沉浸比对均流式多管导流型气泡泵性能的影响

(上海理工大学能源与动力工程学院 新能源科学与工程研究所 上海 200093)

单压吸收式制冷采用气泡泵代替机械泵，可利用太阳能等低品位能源来驱动整个系统，大大减少了对高品位电能的消耗，具有十分广阔的应用前景[1]。气泡泵作为单压吸收制冷系统的核心部件，为整个系统的溶液循环提供动力。因此，气泡泵性能的分析及优化是提高单压吸收制冷系统效率的研究重点[2-4]。

目前，国内外学者对于气泡泵的实验研究主要集中在加热功率、沉浸比、竖直提升管内径以及提升管数量对气泡泵提升性能的影响。S. V. Shelton等[5]建立了气泡泵的数学模型，研究了加热功率、提升管内径、沉浸比对气泡泵提升性能的影响。L. Schcefer等[3]在文献[5]的基础上，研究了管内径、沉浸比、液体提升量和加热功率之间的关系。王汝金等[6]研究了气泡泵提升管内径、加热功率以及沉浸比与气泡泵提升效率之间的关系。G. Vicatos等[7]为提高扩散-吸收式制冷剂的制冷量，使用多管式气泡泵增加工质流量以研究提升管数量的增加对制冷机性能的影响。贾阳涛等[8]设计了一台使用双提升管结构且精馏器上多处设置阻流坑的扩散吸收制冷装置，实验研究了不同氨水充注浓度、不同充氢压力、不同加热功率对制冷系统的影响。B. Gurevich等[9]研究了多管式气泡泵的性能。徐煌栋等[10]搭建了多管导流式气泡泵实验台，实验结果表明：采用多管的气泡泵和采用单管的气泡泵相比，提升管数量的倍增，并不会带来提升量和提升效率呈相应倍数的增加。

本文以带均流器的多管导流型气泡泵为研究对象，以水为工质，在不同加热功率下改变提升管沉浸比研究气泡泵连续提升性能的变化，并与相同工况下无均流器时的气泡泵连续提升性能进行对比，以期改善多管导流型气泡泵提升过程中气泡分配不均现象，从而提高气泡泵连续提升性能。

1 实验部分

1.1 实验装置

杨未[11]指出，采用45°锥形导流结构的气泡泵具有较好的性能提升效果。本实验以水为工质，运行压力为当地大气压，实验装置如图1所示。

1气泡发生器；2电加热装置；3多管导流器；4竖直提升管；5气液分离器；6补液箱；7阀门；8液位调节器；9储液器；10均流器。图1 实验装置Fig.1 The experiment device

实验装置主要由气泡发生器、多管导流器、竖直提升管、补液箱、储液器及均流器组成。提升管中液位高度H与提升管管长L的比值即为沉浸比。在气泡发生器中，工质水受电加热装置加热达到发生压力下的饱和温度沸腾产生气泡，再经过均流器均匀分配后进入竖直提升管将工质水提升至气液分离器。气液分离器中被提升出的液体从左侧出口流至称量装置，蒸气则流入补液箱。补液箱由阀门进行控制，并联合液位调节器调节储液器中液位高度，使气泡泵稳定在设定沉浸比。其中竖直提升管采用透明玻璃材质，其余部分均为不锈钢材料。电加热器选用额定功率为2.5 kW的环形加热管。由于气泡泵中气液两相流的不稳定，无法采用液体流量计进行准确测量，所以采用从排液口取样的方法对其进行称重测量。为减少漏热损失，整个装置包有隔热材料。

