磁场对氨水鼓泡吸收的强化作用
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摘要：设计了磁场强化氨水鼓泡吸收试验台并在此基础上研究了静止和旋转磁场及纳米磁流体对氨水鼓泡吸收的影响。通过对氨水鼓泡吸收的吸收率和有效吸收比分析发现磁场和纳米磁流体对氨水鼓泡吸收均有强化作用，而旋转磁场的强化效果比静止磁场更为明显。定义了旋转强化吸收量（ARMF）的概念以表征在其他条件相同时磁场的旋转对氨水鼓泡吸收的强化影响。在不同磁感应强度下ARMF的值均大于0，说明磁场的旋转对氨水鼓泡吸收均有强化作用。最后探讨了实验中出现结果的可能机理。
关键词： 鼓泡吸收；强化；氨水；纳米磁流体；旋转磁场
中图分类号：TB651 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）17-0292-03
0 引言
近年来，由于人们对臭氧层空洞和全球变暖的认识不断加深，取消氟利昂制冷剂的使用已经成为业界的共识。在此过程中对臭氧层和全球气候不产生破坏的吸收式制冷系统逐渐被人们重视起来[1]，研制高效吸收式制冷机成为了国内外竞相研究的一大热点。从氨水吸收式制冷系统的结构上看，吸收器是制冷剂的关键部件之一，吸收器的吸收效率对系统的整体性能有着重要的影响。提高吸收器的吸收性能是提高系统效率的关键。
目前强化其传热传质性能的技术有物理方法、化学方法和纳米技术的应用。物理方法是指在不改变吸收液物性的基础上进行的一种强化手段，例如Jun[2]利用可视化方法研究了氨水鼓泡吸收过程中气泡的生成、脱落、吸收过程中形状、传质等方面的特性。化学方法是通过改变吸收液的物理性质而对吸收过程进行强化的一种手段。化学强化方法包括加入表面活性剂、外加磁场等方式[3]。纳米技术的应用是指以一定的方式和比例在吸收液中加入纳米级金属或金属氧化物粒子并通过纳米流体配置的方法形成均匀、稳定的纳米流体来提高吸收率的技术[4]。本实验是利用纳米磁流体和外加磁场共同作用的方法来增强氨气的吸收的。
磁场和纳米磁流体（Ferrofluid）是近些年兴起的强化传热传质新技术。国内外学者的研究表明，外加磁场作用于水或水合溶液时会影响溶液的物理化学性质[5，6]，一般认为经过磁场处理的溶液表面张力呈下降趋势[7，8]，1998年
马伟等人研究了磁场强化溶液蒸发的效果及机理[9]，用实验的方法表明在磁场作用下溶液的表面张力下降。马重芳等[10]利用实验表明磁液在适当的磁场条件下换热系数比不加磁场时提高80%。Suresh[11]提出使用磁性纳米粒子在周期外部磁场作用下可能引起它们在近界面区的振荡混合增加传质率。
1 实验系统和程序
1.1 试验系统 试验系统如图1所示，由氨气罐、稳压器、永磁铁、吸收器、旋转机构、电机、数据采集仪及计算机等组成。吸收器内置压力传感器和温度传感器。
1.2 实验设计 本实验在磁感应强度为0mT、80mT、140mT、200mT、260mT，纳米磁流体质量分数为0%、0.1%、0.15%、0.2%、0.5%的条件下分别进行了实验。在外加磁场不为0的实验条件下对比了静止磁场和旋转磁场的吸收过程。
2 实验结果及分析
2.1 数据处理 计算氨气吸收量时，使用实际气体状态方程，由系统初始参数和终了参数计算：
式中，角标1代表实验前，角标2代表实验后。
在对实验数据进行定量分析时，使用吸收率、有效吸收比和旋转强化吸收量（ARMF）进行对比。吸收率表示单位时间内基液吸收氨气量的多少，如式（1）：
旋转强化吸收量（ARMF）表示磁场的旋转对吸收的强化作用。如式（3）：
式中：Ar表示旋转强化吸收量（ARMF），mr表示旋转磁场下氨气的吸收量，ms表示静止磁场下氨气的吸收量。
2.2 实验结果分析 实验时，环境温度为20℃，稳压器初始压力为250KPa，每次实验阀门开度相同。测得各磁场强度和纳米磁流体浓度下氨水溶液的吸收量，经由式（1）和（2）计算出吸收率及有效吸收比，得到旋转磁场下吸收率和有效吸收比如图2和图3所示。
由图2可以看出，加入纳米磁性流体和外加磁场均可以对氨水鼓泡吸收起到强化的作用。在磁感应强度不变的情况下，随着纳米磁流体浓度的增加氨气的吸收率不断上升。但从图中几条曲线的位置关系可以看出在纳米磁流体浓度较小的阶段，氨气吸收率随着纳米磁流体浓度增加而迅速增加，在浓度值为0.2%时出现最大值，当浓度达到0.5%时在磁感应强度大于80mT后吸收率反而出现了下降。从磁感应强度的角度看，在纳米磁流体浓度相同的情况下，磁感应强度从0变化到80mT是吸收率的增加最为剧烈。随后吸收率的增加趋于平缓。
从图3可以看出，有效吸收比的变化趋势与吸收率的变化趋势一致。图中各点的有效吸收比均大于1，说明外加旋转磁场和纳米磁流体对氨水吸收均能起到强化的作用。
