沉浸比對均流式多管導(dǎo)流型氣泡泵性能的影響

(上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 新能源科學(xué)與工程研究所 上海 200093)

單壓吸收式制冷采用氣泡泵代替機(jī)械泵，可利用太陽能等低品位能源來驅(qū)動整個系統(tǒng)，大大減少了對高品位電能的消耗，具有十分廣闊的應(yīng)用前景[1]。氣泡泵作為單壓吸收制冷系統(tǒng)的核心部件，為整個系統(tǒng)的溶液循環(huán)提供動力。因此，氣泡泵性能的分析及優(yōu)化是提高單壓吸收制冷系統(tǒng)效率的研究重點(diǎn)[2-4]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于氣泡泵的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在加熱功率、沉浸比、豎直提升管內(nèi)徑以及提升管數(shù)量對氣泡泵提升性能的影響。S. V. Shelton等[5]建立了氣泡泵的數(shù)學(xué)模型，研究了加熱功率、提升管內(nèi)徑、沉浸比對氣泡泵提升性能的影響。L. Schcefer等[3]在文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，研究了管內(nèi)徑、沉浸比、液體提升量和加熱功率之間的關(guān)系。王汝金等[6]研究了氣泡泵提升管內(nèi)徑、加熱功率以及沉浸比與氣泡泵提升效率之間的關(guān)系。G. Vicatos等[7]為提高擴(kuò)散-吸收式制冷劑的制冷量，使用多管式氣泡泵增加工質(zhì)流量以研究提升管數(shù)量的增加對制冷機(jī)性能的影響。賈陽濤等[8]設(shè)計了一臺使用雙提升管結(jié)構(gòu)且精餾器上多處設(shè)置阻流坑的擴(kuò)散吸收制冷裝置，實(shí)驗(yàn)研究了不同氨水充注濃度、不同充氫壓力、不同加熱功率對制冷系統(tǒng)的影響。B. Gurevich等[9]研究了多管式氣泡泵的性能。徐煌棟等[10]搭建了多管導(dǎo)流式氣泡泵實(shí)驗(yàn)臺，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用多管的氣泡泵和采用單管的氣泡泵相比，提升管數(shù)量的倍增，并不會帶來提升量和提升效率呈相應(yīng)倍數(shù)的增加。

本文以帶均流器的多管導(dǎo)流型氣泡泵為研究對象，以水為工質(zhì)，在不同加熱功率下改變提升管沉浸比研究氣泡泵連續(xù)提升性能的變化，并與相同工況下無均流器時的氣泡泵連續(xù)提升性能進(jìn)行對比，以期改善多管導(dǎo)流型氣泡泵提升過程中氣泡分配不均現(xiàn)象，從而提高氣泡泵連續(xù)提升性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

楊未[11]指出，采用45°錐形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的氣泡泵具有較好的性能提升效果。本實(shí)驗(yàn)以水為工質(zhì)，運(yùn)行壓力為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，?shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1氣泡發(fā)生器；2電加熱裝置；3多管導(dǎo)流器；4豎直提升管；5氣液分離器；6補(bǔ)液箱；7閥門；8液位調(diào)節(jié)器；9儲液器；10均流器。圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 The experiment device

實(shí)驗(yàn)裝置主要由氣泡發(fā)生器、多管導(dǎo)流器、豎直提升管、補(bǔ)液箱、儲液器及均流器組成。提升管中液位高度H與提升管管長L的比值即為沉浸比。在氣泡發(fā)生器中，工質(zhì)水受電加熱裝置加熱達(dá)到發(fā)生壓力下的飽和溫度沸騰產(chǎn)生氣泡，再經(jīng)過均流器均勻分配后進(jìn)入豎直提升管將工質(zhì)水提升至氣液分離器。氣液分離器中被提升出的液體從左側(cè)出口流至稱量裝置，蒸氣則流入補(bǔ)液箱。補(bǔ)液箱由閥門進(jìn)行控制，并聯(lián)合液位調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)儲液器中液位高度，使氣泡泵穩(wěn)定在設(shè)定沉浸比。其中豎直提升管采用透明玻璃材質(zhì)，其余部分均為不銹鋼材料。電加熱器選用額定功率為2.5 kW的環(huán)形加熱管。由于氣泡泵中氣液兩相流的不穩(wěn)定，無法采用液體流量計進(jìn)行準(zhǔn)確測量，所以采用從排液口取樣的方法對其進(jìn)行稱重測量。為減少漏熱損失，整個裝置包有隔熱材料。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)中提升管管長為600 mm，提升管內(nèi)徑為10 mm，提升管數(shù)量為3，均流器網(wǎng)孔為邊長0.6 mm的正方形，安裝在電加熱裝置上端32 mm處，沉浸比選取0.3、0.4和0.5，電加熱功率分別選取450、650、850、1 050、1 250、1 450、1 650 W。采用控制變量法研究不同沉浸比對氣泡泵連續(xù)提升性能的影響。在無均流器工況下，將水注入系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)液位控制器使系統(tǒng)達(dá)到所需沉浸比。接通電控箱，調(diào)節(jié)控制開關(guān)達(dá)到所需工況。電控箱調(diào)整完畢以秒表開始計時，當(dāng)稱重天平出現(xiàn)讀數(shù)時記為該工況下氣泡泵提升起始點(diǎn)。之后每間隔10 s記錄一次數(shù)據(jù)，共計錄150個數(shù)據(jù)點(diǎn)。一組實(shí)驗(yàn)完成后，關(guān)閉電控箱，將實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)熱水放出并用冷水冷卻。待裝置冷卻后，改變沉浸比或改變加熱功率重復(fù)實(shí)驗(yàn)。裝上均流器，相同工況下再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

