氣泡泵在單壓吸收制冷系統(tǒng)中的研究進(jìn)展

朱發(fā)明 劉道平 楊 亮 吳騰馬

(上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所 上海 200093)

氣泡泵在單壓吸收制冷系統(tǒng)中的研究進(jìn)展

朱發(fā)明 劉道平 楊 亮 吳騰馬

(上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所 上海 200093)

本文介紹了氣泡泵的工作原理，總結(jié)了近年來國內(nèi)外在單壓吸收式制冷系統(tǒng)中氣泡泵的研究進(jìn)展。提出氣泡泵的三種重要影響參數(shù)分別為結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)行參數(shù)和工質(zhì)，并對擴(kuò)散-吸收式制冷循環(huán)和Einstern制冷循環(huán)在理論和實(shí)驗(yàn)研究兩個方面進(jìn)行了闡述。同時對影響氣泡泵性能的因素以及氣泡泵其他方面的研究進(jìn)行了分類。最后，指出循環(huán)中工質(zhì)的種類以及多管氣泡泵中形成提升量的倍增需要更完善和深入的研究。

制冷系統(tǒng)；吸收式制冷；氣泡泵

能源緊缺與環(huán)境惡化加劇一直以來是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。國內(nèi)外很多科研人員把目光放在吸收式制冷技術(shù)的研究上，而常規(guī)吸收式制冷存在制冷量不適合小型化的問題。為了解決這一難題，國內(nèi)外眾多研究人員加大了對單壓吸收式制冷的研究。單壓吸收制冷技術(shù)無需任何機(jī)械運(yùn)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(bǔ)充。

單壓吸收式制冷包括擴(kuò)散-吸收式制冷和Einstein制冷循環(huán)兩種形式。1926年，B. C. Plant等[1]以氨作為制冷劑，水為吸收劑，氫為壓力平衡劑，提出了擴(kuò)散-吸收式制冷循環(huán)。1930年，A. Einstein等[2]對前人研究的系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，以丁烷為制冷劑，水為吸收劑，氨為壓力平衡劑，提出了一種新的循環(huán)制冷方式(后人稱為“Einstein制冷循環(huán)”)。

氣泡泵是單壓吸收制冷系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動部件，為整個單壓吸收制冷系統(tǒng)的循環(huán)提供動力。因此氣泡泵運(yùn)行效率的高低直接影響整個單壓吸收式制冷裝置的性能[3]。

1 氣泡泵的工作原理

氣泡泵的本質(zhì)是一段連接高、低位儲液器的加熱管，其原理如圖1所示。

氣泡泵開始工作時，低位儲液器與提升管中的液體高度相同，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低于低位儲液器中液體密度的氣液混合物，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(jìn)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(bǔ)充其中被提升的液體，可以實(shí)現(xiàn)不斷提升液體的目的。

圖1 氣泡泵示意圖Fig.1 Schematic diagram of bubble pump

垂直管的長度L即氣泡泵提升高度，H為液體浸沒低位儲液器高度，影響氣泡泵提升效率(氣泡泵的輸出功率與輸入功率的比值)的主要因素包括沉浸比(H/L)和外部加熱功率[4]。

2 單壓吸收制冷系統(tǒng)中氣泡泵的國內(nèi)外研究進(jìn)展

評價氣泡泵的好壞，目前主要從液體提升量和提升效率兩個方面評價。下面從單壓吸收制冷類型(擴(kuò)散-吸收式制冷循環(huán)和Einstein制冷循環(huán))對近年來氣泡泵的研究進(jìn)行分類，并分別按照理論研究、實(shí)驗(yàn)研究、影響氣泡泵性能因素(結(jié)構(gòu)改變、運(yùn)行參數(shù)變化、工質(zhì))對氣泡泵研究進(jìn)展進(jìn)行歸納。

2.1 氣泡泵在擴(kuò)散-吸收式制冷循環(huán)中的研究

在擴(kuò)散-吸收式制冷循環(huán)中，氣泡泵是核心部件，除了可以驅(qū)動工作流體循環(huán)外，還可以解析溶液中的制冷劑溶質(zhì)，循環(huán)性能取決于氣泡泵的提升效率[5]。近年來，學(xué)者們在理論與實(shí)驗(yàn)方面進(jìn)行了對于循環(huán)中氣泡泵的大量研究。

