（東華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

無(wú)泵吸收式制冷系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是用氣泡泵（又稱熱虹吸泵）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(shí)現(xiàn)制冷系統(tǒng)中的自然循環(huán)［1-4］。氣泡泵是無(wú)泵吸收式制冷系統(tǒng)的核心部件，起到發(fā)生器和機(jī)械泵的作用，使溶液實(shí)現(xiàn)無(wú)泵循環(huán)。它具有無(wú)活動(dòng)部件、系統(tǒng)穩(wěn)定、噪聲低的特點(diǎn)，而且運(yùn)行無(wú)需電能，在冷卻系統(tǒng)及太陽(yáng)能吸收式制冷系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景［5-6］。

按照加熱方式不同，氣泡泵有底部加熱和沿程加熱兩種結(jié)構(gòu)形式，適用場(chǎng)合有所區(qū)別［1，7-8］：前者通常由底部發(fā)生器和絕熱提升管組成，適合于加熱區(qū)域小，熱流密度大的場(chǎng)合，需要燃?xì)狻⒏邷責(zé)煔獾葹榘l(fā)生器提供熱源；后者通常由提升管兼發(fā)生器，適合于受熱面積大，熱流密度小的場(chǎng)合，有利于太陽(yáng)熱能及低品位廢熱回收利用等。從流動(dòng)和傳熱角度分析，2種加熱方式也存在明顯區(qū)別。在底部加熱方式下，工質(zhì)在底部發(fā)生器受熱沸騰產(chǎn)生氣泡，進(jìn)入提升管，與液體在上升過(guò)程中形成氣液兩相流，最終被提升至氣液分離器。提升管保持絕熱，流體在上升過(guò)程中流態(tài)基本不變［9-10］。在沿程加熱方式下，流體在提升管內(nèi)受熱沸騰產(chǎn)生氣泡，流態(tài)變化更加復(fù)雜［11-12］?，F(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)底部加熱虹吸泵研究較多，對(duì)沿程加熱虹吸泵的研究相對(duì)較少［1-4］。隨著節(jié)能減排工作的推進(jìn)，沿程加熱氣泡泵的優(yōu)勢(shì)正逐漸受到關(guān)注。方甲闖等［5］搭建了小型弦月形通道無(wú)泵溴化鋰吸收式制冷試驗(yàn)臺(tái)，研究表明采用弦月形沿程加熱通道，可以強(qiáng)化傳熱，降低溶液沸騰換熱的過(guò)熱度，實(shí)現(xiàn)較低溫度下（70～80 ℃）的啟動(dòng)和運(yùn)行。Rattner等［13］采用套管式沿程加熱提升管，礦物油在套管流動(dòng)放熱，汽水混合物在內(nèi)管受熱流動(dòng)沸騰。試驗(yàn)表明，當(dāng)熱油溫度比水的沸騰溫度高11 ℃，氣泡泵可以較好地啟動(dòng)運(yùn)行，這是由于傳熱面積加大，可以有效降低熱流密度，有助于利用低品位熱源。葉志秦等［14］搭建了一套沿程加熱氣泡泵試驗(yàn)裝置，研究了加熱功率、沉浸比、系統(tǒng)初壓力、提升管入口工質(zhì)溫度對(duì)液體提升量和提升效率的影響。在課題組前期研究工作的基礎(chǔ)上［14-15］，本文以水為工質(zhì)，通過(guò)可視化試驗(yàn)，重點(diǎn)研究沿程加熱氣泡泵的流動(dòng)沸騰特性及影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置如圖1所示，工作過(guò)程如下：工質(zhì)在提升管中被沿程加熱，隨著溫度的升高，提升管中的工質(zhì)開(kāi)始沸騰，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(chǔ)液器，進(jìn)入冷凝器的氣體被冷凝成液體后流到高位儲(chǔ)液器，高位儲(chǔ)液器的循環(huán)工質(zhì)再流回低位儲(chǔ)液器，完成一個(gè)循環(huán)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

