沿程加熱虹吸泵提升性能的試驗研究

葉志秦，楊洪海，張總輝，王 欣

(東華大學(xué)，上海 201620)

沿程加熱虹吸泵提升性能的試驗研究

葉志秦，楊洪海，張總輝，王 欣

(東華大學(xué)，上海 201620)

搭建了帶沿程加熱虹吸泵的試驗裝置，其中提升管長1000 mm，提升管徑為10 mm。以水為工質(zhì)，加熱功率為500～800 W，沉浸比為0.6～0.8，系統(tǒng)初始壓力為10～101 kPa，入口過冷度為25～40 ℃，研究了在這些工況下熱虹吸泵的性能。結(jié)果表明，液體提升量和提升效率均隨著加熱功率的增加而增加，且當(dāng)加熱功率大于700 W時，提升量的增加速率下降；沉浸比越大，熱虹吸泵的提升性能越好；入口過冷度越小，液體提升量越大，但提升效率越低；液體提升量與提升效率均與系統(tǒng)的初始壓力呈負(fù)相關(guān)。

熱虹吸泵；提升效率；沿程加熱；沉浸比

1 前言

太陽能無泵吸收式制冷系統(tǒng)的主要特點是用熱虹吸泵(又稱氣泡泵)取代機(jī)械泵將濃溶液從較低位置的發(fā)生器提升到較高位置的氣液分離器，使之獲得足以克服系統(tǒng)阻力的位能，實現(xiàn)制冷系統(tǒng)中的溶液循環(huán)。熱虹吸泵是小型太陽能吸收式制冷機(jī)的核心部件，起到再生器和機(jī)械泵的作用，使溶液實現(xiàn)無泵循環(huán)。它具有無活動部件、系統(tǒng)穩(wěn)定、噪聲低的特點，而且運行無需電能，在冷卻系統(tǒng)及太陽能吸收式制冷系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。

熱虹吸泵有底部加熱和沿程加熱兩種方式。在底部加熱工況下，熱虹吸泵的氣泡在底部的發(fā)生器生成，氣泡與液體工質(zhì)在上升過程中形成氣液兩相流，最終被提升至氣液分離器，工質(zhì)在提升管內(nèi)上升的過程中，流態(tài)不發(fā)生變化。而在沿程加熱工況下，熱虹吸泵內(nèi)的循環(huán)工質(zhì)被均勻加熱，工質(zhì)在上升過程中沸騰產(chǎn)生氣體，形成氣液兩相流被提升至氣液分離器，工質(zhì)在提升管內(nèi)上升的過程中流態(tài)發(fā)生了變化。因此，相比于底部加熱，沿程加熱工況下，工質(zhì)在提升管內(nèi)的流態(tài)更加復(fù)雜。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對底部加熱虹吸泵研究較多，對沿程加熱虹吸泵的研究相對較少。在底部加熱工況下，Zohar等研究了氨水濃度對熱虹吸泵性能的影響[1,2]；Ezzine等以C4H10/C9H20為工質(zhì)，惰性氣體為平衡劑，研究表明當(dāng)熱負(fù)荷從170 W變化到350 W時，對應(yīng)驅(qū)動溫度在120～150 ℃間波動[3]；劉道平等以氨水為工質(zhì)研究了系統(tǒng)初始壓力、沉浸比、加熱功率與氣泡泵提升性能的曲線關(guān)系，同時對熱虹吸泵的截面做了改進(jìn)[4～6]；王勤等以R134a-DMF溶液為工質(zhì)，研究了不同工質(zhì)濃度對熱虹吸泵提升性能的影響[7]；高洪濤等將兩級氣泡泵與溴化鋰制冷系統(tǒng)耦合設(shè)計，研究加熱功率和工質(zhì)濃度對系統(tǒng)性能系數(shù)的影響[8]。在沿程加熱工況下，Bourseau等以氨水為工質(zhì)進(jìn)行了試驗研究[9]；Braun等用沿程加熱式虹吸泵替代傳統(tǒng)熱虹吸泵對擴(kuò)散吸收式熱泵進(jìn)行改進(jìn)[10]；鄭宏飛等以水-溴化鋰為工質(zhì)，研究了弦月形通道下，運行溫度、系統(tǒng)壓力與溶液提升量和冷劑水產(chǎn)量的關(guān)系[11]；尹世永在三角形通道下，通過試驗研究得出了熱虹吸泵的工作特性與運行溫度、液位高度以及真空度之間的關(guān)系[12]。

本文以水為工質(zhì)，在圓形通道沿程加熱的工況下，研究加熱功率為500，600，700，800 W，沉浸比分別為0.6，0.7，0.8，入口過冷度分別為25，30，35，40 ℃，系統(tǒng)初始壓力分別為10，20，30和101 kPa條件下熱虹吸泵的提升性能。