1.3 性能評價

在測量時間內(nèi)，根據(jù)氣泡泵總液體提升量(m)分析沉浸比對其連續(xù)提升性能的影響，并根據(jù)每間隔10 s內(nèi)的總液體提升量計算該時段內(nèi)單位時間液體提升量(即提升速率)，以其中最大值為該工況下最佳提升狀態(tài)點(diǎn)并與其它工況進(jìn)行對比分析。計算氣泡泵的輸出功率與輸入加熱功率的比值，得到氣泡泵提升效率：

η=(P1/P)×100%=(msgh/1 000P)×100%

(1)

式中：η為氣泡泵的提升效率,%；P為加熱氣泡泵內(nèi)液體所輸入的加熱功率，W;P1為氣泡泵輸出功率，W;ms為單位時間液體提升量，g/s；g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2；h為液體提升高度，m。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 無均流器時沉浸比對氣泡泵提升性能的影響

當(dāng)無均流器時，選取不同工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，研究沉浸比對氣泡泵提升性能的影響。圖2所示為不同加熱功率時，不同沉浸比下氣泡泵總液體提升量隨提升時間的變化，得出提升管沉浸比的變化對氣泡泵連續(xù)提升性能的影響。

圖2 無均流器時不同沉浸比總液體提升量隨提升時間的變化Fig.2 The total liquid lifting capacity of bubble pump changes with time under different immersion ratio without current equalizer

由圖2可知，當(dāng)加熱功率P=450 W時，在提升過程中多次進(jìn)入平緩區(qū)，這是因?yàn)楫?dāng)P較低時，發(fā)生器中產(chǎn)生的氣泡量較少，氣泡泵運(yùn)行狀況不穩(wěn)定，當(dāng)P增大后，這一現(xiàn)象得到明顯改善。當(dāng)P相同時，隨著沉浸比的增加，氣泡泵起始提升時間逐漸延長，如P=1 050 W、H/L=0.3時，起始提升時間為8.28 min；而當(dāng)沉浸比為0.4和0.5時，起始提升時間分別為9.76 min和14.76 min。原因是隨著沉浸比的增加，氣泡發(fā)生器及儲液器中的水的總質(zhì)量也增加，P相同的條件下使水從常溫加熱至沸騰所需的時間延長，同時也使其進(jìn)入穩(wěn)定提升階段的時間延長，所以在氣泡泵工作時間較短的情況下，增加沉浸比會導(dǎo)致氣泡泵提升性能降低。但隨著P不斷增大，不同沉浸比時，起始提升時間差值逐漸減小，當(dāng)P=850 W時，沉浸比為0.3與0.5的起始提升時間差值為9.97 min；而當(dāng)P增大至1 050、1 250、1 450、1 650 W時，起始提升時間差值分別為6.49、3.89、2.00、1.24 min。

由圖2中還可知，當(dāng)P=450、650、850、1 050 W時，無論在何種沉浸比下，隨著P的增大，氣泡泵起始提升時間變短且測量時間內(nèi)氣泡泵總液體提升量m一直增加。若氣泡泵運(yùn)行時間較短，當(dāng)P相同時，隨著沉浸比的增加，m逐漸減小。因?yàn)楫?dāng)P較低時，如P=450 W，測量時間內(nèi)氣泡泵的起始提升時間占比較大，且隨著沉浸比的增加，氣泡泵從啟動時刻達(dá)到穩(wěn)定提升區(qū)需要的時間更長，所以短時間運(yùn)行內(nèi)的m逐漸減小。綜上所述：增加沉浸比不一定能提升氣泡泵的性能，還需考慮氣泡泵的運(yùn)行時間因素。如該實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)P=1 250 W、H/L=0.3時，測量時間內(nèi)的m比P=1 450 W、H/L=0.5時的m大3.04 kg，P=1 450 W、H/L=0.3時的m比P=1 650 W、H/L=0.5時的m大0.27 kg。此外，當(dāng)P較高時，如P=1 450 W，由于起始提升時間以及進(jìn)入穩(wěn)定提升區(qū)的時間均縮短，增大沉浸比可顯著提高氣泡泵的性能。當(dāng)P=1 650 W時，H/L=0.4時的m大于H/L=0.3的m。