幾何結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)是影響氣泡泵運(yùn)行的2個(gè)關(guān)鍵因素。本文主要研究運(yùn)行參數(shù)，如加熱功率、沉浸高度、系統(tǒng)壓力及入口過(guò)冷度等對(duì)流動(dòng)沸騰特性的影響機(jī)理。對(duì)于幾何結(jié)構(gòu)及尺寸，在試驗(yàn)中維持不變。文獻(xiàn)研究表明，隨著管徑的增加，摩擦阻力下降，有利于氣泡泵運(yùn)行和流量增加；但是管徑太大或提升高度增加，會(huì)影響氣泡泵的運(yùn)行，甚至停止［1］。通常的管徑范圍是5～14 mm，管長(zhǎng) 0.2～2.0 mm［1，8，12，16］。另外，增加提升管數(shù)量有利于氣泡泵的穩(wěn)定運(yùn)行及流量增加［10］。因此，本文提升管由3根內(nèi)徑為8 mm，長(zhǎng)度為930 mm的不銹鋼管并聯(lián)組成，其中一根提升管出口段由長(zhǎng)度為100 mm 的玻璃石英管制成，用相機(jī)拍攝流態(tài)，相機(jī)幀率240 s-1。每根提升管采用功率為400 W的加熱帶加熱，加熱功率由調(diào)壓器和電子功率計(jì)控制。為減少散熱損失，保溫采用玻璃纖維外加伴熱帶處理。需要測(cè)量的參數(shù)測(cè)量?jī)x器規(guī)格見(jiàn)表1。

表1 測(cè)量?jī)x器規(guī)格

1.2 試驗(yàn)方法

通過(guò)調(diào)壓器控制加熱功率，考慮到加熱帶的額定加熱功率和試驗(yàn)安全，加熱功率范圍為200～1 000 W；提升高度L=1.2 m保持不變，通過(guò)調(diào)節(jié)儲(chǔ)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(guò)預(yù)加熱盤管控制低位儲(chǔ)液桶溫度來(lái)控制入口過(guò)冷度，8～45 ℃。入口過(guò)冷度定義為一定壓力下，提升管入口段液體溫度與相應(yīng)壓力下飽和溫度的差值。

每個(gè)工況下，從啟動(dòng)到穩(wěn)定運(yùn)行，經(jīng)歷時(shí)間約1.5 h。提升液體的瞬態(tài)流量采用科式質(zhì)量流量計(jì)在線測(cè)量；等工況穩(wěn)定后，持續(xù)時(shí)間約45～60 min，用于測(cè)量平均蒸汽流量，以及計(jì)算平均液體提升量。蒸汽流量通過(guò)測(cè)量冷凝水流量間接測(cè)量：當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，關(guān)閉冷凝器下方截止閥，當(dāng)冷凝水液面到達(dá)透明玻璃石英管的零刻度線時(shí)，用秒表開(kāi)始計(jì)時(shí)；當(dāng)冷凝水液面到達(dá)玻璃石英管最高刻度線時(shí)，停止計(jì)時(shí)，計(jì)算出冷凝水的流量，重復(fù)5次，取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 加熱功率對(duì)流動(dòng)沸騰特性的影響

設(shè)定提升管入口過(guò)冷度15 ℃，系統(tǒng)初始?jí)毫橐粋€(gè)大氣壓，浸沒(méi)高度分別在580，660，740，820 mm時(shí)，研究加熱功率對(duì)提升管流動(dòng)性能的影響。

圖2示出平均液體提升量與蒸汽產(chǎn)量隨加熱功率的變化曲線。

圖2 加熱功率對(duì)平均流量的影響

隨著加熱功率的增加，蒸汽產(chǎn)量接近線性增加；液體提升量的變化比較復(fù)雜。在沉浸高度較低時(shí)（580，660 mm），隨著加熱功率的增加，氣泡泵的液體提升量先增加而后減少，呈拋物線趨勢(shì)；加熱功率600 W時(shí)，液體提升量最大。沉浸高度較高時(shí)（740，820 mm），沒(méi)有發(fā)現(xiàn)液體提升量下降趨勢(shì)，但是高功率時(shí)增加速率明顯下降，曲線趨于平緩，說(shuō)明最佳加熱功率應(yīng)大于1 000 W，超出本試驗(yàn)的額定功率及安全限制。因此，下面以H=580，660 mm為例，分析加熱功率對(duì)流動(dòng)沸騰特性的影響，如流型及流態(tài)演變、瞬時(shí)液體提升量波動(dòng)及流動(dòng)穩(wěn)定性等隨加熱功率的變化規(guī)律。

