吸收特性的影響

吳?曦，劉嘉威，蔣孟男，徐士鳴，王?偉

(大連理工大學(xué)能源與動力學(xué)院海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，大連 116024)

為配合車載余熱吸收式制冷系統(tǒng)新型工質(zhì)的研發(fā)，設(shè)計建立了一套振動狀態(tài)下可視化豎直管內(nèi)工質(zhì)鼓泡吸收特性實(shí)驗臺，研究了R124(一氯四氟乙烷)/DMAC(二甲基乙酰胺)工質(zhì)鼓泡吸收過程流型演化特性，探索了吸收高度與振動參數(shù)(振幅和頻率)之間的聯(lián)系．結(jié)果表明：相對于靜止?fàn)顟B(tài)，振動狀態(tài)下鼓泡管內(nèi)的兩相流流型更為復(fù)雜，致使吸收高度的標(biāo)準(zhǔn)差增加，而且振動會使制冷劑氣泡分布的均勻性變差，導(dǎo)致吸收過程中氣泡間的融合更加頻繁；在一定范圍內(nèi)，振動頻率和振動幅度的增加均會使吸收高度呈現(xiàn)增加趨勢，但當(dāng)振動頻率為25,Hz時，會在振幅適中(≤0.47,mm時)情況下，產(chǎn)生降低吸收高度的效果．

制冷劑；吸收劑；兩相流；氣泡；吸收；振動

截至2017年底，我國機(jī)動車保有量已達(dá)3.1×108輛．機(jī)動車發(fā)動機(jī)所消耗的燃料有55%～70%(柴油機(jī))或70%,～80%,(汽油機(jī))被以廢熱形式排向環(huán)境[1]．基于吸收式制冷技術(shù)原理對車輛動力系統(tǒng)的排煙余熱進(jìn)行梯級利用，以驅(qū)動車載空調(diào)、冷藏集裝箱等系統(tǒng)，既可降低熱污染、提高能效，又能滿足用戶多層次的冷量需求[2-3]．新一代高效車載吸收式制冷循環(huán)系統(tǒng)的核心問題是發(fā)展新型緊湊風(fēng)冷式鼓泡吸收器及系統(tǒng)匹配工質(zhì)．

使用鼓泡吸收器而不是常規(guī)的降膜吸收器有其必要性．以貨車為例，行駛中車身非簧載質(zhì)量及簧載質(zhì)量的固有頻率分別可達(dá)10～13,Hz及1～4,Hz[4]，而在車輛起步和換擋后聳車時車輛抖動頻率更可達(dá)20,Hz[5]．對于高速貨車，還需要研究20,Hz以上的振動狀態(tài)以滿足實(shí)際需求[4]．鼓泡吸收過程中制冷劑與吸收劑充分接觸，能夠適用于搖擺、振動、傾斜或急加或減速等工況[6-8]．

目前鼓泡吸收式制冷系統(tǒng)工質(zhì)主要為氨-水．Kim等[6]以實(shí)驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式研究了垂直管內(nèi)氨-水鼓泡吸收過程，建立各項入口參數(shù)與吸收高度的關(guān)系．Kang等[7]以氨-水為工質(zhì)對比研究了降膜吸收與平板式鼓泡吸收性能差異，發(fā)現(xiàn)鼓泡吸收模式下?lián)Q熱器尺寸可縮減48.7%,．Castro等[8]基于空冷翅片管式吸收器的研究結(jié)果也證實(shí)氨-水工質(zhì)在鼓泡式吸收模式下性能更優(yōu)，特別是在低溶液流率時更是如此．對于車載制冷系統(tǒng)，使用氟氯烴或氫氟氯烴等有機(jī)制冷劑代替氨，具有更好的安全性和用能經(jīng)濟(jì)性．國外已有文獻(xiàn)報道了R22/DMF[9]、R134a/DMF[10]、R134a/DMAC[11]等有機(jī)工質(zhì)在豎直管內(nèi)的鼓泡吸收熱、質(zhì)傳遞過程特性．本課題組則已對準(zhǔn)靜止?fàn)顟B(tài)下，R124 /DMAC工質(zhì)豎直管內(nèi)的鼓泡吸收過程特性與熱、質(zhì)耦合機(jī)理展開了系列的理論與實(shí)驗探索[12-16]．

