均流式多管導(dǎo)流型氣泡泵提升性能實(shí)驗(yàn)研究

(1 新奧能源服務(wù)(上海)有限公司 上海 200433; 2 上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院 上海 200093)

能源緊缺與環(huán)境惡化加劇一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，國內(nèi)外很多科研人員在單壓吸收式制冷技術(shù)方面做了大量的研究，單壓吸收制冷技術(shù)無需任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，可以利用多種低品位能源如太陽能、余熱等，是節(jié)能降耗的重要補(bǔ)充[1]。

Einstein制冷循環(huán)作為單壓吸收式制冷循環(huán)中的一種，而氣泡泵是Einstein制冷循環(huán)中的核心部件，本質(zhì)是一段加熱管，在氣泡泵底部進(jìn)行加熱，管中產(chǎn)生可以推動(dòng)液體上升并“泵”送到高位儲(chǔ)液器中的氣泡[2]。目前對(duì)于氣泡泵提升性能的研究主要集中在沉浸比、加熱功率、提升管管徑和管數(shù)量對(duì)其提升性能影響等方面，對(duì)于氣泡泵工作過程及多管導(dǎo)流型氣泡泵中氣泡分配不均的研究較少。關(guān)于Einstein制冷循環(huán)中氣泡泵提升性能的研究，L. A. Schaefer[3]對(duì)氨-丁烷-水、氨-丙烷-水、甲胺-戊烷-水等工質(zhì)對(duì)進(jìn)行了研究。B. Gurevich等[4]對(duì)多提升管式氣泡泵進(jìn)行了研究。A. D. Delano[5]以空氣-水為工質(zhì)對(duì)分析加熱功率、沉浸比對(duì)氣泡泵提升性能的影響。S. J. White[6]對(duì)配比濃度為15.5%的氨水溶液進(jìn)行了小管徑氣泡泵的實(shí)驗(yàn)研究。Chan Kengwai等[7]以氨水和水為工質(zhì)，研究了氨水濃度為20%時(shí)氣泡泵的性能。平亞琴等[8-9]搭建了改進(jìn)的導(dǎo)流式氣泡泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)其性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。梁俁[10]以水為工質(zhì)，對(duì)圓弧形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)氣泡泵進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究。陳永軍等[11]搭建了變截面豎直提升管氣泡泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，分析影響其性能的因素。趙榮祥[12]搭建了多管導(dǎo)流式氣泡泵實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并對(duì)其性能進(jìn)行研究。

本文以水為工質(zhì)，在普通多管導(dǎo)流型氣泡泵裝置下，研究氣泡泵運(yùn)行的整個(gè)工作過程，添加了均流器，改善多管導(dǎo)流型氣泡泵工作過程中氣泡分配不均的問題。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

多管導(dǎo)流型氣泡泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置由高位儲(chǔ)液器、豎直提升管(采用玻璃管)、圓錐形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、氣泡發(fā)生器、電加熱裝置、儲(chǔ)液器、補(bǔ)水箱、閥門及液位調(diào)節(jié)器組成。

圖1 多管導(dǎo)流型氣泡泵結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the multi-tube guided bubble pump

氣泡泵的工作原理為：氣泡泵開始工作時(shí)，低位儲(chǔ)液器與提升管中的液體具有相同的高度，管底部的加熱裝置加熱，使管內(nèi)部分液體沸騰蒸發(fā)，產(chǎn)生的氣泡與液體混合形成密度比低位儲(chǔ)液器中液體密度小的氣液混合物，因此能夠產(chǎn)生大于液體在管內(nèi)受到的流動(dòng)阻力和摩擦阻力之和的浮力，從而將管內(nèi)兩相流液體提升到一定的高度進(jìn)入高位儲(chǔ)液器。同時(shí)，低位儲(chǔ)液器中的液體不斷壓入氣泡泵垂直提升管路，補(bǔ)充其中被提升的液體。這樣可以實(shí)現(xiàn)不斷提升液體的目的[13]。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

由于本實(shí)驗(yàn)是開口系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算，常溫時(shí)在一個(gè)大氣壓下，空氣在水中溶解部分所占比例僅為0.64%，此外，本文對(duì)相同情況下有/無均流器兩種工況對(duì)氣泡泵的提升性能進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，故對(duì)于管中工質(zhì)水中溶解的空氣不予考慮。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)選好所需的提升管管徑(10 mm)和管數(shù)量(1根、3根和5根)，加熱功率選取450、650、850、1 050、1 250、1 450、1 650 W。

