宋新南，耿亞峰，許冠杰，王穎澤

(江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

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添加劑濃度對溴化鋰溶液池核沸騰換熱的影響

宋新南，耿亞峰，許冠杰，王穎澤

(江蘇大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

以Triton X-100為添加劑，研究了添加劑濃度對質量分數(shù)分別為10%、20%和30%的溴化鋰溶液池核沸騰換熱的影響。測量結果表明：該添加劑能顯著降低溴化鋰溶液的表面張力。受鹽析效應的影響，溴化鋰質量分數(shù)越高，添加劑的臨界膠束濃度(CMC)越低。該添加劑可以強化溴化鋰溶液的沸騰換熱，最佳強化換熱點約在CMC處。隨著溴化鋰質量分數(shù)的提升，強化換熱效果逐漸減弱。該添加劑對溶液沸騰溫度的影響比較小。

添加劑；溴化鋰溶液；表面張力；池核沸騰

0　引言

溴化鋰(LiBr)溶液具有強烈的吸水性，被廣泛應用于吸收式制冷領域。溴化鋰吸收式制冷機以水為制冷劑，對環(huán)境無污染，且可使用低品位熱源驅動，在節(jié)能和環(huán)保方面具有重大利用潛力[1-2]。但該機組有真空度要求高、溶液易結晶和換熱系數(shù)較低等問題，因此，有必要深入了解LiBr溶液沸騰換熱特性。

文獻[3]認為當表面活性劑加入鹽溶液中，一部分溶于溶液中；另一部分由于受到溴離子和鋰離子分別與水分子結合而形成的水合作用力的排擠，轉移到氣液界面且在此富集，并以此為根據(jù)提出了鹽析效應模型，為表面活性劑強化沸騰換熱機理提供了理論依據(jù)。文獻[4]研究了多種鹽溶液的核態(tài)沸騰換熱特性，發(fā)現(xiàn)質量分數(shù)對溶液的換熱系數(shù)有較大影響。文獻[5]從加熱面特征出發(fā)，研究了不同加熱面對質量分數(shù)為50%的LiBr溶液沸騰換熱的影響。文獻[6]從表面張力出發(fā)，系統(tǒng)研究了常壓下質量分數(shù)分別為40%、45%和50%LiBr溶液的沸騰換熱特性，認為表面張力是影響LiBr溶液沸騰換熱的重要因素。

文獻[7]以納米氧化鋁(Al2O3)為添加劑，研究了固體添加劑對質量分數(shù)分別為3%、7%和10%的LiBr溶液沸騰換熱的影響。在液體添加劑方面，文獻[8]認為表面活性劑的添加使溶液沸騰時氣泡的脫離直徑變小，頻率變快。熱重試驗和溶液熱穩(wěn)定性試驗表明：在200 ℃以下，聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)是一種熱穩(wěn)定性較好的添加劑。此外，表面活性劑強化池內核態(tài)沸騰換熱的最佳濃度為臨界膠束濃度(critical micelle concentration，CMC)。但是，鹽溶液的沸騰換熱受溶液物理化學性質、加熱表面特征和加熱方式等諸多因素的綜合影響，機理較為復雜，至今對其的認識還停留在經(jīng)驗公式上，需要大量數(shù)據(jù)來完善。雖然多數(shù)學者認為鹽溶液的沸騰換熱與純水相差不大，但事實證明兩者的差距較為明顯[3]。

以上研究主要集中在LiBr質量分數(shù)為10%以下和40%以上，對10%～30%的LiBr溶液缺乏研究。因此，本文選取質量分數(shù)分別為10%、20%和30%的LiBr溶液，通過加入Triton X-100，測量其表面張力的變化，并在此基礎上研究了常壓下LiBr溶液的沸騰換熱規(guī)律。

1　試驗設計

試驗裝置主要由沸騰容器、冷凝系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。沸騰容器由鋼化玻璃圓桶制成，上部接一通氣管，穿越頂部的表面式冷凝器，并與大氣相通，以維持常壓。冷凝器將沸騰時產(chǎn)生的蒸汽冷凝回流，以保持溶液濃度穩(wěn)定。加熱系統(tǒng)由長120 mm、直徑30 mm的紫銅柱制作而成，電加熱圈纏繞在其下部，其間鋪設0.2 mm厚的固態(tài)硅脂墊增強導熱，并絕緣。紫銅柱上端面作為加熱面，側面開有4個直徑為2 mm的孔，并插入精度為±0.1 ℃的K型鎧裝熱電偶至銅柱中心線上，用于測量溫度以計算加熱面的溫度和熱流密度。紫桐柱截面如圖2所示。試驗測得加熱表面中心和邊緣熱流密度的誤差小于8%，數(shù)據(jù)采集器為TC1008型多路溫度測量儀，整個加熱系統(tǒng)采用硅酸鋁纖維嚴格保溫。