在非穩(wěn)態(tài)吸收式制冷技術(shù)研究方面，高洪濤等[17]模擬船舶實(shí)況，進(jìn)行了降膜吸收在搖擺條件下的數(shù)值建模和性能分析，發(fā)現(xiàn)大周期搖擺利于降膜吸收過程，小周期搖擺對吸收過程不利．申江等[18]基于降膜式溴化鋰吸收制冷機(jī)組的研究發(fā)現(xiàn)，振幅在0.4,mm以下時，最優(yōu)振幅在20～30,Hz之間，此時機(jī)組的吸收效果隨振動幅度的增加會首先被強(qiáng)化、然后被惡化．本文實(shí)驗研究了管內(nèi)R124/DMAC工質(zhì)鼓泡吸收過程流型演化特性，探索了吸收高度與振動參數(shù)(振幅/頻率)間的聯(lián)系．

1?實(shí)驗原理與流程

可視化豎直管內(nèi)鼓泡吸收振動實(shí)驗平臺如圖1所示．實(shí)驗所用制冷劑R124純度99.5%,(浙江中龍)，DMAC分析純(天津大茂)．鼓泡吸收管為同心套管結(jié)構(gòu)，材質(zhì)石英玻璃，內(nèi)管有效長度650,mm，內(nèi)徑14,mm，壁厚3,mm．氣態(tài)制冷劑和吸收溶液均由內(nèi)管底部進(jìn)入，一起向上流動，吸收反應(yīng)后形成的溶液再從吸收管頂出口流出．冷卻水在內(nèi)、外管之間的環(huán)形通道中自上而下流動，帶走工質(zhì)吸收反應(yīng)熱．

實(shí)驗時首先將預(yù)先配置好的稀溶液經(jīng)氣相色譜儀檢測確定濃度后，儲存于稀溶液罐中，然后啟動溶液泵、打開溶液溫度調(diào)控系統(tǒng)，使得定溫、定流量、定濃度的稀溶液流經(jīng)吸收管進(jìn)入濃溶液罐．待系統(tǒng)中溶液流量穩(wěn)定并達(dá)到實(shí)驗要求溫度后，打開溶液流量調(diào)節(jié)閥，開啟制冷劑進(jìn)入通道，聯(lián)合調(diào)節(jié)氣體流量與溶液壓力．

圖1?可視化豎直管內(nèi)鼓泡吸收振動實(shí)驗平臺

振動臺安裝于吸收管正下方，開啟振動臺，將振幅和頻率調(diào)節(jié)至實(shí)驗需求值后開始實(shí)驗．待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，使用攝影機(jī)記錄吸收反應(yīng)過程并保存，待后續(xù)分析．隨著實(shí)驗的進(jìn)行，稀溶液罐中的稀溶液逐漸不足，停止本輪實(shí)驗．取出濃溶液，重新配置稀溶液并更換待測溶液．重復(fù)上述實(shí)驗，直至完成．實(shí)驗參數(shù)設(shè)置如表1所示．

表1?實(shí)驗參數(shù)設(shè)置

Tab.1?Set-up of test parameters

2?儀器精度與結(jié)果處理方法

2.1?實(shí)驗器材選用與精度

實(shí)驗所用主要儀器規(guī)格如表2所示．

表2?主要儀器規(guī)格

Tab.2?Specifications of main instruments

2.2?實(shí)驗結(jié)果處理方法

此為振動狀態(tài)與靜止?fàn)顟B(tài)下的對比實(shí)驗，振幅設(shè)定值分別為0.15,mm、0.30,mm、0.60,mm、0.90,mm、1.00,mm；頻率設(shè)定值分別為15,Hz、20,Hz、25,Hz．除靜止?fàn)顟B(tài)外共計15種工況，每種工況測試3次．

