添加剂浓度对溴化锂溶液池核沸腾换热的影响

宋新南，耿亚峰，许冠杰，王颖泽

(江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013)



添加剂浓度对溴化锂溶液池核沸腾换热的影响

宋新南，耿亚峰，许冠杰，王颖泽

(江苏大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013)

以Triton X-100为添加剂，研究了添加剂浓度对质量分数分别为10%、20%和30%的溴化锂溶液池核沸腾换热的影响。测量结果表明：该添加剂能显著降低溴化锂溶液的表面张力。受盐析效应的影响，溴化锂质量分数越高，添加剂的临界胶束浓度(CMC)越低。该添加剂可以强化溴化锂溶液的沸腾换热，最佳强化换热点约在CMC处。随着溴化锂质量分数的提升，强化换热效果逐渐减弱。该添加剂对溶液沸腾温度的影响比较小。

添加剂；溴化锂溶液；表面张力；池核沸腾

0　引言

溴化锂(LiBr)溶液具有强烈的吸水性，被广泛应用于吸收式制冷领域。溴化锂吸收式制冷机以水为制冷剂，对环境无污染，且可使用低品位热源驱动，在节能和环保方面具有重大利用潜力[1-2]。但该机组有真空度要求高、溶液易结晶和换热系数较低等问题，因此，有必要深入了解LiBr溶液沸腾换热特性。

文献[3]认为当表面活性剂加入盐溶液中，一部分溶于溶液中；另一部分由于受到溴离子和锂离子分别与水分子结合而形成的水合作用力的排挤，转移到气液界面且在此富集，并以此为根据提出了盐析效应模型，为表面活性剂强化沸腾换热机理提供了理论依据。文献[4]研究了多种盐溶液的核态沸腾换热特性，发现质量分数对溶液的换热系数有较大影响。文献[5]从加热面特征出发，研究了不同加热面对质量分数为50%的LiBr溶液沸腾换热的影响。文献[6]从表面张力出发，系统研究了常压下质量分数分别为40%、45%和50%LiBr溶液的沸腾换热特性，认为表面张力是影响LiBr溶液沸腾换热的重要因素。

文献[7]以纳米氧化铝(Al2O3)为添加剂，研究了固体添加剂对质量分数分别为3%、7%和10%的LiBr溶液沸腾换热的影响。在液体添加剂方面，文献[8]认为表面活性剂的添加使溶液沸腾时气泡的脱离直径变小，频率变快。热重试验和溶液热稳定性试验表明：在200 ℃以下，聚乙二醇辛基苯基醚(Triton X-100)是一种热稳定性较好的添加剂。此外，表面活性剂强化池内核态沸腾换热的最佳浓度为临界胶束浓度(critical micelle concentration，CMC)。但是，盐溶液的沸腾换热受溶液物理化学性质、加热表面特征和加热方式等诸多因素的综合影响，机理较为复杂，至今对其的认识还停留在经验公式上，需要大量数据来完善。虽然多数学者认为盐溶液的沸腾换热与纯水相差不大，但事实证明两者的差距较为明显[3]。

以上研究主要集中在LiBr质量分数为10%以下和40%以上，对10%～30%的LiBr溶液缺乏研究。因此，本文选取质量分数分别为10%、20%和30%的LiBr溶液，通过加入Triton X-100，测量其表面张力的变化，并在此基础上研究了常压下LiBr溶液的沸腾换热规律。

1　试验设计

试验装置主要由沸腾容器、冷凝系统、加热系统和数据采集系统组成，如图1所示。沸腾容器由钢化玻璃圆桶制成，上部接一通气管，穿越顶部的表面式冷凝器，并与大气相通，以维持常压。冷凝器将沸腾时产生的蒸汽冷凝回流，以保持溶液浓度稳定。加热系统由长120 mm、直径30 mm的紫铜柱制作而成，电加热圈缠绕在其下部，其间铺设0.2 mm厚的固态硅脂垫增强导热，并绝缘。紫铜柱上端面作为加热面，侧面开有4个直径为2 mm的孔，并插入精度为±0.1 ℃的K型铠装热电偶至铜柱中心线上，用于测量温度以计算加热面的温度和热流密度。紫桐柱截面如图2所示。试验测得加热表面中心和边缘热流密度的误差小于8%，数据采集器为TC1008型多路温度测量仪，整个加热系统采用硅酸铝纤维严格保温。