2)與裝置其他部件組裝在一起，將裝置系統(tǒng)調(diào)節(jié)到所需的沉浸比(0.4和0.5)，安裝橡膠軟管支架及橡膠軟管，使其連接在高位儲(chǔ)液器的出水口，在出水口的正下方放上天平。

3)將空量杯放在天平上，再將干凈的清水倒入高位儲(chǔ)液器中，潤濕橡膠軟管，直至橡膠軟管沒有水滴出，移出量杯，并換上另一個(gè)相同規(guī)格的空量杯，打開天平并清零。

4)從打開電控箱并調(diào)節(jié)到所需的加熱功率開始，用秒表計(jì)時(shí)，直至連接高位儲(chǔ)液器出水管出水瞬間記為第一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，并認(rèn)為此時(shí)氣泡泵提升量為0，每隔10 s拍照天平上的讀數(shù)，直至150個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)為止。

5)一組實(shí)驗(yàn)完畢后，關(guān)閉電控箱，將儲(chǔ)液器中熱水放出并換上冷水冷卻裝置，等裝置冷卻后，再調(diào)節(jié)所需參量，進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)。

在普通多管導(dǎo)流型氣泡泵基礎(chǔ)上添加均流器(即金屬網(wǎng))，預(yù)改進(jìn)氣泡分配不均，均流器規(guī)格采用網(wǎng)孔孔徑為0.6 mm，安裝在離加熱管上端面垂直高度為3.2 cm處，在上述實(shí)驗(yàn)過程下進(jìn)行有均流網(wǎng)的氣泡泵提升實(shí)驗(yàn)。

1.3 氣泡泵的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

1)氣泡泵提升速率

將氣泡泵提升速率(即氣泡泵單位時(shí)間液體提升質(zhì)量)作為評(píng)價(jià)氣泡泵性能的一個(gè)指標(biāo)。

2)氣泡泵提升效率

氣泡泵的輸出功率與輸入功率的比值稱為氣泡泵提升效率η[14]：

η=(P1/P)×100%=(Ggh/1 000P)×100%

(1)

式中：η為氣泡泵提升效率,%；P1為氣泡泵輸出功率，W；P為加熱氣泡泵內(nèi)液體所輸入的加熱功率，W；G為氣泡泵提升速率，g/s;g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?，m/s2;h為氣泡泵管內(nèi)液體被提升的高度，m。

2 氣泡泵連續(xù)提升性能實(shí)驗(yàn)

本文選取3種運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究：1)N=3，d=10 mm，H/L=0.5；2)N=5，d=10 mm，H/L=0.5；3)N=1，d=10 mm，H/L=0.5(N為管數(shù)量；d為提升管管徑，mm；H/L為沉浸比)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，m為氣泡泵總液體提升量，kg；t為時(shí)間，min。

由圖2(a)可知，當(dāng)N=3時(shí)，在變功率下，m隨時(shí)間的增加而增加。當(dāng)加熱功率為450 W時(shí)，經(jīng)過75.2 min，出水管開始有水流出，在100.1 min時(shí)，m達(dá)到最大值為0.78 kg；在75.2～89.1 min時(shí)，提升管的m增長緩慢，提升速率趨近于0；而在89.1～89.4 min時(shí)，m增加幅度較大。在89.4～100.1 min時(shí)，m增加幅度在較大和平緩現(xiàn)象之間不停的交替出現(xiàn)，這是因?yàn)闅馀荼迷诠ぷ鬟^程中，其提升液體的性能是間斷性的。曲線的m增加幅度較緩的水平段所持續(xù)的時(shí)間越來越短，這是由于從開始對(duì)發(fā)生器中的液體加熱，液體從冷態(tài)受熱到產(chǎn)生小氣泡，然后匯聚成具有提升作用的大氣泡需要一定的時(shí)間，提升量較少，此過程持續(xù)時(shí)間最長，然后隨著加熱時(shí)間的增加，發(fā)生器中液體溫度不斷升高，產(chǎn)生小氣泡越來越多，且匯聚成大氣泡的速度變快，達(dá)到第二次提升液體的時(shí)間隨之縮短，故曲線的水平段越來越短。

