溴化锂溶液热物理性及传质性能实验装置
解国珍，李代程，武　威，冯瑞军
（北京建筑工程学院环境与能源工程学院，北京 100044）

摘　要：介绍一套多功能溴化锂吸收式制冷实验装置的设计。通过设计的多功能模块，该装置可以进行传热功能实验、传质功能实验以及溴化锂溶液工程热物理特性研究实验。实验时可以任选装置内部不同功能模块组合进行不同目的的实验。实验装置能够提供高度稳定的温度和压力环境。经过优化设计，该装置具有操作灵活、运行方便、功能多样化、热工参数自动数字监测和控制等特点，可以为开发改良型Ｈ２Ｏ－ＬｉＢｒ溶液、研发新型吸收式制冷空调设备提供服务。

关键词：溴化锂溶液；热物性；传热传质；模块化

中图分类号：TB64　　文献标志码：A　文章编号：1002－4956（2011）12－0059-04

    由于传统的电力空调使用氟里昂制冷剂，因而对大气臭氧层具有一定的破坏作用，随着人类保护生态环境意识的增强，人们开始寻找氟里昂制冷剂的替代品。在高温工况下，溴化锂吸收式制冷机以溴化锂溶液作吸收剂，以水作制冷剂，利用水在高真空状态下蒸
发吸收热量达到制冷的目的。由于它具有节省能源、不污染环境、效率高、噪声低、一机多用、自动化程度高等诸多优点而被越来越多的用户所采用［１］。

    随着溴化锂吸收式制冷应用的扩大及研究的深入，各国科学工作者陆续开展了对溴化锂溶液热物性的研究及其传热传质特性的改善研究，部分成果已被广泛应用于空调制冷等行业。为了更好地研究溴化锂溶液的热物性和传质特性的改善，研发了具有更高制冷效率的溴化锂吸收式制冷机组，研制了溴化锂溶液热物理性及传质实验台。利用该实验台可以进行以下实验研究：溴化锂溶液热物性测试实验；溴化锂溶液传热性能实验研究；溴化锂溶液传质性能实验研究；添加剂对溴化锂溶液的影响实验研究，为溴化锂吸收式制冷系统的优化设计提供相关数据。

1 溴化锂溶液性能测试实验台系统设计

1.1实验台总体设计

    溴化锂溶液性能检测与实验装置［2-4］主要用来进行溴化锂溶液的工程热物理特性的研究，也是为了研究改善溴化锂溶液等制冷工质的传热、传质性能及其工程应用而设计、建造的技术平台。实验台具有功能多、性能齐全以及实验数据精度高的优点。溴化锂溶液性能测试实验台主要包括传质及传热多功能实验模块（模块1）、封闭式溶液系统温度和真空度测试和控制模块（模块2），以及溶液浓度和溶液质量测试和控制模块（模块3）［5］，其系统结构流程如图１所示。

图１　Ｈ２Ｏ－ＬｉＢｒ溶液性能实验台系统流程结构示意图
 

1.2各模块功能设计

1.2.1模块1技术功能

    模块1包括Ａ、Ｂ、Ｃ　3个子模块［6－7］，即：水平板式传热和换热实验模块（图1中Ａ），结构见图2；光管降膜传热和换热实验模块（图1中Ｂ），结构见图3；肋管降膜传热和换热实验模块（图1中Ｃ），结构见图3。

图2　水平式传热和换热实验模块结构示意图
 

图3　肋管洗管降膜传热和换热实验模块结构示意图
 

    3个子模块内部分别用隔板将吸收换热管束分隔为不同换热面积，通过开启和关闭各隔板间换热管束对应的喷淋阀门来改变换热面积；每个子模块与主系统管路均由真空隔膜阀门连接，阀门通过法兰与管路连接，法兰可以拆卸，从而可以更换更多的子模块；各子模块都有冷却水通过降膜管束或水平吸收板，进行换热试验；也可以关闭冷却水系统，进行传热传质分离的传质试验（溶液在进入吸收器前提前预冷，释放吸收热）；各子模块均可连接真空泵和水蒸气发生装置；配置压力及浓度数据采集系统，并连接压力传感器和浓
度分析仪，并连接计算机输出。