首先使用式(1)對進(jìn)行(0，1)標(biāo)準(zhǔn)化．

?(1)

用式(2)對H進(jìn)行處理，可得到一組數(shù)據(jù)．

?(2)

?(3)

通過實(shí)驗獲得的影像資料，可以觀察到振動狀態(tài)下的流型演化特性；同時結(jié)合實(shí)驗數(shù)據(jù)，能夠分析出振動(振幅和頻率)對工質(zhì)吸收過程的影響．

3?實(shí)驗結(jié)果與機(jī)理分析

3.1?振動對吸收過程兩相流流型演化的影響

1)影響1

氣體在管內(nèi)被溶液吸收時，其氣液兩相流可分為3個階段：噴嘴口附近的攪拌流、吸收后段氣泡相互獨(dú)立的泡狀流以及攪拌流與泡狀流之間的彈狀流.振動會使攪拌流區(qū)域所占比例增加，以振幅1.00,mm、頻率15,Hz的振動狀態(tài)下圖像(圖2)為例，可明顯看到振動、靜止兩種體系狀態(tài)下的流型分布差異．

圖2?振動對攪拌流高度的影響(1.00,mm，15,Hz)

2)影響2

氣體在吸收管內(nèi)上升過程中，常有氣泡間相融合現(xiàn)象發(fā)生．相鄰氣泡若均為大氣泡則上升速度相近，不容易發(fā)生接觸融合，會有等速上升的效果；若均為小氣泡則會由于表面能過大不易融合，發(fā)生氣泡互相糾纏共同上升的現(xiàn)象．因而事實(shí)上氣泡融合多發(fā)生于2個或多個體積相差較大的氣泡之間．振動導(dǎo)致了噴嘴口出氣不穩(wěn)定，氣泡體積分布的均勻性變差，融合更加頻繁．

3.2?振幅對吸收高度變化的影響

吸收高度是鼓泡吸收器吸收性能的直觀體現(xiàn)量，吸收高度的數(shù)值與鼓泡吸收器的吸收能力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，即吸收器的吸收能力越好則吸收高度值就越小．圖3給出了不同振動狀態(tài)下吸收高度相對于靜止?fàn)顟B(tài)時的變化規(guī)律．實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，在振動頻率15,Hz時，體系振動幅度的增加(0.15～1.00,mm)會導(dǎo)致吸收高度隨之增加，而且這種增加趨勢是線性的．但在頻率25,Hz時，現(xiàn)象迥異，吸收高度變化率隨振幅的增大呈現(xiàn)二次拋物線特征．從初始振幅0.15,mm開始，隨著振幅的增加，吸收高度會逐漸降低，此時振動使得吸收過程得到強(qiáng)化，并在振幅0.50,mm附近時，達(dá)到極值．之后又隨著振幅的增加，吸收高度逐漸增大，最終超過靜止?fàn)顟B(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)吸收高度．而在頻率20,Hz時，則是二者關(guān)系處于由線性關(guān)系向二次曲線關(guān)系的過渡階段．根據(jù)相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果，此時用線性擬合相對恰當(dāng)些．