觀察提升管出口段的流態(tài)（如圖3所示，H=660 mm）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱功率較低時(shí)（200，300 W），蒸汽產(chǎn)生量較少，流速較慢，氣泡呈現(xiàn)非常明顯的彈狀流，氣彈頭部圓潤(rùn)，此時(shí)液體提升量較少；隨著加熱功率增加（400，500 W），蒸汽產(chǎn)生量增大，流速加快，氣彈發(fā)生破裂，所提升的液柱開(kāi)始震蕩，流態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變；當(dāng)加熱功率為600，700 W時(shí)，提升管出口處的流態(tài)呈現(xiàn)明顯的攪拌流特征，液體提升量最大；繼續(xù)增加功率（800，1 000 W），蒸汽量劇增，流動(dòng)速度極快，氣液交界面呈波狀流動(dòng)，氣芯卷吸的液量增加，流態(tài)開(kāi)始從攪拌流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變，液體提升量逐漸減小。White［16］對(duì)底部加熱氣泡泵的研究中也得出了類似結(jié)論，認(rèn)為攪拌流狀態(tài)下，流體提升性能最高。最佳加熱功率值大小與沉浸高度、進(jìn)口過(guò)冷度和系統(tǒng)初壓力等因素有關(guān)，有待進(jìn)一步研究。增加沉浸高度，攪拌流態(tài)對(duì)應(yīng)的加熱功率隨之增加。

圖3 不同加熱功率下提升管出口流型（H=660 mm）

分析液體提升量的瞬時(shí)波動(dòng)曲線（如圖4所示，H=580 mm），可以發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加熱功率較低（300，500 W）時(shí)，流量的波動(dòng)幅度較大，局部時(shí)刻出現(xiàn)斷流，流動(dòng)不穩(wěn)定；增加功率，流量波動(dòng)幅度減少，平均流量增加，流動(dòng)趨于穩(wěn)定；當(dāng)加熱功率為700 W時(shí)，平均液體提升量最大，此時(shí)提升管出口觀察到明顯的攪拌流狀態(tài)；進(jìn)一步增加功率，如900 W時(shí)，平均液體提升量反而減少，同時(shí)提升管出口流型逐漸向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變。隨著沉浸高度的增加，如H=660 mm，流動(dòng)穩(wěn)定性明顯改善，即使在小加熱功率下，斷流現(xiàn)象也較少發(fā)生。

圖4 不同加熱功率下液體提升量波動(dòng)曲線（H=580 mm）

2.2 沉浸高度對(duì)流動(dòng)沸騰特性的影響

設(shè)定提升管入口過(guò)冷度15 ℃，系統(tǒng)初始?jí)毫橐粋€(gè)大氣壓，加熱功率分別為400，600，800，1 000 W時(shí)，研究浸沒(méi)高度對(duì)提升管流動(dòng)性能的影響。

圖5示出了平均液體提升量與蒸汽產(chǎn)量隨沉浸高度的變化曲線。

圖5 沉浸高度對(duì)平均流量的影響

從圖可以看出，在給定加熱功率下，隨著沉浸高度的增加，液體提升量增加，但蒸汽產(chǎn)生量減少。如加熱功率600 W時(shí)，當(dāng)浸沒(méi)高度從580 mm增加到820 mm時(shí)，液體提升量從3.97 kg/h增加到11.69 kg/h，液體提升量是增加了1.9倍，蒸汽產(chǎn)生量從0.75 kg/h減少至0.44 kg/h，蒸汽產(chǎn)生量減少41%。這是由于：增加沉浸高度，氣泡泵的驅(qū)動(dòng)力（熱虹吸作用產(chǎn)生的靜壓頭）越大，而氣泡泵的凈提升高度（提升管內(nèi)液體的泵送距離）縮短，較大的驅(qū)動(dòng)力容易實(shí)現(xiàn)較小的凈提升高度，因而系統(tǒng)的循環(huán)流速增加，流動(dòng)更加穩(wěn)定（如圖6所示），但同時(shí)液體在提升管內(nèi)停留時(shí)間縮短，影響蒸汽產(chǎn)生量。