1.2 实验方法

实验中提升管管长为600 mm，提升管内径为10 mm，提升管数量为3，均流器网孔为边长0.6 mm的正方形，安装在电加热装置上端32 mm处，沉浸比选取0.3、0.4和0.5，电加热功率分别选取450、650、850、1 050、1 250、1 450、1 650 W。采用控制变量法研究不同沉浸比对气泡泵连续提升性能的影响。在无均流器工况下，将水注入系统中，调节液位控制器使系统达到所需沉浸比。接通电控箱，调节控制开关达到所需工况。电控箱调整完毕以秒表开始计时，当称重天平出现读数时记为该工况下气泡泵提升起始点。之后每间隔10 s记录一次数据，共计录150个数据点。一组实验完成后，关闭电控箱，将实验装置内热水放出并用冷水冷却。待装置冷却后，改变沉浸比或改变加热功率重复实验。装上均流器，相同工况下再次进行实验。

1.3 性能评价

在测量时间内，根据气泡泵总液体提升量(m)分析沉浸比对其连续提升性能的影响，并根据每间隔10 s内的总液体提升量计算该时段内单位时间液体提升量(即提升速率)，以其中最大值为该工况下最佳提升状态点并与其它工况进行对比分析。计算气泡泵的输出功率与输入加热功率的比值，得到气泡泵提升效率：

η=(P1/P)×100%=(msgh/1 000P)×100%

(1)

式中：η为气泡泵的提升效率,%；P为加热气泡泵内液体所输入的加热功率，W;P1为气泡泵输出功率，W;ms为单位时间液体提升量，g/s；g为当地重力加速度，m/s2；h为液体提升高度，m。

2 实验结果与分析

2.1 无均流器时沉浸比对气泡泵提升性能的影响

当无均流器时，选取不同工况进行实验，研究沉浸比对气泡泵提升性能的影响。图2所示为不同加热功率时，不同沉浸比下气泡泵总液体提升量随提升时间的变化，得出提升管沉浸比的变化对气泡泵连续提升性能的影响。

图2 无均流器时不同沉浸比总液体提升量随提升时间的变化Fig.2 The total liquid lifting capacity of bubble pump changes with time under different immersion ratio without current equalizer

由图2可知，当加热功率P=450 W时，在提升过程中多次进入平缓区，这是因为当P较低时，发生器中产生的气泡量较少，气泡泵运行状况不稳定，当P增大后，这一现象得到明显改善。当P相同时，随着沉浸比的增加，气泡泵起始提升时间逐渐延长，如P=1 050 W、H/L=0.3时，起始提升时间为8.28 min；而当沉浸比为0.4和0.5时，起始提升时间分别为9.76 min和14.76 min。原因是随着沉浸比的增加，气泡发生器及储液器中的水的总质量也增加，P相同的条件下使水从常温加热至沸腾所需的时间延长，同时也使其进入稳定提升阶段的时间延长，所以在气泡泵工作时间较短的情况下，增加沉浸比会导致气泡泵提升性能降低。但随着P不断增大，不同沉浸比时，起始提升时间差值逐渐减小，当P=850 W时，沉浸比为0.3与0.5的起始提升时间差值为9.97 min；而当P增大至1 050、1 250、1 450、1 650 W时，起始提升时间差值分别为6.49、3.89、2.00、1.24 min。

由图2中还可知，当P=450、650、850、1 050 W时，无论在何种沉浸比下，随着P的增大，气泡泵起始提升时间变短且测量时间内气泡泵总液体提升量m一直增加。若气泡泵运行时间较短，当P相同时，随着沉浸比的增加，m逐渐减小。因为当P较低时，如P=450 W，测量时间内气泡泵的起始提升时间占比较大，且随着沉浸比的增加，气泡泵从启动时刻达到稳定提升区需要的时间更长，所以短时间运行内的m逐渐减小。综上所述：增加沉浸比不一定能提升气泡泵的性能，还需考虑气泡泵的运行时间因素。如该实验中，当P=1 250 W、H/L=0.3时，测量时间内的m比P=1 450 W、H/L=0.5时的m大3.04 kg，P=1 450 W、H/L=0.3时的m比P=1 650 W、H/L=0.5时的m大0.27 kg。此外，当P较高时，如P=1 450 W，由于起始提升时间以及进入稳定提升区的时间均缩短，增大沉浸比可显著提高气泡泵的性能。当P=1 650 W时，H/L=0.4时的m大于H/L=0.3的m。