根據(jù)圖2可計算每間隔10 s氣泡泵的液體提升質(zhì)量，即氣泡泵提升速率(g/s)，以其最大值為固定工況下最佳提升狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖3所示。

圖3 無均流器時不同沉浸比下氣泡泵提升速率隨加熱功率的變化Fig.3 The liquid lifting rate of bubble pump changes with power under different immersion ratio without current equalizer

由圖3可知，當(dāng)加熱功率P相同時，提升速率隨著沉浸比H/L的增加而增大，與處于長時間工作狀況下的氣泡泵性能結(jié)果相一致，原因是在連續(xù)提升狀態(tài)下，H/L中提升管的管長L不變，H/L變大說明儲液器中液位高度H變大，總循環(huán)動力提高，需要泵送的高度(L-H)即重力壓降也減小，可有效地改善氣泡泵性能。而在氣泡泵較短工作時間內(nèi)，由于H/L的提高，氣泡泵可持續(xù)的最佳提升狀態(tài)時間減少，導(dǎo)致氣泡泵總液體提升量反而降低。

從兩相流理論來分析，在連續(xù)提升過程中，氣泡泵提升速率受重力壓降和摩擦阻力損失的影響。當(dāng)H/L較小時，總循環(huán)動力較小，略大于提升阻力，因此曲線上升趨勢較平緩。當(dāng)H/L增加時，總循環(huán)動力增加，且當(dāng)P較小時，推動力大于提升阻力，因此曲線上升趨勢較明顯。但隨著P的不斷增大，發(fā)生器中產(chǎn)生更多的氣泡，氣液混合物中的含氣率增加，摩擦阻力損失迅速增加，并在上升阻力中起決定性作用，所以液體提升量逐漸減小，這種關(guān)系在兩相流運(yùn)動現(xiàn)象中的表現(xiàn)就是兩相流型經(jīng)歷了泡狀流-彈狀流-塊狀流-環(huán)狀流的變化。因此當(dāng)P達(dá)到一定值時，曲線逐漸趨于平穩(wěn)，甚至?xí)谢芈?。如圖3所示，當(dāng)H/L=0.5時，臨界P=1 450 W。

2.2 有均流器時沉浸比對氣泡泵提升性能的影響

在系統(tǒng)中安裝均流器，選取不同沉浸比(0.4或0.5)，改變加熱功率(450、650、850、1 050、1 250、1 450、1 650 W)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，與無均流器相比，安裝均流器后，氣泡泵整體的提升規(guī)律基本不變。當(dāng)加熱功率較低時(如P=450 W)，仍存在氣泡泵運(yùn)行不穩(wěn)定的狀況。但隨著P的增大，該現(xiàn)象得到很好改善，且在安裝均流器后，氣泡泵提升液體的連續(xù)性得到優(yōu)化。與無均流器時相反，有均流器下當(dāng)P相同時，從P=650 W開始，m隨著沉浸比H/L的增加而增大。原因是安裝均流器后，氣泡發(fā)生器中產(chǎn)生的氣泡能夠更加均勻分配到每根提升管中并使管內(nèi)的提升狀態(tài)趨于穩(wěn)定，縮短了管中兩相流發(fā)展到最佳提升狀態(tài)的時間，相同時間內(nèi)氣泡泵m增加。當(dāng)H/L相同時，在同一P下，安裝均流器后，氣泡泵m也明顯提升，如P=1 050 W、H/L=0.4時，無均流器時m=6.04 kg，有均流器時m=11.66 kg，提高了92.94%。當(dāng)H/L=0.4時，當(dāng)P達(dá)到1 450 W后，隨著P的增大，氣泡泵m并沒有提高，如P=1 450 W時，m=19.38 kg，而當(dāng)P=1 650 W時，m減小為17.40 kg。根據(jù)兩相流理論，當(dāng)P不斷增大時，提升管中兩相流的流型已逐漸從最佳提升狀態(tài)彈狀流轉(zhuǎn)變?yōu)閴K狀流以至環(huán)狀流，阻礙了氣泡泵的提升。因此，當(dāng)H/L=0.4時，該臨界P=1 450 W；當(dāng)H/L=0.5時，該臨界P=1 250 W。

圖4 有均流器時不同沉浸比總液體提升量隨提升時間的變化Fig.4 The total liquid lifting capacity of bubble pump changes with time under different immersion ratio with current equalizer