1.2.2模块2的技术功能

    模块2要保证模块1中在3种传质和换热实验条件下系统的真空度要求；保证模块１中在3种传质和换热实验条件下系统内工质（冷却水、水蒸气及溴化锂溶液）的温度自动测试；冷却水系统在温度过高时带走多余热量，起到保护作用；控制进入吸收器的溶液温
度；具有储存溶液的作用；整个模块中系统的真空度和液体温度可以达到较高的自控程度；配备温度自动数据采集和计算机处理系统。

1.2.3功能模块3的技术功能

    模块3可分解为如图４所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个子模块。

图4　模块3结构示意图
 

　　　　　
    子模块Ⅰ为吸收终了溶液桶，便于独立回收吸收终了的溶液并测量其浓度；模块Ⅱ为初始溶液桶，用于制备不同浓度的溴化锂溶液；模块Ⅲ为纯水容器，用于冷凝和收集子模块Ⅱ加热时发生出的水蒸气，同时还具有给子模块Ⅲ补水功能，可稀释子模块Ⅱ中溶液的
浓度。

    阀门的开闭关系如下：

    制备初始溶液：当Ⅱ中溶液初始浓度需要增大时，发生装置打开，阀门ａ、ｇ、ｉ关闭，阀门ｈ打开，同时与Ⅲ连接的冷水机组打开；当Ⅱ中溶液初始浓度需要减小时，阀门ａ、ｇ、ｈ关闭，阀门ｉ打开，Ⅲ中的纯水靠重力流入容器Ⅱ。实验过程中，阀门ｇ、ｈ、ｉ关闭，阀门ａ打开；实验结束后溶液回收时阀门ａ、ｈ、ｉ关闭，阀门ｇ打开。
功能模块３具备的技术功能：

（1）此装置为开式容器，在此处添加溶液；
（2）储存溴化锂溶液；
（3）添加溴化锂溶液的功能；
（4）通过加热和溶液补充装置可以控制进入系统的溶液浓度；
（5）保证模块１在３种传质和换热试验条件下系统循环溴化锂溶液的浓度的自动控制与测试；
（6）配置溶液浓度检测装置、数据采集系统和计算机处理系统。

2 实验台自动测控系统

2.1自动测控系统

    测控系统包括控制部分与测量部分［8－9］。控制部分需要4个控制参数：子模块Ⅱ的溶液浓度、模块２的溶液浓度、子模块１的溶液温度及模块2的溶液温度。测量部分需要测量溶液的温度、压力、电加热器的电性能、溶液密度等。微机测控系统由测量元件、ＰＩＤ调节器、驱动器、执行器、数据采集器、计算机等组成，如图5所示。

    （1）控制部分。计算机通过与ＰＩＤ调节器通信，将设定温度／密度送到调节器，调节器将其转化为电压值，并加在给定电压输入端上，由于Ｐｔ１００铂电阻的实测电压（代表实测温度值）加在调节器反馈输入端上，温度调节器根据给定的电压与实测电压的差值，按照ＰＩＤ规律调节调器的输出量，驱动器（调功器）根据来自ＰＩＤ调节器的控制量来控制加热器的实际输出量，实现温度的自动控制。其他参数的控制结构雷同。各电动设备（电动阀、冷水机组、电加热、溶液泵等）的开／停由ＰＬＣ（可编程控制器）自动控制。人机之间的联系通过可视性很强的计算机测试程序及触摸屏实现。

    （2）测量部分。测量元件连接到数据采集仪的输入端，数据采集仪巡回检测各输入端的电压值（代表实际测量值），并将电压值转换为相应参数的数字量后输送到计算机显示并储存。电加热器的功耗由带有计算机通信接口的多功能数字电功率测量仪测量。

