小型吸收式制冷熱虹吸泵的流態(tài)圖研究

張總輝 楊豐暢 楊洪海 賴思雨 李可可

東華大學環(huán)境科學與工程學院

小型吸收式制冷熱虹吸泵的流態(tài)圖研究

張總輝 楊豐暢 楊洪海 賴思雨 李可可

東華大學環(huán)境科學與工程學院

在小型無泵吸收式制冷循環(huán)中，流型及流態(tài)轉換研究對于考察熱虹吸泵的運行機理及工作性能至關重要。目前，流態(tài)圖是最有效確定熱虹吸泵內流態(tài)的方法。在Samaras流態(tài)圖的基礎上，推導得到了一種適用于制冷系統(tǒng)的新型流態(tài)圖（氣體表觀速度-空泡率），并對影響熱虹吸泵內流態(tài)的因素進行了分析。

吸收式制冷循環(huán) 熱虹吸泵 流型 空泡率

0 引言

小型吸收式制冷系統(tǒng)中，熱虹吸泵可取代溶液泵，具有耗電少、系統(tǒng)穩(wěn)定和低噪音的優(yōu)點，得到了越來越多的重視和研究[1～2]。其工作原理如圖1所示：開始時，提升管中的液體與低位儲液器具有相同的液位高度。加熱提升管，使得管內液體沸騰并產生氣泡，同時攜帶液體提升至高位儲液器。液體上升主要依靠浮升力及氣泡膨脹。一般情況下，提升管內存在下列幾種流態(tài)：泡狀流、彈狀流、攪拌流和環(huán)狀流等。其中，彈狀流有利于氣泡膨脹做功，得到更好的提升效果[1]。流態(tài)研究對于考察熱虹吸泵的運行機理及工作性能至關重要。

圖1 熱虹吸泵原理圖

1 流態(tài)轉換問題及解決方法

以往對熱虹吸泵內流態(tài)的劃分常用某個空泡率值判斷，但各研究者取值不同，如泡狀流-彈狀流轉換，有取0.3[3]，也有取0.1[4]；彈狀流-攪拌流轉換，有取0.7[4]，也有取0.52[5]。目前尚無一種能夠確定流態(tài)變化臨界空泡率的方法。

為了解決上述問題，本文采用Samaras流型圖[6]作為研究方法。Samaras流型圖是在學界廣泛認可的Hewitt-Roberts流態(tài)圖基礎上推導得到的，在彈狀流和攪拌流區(qū)，使用空泡率關聯(lián)式（1）：

式中：ε為空泡率；jg、ji分別為氣液相表觀速度；ρg、ρi分別為氣液相密度；d為管徑；g為重力加速度。

在環(huán)狀流和液束環(huán)狀流區(qū)，Samaras使用式（2）：

通過以上關聯(lián)式可以得到Samaras流態(tài)圖，如圖2虛線所示。從Samaras流態(tài)圖可以看出，流態(tài)發(fā)生轉換時的空泡率隨氣相表觀速度變化。例如，當氣相表觀速度約2m/s時，泡狀流轉化為彈狀流要求空泡率大于0.35；當氣相表觀速度約6m/s時，則要求空泡率大于0.6，泡狀流轉化為彈狀流。通過使用Samaras流態(tài)圖可以有效地對流態(tài)轉換空泡率進行判斷，進而預測熱虹吸泵內流態(tài)變化規(guī)律。此外，這種流態(tài)圖還可用于工程估算空泡率，只要測量了氣相速度并觀察流態(tài)，就可得到兩相流空泡率區(qū)間。例如，當觀察流態(tài)為彈狀流且氣相表觀速度為5m/s時，由圖2可知，兩相流空泡率在0.57～0.68之間；當流態(tài)為環(huán)狀流且氣相表觀速度為9m/s時，兩相流空泡率必然大于0.71。

圖2 基于Dix空泡率修正式的新流態(tài)圖與實驗數(shù)據(jù)的比較（空氣-水，d=40mm，Psys=0.1MPa，20℃）

2 適用于制冷系統(tǒng)的新流態(tài)圖推導

在小型吸收式制冷系統(tǒng)，常用氨水或溴化鋰水溶液作為制冷工質，前者要求系統(tǒng)壓力高于0.4MPa，后者則要求真空度，工質物性及系統(tǒng)壓力對熱虹吸泵內流型均有影響。Samaras所使用的關聯(lián)式未考慮壓力的影響且僅計算了空氣-水的流態(tài)圖，很難應用于制冷系統(tǒng)中。因此，本文使用Dix空泡率修正式（4a）[7]，可以彌補Samaras流型圖的不足。