圖6 不同沉浸高度下液體提升量波動(dòng)曲線

Koyfman等［17］在底部加熱氣泡泵的試驗(yàn)研究中有類似發(fā)現(xiàn)，并認(rèn)為對(duì)于制冷系統(tǒng)，蒸汽產(chǎn)生量的多少對(duì)應(yīng)著制冷量的大小，因而建議，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，盡可能采用較低的沉浸高度。綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性及制冷量，應(yīng)合理選擇沉浸高度，其值大小與提升高度及管徑，加熱量，系統(tǒng)初壓力及進(jìn)口過(guò)冷度，工質(zhì)種類等有關(guān)，有待進(jìn)一步確定。

在試驗(yàn)過(guò)程中，我們還觀察到液體在提升管出口處存在一定的回流現(xiàn)象。對(duì)于沿程加熱氣泡泵，流體在提升管內(nèi)的泵送過(guò)程類似于接力上升的過(guò)程：一個(gè)氣彈推送一段液柱，有可能在到達(dá)提升管出口前動(dòng)能不足，氣彈破裂，液體沿著四周壁面向下回流，接著被下一段氣彈推送到更高位置，最終被泵送到氣液分離器。從圖6可以看出，在相同加熱功率下，當(dāng)浸沒(méi)高度較低時(shí)，流動(dòng)不穩(wěn)定，平均液體提升量相對(duì)較小。這正是由于此工況下，液體在提升管內(nèi)泵送距離較長(zhǎng)，容易發(fā)生氣彈破裂，回流現(xiàn)象較多導(dǎo)致的。

2.3 入口過(guò)冷度對(duì)流動(dòng)沸騰特性的影響

圖7示出浸沒(méi)高度660 mm，系統(tǒng)初始?jí)毫橐粋€(gè)大氣壓，加熱功率分別為400，600，800 W時(shí)，液體提升量與蒸汽量隨進(jìn)口過(guò)冷度的變化曲線。

圖7 入口過(guò)冷度對(duì)平均流量的影響

從圖可以看出，隨著入口過(guò)冷度減少，液體提升量及蒸汽產(chǎn)量顯著增加。如加熱功率為600 W時(shí)，當(dāng)過(guò)冷度從25 ℃減少至8 ℃時(shí)，液體提升量從5.92 kg/h增加至9.30 kg/h，液體提升量增加了57%，蒸汽產(chǎn)量從0.54 kg/h增加至0.78 kg/h，蒸汽量增加了44 %。對(duì)于不飽和工質(zhì)，提升管對(duì)液體的提升主要分2個(gè)階段：（1）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(shí)液體被提升到一定高度。在這一階段，工質(zhì)只是在熱虹吸的作用下被提升。（2）飽和液體沸騰，產(chǎn)生大量氣泡，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(lái)說(shuō)，第二階段比第一階段強(qiáng)。當(dāng)入口過(guò)冷度較小時(shí)，工質(zhì)經(jīng)歷第一階段時(shí)間短，更多時(shí)間處在提升性能更好的第二階段。

觀察提升管出口流動(dòng)狀況（如圖8所示，400 W），當(dāng)入口過(guò)冷度較高時(shí)（45，35℃），蒸汽產(chǎn)生量較少，氣彈輪廓清晰可見(jiàn)，且流速較慢；隨著過(guò)冷度減少（25，15℃），蒸汽產(chǎn)生量增加，此時(shí)氣彈頭部和液柱開(kāi)始振蕩，流速較快，流態(tài)逐漸由彈狀流向攪拌流轉(zhuǎn)變；當(dāng)過(guò)冷度降為8 ℃時(shí)，蒸汽產(chǎn)生更多，流速更快，液柱和氣彈振蕩加強(qiáng)，攪拌流特征更加明顯。在加熱功率為600 W時(shí)也可以看到類似的流型變化。