2.1.1 氣泡泵結(jié)構(gòu)改變

近年來，學(xué)者們主要從發(fā)生器與氣泡泵組合方式、對管內(nèi)工質(zhì)間接加熱、減少精餾器的熱損失、改變提升管數(shù)量出發(fā)，對氣泡泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

在理論研究方面，A. Zohar等[6]為了研究不同結(jié)構(gòu)形式的發(fā)生器和氣泡泵對擴(kuò)散-吸收式制冷系統(tǒng)性能的影響，提出了三種不同結(jié)構(gòu)形式的氣泡泵(如圖2所示)，并且理論研究了采用這三種氣泡泵結(jié)構(gòu)形式的擴(kuò)散-吸收式制冷系統(tǒng)，通過數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在電加熱量為160 W模型，對這三種制冷系統(tǒng)的性能進(jìn)行模擬計(jì)算的情況下，采用第二種結(jié)構(gòu)形式氣泡泵的制冷系統(tǒng)能夠分離出的制冷劑最少，第三種次之，第一種最多。前人的研究都是通過熱量輸入直接對工質(zhì)加熱，而U. Jakob等[7]為了研究間接加熱氣泡泵/發(fā)生器內(nèi)的工質(zhì)對系統(tǒng)性能的影響，開發(fā)了如圖3所示的豎直殼管式換熱器的氣泡泵，在這種氣泡泵中，工質(zhì)溶液在圓形豎直管中流動，傳熱介質(zhì)在殼程中流動，加熱工質(zhì)溶液。研究表明采用管殼式結(jié)構(gòu)間接加熱的氣泡泵能夠達(dá)到所需的溶液和蒸氣流速。

圖2 A. Zohar等[6]使用的不同結(jié)構(gòu)Fig.2 Different structure used by A.Zohar et al[6]

圖3 U.Jakob等[7]提出的氣泡泵結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of bubble pump put forward by U.Jakob et al[7]

在實(shí)驗(yàn)研究方面，為了研究影響系統(tǒng)性能因素，J. Chen等[8]運(yùn)用熱力學(xué)分析的方法對制冷機(jī)原型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)影響系統(tǒng)性能的最重要因素是精餾器的熱損失。為了提高制冷機(jī)的性能，他們設(shè)計(jì)出了一種新的熱發(fā)生器/氣泡泵(如圖4所示)來減少由精餾產(chǎn)生的熱損失。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)后的制冷機(jī)在保持原制冷量不變的情況下，系統(tǒng)COP提高50%。

1第一加熱器；2第二加熱器；3發(fā)生器；4氣泡泵；5螺旋外管；6螺旋內(nèi)管；7連接精餾器； 8，9連接吸收器；10連接儲液器圖4 J. Chen等[8]設(shè)計(jì)的發(fā)生器/氣泡泵結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of generator/bubble pump designed by J. Chen et al[8]

圖5 多管式氣泡泵示意圖[9]Fig.5 Diagram of the multi-tube bubble pump[9]

為了提高循環(huán)制冷量，G. Vicators等[9]在一臺擴(kuò)散-吸收式制冷機(jī)采用多管式氣泡泵(如圖5所示)，研究不同提升管數(shù)量對整個制冷機(jī)性能的影響效果。結(jié)果表明，提升管數(shù)量的增加的確提高了系統(tǒng)的制冷量，但該制冷系統(tǒng)的COP沒有下降，多管式氣泡泵的質(zhì)量流量只與電加熱功率的大小有關(guān)，多管式氣泡泵的液體提升量并不受提升數(shù)量的限制。為了進(jìn)一步研究提升管數(shù)量對系統(tǒng)性能的影響，賈陽濤等[10]對系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，采用雙提升管結(jié)構(gòu)形式的氣泡泵，并且在精餾器上設(shè)計(jì)了較多的阻流坑，研究了不同氨水充注濃度、不同充氫壓力、不同加熱功率對制冷系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明：采用雙提升管氣泡泵的擴(kuò)散-吸收式制冷，相同情況下，比采用單根提升管的系統(tǒng)液體循環(huán)量大，制冷量也增加，整個制冷循環(huán)周期縮短。