根据图2可计算每间隔10 s气泡泵的液体提升质量，即气泡泵提升速率(g/s)，以其最大值为固定工况下最佳提升状态点进行对比，结果如图3所示。

图3 无均流器时不同沉浸比下气泡泵提升速率随加热功率的变化Fig.3 The liquid lifting rate of bubble pump changes with power under different immersion ratio without current equalizer

由图3可知，当加热功率P相同时，提升速率随着沉浸比H/L的增加而增大，与处于长时间工作状况下的气泡泵性能结果相一致，原因是在连续提升状态下，H/L中提升管的管长L不变，H/L变大说明储液器中液位高度H变大，总循环动力提高，需要泵送的高度(L-H)即重力压降也减小，可有效地改善气泡泵性能。而在气泡泵较短工作时间内，由于H/L的提高，气泡泵可持续的最佳提升状态时间减少，导致气泡泵总液体提升量反而降低。

从两相流理论来分析，在连续提升过程中，气泡泵提升速率受重力压降和摩擦阻力损失的影响。当H/L较小时，总循环动力较小，略大于提升阻力，因此曲线上升趋势较平缓。当H/L增加时，总循环动力增加，且当P较小时，推动力大于提升阻力，因此曲线上升趋势较明显。但随着P的不断增大，发生器中产生更多的气泡，气液混合物中的含气率增加，摩擦阻力损失迅速增加，并在上升阻力中起决定性作用，所以液体提升量逐渐减小，这种关系在两相流运动现象中的表现就是两相流型经历了泡状流-弹状流-块状流-环状流的变化。因此当P达到一定值时，曲线逐渐趋于平稳，甚至会有回落。如图3所示，当H/L=0.5时，临界P=1 450 W。

2.2 有均流器时沉浸比对气泡泵提升性能的影响

在系统中安装均流器，选取不同沉浸比(0.4或0.5)，改变加热功率(450、650、850、1 050、1 250、1 450、1 650 W)进行实验研究，结果如图4所示。

由图4可知，与无均流器相比，安装均流器后，气泡泵整体的提升规律基本不变。当加热功率较低时(如P=450 W)，仍存在气泡泵运行不稳定的状况。但随着P的增大，该现象得到很好改善，且在安装均流器后，气泡泵提升液体的连续性得到优化。与无均流器时相反，有均流器下当P相同时，从P=650 W开始，m随着沉浸比H/L的增加而增大。原因是安装均流器后，气泡发生器中产生的气泡能够更加均匀分配到每根提升管中并使管内的提升状态趋于稳定，缩短了管中两相流发展到最佳提升状态的时间，相同时间内气泡泵m增加。当H/L相同时，在同一P下，安装均流器后，气泡泵m也明显提升，如P=1 050 W、H/L=0.4时，无均流器时m=6.04 kg，有均流器时m=11.66 kg，提高了92.94%。当H/L=0.4时，当P达到1 450 W后，随着P的增大，气泡泵m并没有提高，如P=1 450 W时，m=19.38 kg，而当P=1 650 W时，m减小为17.40 kg。根据两相流理论，当P不断增大时，提升管中两相流的流型已逐渐从最佳提升状态弹状流转变为块状流以至环状流，阻碍了气泡泵的提升。因此，当H/L=0.4时，该临界P=1 450 W；当H/L=0.5时，该临界P=1 250 W。

图4 有均流器时不同沉浸比总液体提升量随提升时间的变化Fig.4 The total liquid lifting capacity of bubble pump changes with time under different immersion ratio with current equalizer

根据图4计算每间隔10 s气泡泵提升速率(g/s)，以其最大值为固定工况下最佳提升状态点进行对比分析，结果如图5所示。

图5 有均流器时不同沉浸比下气泡泵提升速率随加热功率的变化Fig.5 The liquid lifting rate of bubble pump changes with power different immersion ratio with current equalizer