根据（3）式的定义，对外加旋转磁场和静止磁场情况下氨水吸收效果进行对比，得到如图4所示的旋转强化吸收量（ARMF）变化曲线。
从图4可以看出：ARMF值在各种情况下均大于0，说明相对于静止磁场，旋转磁场的强化作用更加明显；在纳米磁流体浓度等于0的情况下，ARMF的值不随磁场强度的变化而变化；在纳米磁流体浓度不为0的情况下，ARMF的变化并没有明显的规律；在同一磁感应强度的条件下，ARMF均在纳米磁流体浓度为0.1%、0.2%附近出现极大值，在0.15%附近出现极小值。
3 机理分析
在氨水鼓泡吸收的实验过程中，热质传递的效率与溶液的物性有很大的关系，纳米颗粒的加入会减小水溶液的表面张力[12]，且经过磁场处理的溶液表面张力也呈下降趋势[7，8]所以在添加有纳米流体或有外加磁场的条件下气泡体积有所变化；更多的气泡分布于溶液中也会增加溶液的扰动，有利于氨气与溶液热质交换的进行。另一方面磁场的加入同时会使水的粘度减小，界面和主体相界面表面张力梯度也会发生相应变化，有利于溶液中Marangoni对流效应的加强，使得溶质在界面处分布更加不均匀，引发界面对流运动；同时Marangoni对流效应的增强加强了氨气泡内部的环流，加快了界面的更新速度，有利于吸收传质过程。
分散于吸收基液中的纳米颗粒，在静止磁场下会形“磁链”，在旋转磁场下，“磁链”会随着旋转的磁场一起运动，加强了吸收液的扰动，从而促进了氨气在溶液中的吸收。但对于试验中ARMF的变化规律的解释则需要更多的实验和理论分析。
4 结论
对旋转磁场和静止磁场下氨水的吸收量进行比较后，可以得出如下的结论：
4.1 旋转磁场和纳米磁流体对氨水鼓泡吸收都有强化作用，磁场强度越大强化效果越明显，并且吸收率和有效吸收比在纳米磁流体或外加磁场从无到有的阶段增加最快，以后其增速减缓。
4.2 引入了旋转强化吸收量（ARMF）这一概念来表征磁场的旋转对吸收的影响。实验说明磁场的旋转对氨气的吸收有强化作用。
4.3 ARMF在试验中表现出了特殊的变化规律，在纳米磁流体浓度等于0的情况下，ARMF的值不随磁场强度的变化而变化。且各磁感应强度下ARMF极值所对应的纳米磁流体浓度相同。
参考文献：
[1]盛伟，武卫东，张华，刘辉，洪欢喜. Al2O3纳米颗粒对氨水鼓泡吸收过程的强化影响[J].化工学报，2008，59（11）：2762-2767.
[2]Kang Y T， Kunugi Y， Kashiwgi T， Review of advanced absorption cycles：performance improvement and temperature lift enhancement International Journal of Refrigeration，2000，23（5）：388-411.
[3]Jun Yamada Study on a single bubble absorption of ammonia/water system [D]. Tokyo： Tokyo University of Agriculture and Technology，2002.
[4]武润宇，武卫东，陈盛祥，庞常伟，刘四美.氨水降膜吸收传热传质强化的研究进展[J].低温与超导，2010，38（12）：49-53.
[5]孙庆元等.磁场能引起化学变化[J].河北师范大学学报，（自然科学版），1995，19（2）：66.
[6]李冠成.水在电场、磁场作用下物理性质变化 及其影响[J].现代物理知识，2001，13（2）：30.
[7]刘芳玲等.磁场处理条件与水的表面张力关系的研究[J].四川师范大学学报（自然科学版），1997，20（5）：103-105.
[8]张军等.用MD方法计算磁场条件下水的表面张力系数[J].青岛大学学报，2002，15（1）：46-51.
[9]马伟等.磁场强化溶液蒸发的效果及机理[J].中国有色属学报[J].1998，8（3）：502-506.
[10]邢晓凯，马重芳，陈永昌，常宝英，王焱，陈晓砖.电磁抗垢强化传热技术的热态实验研究.石油大学学报（自然科学版），2005， 29（1）：79-83.
[11]Suresh AK， Bhalerao S， Rate intensification of mass transfer process using ferrofluids. Indian J Pure Appl Phys 40 （2001）：172-184.
[12]J.K. Kim， J.Y. Jung， Y.T. Kang. The effect of nano-particles on the bubble absorption performance in a binary nanofluid. International Journal of Refrigeration， 2006， 29（1）： 22-29.