根據(jù)圖4計算每間隔10 s氣泡泵提升速率(g/s)，以其最大值為固定工況下最佳提升狀態(tài)點(diǎn)進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 有均流器時不同沉浸比下氣泡泵提升速率隨加熱功率的變化Fig.5 The liquid lifting rate of bubble pump changes with power different immersion ratio with current equalizer

由圖5可知，安裝均流器對氣泡泵提升速率的變化并無影響，提升速率隨著加熱功率的增加而增大。有均流器后，與無均流器相比，在相同功率和沉浸比下，提升速率均有顯著提高。如當(dāng)H/L=0.5時，P=450 W，無均流器時提升速率為6 g/s，有均流器后提升速率為6.1 g/s，提高了1.6%。當(dāng)P=1 250 W，無均流器時提升速率為23 g/s，有均流器后提升速率為40.31 g/s，提高了75%。隨著氣泡泵提升性能的提高，臨界P隨之減小，當(dāng)H/L=0.5時，無均流器時臨界P=1 450 W，有均流器后臨界P=1 250 W。原因是有均流器后，發(fā)生器中產(chǎn)生的氣泡能夠均勻地進(jìn)入三根管中，使氣泡泵工作更穩(wěn)定。

2.3 有/無均流器時，不同沉浸比下氣泡泵提升效率對比

有/無均流器時，當(dāng)提升管數(shù)量為3，管內(nèi)徑為10 mm，沉浸比分別為0.4和0.5，計算氣泡泵提升效率η，結(jié)果如圖6所示。

圖6 各功率下不同沉浸比的提升效率對比Fig.6 Contrast of lifting efficiency with different immersion ratio and power

由圖6可知，無論是否有均流器，氣泡泵提升效率η均隨著加熱功率P的增加而先增大后減小。無均流器時，H/L=0.5時氣泡泵η曲線始終在H/L=0.4時η曲線的上方，且H/L=0.4時最大η為P=1 250 W時的6.08%，H/L=0.5時最大η為P=1 450 W時的8.27%。在有均流器時，H/L=0.5時η曲線同樣始終在H/L=0.4時η曲線的上方，且H/L=0.4時最大η為P=1 450 W時的8.88%，H/L=0.5時最大η為P=1 250 W時的11.37%。因此，在一定的實(shí)驗(yàn)工況下，保持其他條件不變，H/L越大，η越高。

由圖6還可知，在其他條件均相同時，有均流器后的η高于無均流器時的η。且與提高沉浸比來增加η對比，有均流器對η的提升效果更明顯，如當(dāng)H/L=0.4時，有均流器后的氣泡泵η曲線各點(diǎn)均在H/L=0.5時無均流器η曲線的上方。由此可見，有均流器能有效改善氣泡泵中氣泡分配不均現(xiàn)象，優(yōu)化氣泡泵運(yùn)行工況，提高連續(xù)性，從而增加氣泡泵η。

3 結(jié)論

為了優(yōu)化氣泡泵的提升性能，本文以帶均流器的多管導(dǎo)流型氣泡泵為研究對象，以水為工質(zhì)，在提升管管長為600 mm，提升管內(nèi)徑為10 mm，提升管數(shù)量為3的裝置下，改變沉浸比(0.3、0.4、0.5)及加熱功率(450～1 650 W)研究氣泡泵連續(xù)提升性能的變化，并在沉浸比(0.4和0.5)同工況下進(jìn)行了有/無均流器氣泡泵連續(xù)提升性能的對比，得出如下結(jié)論：

1)同一加熱功率時，隨著沉浸比的增大，氣泡泵起始提升時間不斷增加。當(dāng)加熱功率增大時，不同沉浸比氣泡泵起始提升時間差值逐漸減小。

2)氣泡泵自啟動后較短工作時間內(nèi)，總液體提升量隨著沉浸比的增大而減小。有均流器時，氣泡泵運(yùn)行狀況更穩(wěn)定，提高了較短工作時間內(nèi)氣泡泵的提升性能。

3)當(dāng)氣泡泵長時間穩(wěn)定工作時，在同一加熱功率下，提升速率隨著沉浸比的增大而增加；在同一沉浸比時，提升速率隨著加熱功率的增大而先增大后減小，且隨著沉浸比的增大，此拐點(diǎn)對應(yīng)的加熱功率逐漸減小。

4)有均流器時，相同加熱功率和沉浸比時，氣泡泵總液體提升量和提升速率均有顯著提高，表明均流器有效改善了氣泡泵的提升性能。

5)當(dāng)氣泡泵處于長時間工作狀態(tài)時，同一加熱功率，氣泡泵提升效率隨著沉浸比的增加而增大。當(dāng)沉浸比相同時，氣泡泵提升效率隨著加熱功率的增大而先增大后減小。

本文受上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(13ZZ117)資助。 (The project was supported by the Research Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission (No. 13ZZ117).)