劉思琪 楊洪海 段文利 蔡韞宣 蘇云飛

東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

0 引言

氣泡泵是太陽能無泵吸收式制冷的核心部件，用于取代傳統(tǒng)機(jī)械泵將濃溶液從低位發(fā)生器提升到高位的氣液分離器，使溶液獲得足以克服系統(tǒng)阻力的位能，在各部件中循環(huán)[1-4]。氣泡泵不僅可以利用低品位熱源，還具有耗電低，運(yùn)行穩(wěn)定，低噪音的優(yōu)點(diǎn)[5]。因此，氣泡泵的研究受到了國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

氣泡泵按照加熱方式的不同分為底部加熱和沿程加熱兩種[6]。目前，國內(nèi)外學(xué)者對底部加熱式氣泡泵研究較多，而對沿程加熱式氣泡泵研究較少。Ratter 和Garimella 用逆流套管式沿程加熱氣泡泵，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，套管內(nèi)加熱流體最低溫度約比沸騰溫度僅高11 ℃[7]。葉志秦等[8]搭建了一套沿程加熱氣泡泵實(shí)驗(yàn)裝置，研究了加熱功率、沉浸比對氣泡泵提升性能的影響。高洪濤[9]等對兩級溴化鋰氣泡泵的啟動(dòng)時(shí)間進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。本文在課題組前期研究工作基礎(chǔ)上[7，10]，以水為工質(zhì)，重點(diǎn)研究沿程加熱氣泡泵的啟動(dòng)性能及影響因素。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示，工作過程如下：提升管中的工質(zhì)被加熱至沸騰，產(chǎn)生大量氣泡，提升管內(nèi)的液體工質(zhì)在氣泡的攜帶作用與熱虹吸作用下被提升到氣液分離器，蒸汽被分離至冷凝器，液體工質(zhì)則回流到高位儲液器，進(jìn)入冷凝器的蒸汽被冷盤管冷凝成液體后流到高位儲液器，高位儲液器的工質(zhì)再流回低位儲液器，完成一個(gè)循環(huán)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

提升管采用三根內(nèi)徑為8 mm，長度為1.2 m 的不銹鋼管并聯(lián)，每根提升管采用一根長2 m，功率為250 W 的玻璃纖維加熱帶加熱，加熱功率由調(diào)壓器和電子功率計(jì)控制。實(shí)驗(yàn)裝置采用保溫棉和玻璃纖維作保溫處理。需要測量的參數(shù)測量儀器規(guī)格如表1 所示。

表1 測量儀器規(guī)格

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

通過調(diào)壓器控制加熱功率0～700 W。提升管長度L 保持不變，通過調(diào)節(jié)儲液桶中液位H 控制沉浸高度。利用小型真空泵改變系統(tǒng)壓力，20～100 kPa。通過預(yù)加熱盤管和恒溫伴熱帶控制低位儲液桶溫度來控制入口工質(zhì)溫度。氣泡泵液體提升量通過科式質(zhì)量流量計(jì)連續(xù)測量，提升管進(jìn)出口壓力與溫度通過布置在提升管進(jìn)出口的壓力傳感器與熱電阻連續(xù)測量記錄。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 氣泡泵啟動(dòng)特性

圖2 與圖3 中分別為同一啟動(dòng)工況下正常啟動(dòng)的提升液體流量曲線和提升管出口溫度曲線。由此，將啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行分為三個(gè)階段，第一階段管內(nèi)工質(zhì)溫度迅速攀升，在壁面位置開始有氣泡產(chǎn)生，但不足以克服阻力泵起，液體提升量為零，這一階段為延遲階段。第二階段隨著管內(nèi)工質(zhì)溫度不斷升高，蒸汽產(chǎn)生量不斷增加，產(chǎn)生的大量氣泡聚集合形成氣彈，足以克服阻力泵起，液體提升量從無到有且不斷增大，這一階段是過渡階段。第三階段提升管內(nèi)工質(zhì)溫度不再大幅升高，開始趨于穩(wěn)定，提升管蒸汽產(chǎn)量穩(wěn)定，同時(shí)提升液體量不再增加，而是圍繞一個(gè)平均值在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，這一階段為穩(wěn)定階段。泵起時(shí)間是指氣泡泵在一定條件下從靜止?fàn)顟B(tài)到泵起運(yùn)行狀態(tài)所需時(shí)間。從開始加熱到穩(wěn)定階段所需時(shí)間定義為啟動(dòng)時(shí)間Tst，將延遲階段所需時(shí)間定義為延遲時(shí)間Tde。