2 試驗裝置與試驗步驟

2.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置原理示意

試驗裝置的工作原理如下：循環(huán)工質(zhì)在提升管中被沿程加熱，隨著溫度的升高，提升管(熱虹吸泵)中的工質(zhì)開始蒸發(fā)沸騰，產(chǎn)生大量氣泡，最后氣泡與液體工質(zhì)被提升到氣液分離器，氣體被分離至冷凝器，液體則回流到高位儲液器，進(jìn)入冷凝器的氣體被冷凝成液體后流到高位儲液器，高位儲液器的循環(huán)工質(zhì)再流回低位儲液器，形成一個循環(huán)。

試驗裝置的主要部件如下：

提升管：主體是三根不銹鋼圓管，外壁面沿程纏繞著電加熱帶，其中一根提升管上半段由一段長度為300 mm的透明PE管制成，以便于可視化研究。

氣液分離器：主體是一個不銹鋼圓筒體。高度300 mm，內(nèi)徑250 mm，內(nèi)部使用隔板式布置，上下隔板開口為反向開口，從而避免了液滴進(jìn)入冷凝器。

冷凝器：為殼管式冷凝器，高度280 mm，內(nèi)徑200 mm。冷凝器與高位儲液器之間有一段是由帶刻度的透明PE管連接，PE管下端有一截止閥，用于配合測量冷凝水流量。

高位儲液器：主體是一個不銹鋼圓筒體。高度600 mm，內(nèi)徑250 mm，內(nèi)部布置預(yù)加熱盤管。為減少流動阻力并利于溶液排空，高位儲液器上下端均為圓弧式設(shè)計。

低位儲液器：主體是一個不銹鋼圓筒體。高度200 mm，內(nèi)徑250 mm。

2.2 試驗步驟

目前沒有確定的指標(biāo)判斷熱虹吸泵運行是否穩(wěn)定，只能通過觀察熱虹吸泵透明PE管段中氣泡是否連續(xù)來判斷熱虹吸泵運行是否穩(wěn)定。試驗過程中，提升管的長度L不變，沉浸比H/L的改變可通過調(diào)節(jié)儲液器中液位高度H來實現(xiàn)，電加熱功率可以在0～1200 W之間調(diào)節(jié)，利用小型真空泵改變系統(tǒng)內(nèi)壓力，通過加熱或冷卻的方式可改變?nèi)肟谶^冷度。熱虹吸泵出口液體流量采用超聲波流量計直接測量，熱虹吸泵出口氣體流量則是通過測量冷凝器中冷凝水的流量，間接測量得到，具體操作步驟如下：

(1)以加熱功率800 W為例。系統(tǒng)穩(wěn)定時，關(guān)閉截止閥，當(dāng)冷凝水液面到達(dá)透明PE管的零刻度線時，按下秒表；當(dāng)冷凝水液面到達(dá)PE管最高刻度線時，停止秒表，計算出冷凝水的體積流量。

(2)打開截止閥，讓冷凝水回流至高位儲液器，同時將加熱功率調(diào)至0 W。待液面穩(wěn)定后，加熱功率調(diào)節(jié)至800 W,重復(fù)步驟1。

(3)重復(fù)步驟1和步驟2五次，算出5次冷凝水流量的平均值，即在此工況下，熱虹吸泵出口氣體流量。

需測量的參數(shù)測量儀器規(guī)格如表1所示。

表1 測量儀器的規(guī)格

3 試驗結(jié)果及分析

目前對熱虹吸泵的工作性能還沒有統(tǒng)一的評價指標(biāo)，不同的研究者提出各自的評價指標(biāo)。例如：液體提升量、啟動溫度、提升效率等。其中，對于提升效率，不同的學(xué)者對其定義也不同。本文選擇Pfaff定義的提升效率和液體提升量作為熱虹吸泵的性能評價指標(biāo)[13]。提升效率的定義如下：

α=mO.L/mO.G

(1)

式中mO.L——熱虹吸泵出口液體流量，L/hmO.G——熱虹吸泵出口氣體流量，L/h

3.1 加熱功率對沿程加熱虹吸泵性能的影響

本組試驗主要研究加熱功率對熱虹吸泵提升性能的影響。因此，設(shè)定入口過冷度為0 ℃，系統(tǒng)初始壓力為一個大氣壓，分別研究沉浸比為0.6，0.7，0.8工況下，加熱功率對沿程加熱虹吸泵提升性能的影響。