由圖2(a)還可知，在較大加熱功率下，從850 W開始，這種交替現(xiàn)象開始變少，m的增加幅度較大，當(dāng)達(dá)到最大提升速率后，每條曲線提升速率逐漸降低并趨于穩(wěn)定，這是由于隨著加熱功率的不斷增加，提升管內(nèi)的含氣率不斷增大，管中液體經(jīng)歷冷態(tài)-泡狀流-彈狀流的時(shí)間大大縮短，隨著加熱時(shí)間的延長，管中的含氣率繼續(xù)增大，增大至一定量時(shí)，管中的兩相流穩(wěn)定在環(huán)狀流進(jìn)行提升，提升速率開始降低。

由圖2(b)可知，當(dāng)N=5時(shí)，在變加熱功率下的每條曲線的上升規(guī)律與圖2中N=3時(shí)相同。

(a)N=3

(b)N=5

(c)N=1圖2 各功率下時(shí)氣泡泵總液體提升量Fig.2 Total liquid lifting capacity of bubble pump with different power

由圖2(c)可知，當(dāng)N=1時(shí)，在加熱功率為450 W時(shí)，曲線的水平段減少，曲線較N=3和N=5時(shí)，氣泡泵縮短了進(jìn)入穩(wěn)定提升速率較高的流型提升液體的時(shí)間，這是因?yàn)樵谙嗤募訜峁β氏?，發(fā)生器中產(chǎn)生的氣泡總量只分配到單根管中，使管中的含氣率提前滿足了提升速率較高流型的含氣率要求，故曲線的水平段減少。

3 提升管數(shù)量對(duì)氣泡泵提升性能的影響

由圖2可得，在d=10 mm，H/L=0.5，N=1、3、5條件下，當(dāng)加熱量變化時(shí)氣泡泵提升速率G(g/s)的變化如圖3所示。

圖3 不同提升管數(shù)量各功率下的氣泡泵提升速率Fig.3 The liquid lifting capacity rate of bubble pump with different number of tubes and different power

由圖3可知，在變加熱功率下，N=1、3、5時(shí)，曲線的整體提升規(guī)律相同，G隨著加熱功率的增大的先增大后減小；在低功率下，管數(shù)量越多，G越小；而在高功率下，管數(shù)量越多，G越大。由于考慮電控箱的額定功率為2 000 W，對(duì)于N=5本實(shí)驗(yàn)的最大加熱功率僅達(dá)到1 650 W，如果繼續(xù)增大加熱功率，G也會(huì)降低。出現(xiàn)這樣的提升規(guī)律，是由于隨著加熱功率的增大，管中的兩相流流型經(jīng)歷了泡狀流-彈狀流-塊狀流-環(huán)狀流的變化。

管數(shù)量不同，提升效果也會(huì)不同。隨著管數(shù)量的增加，在低加熱功率下，管數(shù)量越多，平均分配到每根管的加熱功率較小，管內(nèi)流型偏離彈狀流較大，故提升效果較差。而加熱功率不斷增大，隨著管數(shù)量的增加，平均分配到每根管的加熱功率變大，管內(nèi)流型接近彈狀流，G變大，而繼續(xù)增大加熱功率，管內(nèi)流型開始向塊狀流和環(huán)狀流轉(zhuǎn)變，G又開始變小。

由圖3還可以看出，單根管的G最大值為1 250 W的18.50 g/s，3根管的G最大值為1 450 W的34.00 g/s，5根管的G最大值為1 650 W的38.00 g/s，最大G并沒有隨著管數(shù)量增加而相應(yīng)的成倍增加。

4 有/無均流器下氣泡泵提升速率對(duì)比

為了改善普通多管導(dǎo)流型氣泡泵提升過程中氣泡分配不均，研究有/無均流器對(duì)于氣泡泵提升性能的影響，本文選取了無均流器下，N=3，d=10 mm，H/L=0.4和H/L=0.5；而有均流器下，選取了均流器網(wǎng)孔孔徑為0.6 mm，安裝在離加熱管上端面垂直高度分別為3.2 cm處，N=3，d=10 mm，H/L=0.4和H/L=0.5。兩種運(yùn)行工況下提升速率隨加熱功率的變化如圖4所示。