2.1.2 運(yùn)行參數(shù)變化

近年來也有不少學(xué)者研究了加熱功率、沉浸比等運(yùn)行參數(shù)的變化對氣泡泵提升性能的影響。

在理論研究方面，A. Benhmidene等[11]為了探究運(yùn)行參數(shù)變化對其性能的影響，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究氣泡泵在不同的豎直提升管管徑和加熱功率下的性能。結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)處于最佳工況時，加熱功率的大小只與管徑有關(guān)。他們認(rèn)為氣泡泵的提升效率決定了擴(kuò)散-吸收式制冷循環(huán)的性能，提升效率最高時，提升管的兩相流處于彈狀流狀態(tài)，提升管管徑、沉浸比對氣泡泵的性能也有重要的影響[12]。隨后，為了進(jìn)一步探究加熱功率對氣泡泵性能的影響，A. Benhmidene等[13]通過建立兩相流模型，又研究了不同運(yùn)行條件下加熱功率對均勻加熱氣泡泵的影響，發(fā)現(xiàn)最佳的加熱功率與管徑和管內(nèi)液體質(zhì)量流量相關(guān)，而泵送液體的最低加熱功率與管徑有關(guān)。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，A. Koyfman等[14]搭建了一種可以連續(xù)工作的氣泡泵實(shí)驗(yàn)裝置，目的是研究氣泡泵以及采用DMA(二甲基乙酰胺)-R22為工質(zhì)的制冷機(jī)的性能，采用了控制變量法研究其性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣泡泵的加熱功率為200 W時，制冷劑流量為0.4g/s，制冷系統(tǒng)的理論COP可達(dá)到0.35。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明影響氣泡泵性能的最重要因素是驅(qū)動壓頭。他們認(rèn)為降低驅(qū)動壓頭能增大制冷劑的流量，從而增大制冷量。而郝楠[15]通過實(shí)驗(yàn)研究了儲液罐液位、加熱量等因素對氣泡泵性能和提升效率的影響規(guī)律，尤其是在雙儲液罐情況下，做了不同動力壓頭下(即不同沉浸比下)氣泡泵性能的實(shí)驗(yàn)。選取了10 mm管徑的氣泡泵，制冷劑的質(zhì)量充注量為30.8%R134a和12%R23，氦氣充注到0.84 MPa。其他工況保持不變，做了不同的動力壓頭(0.63 m、0.60 m、0.57 m、0.54 m、0.51 m)下的變工況實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)表明：相同加熱量下，壓頭越小，啟動加熱量越大，氣相流量越大。相同加熱量下，動力壓頭越小，發(fā)生溫度越大。

2.1.3 工質(zhì)

對于工質(zhì)的研究，國內(nèi)外學(xué)者們主要從氨水濃度變化、工質(zhì)種類(TFE/E181，DMF-(R134a，R23，R32)，DMF-R134a/R23)方面對氣泡泵性能的影響進(jìn)行了研究。