式中：σ為表面張力；Psys為系統(tǒng)壓力；θ為提升管傾角。

對于小型吸收式制冷系統(tǒng)，提升管通常垂直布置，θ=90，因此，式（4a）可簡化為：

流態(tài)轉換邊界條件下氣、液相速度如式（5）[6]。

泡狀流-彈狀流轉換：

彈狀流-攪拌流轉換：

攪拌流-環(huán)狀流轉換：

聯(lián)立求解式（4b）、（5a）～（5c），可以得到基于Dix空泡率修正式的新型流態(tài)圖（如圖 2實線），與Samaras流態(tài)趨勢及其實驗數(shù)據(jù)吻合較好。

從Dix修正公式可以看出，空泡率受工質物性（如氣液相密度、表面張力和混合工質濃度）、幾何參數(shù)（如管徑和傾斜角度）及運行參數(shù)（如氣液相表觀速度、系統(tǒng)壓力和溫度）的綜合影響。對于吸收式制冷用的熱虹吸泵，常采用溴化鋰-水、氨水。因此，本文分別繪制流態(tài)圖，并分析比較。

3 制冷系統(tǒng)流態(tài)圖繪制及分析

選取氨水（50%濃度）、溴化鋰-水（50%濃度），計算得到的流態(tài)圖如3～5所示。研究發(fā)現(xiàn)：

1）對應不同工質，流態(tài)轉換規(guī)律相似，但空泡率大小有差異。

2）管徑增大，流態(tài)轉換空泡率降低，所需的實際氣體流速增大。

3）隨著系統(tǒng)壓力升高，流態(tài)轉換線呈上揚趨勢。這是由于壓力項以指數(shù)形式影響空泡率，導致空泡率受壓力影響較大。此外，可以發(fā)現(xiàn)隨著壓力升高，系統(tǒng)壓力對空泡率影響逐漸減小。

4）流態(tài)轉換受濃度影響較小。這是由于定壓條件下，改變濃度主要影響液相密度和表面張力，對氣相密度影響很小，并且在Dix公式中密度項和表面張力項指數(shù)較小，對空泡率影響也較小。

圖3 三種工質的流速-空泡率流態(tài)圖對比（d=40mm）

圖4 不同管徑下的流速-空泡率流態(tài)圖（50%氨水,Psys=0.4MPa,d=40mm）

圖5 不同壓力下的流速-空泡率流態(tài)圖（50%氨水，d=40mm）

4 結論

1）使用Dix空泡率關聯(lián)式，繪制氨水及溴化鋰水溶液的流態(tài)圖，為判斷吸收式制冷中熱虹吸泵的流態(tài)和空泡率提供了新方法。

2）熱虹吸泵內流型受多種因素的影響，受系統(tǒng)壓力及管徑影響較大，受濃度的影響較小。對應不同工質，流態(tài)轉換規(guī)律相似，但空泡率大小有差異。在進行熱虹吸泵設計時，需考慮不同因素對流態(tài)綜合影響。

3）熱虹吸泵的研究，可適當借鑒空氣提升泵的結果，但熱虹吸泵的實際運行過程更加復雜，伴隨熱量交換、沸騰及冷凝等過程，有必要對其內部流動規(guī)律及傳熱機理等深入研究，為其在小型太陽能吸收式制冷空調系統(tǒng)中的應用提供更直接有效的理論基礎。

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Ne w Tw o-pha s e Flow Re gim e Ma ps of The rm os yphon Applie d for Abs orption Re frige ra tion Cyc le s

ZHANG Zong-hui,YANG Feng-chang,YANG Hong-hai,LAI Si-yu,LI Ke-ke
School of Environmental Science and Engineering Shanghai,Donghua University

Studies on flow patterns and transactions were key issues to investigate the characteristics and performance of thermosyphon(bubble pump)operated in diffusion-absorption refrigeration system.At present,the flow regime maps were the most effective method to determine the flow pattern in thermosyphon.On the basis of traditional flow regime map,a new flow regime map(vapor superficial velocity versus void fraction)for refrigeration system was built by using void fraction correlation.In the meantime,different factors influenced the flow patterns in thermosyhon were analyzed.

absorption refrigeration cycles;thermosyphon;flow regimes;void fraction.

1003-0344（2015）01-062-3

2013-10-18

楊洪海（1968～）女，博士，副教授；上海市松江區(qū)人民北路2999號東華大學環(huán)境學院3163（201620）；E-mail:yhh@dhu.edu.cn

上海市自然科學基金（No.13ZR1401100）