圖3?振幅對吸收高度的影響

在本文的實(shí)驗條件下，一方面，振幅增大所帶來的影響主要在于加劇了氣泡產(chǎn)生的不穩(wěn)定性和無序性，這會影響吸收效率，對吸收高度的影響特別顯著；另外振幅的增大會在一定程度上促進(jìn)溶液出、入口附近局部雷諾數(shù)的增加，從而增大湍流度；而另一方面，振動頻率的增加會強(qiáng)化分子的運(yùn)動，使得鼓泡管內(nèi)氣體分子與氣體分子間、氣體分子與溶液分子間的碰撞概率和碰撞強(qiáng)度增加，從而加速融合、促進(jìn)吸收過程．另外，高頻率振動條件下，相界面膜厚度會顯著減小，促進(jìn)質(zhì)傳遞，有利于溶液對氣泡的吸收．于是，在振幅、頻率的耦合作用下，得到了如圖3所示的規(guī)律．低頻振動時，振幅增大所引起的氣泡產(chǎn)生的不穩(wěn)定性和無序性是吸收過程的主導(dǎo)影響因素，此時吸收高度隨增幅的增大呈線性增大規(guī)律；而高頻振動時，當(dāng)振幅較小情況下，頻率增加引起的吸收強(qiáng)化起主導(dǎo)作用，使得吸收高度得以縮短；但隨著振幅的進(jìn)一步增加，二者的主導(dǎo)關(guān)系逐漸開始轉(zhuǎn)換．最終，在大振幅條件下，吸收高度逐漸增大．

3.3?振動頻率對吸收高度變化的影響

圖4所示為5種振幅條件下，當(dāng)振動頻率逐漸變化時其吸收高度相對于靜止?fàn)顟B(tài)時的變化規(guī)律．當(dāng)振幅為1.00,mm時，由于系統(tǒng)顛簸劇烈，進(jìn)氣口制冷劑流率非穩(wěn)態(tài)性嚴(yán)重，吸收高度會急劇直線上升，吸收效果嚴(yán)重惡化．而當(dāng)振幅在1.00,mm以內(nèi)時，振動頻率從20,Hz增至25,Hz時，吸收高度都有下降趨勢．結(jié)合前述吸收高度隨振幅變化的規(guī)律可知，隨著振動頻率的增加，吸收高度將會先降低(小振幅時)再增高(大振幅時)．根據(jù)實(shí)驗數(shù)據(jù)所擬合出的極值點(diǎn)為振幅0.47,mm，振動頻率25,Hz，吸收高度對應(yīng)縮小10.3%,．而在20,Hz以內(nèi)，振幅的增加會持續(xù)削弱吸收器的吸收能力．

圖4?振動頻率對吸收高度的影響

3.4?振動對吸收穩(wěn)定性的影響

圖5示出了振動頻率為15,Hz時振動狀態(tài)與靜止?fàn)顟B(tài)下氣泡吸收高度分布標(biāo)準(zhǔn)差的對比．

圖5?振動對吸收高度分布標(biāo)準(zhǔn)差的影響(15,Hz)

從圖5可以看出，無論振動狀態(tài)還是靜止?fàn)顟B(tài)，氣泡吸收高度分布標(biāo)準(zhǔn)差隨振幅增大的變化趨勢是相對一致的，都可用下開口拋物線來擬合，且均在振幅0.7,mm附近出現(xiàn)極大值．對比兩種工況下的實(shí)驗結(jié)果可以看到，振動狀態(tài)下吸收高度分布標(biāo)準(zhǔn)差大于靜止?fàn)顟B(tài)下吸收高度分布標(biāo)準(zhǔn)差，即振動會導(dǎo)致氣泡吸收高度分布標(biāo)準(zhǔn)差增加，說明振動會增加吸收高度的不穩(wěn)定性．除了在振動頻率15,Hz外，在振動頻率20,Hz及25,Hz工況下，也都發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律．這可能是由于振動會使得由噴嘴孔口迅速逸出的氣泡尺寸嚴(yán)重不均勻、反應(yīng)管進(jìn)出口處湍流度較大以及振動狀態(tài)下氣泡被吸收后的再逸出等原因所導(dǎo)致的．

圖6?吸收高度分布標(biāo)準(zhǔn)差相對變化量

由圖6可見，標(biāo)準(zhǔn)化后靜止?fàn)顟B(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)差為1，而在振動頻率為15,Hz時，振幅由0.15,mm逐漸增大到1.00,mm工況下，標(biāo)準(zhǔn)差相對變化量平均值為27%,；當(dāng)振動頻率增大到20,Hz時，其值為17%,．全部實(shí)驗數(shù)據(jù)中，因振動引起的氣泡吸收高度分布標(biāo)準(zhǔn)差的相對變化量平均值為22%,．標(biāo)準(zhǔn)差的增加會導(dǎo)致單個氣泡吸收高度最大值的增加，為此需要更長的吸收管以保證制冷劑氣泡能夠被充分吸收.