图1试验装置示意图图2紫铜柱截面图

试验选用的添加剂为Triton X-100，溶质选用LiBr·H2O(分析纯)，以上试剂均购自国药集团化学试剂有限公司。

LiBr溶液质量分数为：

(1)

其中：w为LiBr溶液质量分数，%；m1为一水合溴化锂的质量，g；m2为去离子水的质量，g。

LiBr溶液的表面张力选用JYW-200B型微控自动界面张力仪测定，该仪器采用的是杜诺氏环法测量原理[9]，精度为0.1 mN/m。在(25.0±0.5) ℃条件下，每组样品均测3次，最后取平均值。

通过对紫铜柱上各测点温度的拟合可以得出紫铜柱上温度分布，拟合函数为二次函数：

T=Ax2+Bx+C，

(2)

其中：T为紫铜柱温度，℃；x为测点位置，m；A、B、C为常数。

令x=0，可得出加热壁面(紫铜柱上端面)温度。

热流密度：

(3)

其中：q为热流密度，kW/m2；λ为紫铜导热系数λ=401 W/mK。

换热系数：

(4)

其中：h为换热系数，kW/m2K;Tw为加热壁面温度，℃；Tsat为溶液沸腾温度，℃。

根据文献[10]的误差传递分析方法，可得试验工况下沸腾换热系数相对误差均小于10%。

2　结果与讨论

2.1表面张力

表面张力是影响沸腾的重要因素。在分析盐溶液沸腾换热时，可通过加入表面活性剂来改变溶液的表面张力，并以此为基础研究表面张力对沸腾换热的影响[11]。这是因为表面活性剂能够降低溶液表面张力，影响溶液沸腾时气泡的生成、脱离和破裂，从而影响溶液的沸腾换热[12]。

图3　25 ℃ LiBr溶液表面张力与Triton X-100质量浓度的关系

图3为25 ℃下加入Triton X-100后LiBr溶液表面张力的测量结果。由图3可以发现：微量的Triton X-100即可显著降低LiBr溶液的表面张力。在Triton X-100质量浓度较低时，一定质量分数LiBr水溶液的表面张力随着Triton X-100质量浓度的增加而迅速下降，且下降趋势逐渐放缓，并在Triton X-100质量浓度大于一定值后达到一个稳定值。此时Triton X-100的质量浓度即为对应LiBr溶液的CMC。本试验测得在LiBr溶液质量分数为0%，即纯水时测出的添加剂临界胶束浓度为180 mg/L，该值与文献[9]所给出的数值基本一致(同温度，同测量原理)。当LiBr溶液质量分数分别为10%、20%和30%时，对应的Triton X-100 CMC分别为140 mg/L、100 mg/L和80 mg/L。

此外，从图3中还可以发现：添加微量Triton X-100后，30%LiBr溶液表面张力的下降幅度最大，20%LiBr溶液次之，10%LiBr溶液的下降幅度最小。该现象与文献[3]提出的盐析效应基本一致，由于溴离子和锂离子与水分子的结合，造成溶液中部分表面活性剂分子受到排挤在表面富集，致使表面张力降低。LiBr质量分数越高，Triton X-100分子受到的排挤作用越强，即盐析效应越明显，表面富集量越大，表面张力的下降幅度也相应增大，由此导致该现象的发生。

图4　LiBr溶液的过热度曲线

2.2沸腾换热

图4为在不同质量浓度的Triton X-100作用下，LiBr溶液的过热度(q-△T)曲线。由图4可以看出：随着Triton X-100质量浓度的逐渐提高，LiBr溶液的沸腾曲线逐渐向左移动，沸腾所需的过热度逐渐降低，呈现沸腾换热逐渐强化的趋势，直至Triton X-100质量浓度达到CMC附近。当继续提高Triton X-100质量浓度时，溶液的沸腾换热曲线却又向右移动，反而呈现沸腾换热弱化的趋势。由此可见，尽管在LiBr溶液中添加Triton X-100可以强化沸腾换热，但当Triton X-100质量浓度高于或低于CMC时，换热效果均不在最佳值。因此，其强化效果呈现极值特性，强化换热的最佳质量浓度约在对应质量浓度的CMC处。该结论与文献[8]的结论一致。