圖2 中未能正常啟動(dòng)時(shí)的提升液體質(zhì)量流量曲線，當(dāng)加熱功率為140 W 時(shí)，氣泡泵雖然有數(shù)次泵起，但是大部分時(shí)間處于斷流狀態(tài)，氣泡泵未能泵起。定義一個(gè)最低啟動(dòng)功率Qst，該功率是指氣泡泵存在一個(gè)臨界熱負(fù)荷，只有當(dāng)加熱負(fù)荷大于或等于這個(gè)臨界熱負(fù)荷時(shí)，提升管內(nèi)流體的含氣量和干度才能到達(dá)一定水平，氣泡的推送作用與驅(qū)動(dòng)壓頭足以克服液相重力和工質(zhì)流動(dòng)阻力將液體穩(wěn)定連續(xù)提升到氣液分離器。

圖2 啟動(dòng)工況下提升液體質(zhì)量流量曲線

圖3 啟動(dòng)工況下提升管出口溫度曲線

2.2 系統(tǒng)初壓力對啟動(dòng)性能的影響

設(shè)定提升管入口工質(zhì)溫度為20 ℃，浸沒高度為66 mm，加熱功率分別為400 W、500 W、600 W，研究系統(tǒng)初壓力對啟動(dòng)性能的影響。

圖4 系統(tǒng)初壓力對提升管啟動(dòng)時(shí)間的影響

圖5 系統(tǒng)初壓力對提升管出口溫度的影響

圖4 為啟動(dòng)時(shí)間隨系統(tǒng)初壓力的變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)延遲時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)間都隨系統(tǒng)初壓力的減小而減小。這主要是因?yàn)橄到y(tǒng)初壓力越低，工質(zhì)飽和溫度越低，在相同的加熱功率之下，壁面上活化點(diǎn)處的工質(zhì)更容易達(dá)到飽和溫度并過熱從而產(chǎn)生氣泡，氣泡更容易脫離壁面并聚合成氣彈攜帶液體上升，從而氣泡泵能夠更快啟動(dòng)。從圖5 系統(tǒng)初壓力對提升管出口溫度的影響也可以發(fā)現(xiàn)，隨著系統(tǒng)初壓力的降低，提升管出口溫度開始攀升的時(shí)間越早，工質(zhì)溫升的速度越快，同時(shí)提升管出口溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也越早。

系統(tǒng)初壓力對最低啟動(dòng)功率的影響如圖6 所示，系統(tǒng)初壓力從100 kPa 減少至20 kPa 時(shí)，最低啟動(dòng)功率從280 W 減少至120 W，最低啟動(dòng)功率隨著系統(tǒng)初壓力減小而減小，且減小的速率也不斷增大，這說明系統(tǒng)初壓力越低，泵起越容易。

圖6 系統(tǒng)初壓力對最低啟動(dòng)功率的影響

2.3 浸沒高度對啟動(dòng)性能的影響

設(shè)定提升管入口工質(zhì)溫度為20 ℃，系統(tǒng)初壓力為40 kPa，加熱功率分別為400 W、500 W、600 W，研究沉浸高度對啟動(dòng)性能的影響。

啟動(dòng)時(shí)間隨沉浸高度變化曲線如圖7 所示。延遲時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)間都隨沉浸高度的增大而減小。從圖8可知：沉浸高度對于提升管出口溫度的影響很小，沉浸高度不會影響提升管內(nèi)工質(zhì)溫度的升高與氣泡產(chǎn)生。這是因?yàn)閷τ谘爻碳訜釟馀荼?，提升管被均勻加熱，提升管?nèi)工質(zhì)溫升與氣泡產(chǎn)生速度相同。沉浸高度對啟動(dòng)性能的影響主要是：沉浸高度越高，氣泡泵凈提升高度減小，重力壓降減小，較小的蒸汽產(chǎn)生量便足以泵起。同時(shí)沉浸高度越高，氣泡泵的驅(qū)動(dòng)壓頭越大，液體更容易被泵起。

沉浸高度對最低啟動(dòng)功率的影響如圖9 所示，最低啟動(dòng)功率隨著沉浸高度的增加而減小。當(dāng)沉浸高度較低時(shí)（58～74 mm），隨著沉浸高度增加，最低啟動(dòng)功率明顯降低（從260 W 降到140 W），繼續(xù)增加沉浸高度，下降趨勢變緩。