圖1試驗裝置示意圖圖2紫銅柱截面圖

試驗選用的添加劑為Triton X-100，溶質選用LiBr·H2O(分析純)，以上試劑均購自國藥集團化學試劑有限公司。

LiBr溶液質量分數(shù)為：

(1)

其中：w為LiBr溶液質量分數(shù)，%；m1為一水合溴化鋰的質量，g；m2為去離子水的質量，g。

LiBr溶液的表面張力選用JYW-200B型微控自動界面張力儀測定，該儀器采用的是杜諾氏環(huán)法測量原理[9]，精度為0.1 mN/m。在(25.0±0.5) ℃條件下，每組樣品均測3次，最后取平均值。

通過對紫銅柱上各測點溫度的擬合可以得出紫銅柱上溫度分布，擬合函數(shù)為二次函數(shù)：

T=Ax2+Bx+C，

(2)

其中：T為紫銅柱溫度，℃；x為測點位置，m；A、B、C為常數(shù)。

令x=0，可得出加熱壁面(紫銅柱上端面)溫度。

熱流密度：

(3)

其中：q為熱流密度，kW/m2；λ為紫銅導熱系數(shù)λ=401 W/mK。

換熱系數(shù)：

(4)

其中：h為換熱系數(shù)，kW/m2K;Tw為加熱壁面溫度，℃；Tsat為溶液沸騰溫度，℃。

根據(jù)文獻[10]的誤差傳遞分析方法，可得試驗工況下沸騰換熱系數(shù)相對誤差均小于10%。

2　結果與討論

2.1表面張力

表面張力是影響沸騰的重要因素。在分析鹽溶液沸騰換熱時，可通過加入表面活性劑來改變溶液的表面張力，并以此為基礎研究表面張力對沸騰換熱的影響[11]。這是因為表面活性劑能夠降低溶液表面張力，影響溶液沸騰時氣泡的生成、脫離和破裂，從而影響溶液的沸騰換熱[12]。

圖3　25 ℃ LiBr溶液表面張力與Triton X-100質量濃度的關系

圖3為25 ℃下加入Triton X-100后LiBr溶液表面張力的測量結果。由圖3可以發(fā)現(xiàn)：微量的Triton X-100即可顯著降低LiBr溶液的表面張力。在Triton X-100質量濃度較低時，一定質量分數(shù)LiBr水溶液的表面張力隨著Triton X-100質量濃度的增加而迅速下降，且下降趨勢逐漸放緩，并在Triton X-100質量濃度大于一定值后達到一個穩(wěn)定值。此時Triton X-100的質量濃度即為對應LiBr溶液的CMC。本試驗測得在LiBr溶液質量分數(shù)為0%，即純水時測出的添加劑臨界膠束濃度為180 mg/L，該值與文獻[9]所給出的數(shù)值基本一致(同溫度，同測量原理)。當LiBr溶液質量分數(shù)分別為10%、20%和30%時，對應的Triton X-100 CMC分別為140 mg/L、100 mg/L和80 mg/L。

此外，從圖3中還可以發(fā)現(xiàn)：添加微量Triton X-100后，30%LiBr溶液表面張力的下降幅度最大，20%LiBr溶液次之，10%LiBr溶液的下降幅度最小。該現(xiàn)象與文獻[3]提出的鹽析效應基本一致，由于溴離子和鋰離子與水分子的結合，造成溶液中部分表面活性劑分子受到排擠在表面富集，致使表面張力降低。LiBr質量分數(shù)越高，Triton X-100分子受到的排擠作用越強，即鹽析效應越明顯，表面富集量越大，表面張力的下降幅度也相應增大，由此導致該現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4　LiBr溶液的過熱度曲線

2.2沸騰換熱

圖4為在不同質量濃度的Triton X-100作用下，LiBr溶液的過熱度(q-△T)曲線。由圖4可以看出：隨著Triton X-100質量濃度的逐漸提高，LiBr溶液的沸騰曲線逐漸向左移動，沸騰所需的過熱度逐漸降低，呈現(xiàn)沸騰換熱逐漸強化的趨勢，直至Triton X-100質量濃度達到CMC附近。當繼續(xù)提高Triton X-100質量濃度時，溶液的沸騰換熱曲線卻又向右移動，反而呈現(xiàn)沸騰換熱弱化的趨勢。由此可見，盡管在LiBr溶液中添加Triton X-100可以強化沸騰換熱，但當Triton X-100質量濃度高于或低于CMC時，換熱效果均不在最佳值。因此，其強化效果呈現(xiàn)極值特性，強化換熱的最佳質量濃度約在對應質量濃度的CMC處。該結論與文獻[8]的結論一致。