從圖2可看出，在給定的沉浸比下，液體提升量隨著加熱功率的增加而增加，但曲線的增加速率會有較為明顯的變化，當(dāng)加熱功率超過700W時增加的速率下降。平亞琴等在研究底部加熱虹吸泵時，也得出類似的結(jié)論[14]。

圖2 不同加熱功率下的液體提升量

圖3 不同加熱功率下的提升效率

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在相同的沉浸比下，隨著加熱功率的增加，熱虹吸泵的提升效率逐漸降低。這是由于加熱功率增大，使得管內(nèi)沸騰更加劇烈，提升管內(nèi)產(chǎn)生大量氣體，在熱虹吸泵的作用下，熱虹吸泵出口的氣體和液體流量均增加，但是氣體增加量明顯大于液體的增加量。因此，熱虹吸泵的提升效率逐漸降低。

3.2 沉浸比H/L對沿程加熱虹吸泵性能的影響

為了便于試驗研究，本組試驗設(shè)定入口過冷度為0 ℃，系統(tǒng)初始壓力為一個大氣壓，分別研究加熱功率為500，600，700，800 W工況下，沉浸比對沿程加熱虹吸泵提升性能的影響。

從圖4，5中可以看出，在給定加熱功率下，熱虹吸泵液體提升量和提升效率均隨沉浸比的增大而增大。液體提升量增大的原因在于，隨著沉浸比增大，熱虹吸泵的驅(qū)動力增大，而熱虹吸泵的凈提升高度減小，較大的驅(qū)動力容易實現(xiàn)較小的凈提升高度，從而液體提升量增大。提升效率增大是由于在加熱功率不變情況下，熱虹吸泵內(nèi)沸騰的劇烈程度不變，熱虹吸泵的出口氣體流量幾乎不變，但此時熱虹吸泵液體提升量增大，即熱虹吸泵出口的液體流量增大，所以隨著沉浸比的增大，熱虹吸泵的提升效率降低。

圖4 不同沉浸比下的液體提升量

圖5 不同沉浸比下的提升效率

3.3 入口過冷度對沿程加熱虹吸泵性能的影響

入口過冷度定義為一定壓力下，提升管入口段液體的溫度低于相應(yīng)壓力下飽和溫度的差值。以水為例，常壓下，若入口段水溶液的溫度為70 ℃，則入口過冷度為30 ℃(常壓下，水的飽和溫度為100 ℃)。由上述研究可知，在其他條件不變時，沉浸比越大，液體提升量越大。為了便于試驗研究及數(shù)據(jù)分析，本組試驗設(shè)定沉浸比為0.8，系統(tǒng)初始壓力為常壓,分別研究加熱功率500，600，700，800 W工況下，入口過冷度對熱虹吸泵提升性能的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 液體提升量隨著入口過冷度的變化

從圖6中可以看出，在一定的沉浸比和加熱功率下，隨著入口過冷度逐漸減增加，液體提升量逐漸減小。對于不飽和工質(zhì)，提升管對液體的提升主要分兩個階段。第一階段，不飽和工質(zhì)進(jìn)入提升管，在沿程加熱下，溫度達(dá)到飽和的同時液體被提升了一小段。在這一階段，工質(zhì)只是在熱虹吸的作用下被提升。第二階段，飽和液體沸騰，產(chǎn)生大量氣體，管內(nèi)工質(zhì)形成氣液兩相流，流態(tài)由泡狀流向彈狀流發(fā)展。這一階段工質(zhì)在氣泡做功以及熱虹吸的雙重作用下，被提升至氣液分離器。因此，就提升能力來說，第二階段比第一階段強(qiáng)。當(dāng)入口過冷度較小時，工質(zhì)經(jīng)歷的第一階段時間短，更多時間處在提升性能更好的第二階段。當(dāng)入口過冷度大時，工質(zhì)經(jīng)歷的第一階段時間長，處在第二階段的時間短。因此，隨著入口過冷度的增大，液體的提升量減小。

從圖6還可以看出，當(dāng)入口過冷度在25 ～30 ℃時，液體提升量減少的慢，而入口過冷度在30～35 ℃時，液體提升量減小的快，當(dāng)入口過冷度在35～40 ℃時，液體提升量減小的慢。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因為上述的第二階段流態(tài)變化導(dǎo)致的。如果工質(zhì)在第二階段的時間足夠長，那么流體的流態(tài)應(yīng)該是從泡狀流至彈狀流，最后形成環(huán)狀流，其中，流體在彈狀流時，氣泡做功的效果最好。而實際上工質(zhì)在第二階段的時間是有限的，當(dāng)入口過冷度在25～30 ℃時，工質(zhì)到達(dá)氣液分離器的流態(tài)是環(huán)狀流。當(dāng)入口過冷度在30～35 ℃時，工質(zhì)到達(dá)氣液分離器時的流態(tài)是彈狀流，當(dāng)入口過冷度在35～40 ℃時，工質(zhì)到達(dá)氣液分離器的流態(tài)是泡狀流。