需要注意的是，当热流密度高于60 kW/m2时，沸腾曲线上升趋势增大，甚至出现过热度减小的现象，表明加热面的温度在迅速升高。这是因为在此热流密度下，沸腾越发旺盛，气泡生长速率加快，沸腾区间逐步由核态沸腾向膜态沸腾过渡。此外，气泡的剧烈扰动导致液体流动复杂化，可能会影响到液体温度的采集，导致测量、计算等的偏差。

从表面张力的角度出发，可以解释为Triton X-100在气液界面的富集使表面张力降低，气泡生成所需的能量减小，脱离、破裂频率增加，直径减小，因此，Triton X-100对溶液沸腾换热起着强化作用。当Triton X-100质量浓度提高至其CMC时，气液界面张力下降至最低，气泡直径下降到最小。但当质量浓度进一步提高时，气液界面张力不再减小，气泡直径也不再减小。同时Triton X-100在溶液中形成大量胶团，导致固液界面润湿性变差，气泡生成的难度提高，数量减少，最终导致沸腾换热的恶化。

图5为LiBr溶液的沸腾换热系数-热流密度(h-q)曲线。由图5可知：强化换热的最佳质量浓度约在Triton X-100质量浓度的CMC值处。此外，在最佳强化换热处，10%LiBr溶液的沸腾换热系数提升约34%，20%LiBr溶液提升约29%，30%LiBr溶液提升约27%。因此，随着LiBr溶液质量分数的提升，Triton X-100强化换热的效果逐渐减弱。究其原因，主要是随着LiBr溶液质量分数的提升，盐析效应逐渐增强，导致在CMC处高质量分数的LiBr溶液表面张力依然高于低质量分数的LiBr溶液(见图3)，同时固液界面润湿性变差，沸腾所需的过热度增加(见图4)。在这两个因素的共同作用下，溶液沸腾时气泡的生成难度提高，脱离直径减小，脱离频率降低[5]，最终导致上述现象的发生。

图5　LiBr溶液沸腾换热系数-热流密度曲线

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

表1为加入Triton X-100前后，不同质量分数LiBr溶液沸腾温度的变化。从表1中可以发现：LiBr溶液质量分数越高，沸腾温度越高；加入Triton X-100后，温度曲线略有下移，但与纯LiBr溶液相比，下降区间在1%左右。考虑到热电偶测量精度的影响，可以认为Triton X-100对LiBr溶液沸腾温度的影响比较小。

3　结论

(1)添加剂Triton X-100能显著降低LiBr溶液的表面张力。LiBr溶液质量分数越高，添加剂的CMC越低。

(2)溶液质量分数越高，盐析效应越强，添加Triton X-100后，表面张力初始下降的幅度也越大；随着Triton X-100质量浓度的增大，表面张力减小趋势逐渐放缓，直至稳定。

(3)添加剂Triton X-100可以强化沸腾换热，且沸腾所需过热度降低，强化效果呈现极值特性，强化换热的最佳质量浓度约在对应质量浓度的CMC左右。

(4)随着LiBr溶液质量分数的提升，盐析效应越强，Triton X-100强化沸腾换热的效果逐渐减弱。在最佳强化换热处，10%、20%和30%LiBr溶液的换热系数整体提升分别约为34%、29%和 27%。

(5)添加剂Triton X-100对LiBr溶液的沸腾温度没有太大影响。

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国家自然科学基金项目(11102073);江苏省博士后基金项目(1501126B);江苏省普通高校省助研究生创新基金项目(SJZZ_0134)

宋新南(1957-),男,河南南阳人,教授,博士,硕士生导师,主要从事节能和强化传热等方面的研究.

2015-12-16

1672-6871(2016)06-0033-04

10.15926/j.cnki.issn1672-6871.2016.06.007

TK124

A