(a)H/L=0.4

(b)H/L=0.5圖4 有/無均流器下提升速率對(duì)比Fig.4 The comparison of liquid lifting capacity rate of bubble pump with/without current equalizer

由圖4(a)可知，無均流器下，隨著功率的增大，氣泡泵的G不斷增加；而有均流器下，隨著功率的增大，氣泡泵的G先增加后減小，從450 W時(shí)的5.60 g/s增至最佳功率1 450 W時(shí)的36.50 g/s，然后開始下降。此外，還發(fā)現(xiàn)在相同功率下，有均流器下的G比無均流器下的大。無均流器下最大G為1 650 W時(shí)的26.50 g/s，氣泡分配不均問題有所改善。同樣，由圖4(b)可知，在相同功率下，加均流器的G大于無均流器條件下的G，無均流器的G最大值為1 450 W時(shí)的34.00 g/s，而有均流器的G最大值為1 250 W時(shí)的40.31 g/s，而由圖3可知無均流器下，N=1，d=10 mm，H/L=0.5工況下，提升管最大G為18.50 g/s，從有均流器的最大液體提升量可以看出，添加均流器后，雖然G沒有達(dá)到倍增，但氣泡分配不均問題有所改善。這是因?yàn)樘砑泳髌骱?，加熱管上方產(chǎn)生的氣泡經(jīng)過均流器后，氣泡破碎后，重新產(chǎn)生一個(gè)個(gè)相同大小的小氣泡，平均分配到每根提升管的底部，使得每根提升管盡可能的同時(shí)產(chǎn)生彈狀流，使G盡可能隨著管數(shù)量的增加達(dá)到倍增。有均流器條件下，達(dá)到最大提升量的功率變小。

5 均流器安裝高度及網(wǎng)孔孔徑對(duì)提升性能的影響

對(duì)于均流器安裝高度的不同對(duì)多管導(dǎo)流式氣泡泵提升性能的影響，選取均流器網(wǎng)孔孔徑為0.6 mm，安裝在離加熱管上端面垂直高度分別為3.2 cm和1.6 cm處。保持其他條件不變的情況下，選取N=3，d=10 mm，H/L=0.4運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于安裝高度為1.6 cm工況，分別進(jìn)行了加熱功率為450、850、1 250 W 3組實(shí)驗(yàn)，兩種工況下提升速率隨加熱功率的變化如圖5所示。

圖5 均流器下不同安裝高度的氣泡泵提升速率Fig.5 Liquid lifting capacity rate of different installation height with current equalizer

由圖5可知，隨著加熱功率增加，G均不斷增大，且在變功率下，安裝高度3.2 cm比1.6 cm的G大，功率越大，差距就越大。說明均流器的垂直安裝高度對(duì)于氣泡泵G有影響。

對(duì)于均流器孔徑的不同對(duì)多管導(dǎo)流式氣泡泵提升性能的影響，選取均流器網(wǎng)孔孔徑為0.6 mm和0.4 mm，均安裝在離加熱管上端面垂直高度分別為3.2 cm處。保持其他條件不變的情況下，選取了N=1，d=10 mm，H/L=0.4運(yùn)行工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)于網(wǎng)孔孔徑為0.4 mm工況，分別進(jìn)行了加熱功率為450、850、1 250 W 3組實(shí)驗(yàn)，兩種工況下提升速率隨加熱功率的變化如圖6所示。

圖6 均流器下不同網(wǎng)孔孔徑的氣泡泵提升速率Fig.6 Liquid lifting capacity rate of different aperture with current equalizer

由圖6可知，隨著加熱功率的增大，G均不斷增大，且在變功率下，網(wǎng)孔孔徑0.6 mm比0.4 mm的G大，功率越大，差距就越大。說明均流器網(wǎng)孔孔徑大小對(duì)于氣泡泵G有影響。

6 提升管數(shù)量及有/無均流器下氣泡泵提升效率對(duì)比

圖7所示為提升管數(shù)量及有/無均流器下氣泡泵提升效率對(duì)比，選取均流器網(wǎng)孔孔徑為0.6 mm，安裝在離加熱管上端面垂直高度分別為3.2 cm處，N=1，d=10 mm，H/L=0.4和N=3，d=10 mm，H/L=0.4兩個(gè)運(yùn)行工況進(jìn)行研究[15]。

