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专业溴化锂制冷机维修保养

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溴化锂溶液薄膜流浓度与温度的光学测量

作者:    发布于:2018-4-20 8:57:15    文字:【】【】【

由于环保和节能的需要,对溴化锂吸收式制冷供热装置的研究日益深入。为寻求高效紧凑热质交换器的性能预测以及吸收式制冷供热系统热力传热传质性能的最佳耦合,所需解决的关键问题之一是搞清各主要部件(如吸收器中溴化锂溶液膜)内传热传质的局部动态细节,但受测试技术的制约,迄今为止的实验研究仅限于对吸收器整体吸收效果的测量,难以展示局部的确切情况,这对验证理论模型的正确性和推动理论的发展是不够的。因此,对薄膜内局部温度场和浓度场的测量是很重要的。近年来,随着热物理光测技术的迅速发展,学术界和工程上开始关注用光测方法研究有相变的蒸汽吸收问题[1],但仅限于静止表面。本试验应用双曝光激光全息干涉技术,记录和再现水平流动下的溴化锂膜层吸收水汽时的干涉条纹,该条纹的形状和数量取决于液膜在吸收过程中的浓度变化和温度变化的综合影响。利用理论模型[2]的计算结果和实验结果交叉对证,便能从浓度场和温度场的吻合程度,确定膜内的局部细节,进而较为准确地确定传质系数。
1、光学方法的可行性试验及基本要求
    由于溴化锂溶液的膜厚极薄,流动也较难稳定,狭缝干涉效应严重,又需高倍放大,给拍摄带来很大的难度,因此要在如此薄的范围内考察膜内物理量的动态变化,并非易事。为了探寻各类光测方法的可行性,曾试验过多种用空间分隔或时间分隔产生干涉的方法,并在正式试验前,做了一系列模拟试验。模拟试验的液膜宽为24mm,用超声雾化器产生水汽输入试验段在大气压下强迫吸收过程的产生。我们最后选择采用了双曝光脉冲激光全息干涉技术,因为该技术的干涉图亮暗条纹对比明显,有较好的抗狭缝干涉的效果,且动态“冻结”性能好,其光路如图1。

 试验中,采用离轴全息光路,红宝石脉冲激光器作为记录光源(Kr=694.3nm),He-Ne激光器作为再现光源(Kc=632.8nm),通过对设备的自行改造,使两光源串联并且保证同轴,试验段各光窗平行并且与激光束垂直,液膜底板保持水平并且与光窗垂直,激光沿膜宽方向穿过液膜。整个试验台要求避震。
    需要指出的是:由于膜厚在放大光路中直接量取,而用于比较的两个波面均用同种激光记录,所以虽然用不同的激光再现,由此产生的放大现象不影响结果。
    经过多次调整光学参数及系统的匹配,模拟试验较好地解决了抗干扰、放大、瞬态记录等一系列问题,得到了清晰的干涉图。
2、试验装置
    试验装置系统见图2。

    在解决了光测的可行性以后,我们研制了一套适合光测的溴化锂吸收过程的试验装置,该装置既要满足真空状态下溴化锂吸收的真实情况,又要力求简易,可视性好,便于控制操作。为此,我们采用厚10mm的有机玻璃板粘成试验段外壳,中间水平放置一块不锈钢板(材料为进口SUS304,相当于0Cr19Ni9,尺寸为:厚DS=2.5mm,宽Bs=40mm,长Ls=600mm),不锈钢板上侧通过溴化锂溶液的薄膜流,下侧通冷却水冷却(也可绝热),两者流量均可调。在靠近溴化锂溶液进口段、中间段和出口段的位置布置了三组光窗,用于测量。水蒸汽靠置于恒温水浴(A)里的硬质抽滤瓶中的水发生,从吸收器顶部输入,因此,调节恒温水浴(A)的温度,即可控制吸收压力。溴化锂溶液进入试验段前,先经过了一个玻璃的换热套管,溴化锂溶液在套管中的盘管内流动,盘管外侧通水,水来自于恒温水浴(B),因此,调节恒温水浴(B)的温度,即可控制溴化锂溶液的入口温度。还有在换热套管前又设置了一个恒压箱,通过控制箱内液位,来保证溴化锂溶液薄膜流在试验区的稳定流动,另外,所有阀门均用了玻璃真空阀,管路由氧气管和衬钢丝的PVC管组成,接头处用真空脂或硅橡胶密封。在不锈钢板的底面(冷却水侧)、溴化锂水溶液进出口、冷却水进出口及吸收器的气侧等布置了若干热电偶、吸收器压力由绝对压力变送器测量。
3、实验原理与数据处理方法
    设液膜流动方向为x坐标,液膜厚度方向为y坐标,且液膜入口x=0,液膜出口x=Ls,液膜底部y=0,液膜表面y=D,如图3:


 根据文献[3],温度为T(x,y)的溴化锂水溶液的重量浓度C(x,y)与折射率的关系为(暂不考虑激光波长变化产生的影响):n(x,y) =N[T(x,y)] +C(x,y)/559.9104 (1)
   式中N[T(x,y)]为温度T(x,y)(℃)的纯水的折射率:

其中:n20=1.33174428,   E1=6.3931934,   E2=2340.43473856,
     E3=75453.63565991,E4=65.7083
    显然,要了解温度场T(x,y)和浓度场C(x,y),首先要测出折射率场n(x,y),为此我们选择采用双曝光激光全息干涉技术来获取n(x,y)。
 全息干涉计量技术是一种利用全息照相,形成和解释干涉图象以比较两个或多个波面形状的技术[4]。双曝光激光全息干涉技术则是将初始物光波面(即溴化锂膜层不吸收水汽时的标准波面)与被测物光波面即溴化锂膜层吸收水汽后的被测波面)相比较,形成的干涉条纹即为等折射率线。根据双曝光激光全息干涉原理,其光强分布为:

    式中B为全息感光度或综合常数,S为每次曝光的时间,A0、Ar、Ac分别为物光、参考光和再现光的振幅,显然全息干涉条纹的形状完全取决于位相差函数$U(x,y)。
    设溴化锂膜层宽为B,并且沿光束方向折射率不变,则:

 根据干涉的亮暗条纹及条纹数,便能确定n(x,y)。其中,n0为参考状态的折射率。

    对本试验而言,影响溴化锂水溶液折射率的因素有两个,一是溴化锂溶液吸收过程中,水蒸汽的传质过程是从液膜表面向液膜底部渗透的,C(x,y)自上而下逐渐增大,n(x,y)也逐渐增大;二是在吸收的同时,水蒸汽放出汽化潜热,而液膜底部有冷却水冷却(或绝热),因此存在一个从液膜表面向液膜底部的传热过程,液膜温度T(x,y)自上而下逐渐降低,由式(2)可知,N[T(x,y)]逐渐增大,n(x,y)也是逐渐增大的。
    以底面绝热工况为例,具体的试验和求取过程如下:
    第一次曝光时,吸收器底部不通水冷却,近似为绝热,表面也不通水蒸汽,则有:

    C0和T0为LiBr溶液进口浓度和进口温度。
    第二次曝光时,吸收器底部仍绝热,表面在一定压力P下有吸收,根据文献[1]的结果,溴化锂水溶液的质量扩散系数在10-9数量级,传质速率远小于传热速率,在离进口不很远处,可以假设底部浓度尚不变,则有: