均流式多管導(dǎo)流型氣泡泵提升性能實驗研究

(1 新奧能源服務(wù)(上海)有限公司 上海 200433; 2 上海理工大學能源與動力工程學院 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，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)無需任何機械運動部件，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，在氣泡泵底部進行加熱，管中產(chǎn)生可以推動液體上升并“泵”送到高位儲液器中的氣泡[2]。目前對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)量對其提升性能影響等方面，對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]對氨-丁烷-水、氨-丙烷-水、甲胺-戊烷-水等工質(zhì)對進行了研究。B. Gurevich等[4]對多提升管式氣泡泵進行了研究。A. D. Delano[5]以空氣-水為工質(zhì)對分析加熱功率、沉浸比對氣泡泵提升性能的影響。S. J. White[6]對配比濃度為15.5%的氨水溶液進行了小管徑氣泡泵的實驗研究。Chan Kengwai等[7]以氨水和水為工質(zhì)，研究了氨水濃度為20%時氣泡泵的性能。平亞琴等[8-9]搭建了改進的導(dǎo)流式氣泡泵實驗臺，并對其性能進行實驗研究。梁俁[10]以水為工質(zhì)，對圓弧形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)氣泡泵進行理論和實驗研究。陳永軍等[11]搭建了變截面豎直提升管氣泡泵實驗臺，分析影響其性能的因素。趙榮祥[12]搭建了多管導(dǎo)流式氣泡泵實驗臺，并對其性能進行研究。

本文以水為工質(zhì)，在普通多管導(dǎo)流型氣泡泵裝置下，研究氣泡泵運行的整個工作過程，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 實驗裝置及實驗過程

1.1 實驗裝置

多管導(dǎo)流型氣泡泵的結(jié)構(gòu)如圖1所示。實驗裝置由高位儲液器、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、儲液器、補水箱、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，低位儲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入高位儲液器。同時，低位儲液器中的液體不斷壓入氣泡泵垂直提升管路，補充其中被提升的液體。這樣可以實現(xiàn)不斷提升液體的目的[13]。

1.2 實驗過程

由于本實驗是開口系統(tǒng)，經(jīng)計算，常溫時在一個大氣壓下，空氣在水中溶解部分所占比例僅為0.64%，此外，本文對相同情況下有/無均流器兩種工況對氣泡泵的提升性能進行對比實驗，故對于管中工質(zhì)水中溶解的空氣不予考慮。實驗步驟如下：

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，用秒表計時，直至連接高位儲液器出水管出水瞬間記為第一個數(shù)據(jù)點，并認為此時氣泡泵提升量為0，每隔10 s拍照天平上的讀數(shù)，直至150個數(shù)據(jù)點為止。

5)一組實驗完畢后，關(guān)閉電控箱，將儲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，進行重復(fù)實驗。

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，在上述實驗過程下進行有均流網(wǎng)的氣泡泵提升實驗。

1.3 氣泡泵的性能評價指標

1)氣泡泵提升速率

將氣泡泵提升速率(即氣泡泵單位時間液體提升質(zhì)量)作為評價氣泡泵性能的一個指標。

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?shù)刂亓铀俣龋琺/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)提升性能實驗

本文選取3種運行工況進行實驗研究：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)。實驗結(jié)果如圖2所示，m為氣泡泵總液體提升量，kg；t為時間，min。

由圖2(a)可知，當N=3時，在變功率下，m隨時間的增加而增加。當加熱功率為450 W時，經(jīng)過75.2 min，出水管開始有水流出，在100.1 min時，m達到最大值為0.78 kg；在75.2～89.1 min時，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，m增加幅度較大。在89.4～100.1 min時，m增加幅度在較大和平緩現(xiàn)象之間不停的交替出現(xiàn)，這是因為氣泡泵在工作過程中，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)的時間越來越短，這是由于從開始對發(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間，提升量較少，此過程持續(xù)時間最長，然后隨著加熱時間的增加，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，達到第二次提升液體的時間隨之縮短，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，當達到最大提升速率后，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-彈狀流的時間大大縮短，隨著加熱時間的延長，管中的含氣率繼續(xù)增大，增大至一定量時，管中的兩相流穩(wěn)定在環(huán)狀流進行提升，提升速率開始降低。

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

(a)N=3

(b)N=5

(c)N=1圖2 各功率下時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N=1時，在加熱功率為450 W時，曲線的水平段減少，曲線較N=3和N=5時，氣泡泵縮短了進入穩(wěn)定提升速率較高的流型提升液體的時間，這是因為在相同的加熱功率下，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，當加熱量變化時氣泡泵提升速率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，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，對于N=5本實驗的最大加熱功率僅達到1 650 W，如果繼續(xù)增大加熱功率，G也會降低。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時的5.60 g/s增至最佳功率1 450 W時的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時的34.00 g/s，而有均流器的G最大值為1 250 W時的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沒有達到倍增，但氣泡分配不均問題有所改善。這是因為添加均流器后，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)生一個個相同大小的小氣泡，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產(chǎn)生彈狀流，使G盡可能隨著管數(shù)量的增加達到倍增。有均流器條件下，達到最大提升量的功率變小。

5 均流器安裝高度及網(wǎng)孔孔徑對提升性能的影響

對于均流器安裝高度的不同對多管導(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運行工況進行實驗研究，對于安裝高度為1.6 cm工況，分別進行了加熱功率為450、850、1 250 W 3組實驗，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于氣泡泵G有影響。

對于均流器孔徑的不同對多管導(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運行工況進行實驗研究，對于網(wǎng)孔孔徑為0.4 mm工況，分別進行了加熱功率為450、850、1 250 W 3組實驗，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=0.4兩個運行工況進行研究[15]。

圖7 各功率下不同提升管數(shù)量的提升效率對比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，當加熱功率較小時，管數(shù)量越多，η越低，而隨著加熱功率的進一步加大，管數(shù)量越多，提升管的η越大。當提升管數(shù)量增多時，為了與單根管達到相同的η，需要更大的加熱功率。無均流器下，N=1時，最大η為850 W下的5.3%，而N=3時，為了達到5.3%的η至少需要1 000 W；有均流器下，N=1時最大η為850 W下的5.59%，N=3時，為了達到5.59%，至少需要950 W的加熱功率。

由圖7還可以看出，當N=1時，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N=3時，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，對比分析了在有/無均流器下，管數(shù)量的不同對多管導(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)，加熱一定時間后，提升管開始以泡狀流-彈狀流流型持續(xù)提升，然后達到最佳狀態(tài)彈狀流流型，隨著加熱時間繼續(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)時間縮短，進入泡狀流-彈狀流流型提升時間較長，而后達到彈狀流-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。當加熱功率較小時，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。當提升管數(shù)量增加時，為了達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，均對氣泡泵提升性能有一定的影響。

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