圖7 各功率下不同提升管數(shù)量的提升效率對(duì)比Fig.7 Contrast of lifting efficiency with different number of tubes and power

由圖7可知，無論是有均流器還是無均流器情況下，不論是1根管還是3根管，保持沉浸比和管徑不變，隨著加熱功率的增加，氣泡泵的提升效率η均先增大后減小，當(dāng)加熱功率較小時(shí)，管數(shù)量越多，η越低，而隨著加熱功率的進(jìn)一步加大，管數(shù)量越多，提升管的η越大。當(dāng)提升管數(shù)量增多時(shí)，為了與單根管達(dá)到相同的η，需要更大的加熱功率。無均流器下，N=1時(shí)，最大η為850 W下的5.3%，而N=3時(shí)，為了達(dá)到5.3%的η至少需要1 000 W；有均流器下，N=1時(shí)最大η為850 W下的5.59%，N=3時(shí)，為了達(dá)到5.59%，至少需要950 W的加熱功率。

由圖7還可以看出，當(dāng)N=1時(shí)，添加均流器的氣泡泵η曲線始終在無均流器η曲線的上方，無均流器下的最高η為850 W下的5.3%，而有均流器的最大η為850 W下的5.59%，當(dāng)N=3時(shí)，添加均流器的氣泡泵η曲線也始終在無均流器η曲線的上方，無均流器下的最大η為1 250 W下的6.08%，而有均流器的最大η為1 450 W下的8.88%，由此可知，添加均流器在一定程度上可以達(dá)到均流效果。

7 結(jié)論

本文研究了氣泡泵連續(xù)性性能曲線，對(duì)比分析了在有/無均流器下，管數(shù)量的不同對(duì)多管導(dǎo)流型氣泡泵提升性能的影響，得出如下結(jié)論：

1)在選定好裝置的管徑、管數(shù)量、沉浸比及均流器的工況下，改變加熱功率發(fā)現(xiàn)，從打開電控箱對(duì)其加熱開始，低功率下(450、650 W)，從提升管有水提出開始，管中流型在保持泡狀流流型提升量基本不變和短暫性的泡狀流-彈狀流提升之間多次往復(fù)，加熱一定時(shí)間后，提升管開始以泡狀流-彈狀流流型持續(xù)提升，然后達(dá)到最佳狀態(tài)彈狀流流型，隨著加熱時(shí)間繼續(xù)延長，管中含氣率繼續(xù)加大，管中開始以塊狀流-環(huán)狀流流型提升，提升速率開始下降。而高功率下(850～1 650 W)，氣泡泵提升過程中，由于氣泡產(chǎn)生較快、匯聚較快，泡狀流持續(xù)時(shí)間縮短，進(jìn)入泡狀流-彈狀流流型提升時(shí)間較長，而后達(dá)到彈狀流-塊狀流-環(huán)狀流提升。

2)裝置系統(tǒng)在選定好管徑、管數(shù)量、沉浸比及均流器下，改變加熱功率發(fā)現(xiàn)，隨著加熱時(shí)間的變化，低功率下，氣泡泵總液體提升量增加幅度在較大和平緩現(xiàn)象之間不停的交替出現(xiàn)，但在高功率下，較緩的水平段持續(xù)時(shí)間越來越短。

3)無均流器工況下，保持沉浸比和提升管內(nèi)徑不變，隨著加熱功率的增加，氣泡泵的提升效率先增大后減少。當(dāng)加熱功率較小時(shí)，管數(shù)量增加，提升效率變?。浑S著加熱功率的增大，提升管數(shù)量越多，提升效率越大。當(dāng)提升管數(shù)量增加時(shí)，為了達(dá)到與單管相同的提升效率，需要更大的加熱功率。此外，隨著管數(shù)量倍增，液體提升量和提升效率并不會(huì)成相應(yīng)倍數(shù)的增加，而添加均流器工況下，隨著管數(shù)量倍增，由于均流效果，液體提升量和提升效率的倍增問題得以改善。

4)有均流器工況下，保持提升管數(shù)量、提升管管徑、沉浸比及加熱功率不變，均流器網(wǎng)孔孔徑大小一定條件下，改變或固定均流器安裝位置，改變網(wǎng)孔孔徑大小，均對(duì)氣泡泵提升性能有一定的影響。

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