4?結(jié)?論

設(shè)計建立了一套振動狀態(tài)下可視化豎直管內(nèi)工質(zhì)鼓泡吸收特性實(shí)驗平臺，研究了R124/DMAC工質(zhì)管內(nèi)鼓泡吸收過程流型演化特性，探索了吸收高度與振幅和頻率之間的聯(lián)系，得到以下結(jié)論．

(1) 體系振動時，鼓泡吸收管內(nèi)氣體入口附近的流形更加復(fù)雜，所生成氣泡的尺寸嚴(yán)重不均勻，觀察到了氣泡融合更加頻繁的現(xiàn)象．

(2) 當(dāng)振動頻率處于15,Hz時，隨著振動幅度的增加，吸收高度會有明顯線性上升趨勢，即吸收效果被弱化．當(dāng)振動頻率處于25,Hz時，隨著振動幅度的增加，吸收高度會先下降后增加，呈拋物線特征．在振動頻率25,Hz、振幅0.47,mm時出現(xiàn)極值，此時吸收高度最小，比靜止?fàn)顟B(tài)下縮減10.3%,．

(3) 無論吸收高度怎樣變化，振動必然會導(dǎo)致氣泡吸收高度分布標(biāo)準(zhǔn)差增加，即振動會使吸收性能不穩(wěn)定性增加．本實(shí)驗因振動引起的氣泡吸收高度分布標(biāo)準(zhǔn)差的相對變化量平均值為22%,．

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(責(zé)任編輯：金順愛)

Effect of Vibration Parameters on the Bubble Absorption Characteristics of Working Fluids R124/DMAC in a Vertical Tube

Wu Xi，Liu Jiawei，Jiang Mengnan，Xu Shiming，Wang Wei

(Key Laboratory of Ocean Energy Utilization and Energy Conservation of Ministry of Education，School of Energy and Power Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China)

As a part of the project of developing new working fluids for the absorption refrigeration system driven by the exhausting heat of vehicle engine，a vibratile experimental rig was newly built to test the bubble absorption characteristics of working fluids in a visual vertical tube．R124(2-chloro-1，1，1，2-tetrafluoroethane)/DMAC(N'，N'-dimethylacetamide)taken as the working fluids，the two-phase flow pattern evolvement characteristic and the relationship between absorption height and vibration parameters(amplitude and frequency)were studied in the bubble absorption process．The results show that the two-phase flow patterns of working fluids R124/DMAC in vibration state become more complicated compared with those in normal stationary state，leading to an increase of the standard deviation of absorption height．Besides，the distributional homogeneity of the gaseous refrigerant bubbles becomes worse，thus leading to the quantitative increase of colliding and merging of bubbles．With the increase of the vibration amplitude and frequency of the system within a certain range，the absorption height shows an upward trend．When the frequency is 25,Hz and the amplitude is smaller than 0.47,mm，the bubble absorption heights can be reduced.

refrigerant；absorbent；two phase flow；bubble；absorption；vibration

TB612

A

0493-2137(2018)10-1050-06

10.11784/tdxbz201802008

2018-02-05；

2018-03-26.

吳 曦（1986— ），男，博士，講師，碩士生導(dǎo)師.

吳 曦，xiwu@dlut.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51606024)；中國博士后科學(xué)基金資助項目(2016M591427)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項目 (DUT17JC31)．

the National Natural Science Foundation of China(No.,51606024)，the China Postdoctoral Science Foundation (No.,2016M591427)and the Fundamental Research Funds for Central Universities of China(No.,DUT17JC31).