由图5可知，安装均流器对气泡泵提升速率的变化并无影响，提升速率随着加热功率的增加而增大。有均流器后，与无均流器相比，在相同功率和沉浸比下，提升速率均有显著提高。如当H/L=0.5时，P=450 W，无均流器时提升速率为6 g/s，有均流器后提升速率为6.1 g/s，提高了1.6%。当P=1 250 W，无均流器时提升速率为23 g/s，有均流器后提升速率为40.31 g/s，提高了75%。随着气泡泵提升性能的提高，临界P随之减小，当H/L=0.5时，无均流器时临界P=1 450 W，有均流器后临界P=1 250 W。原因是有均流器后，发生器中产生的气泡能够均匀地进入三根管中，使气泡泵工作更稳定。

2.3 有/无均流器时，不同沉浸比下气泡泵提升效率对比

有/无均流器时，当提升管数量为3，管内径为10 mm，沉浸比分别为0.4和0.5，计算气泡泵提升效率η，结果如图6所示。

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

由图6可知，无论是否有均流器，气泡泵提升效率η均随着加热功率P的增加而先增大后减小。无均流器时，H/L=0.5时气泡泵η曲线始终在H/L=0.4时η曲线的上方，且H/L=0.4时最大η为P=1 250 W时的6.08%，H/L=0.5时最大η为P=1 450 W时的8.27%。在有均流器时，H/L=0.5时η曲线同样始终在H/L=0.4时η曲线的上方，且H/L=0.4时最大η为P=1 450 W时的8.88%，H/L=0.5时最大η为P=1 250 W时的11.37%。因此，在一定的实验工况下，保持其他条件不变，H/L越大，η越高。

由图6还可知，在其他条件均相同时，有均流器后的η高于无均流器时的η。且与提高沉浸比来增加η对比，有均流器对η的提升效果更明显，如当H/L=0.4时，有均流器后的气泡泵η曲线各点均在H/L=0.5时无均流器η曲线的上方。由此可见，有均流器能有效改善气泡泵中气泡分配不均现象，优化气泡泵运行工况，提高连续性，从而增加气泡泵η。

3 结论

为了优化气泡泵的提升性能，本文以带均流器的多管导流型气泡泵为研究对象，以水为工质，在提升管管长为600 mm，提升管内径为10 mm，提升管数量为3的装置下，改变沉浸比(0.3、0.4、0.5)及加热功率(450～1 650 W)研究气泡泵连续提升性能的变化，并在沉浸比(0.4和0.5)同工况下进行了有/无均流器气泡泵连续提升性能的对比，得出如下结论：

1)同一加热功率时，随着沉浸比的增大，气泡泵起始提升时间不断增加。当加热功率增大时，不同沉浸比气泡泵起始提升时间差值逐渐减小。

2)气泡泵自启动后较短工作时间内，总液体提升量随着沉浸比的增大而减小。有均流器时，气泡泵运行状况更稳定，提高了较短工作时间内气泡泵的提升性能。

3)当气泡泵长时间稳定工作时，在同一加热功率下，提升速率随着沉浸比的增大而增加；在同一沉浸比时，提升速率随着加热功率的增大而先增大后减小，且随着沉浸比的增大，此拐点对应的加热功率逐渐减小。

4)有均流器时，相同加热功率和沉浸比时，气泡泵总液体提升量和提升速率均有显著提高，表明均流器有效改善了气泡泵的提升性能。

5)当气泡泵处于长时间工作状态时，同一加热功率，气泡泵提升效率随着沉浸比的增加而增大。当沉浸比相同时，气泡泵提升效率随着加热功率的增大而先增大后减小。

本文受上海市教育委员会科研创新项目(13ZZ117)资助。 (The project was supported by the Research Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission (No. 13ZZ117).)