由圖7可知，在一定的沉浸比和加熱功率下，沿程加熱虹吸泵的提升效率隨著入口過冷度的增大而增大。這是由于，隨著入口過冷度的減小，氣體產(chǎn)生量和液體的提升量均增大，但是氣體的產(chǎn)生量增大的速率遠(yuǎn)大于液體提升量，因此，提升效率升高。

圖7 提升效率隨入口過冷度的變化

3.4 系統(tǒng)初始壓力對沿程加熱虹吸泵性能的影響

由上述研究可知，在其他條件相同時，加熱功率越大，入口過冷度越小，液體的提升量越大。本試驗中液體提升量較小，為了獲得相對較大的液體提升量，以便于數(shù)據(jù)分析，同時又要避免加熱功率過大對實驗臺產(chǎn)生危害，本組試驗設(shè)定加熱功率為800 W，入口過冷度為0 ℃，分別研究了沉浸比為0.6，0.7，0.8工況下，系統(tǒng)初始壓力對熱虹吸泵提升性能的影響。

由圖8可以看出，在一定的沉浸比和加熱功率下，隨著系統(tǒng)初始壓力減小，液體提升量增大。在沉浸比為0.8，加熱功率為800 W的條件下，系統(tǒng)初始壓力為10 kPa的液體提升量比系統(tǒng)初始壓力為常壓下的液體提升量高64.5%。方甲闖等人在研究裝置絕對壓力對沿程加熱弦月形熱虹吸泵性能影響時，也得出類似結(jié)果，系統(tǒng)壓力對于熱虹吸泵提升性能的影響比較顯著[15]。分析其原因,當(dāng)系統(tǒng)壓力小于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時，水的沸點降低，即相同加熱功率下，系統(tǒng)壓力越小，氣泡產(chǎn)量越多，越容易形成彈狀流，提升性能越好。

圖8 不同系統(tǒng)初始壓力下的液體提升量

由圖9可知，提升管的提升效率與系統(tǒng)的初始壓力成負(fù)相關(guān)。

圖9 不同系統(tǒng)初始壓力下的提升效率

由以上分析知，隨著系統(tǒng)壓力增大，液體提升量減小。當(dāng)系統(tǒng)壓力增大時，提升管內(nèi)氣泡的生成量與液體提升量均減小，但是氣泡生成減小的速度更快，因此，提升效率降低。

4 結(jié)論

(1)隨著加熱功率的增大，熱虹吸泵的液體提升量增大，當(dāng)加熱功率增加大到700 W時，液體提升量的增加速率降低。隨著加熱功率的增大，提升管的提升效率降低。隨著沉浸比的增大，液體提升量和提升效率均增加。

(2)沿程加熱虹吸泵的液體提升量隨著入口過冷度的減小而提高。當(dāng)入口過冷度在25 ℃到30 ℃時，液體提升量減少的慢，而入口過冷度在30 ℃到35 ℃時，液體提升量減小的快，當(dāng)入口過冷度在35 ℃到40 ℃時，液體提升量減小的慢。沿程加熱虹吸泵的提升效率隨著入口過冷度的增大而增大。

(3)在沉浸比和加熱功率一定的條件下，沿程加熱虹吸泵的液體提升量與提升效率均與系統(tǒng)的初始壓力呈負(fù)相關(guān)。

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Experimental Study on the Performance for Along-heating Thermosyphon

YE Zhi-qin,YANG Hong-hai,ZHANG Zong-hui,WANG Xin

(Donghua University,Shanghai 201620,China)

An experimental platform with along-heating thermosyphon was set up,which tube long 1000 mm and diameter 10 mm.The performance of thermosyphon under the condition was studied with water as the working fluid,heating power 500～800 W,immersion ratio 0.6 to 0.8,the system initial pressure 10～101 kPa,inlet undercooling 25～40 ℃.With the increase of heating power,the flow rate of the pump water and the efficiency of the thermosyphon increase,and when the heating power is greater than 700 W,the flow rate of the pump water decreases;With the Immersion ratio increase,the flow rate of the pump water and the efficiency of the thermosyphon increase;With the initial pressure of the system increase,the flow rate of the pump water and the efficiency of the thermosyphon decrease；With inlet undercooling increase,the flow rate of the pump water increase,but the efficiency of the thermosyphon is decrease.

bubble pump;the efficiency of the bubble pump;along heating;immersion ratio

1005-0329(2017)01-0072-05

2016-05-06

2016-07-06

上海市自然科學(xué)基金項目(13ZR1401100)

TH3

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.013