溴化鋰溶液熱物理性及傳質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)裝置
解國珍，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。通過設(shè)計的多功能模塊，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，該裝置具有操作靈活、運(yùn)行方便、功能多樣化、熱工參數(shù)自動數(shù)字監(jiān)測和控制等特點(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：TB64 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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，各國科學(xué)工作者陸續(xù)開展了對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。利用該實(shí)驗(yàn)臺可以進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)研究：溴化鋰溶液熱物性測試實(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)計提供相關(guān)數(shù)據(jù)。
1 溴化鋰溶液性能測試實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)設(shè)計
1.1實(shí)驗(yàn)臺總體設(shè)計
溴化鋰溶液性能檢測與實(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、建造的技術(shù)平臺。實(shí)驗(yàn)臺具有功能多、性能齊全以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度高的優(yōu)點(diǎn)。溴化鋰溶液性能測試實(shí)驗(yàn)臺主要包括傳質(zhì)及傳熱多功能實(shí)驗(yàn)?zāi)K（模塊1）、封閉式溶液系統(tǒng)溫度和真空度測試和控制模塊（模塊2），以及溶液濃度和溶液質(zhì)量測試和控制模塊（模塊3）［5］，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)流程如圖１所示。
圖１ Ｈ２Ｏ－ＬｉＢｒ溶液性能實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)示意圖
1.2各模塊功能設(shè)計
1.2.1模塊1技術(shù)功能
模塊1包括Ａ、Ｂ、Ｃ 3個子模塊［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應(yīng)的噴淋閥門來改變換熱面積；每個子模塊與主系統(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）的溫度自動測試；冷卻水系統(tǒng)在溫度過高時帶走多余熱量，起到保護(hù)作用；控制進(jìn)入吸收器的溶液溫
度；具有儲存溶液的作用；整個模塊中系統(tǒng)的真空度和液體溫度可以達(dá)到較高的自控程度；配備溫度自動數(shù)據(jù)采集和計算機(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量其濃度；模塊Ⅱ?yàn)槌跏既芤和埃糜谥苽洳煌瑵舛鹊匿寤嚾芤海荒KⅢ為純水容器，用于冷凝和收集子模塊Ⅱ加熱時發(fā)生出的水蒸氣，同時還具有給子模塊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，發(fā)生裝置打開，閥門ａ、ｇ、ｉ關(guān)閉，閥門ｈ打開，同時與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，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控制與測試；
（6）配置溶液濃度檢測裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機(jī)處理系統(tǒng)。
2 實(shí)驗(yàn)臺自動測控系統(tǒng)
2.1自動測控系統(tǒng)
測控系統(tǒng)包括控制部分與測量部分［8－9］。控制部分需要4個控制參數(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。測量部分需要測量溶液的溫度、壓力、電加熱器的電性能、溶液密度等。微機(jī)測控系統(tǒng)由測量元件、ＰＩＤ調(diào)節(jié)器、驅(qū)動器、執(zhí)行器、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)等組成，如圖5所示。
（1）控制部分。計算機(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)測電壓（代表實(shí)測溫度值）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)溫度的自動控制。其他參數(shù)的控制結(jié)構(gòu)雷同。各電動設(shè)備（電動閥、冷水機(jī)組、電加熱、溶液泵等）的開／停由ＰＬＣ（可編程控制器）自動控制。人機(jī)之間的聯(lián)系通過可視性很強(qiáng)的計算機(jī)測試程序及觸摸屏實(shí)現(xiàn)。
（2）測量部分。測量元件連接到數(shù)據(jù)采集儀的輸入端，數(shù)據(jù)采集儀巡回檢測各輸入端的電壓值（代表實(shí)際測量值），并將電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)參數(shù)的數(shù)字量后輸送到計算機(jī)顯示并儲存。電加熱器的功耗由帶有計算機(jī)通信接口的多功能數(shù)字電功率測量儀測量。
2.2技術(shù)參數(shù)測量項(xiàng)目
2.2.1壓力測量
本實(shí)驗(yàn)臺壓力測量點(diǎn)共布置9個，選用芬蘭維薩拉壓力傳感器ＰＴＢ１００，控制精度為0.01％。對于模塊１，選用７只壓力傳感器分別測量平板吸收器、光管降膜吸收器和肋片管降膜吸收器的容器壓力；對于模塊2，采用１只壓力傳感器測量模塊２內(nèi)的溶液壓力；對于模塊３，采用１只壓力傳感器測量模塊3內(nèi)的溶液壓力。
2.2.2溫度測量
本實(shí)驗(yàn)臺溫度測量點(diǎn)共布置10個，選用日本千野的Ｐｔ100溫度計，控制精度為0.05℃。對于模塊１，Ｐｔ100溫度傳感器5只，其中3只分別測量平板吸收器、光管降膜吸收器和肋片管降膜吸收器中溶液的溫度，另２只分別測量進(jìn)入模塊１吸收器的冷卻水的進(jìn)、出口溫度；對于模塊２，Ｐｔ１００溫度傳感器２只，用于測量模塊２容器內(nèi)的溶液溫度；對于模塊３，Ｐｔ１００溫度傳感器２只，用于測量模塊３容器內(nèi)的溶液溫度。
本實(shí)驗(yàn)臺備有若干個溫度測點(diǎn)，備有Ｐｔ１００溫度傳感器１只以及Ｔ型熱電偶若干，用于補(bǔ)測系統(tǒng)中可能需要額外測量的其他溫度。
2.2.3溶液密度測量
溶液密度測量選用冉控公司的密度傳感器（ＲＫ０８０）２只，控制精度為０．０００ ０２ｇ／ｃｍ３，１只用于測量模塊１中３個子模塊實(shí)驗(yàn)吸收終了的溶液密度，另１只用于測量模塊３中的子模塊Ⅱ中實(shí)驗(yàn)吸收初始溶液的密度。
2.2.4流量測量
本實(shí)驗(yàn)臺流量測量點(diǎn)共布置3個，１只流量傳感６１解國珍，等：溴化鋰溶液熱物理性及傳質(zhì)性能實(shí)驗(yàn)裝置器用于測量進(jìn)入模塊１中３個子模塊的吸收溶液的流速或流量；１只流量傳感器用于測量進(jìn)入模塊１中３個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)臺自動測控系統(tǒng)圖
2.2.5加熱功率測量
本實(shí)驗(yàn)臺電功率測量點(diǎn)共布置２個，１臺功率計用于測量模塊２中的電加熱功率；另１臺功率計用于測量模塊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，結(jié)構(gòu)合理、緊湊、功能強(qiáng)大、測試精度高、自動化監(jiān)測能力強(qiáng)。通過實(shí)驗(yàn)臺可以對各種溴化鋰溶液熱交換器的不同換熱方式及不同的流動狀態(tài)進(jìn)行傳質(zhì)性能測試研究，并且結(jié)合多樣化模塊可更換設(shè)計，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，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)計和加工的樣機(jī)經(jīng)測試完全滿足設(shè)計標(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。預(yù)計投入使用后，將會在教學(xué)和科研中發(fā)揮重要作用，同時可以通過對外技術(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)計合理，控制靈活、先進(jìn)，測量手段可靠，該實(shí)驗(yàn)臺將成為溴化鋰溶液性能研究的有力幫手。
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