需要注意的是，當熱流密度高于60 kW/m2時，沸騰曲線上升趨勢增大，甚至出現(xiàn)過熱度減小的現(xiàn)象，表明加熱面的溫度在迅速升高。這是因為在此熱流密度下，沸騰越發(fā)旺盛，氣泡生長速率加快，沸騰區(qū)間逐步由核態(tài)沸騰向膜態(tài)沸騰過渡。此外，氣泡的劇烈擾動導致液體流動復雜化，可能會影響到液體溫度的采集，導致測量、計算等的偏差。

從表面張力的角度出發(fā)，可以解釋為Triton X-100在氣液界面的富集使表面張力降低，氣泡生成所需的能量減小，脫離、破裂頻率增加，直徑減小，因此，Triton X-100對溶液沸騰換熱起著強化作用。當Triton X-100質量濃度提高至其CMC時，氣液界面張力下降至最低，氣泡直徑下降到最小。但當質量濃度進一步提高時，氣液界面張力不再減小，氣泡直徑也不再減小。同時Triton X-100在溶液中形成大量膠團，導致固液界面潤濕性變差，氣泡生成的難度提高，數(shù)量減少，最終導致沸騰換熱的惡化。

圖5為LiBr溶液的沸騰換熱系數(shù)-熱流密度(h-q)曲線。由圖5可知：強化換熱的最佳質量濃度約在Triton X-100質量濃度的CMC值處。此外，在最佳強化換熱處，10%LiBr溶液的沸騰換熱系數(shù)提升約34%，20%LiBr溶液提升約29%，30%LiBr溶液提升約27%。因此，隨著LiBr溶液質量分數(shù)的提升，Triton X-100強化換熱的效果逐漸減弱。究其原因，主要是隨著LiBr溶液質量分數(shù)的提升，鹽析效應逐漸增強，導致在CMC處高質量分數(shù)的LiBr溶液表面張力依然高于低質量分數(shù)的LiBr溶液(見圖3)，同時固液界面潤濕性變差，沸騰所需的過熱度增加(見圖4)。在這兩個因素的共同作用下，溶液沸騰時氣泡的生成難度提高，脫離直徑減小，脫離頻率降低[5]，最終導致上述現(xiàn)象的發(fā)生。

圖5　LiBr溶液沸騰換熱系數(shù)-熱流密度曲線

w(LiBr)/%Tsat(不含添加劑)/℃Tsat(含添加劑)/℃10102.0101.520107.2106.530117.2116.6

表1為加入Triton X-100前后，不同質量分數(shù)LiBr溶液沸騰溫度的變化。從表1中可以發(fā)現(xiàn)：LiBr溶液質量分數(shù)越高，沸騰溫度越高；加入Triton X-100后，溫度曲線略有下移，但與純LiBr溶液相比，下降區(qū)間在1%左右。考慮到熱電偶測量精度的影響，可以認為Triton X-100對LiBr溶液沸騰溫度的影響比較小。

3　結論

(1)添加劑Triton X-100能顯著降低LiBr溶液的表面張力。LiBr溶液質量分數(shù)越高，添加劑的CMC越低。

(2)溶液質量分數(shù)越高，鹽析效應越強，添加Triton X-100后，表面張力初始下降的幅度也越大；隨著Triton X-100質量濃度的增大，表面張力減小趨勢逐漸放緩，直至穩(wěn)定。

(3)添加劑Triton X-100可以強化沸騰換熱，且沸騰所需過熱度降低，強化效果呈現(xiàn)極值特性，強化換熱的最佳質量濃度約在對應質量濃度的CMC左右。

(4)隨著LiBr溶液質量分數(shù)的提升，鹽析效應越強，Triton X-100強化沸騰換熱的效果逐漸減弱。在最佳強化換熱處，10%、20%和30%LiBr溶液的換熱系數(shù)整體提升分別約為34%、29%和 27%。

(5)添加劑Triton X-100對LiBr溶液的沸騰溫度沒有太大影響。

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國家自然科學基金項目(11102073);江蘇省博士后基金項目(1501126B);江蘇省普通高校省助研究生創(chuàng)新基金項目(SJZZ_0134)

宋新南(1957-),男,河南南陽人,教授,博士,碩士生導師,主要從事節(jié)能和強化傳熱等方面的研究.

2015-12-16

1672-6871(2016)06-0033-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.007

TK124

A