2.2技术参数测量项目

2.2.1压力测量

    本实验台压力测量点共布置9个，选用芬兰维萨拉压力传感器ＰＴＢ１００，控制精度为0.01％。对于模块１，选用７只压力传感器分别测量平板吸收器、光管降膜吸收器和肋片管降膜吸收器的容器压力；对于模块2，采用１只压力传感器测量模块２内的溶液压力；对于模块３，采用１只压力传感器测量模块3内的溶液压力。

2.2.2温度测量

    本实验台温度测量点共布置10个，选用日本千野的Ｐｔ100温度计，控制精度为0.05℃。对于模块１，Ｐｔ100温度传感器5只，其中3只分别测量平板吸收器、光管降膜吸收器和肋片管降膜吸收器中溶液的温度，另２只分别测量进入模块１吸收器的冷却水的进、出口温度；对于模块２，Ｐｔ１００温度传感器２只，用于测量模块２容器内的溶液温度；对于模块３，Ｐｔ１００温度传感器２只，用于测量模块３容器内的溶液温度。

    本实验台备有若干个温度测点，备有Ｐｔ１００温度传感器１只以及Ｔ型热电偶若干，用于补测系统中可能需要额外测量的其他温度。

2.2.3溶液密度测量

    溶液密度测量选用冉控公司的密度传感器（ＲＫ０８０）２只，控制精度为０．０００　０２ｇ／ｃｍ３，１只用于测量模块１中３个子模块实验吸收终了的溶液密度，另１只用于测量模块３中的子模块Ⅱ中实验吸收初始溶液的密度。

2.2.4流量测量

    本实验台流量测量点共布置3个，１只流量传感６１解国珍，等：溴化锂溶液热物理性及传质性能实验装置器用于测量进入模块１中３个子模块的吸收溶液的流速或流量；１只流量传感器用于测量进入模块１中３个子模块的被吸收蒸气的流速或流量；１只流量传感器用于测量进入模块１或模块２中冷却水的流速或流量。

图５　实验台自动测控系统图
 

　　　
2.2.5加热功率测量

    本实验台电功率测量点共布置２个，１台功率计用于测量模块２中的电加热功率；另１台功率计用于测量模块３中的电加热功率。

3 结束语

    该实验装置采用模块化设计，结构合理、紧凑、功能强大、测试精度高、自动化监测能力强。通过实验台可以对各种溴化锂溶液热交换器的不同换热方式及不同的流动状态进行传质性能测试研究，并且结合多样化模块可更换设计，可非常方便地进行不同功能的转换使用，实现一机多用，节省研究成本。同时，先进的数据采集和控制手段使实验结果具有高度可靠性。本实验台还可以进行更深层次的教学与科研的实验研究。设计和加工的样机经测试完全满足设计标准和实验要求，得到数位行业专家的肯定与好评。预计投入使用后，将会在教学和科研中发挥重要作用，同时可以通过对外技术培训创造一定的直接经济效益［１０］。由于系统设计合理，控制灵活、先进，测量手段可靠，该实验台将成为溴化锂溶液性能研究的有力帮手。

参考文献

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［２］吴业正．小型制冷装置设计指导［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８．
［３］陈光明，陈国帮．制冷与低温原理［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社，２０００．
［４］吴业正．制冷及低温技术原理［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００４．
［５］申江，高文全，孙欢，等．传热传质分离的绝热吸收过程实验研究
［Ｊ］．低温与超导，２００９（９）：５５－５９．
［６］戴永庆，陆震．溴化锂吸收式制冷空调技术实用手册［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９９．
［７］杨世铭，陶文铨．传热学［Ｍ］．３版．北京：高等教育出版社，１９９９．
［８］黄素逸，周怀春．现代热物理测试技术［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００８．
［９］陈芝久．制冷装置自动化［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９８．
［１０］陆佩强，杨永安，姜春英．内复叠制冷系统实验装置的研制［Ｊ］．低温工程，２００８（３）：４５－４９．