圖8 不同入口過(guò)冷度下提升管出口流型

比較瞬時(shí)液體流量曲線（如圖9所示，600 W），可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入口過(guò)冷度較高時(shí)（35 ℃），液體提升不穩(wěn)定，局部時(shí)刻出現(xiàn)斷流，流量波動(dòng)幅度較大；入口過(guò)冷度較低時(shí)（15 ℃），流量波動(dòng)幅度減少，平均液體提升量顯著增加。

圖9 不同過(guò)冷度下液體提升量波動(dòng)曲線

2.4 系統(tǒng)初始?jí)毫?duì)流動(dòng)沸騰特性的影響

圖10示出了提升管入口過(guò)冷度15 ℃，浸沒(méi)高度為660 mm，加熱功率分別為400，500，600 W時(shí)，液體提升量與蒸汽量隨系統(tǒng)初壓力的變化曲線。

圖10 系統(tǒng)初壓力對(duì)平均流量的影響

研究結(jié)果顯示：在低加熱功率下（如400，500 W），隨著系統(tǒng)初始?jí)毫p小，液體提升量及蒸汽產(chǎn)生量明顯增加。如加熱功率為500 W時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)初壓力從100 kPa降低到20 kPa時(shí)，液體提升量從6.47 kg/h增加到7.80 kg/h，液體提升量增加了21%，蒸汽產(chǎn)生量從0.56 kg/h增加到0.65 kg/h，蒸汽量增加了16%；提升管出口段由彈狀流逐漸向攪拌流轉(zhuǎn)變。在高加熱功率下（如600 W），隨著初始?jí)毫Φ慕档?，液體提升量增加趨緩，提升管出口基本處于攪拌流狀態(tài)，并有向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）加熱功率及沉浸高度是決定氣泡泵提升性能及流動(dòng)狀態(tài)的關(guān)鍵因素。在低加熱功率下，流動(dòng)呈現(xiàn)間歇特征，局部時(shí)刻出現(xiàn)斷流。隨著加熱功率增加，流動(dòng)趨于穩(wěn)定性，蒸汽產(chǎn)生量線性增加，液體提升量先增加而后減少。存在一個(gè)最佳加熱功率，使得液體提升量最大，在提升管出口呈攪拌流狀態(tài)。有關(guān)最佳加熱功率及其影響因素，有待進(jìn)一步研究。

（2）液體在提升管內(nèi)的泵送過(guò)程類似于一個(gè)接力上升的過(guò)程，存在回流現(xiàn)象。隨著浸沒(méi)高度的增加，泵送距離相應(yīng)縮短，回流現(xiàn)象減少，流動(dòng)趨于穩(wěn)定；同時(shí)系統(tǒng)循環(huán)流速增加，液體提升量隨著增加，但是蒸汽產(chǎn)生量減小，將會(huì)影響系統(tǒng)制冷量。因此，在設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性及制冷量，合理選擇沉浸高度范圍，有待進(jìn)一步研究。

（3）當(dāng)入口過(guò)冷度較高時(shí)，液體提升性能不穩(wěn)定，局部時(shí)刻斷流；隨著入口過(guò)冷度降低，液體提升量及蒸汽產(chǎn)量顯著增加，提升管出口流態(tài)由彈狀流向攪拌流轉(zhuǎn)變。

（4）在低加熱功率下，隨著系統(tǒng)初始?jí)毫p小，液體提升量及蒸汽產(chǎn)生量明顯增加；提升管出口段由彈狀流逐漸向攪拌流轉(zhuǎn)變；在高加熱功率下，隨著初始?jí)毫Φ慕档停后w提升量增加趨緩，提升管出口段基本處于攪拌流狀態(tài)，并有向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。