圖7 沉浸高度對啟動(dòng)時(shí)間的影響

圖8 沉浸高度對提升管出口溫度的影響

圖9 沉浸高度對最低啟動(dòng)功率的影響

2.4 提升管入口工質(zhì)溫度對啟動(dòng)性能的影響

設(shè)定提升管沉浸高度保持為66 mm，系統(tǒng)初壓力保持為40 kPa，加熱功率分別為400 W、500 W、600 W，研究升管入口工質(zhì)溫度對啟動(dòng)性能的影響。

啟動(dòng)時(shí)間隨提升管入口工質(zhì)溫度的變化曲線如圖10 所示。隨著提升管入口工質(zhì)溫度的升高，啟動(dòng)時(shí)間和延遲時(shí)間都減少，且減少的趨勢逐漸變緩。當(dāng)入口溫度超過30 ℃時(shí)，后面一個(gè)因素的抑制作用減小，對啟動(dòng)延遲時(shí)間的影響減少。從圖11 可以看出，入口溫度越高，進(jìn)入過渡階段與穩(wěn)定階段的時(shí)間越早，穩(wěn)定階段提升管出口溫度也越高。這是因?yàn)?，系統(tǒng)壓力和加熱量一定時(shí)，提升管入口溫度越低，與飽和溫度的溫差越大，工質(zhì)被加熱到飽和并產(chǎn)生氣泡所需時(shí)間越長，氣泡產(chǎn)生量越少。同時(shí)由于主流區(qū)溫度越低，氣泡容易冷凝湮滅，難以聚合成氣彈提升液體。

圖10 提升管入口工質(zhì)溫度對啟動(dòng)時(shí)間的影響

圖11 提升管入口溫度對提升管出口溫度的影響

2.5 加熱功率對啟動(dòng)性能的影響

設(shè)定提升管入口工質(zhì)溫度為20 ℃，浸沒高度為66 mm，系統(tǒng)初壓力分別為為20 kPa、40 kPa、60 kPa，研究加熱功率對啟動(dòng)性能的影響。

圖13 加熱功率對啟動(dòng)時(shí)間的影響

圖14 加熱功率對提升管出口工質(zhì)溫度的影響

啟動(dòng)時(shí)間隨加熱功率的變化曲線如圖13 所示。延遲時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)間隨加熱功率的升高而減小。這是因?yàn)殡S著加熱功率的增加，液體從過冷狀態(tài)加熱到飽和狀態(tài)所需時(shí)間越短，產(chǎn)生蒸汽量越多，能在較短的時(shí)間內(nèi)將管內(nèi)流體提升到氣液分離器。從圖14 可以看出，加熱功率越高，提升管內(nèi)流體溫度攀升越快，達(dá)到過度階段與穩(wěn)定階段時(shí)間越短，同時(shí)穩(wěn)定溫度越高。

3 結(jié)論

1）當(dāng)加熱功率過低時(shí)，氣泡泵雖然有數(shù)次泵起，但是大部分時(shí)間處于斷流狀態(tài)，氣泡泵不能正常啟動(dòng)，氣泡泵存在一個(gè)最低啟動(dòng)功率。隨著加熱功率的增加，延遲時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)間減少，提升管內(nèi)流體溫度攀升越快，穩(wěn)定溫度越高。

2）氣泡泵正常啟動(dòng)分為三個(gè)階段，延遲階段：提升管內(nèi)流體溫度迅速攀升，但沒有泵起。過度階段：流體溫度不斷升高，產(chǎn)生大量氣泡將液體提升至氣液分離器，且流量不斷增大。穩(wěn)定階段：流體溫度趨于穩(wěn)定，提升液體流量圍繞一個(gè)值開始波動(dòng)，不再大幅增加。

3）隨著系統(tǒng)初壓力的降低，氣泡泵的延遲時(shí)間、啟動(dòng)時(shí)間與最低啟動(dòng)功率都減少，提升管出口溫度溫升速度越快，且系統(tǒng)初壓力越低，泵起越容易。

4）延遲時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)間隨沉浸高度的增加而減小，沉浸高度對于提升管出口溫度影響很小。當(dāng)沉浸高度較低時(shí)，隨著沉浸高度增加，最低啟動(dòng)功率明顯降低，繼續(xù)增加沉浸高度，下降趨勢變緩。

5）延遲時(shí)間和啟動(dòng)時(shí)間隨提升管入口工質(zhì)溫度增大而減小，當(dāng)提升管入口工質(zhì)溫度大于30 ℃時(shí)，對啟動(dòng)延遲時(shí)間的影響減少。