在理論研究方面，A. Zohar等[16]對制冷機(jī)及其氣泡泵進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。氣泡泵模型是由兩個不同管徑的同軸管組成，外管比內(nèi)管長，使得該氣泡泵不僅具有氣泡泵提升液體的功能，還具有發(fā)生器的功能。他們研究了采用此結(jié)構(gòu)的氣泡泵在發(fā)生溫度為195～205 ℃時，不同氨水濃度對其提升性能的影響，發(fā)現(xiàn)氨水濃度對氣泡泵提升性能有一定的影響。而陳福勝等[17]采用引入阻力損失系數(shù)的新方法，考慮了從儲液罐到發(fā)生器之間的阻力損失對氣泡泵輸送性能的影響，對氣泡泵所輸送的稀溶液流量進(jìn)行修正計(jì)算，并給出了阻力損失系數(shù)與管徑、沉浸比的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，并對6 mm、8 mm和12 mm管徑的R134a-DMF(二甲基甲酰胺)溶液氣泡泵輸送性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模型預(yù)測分析對比。結(jié)果表明：提出的新方法和經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式所得到的預(yù)測結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，與傳統(tǒng)氣泡泵理論模型預(yù)測相比有很大提高。李華山等[18]基于氣液兩相漂移流理論，對以TFE(三氟乙醇)/E181(四甘醇二甲醚)溶液為工質(zhì)氣泡泵建立數(shù)學(xué)模型，通過MATLAB編程，在不同的沉浸比和加熱功率下，分析了提升管管徑對TFE/E181氣泡泵性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在沉浸比介于0.2～0.7，加熱功率介于200～1 200 W的范圍內(nèi)，存在一個最佳的提升管管徑使得氣泡泵的溶液提升量與提升效率最大，且提升管最佳管徑隨著沉浸比和加熱功率的增大而增大，直至趨于彈狀流最大允許直徑；此外，在提升管管徑一定的情況下，TFE/E181氣泡泵的溶液提升量與效率隨沉浸比的增大而增大，而隨加熱功率的變化則與提升管管徑的大小有關(guān)。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，崔抗[19]采用DMF為吸收劑，R134a/R23作為制冷劑，建立數(shù)學(xué)模型和搭建實(shí)驗(yàn)裝置，研究了管徑、流型變化、加熱量、充注濃度等因素對氣泡泵工作性能和提升效率的影響。結(jié)果表明：影響氣泡泵性能的根本因素是其內(nèi)部兩相流流動狀態(tài)變化，彈狀流時，提升能力最強(qiáng)；提升效率都是在初始時為最大值，隨著加熱量增大而減小，而且在相同加熱量下隨著濃度的升高而減?。?0 mm管徑比12 mm和14 mm管徑啟動加熱量小。而孫騰飛[20]對含有混合制冷劑擴(kuò)散-吸收式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。利用非共沸多元混合制冷劑R134a，R23，R32以及吸收劑DMF和平衡氣體氦氣，在一定的工況下實(shí)現(xiàn)了-30.3 ℃的最低制冷溫度。實(shí)驗(yàn)表明，加入中間沸點(diǎn)的制冷劑可以改善系統(tǒng)的制冷性能，可以實(shí)現(xiàn)更低的制冷溫度。

2.1.4 其他

在制冷循環(huán)實(shí)驗(yàn)研究中，也有學(xué)者在氣泡泵/發(fā)生器的受熱面積改變對氣泡泵性能影響方面進(jìn)行了研究。

A. S. Rattner等[21]通過增加氣泡泵的受熱面積，使被加熱的液體在氣泡泵管四周的環(huán)形夾道內(nèi)循環(huán)流動，對內(nèi)管徑為7.8 mm的氣泡泵/發(fā)生器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，這種條件下的氣泡泵/發(fā)生器能夠在超過液體飽和溫度低至11 K條件下運(yùn)行，并且從彈狀流的機(jī)制出發(fā)，建立了氣泡泵數(shù)學(xué)模型，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)加大氣泡泵/發(fā)生器的受熱面積，可以使用相對低的熱源溫度實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)，確保了使用更低位熱能進(jìn)行制冷。

2.2氣泡泵在Einstein制冷循環(huán)中的研究

Einstein制冷循環(huán)中的氣泡泵與擴(kuò)散-吸收式制冷循環(huán)中氣泡泵作用不同，Einstein制冷循環(huán)中的氣泡泵只承擔(dān)將液體從低位儲液器泵送到高位儲液器中的作用。此外，在Einstein制冷循環(huán)中，人們在理論與實(shí)驗(yàn)方面也對氣泡泵進(jìn)行了大量的研究。

2.2.1 氣泡泵結(jié)構(gòu)改變

在結(jié)構(gòu)方面，學(xué)者們主要對提升管內(nèi)徑、導(dǎo)流式結(jié)構(gòu)、圓弧式結(jié)構(gòu)、變截面提升管、多管以及提升管高度對氣泡泵性能影響做了研究。

在理論研究方面，薛相美等[22]為了研究氣泡泵的性能，以氨水為工質(zhì)，根據(jù)兩相流流型轉(zhuǎn)換理論，推導(dǎo)出氣泡泵在流型轉(zhuǎn)換時液體流量、氣體流量與管徑的關(guān)系，并且根據(jù)空氣提升理論、能量守恒、質(zhì)量守恒推導(dǎo)出氣泡泵提升管內(nèi)徑、加熱功率、沉浸比與氣泡泵提升效率之間的關(guān)系。而趙榮祥等[23]為了探究提升管內(nèi)徑對氣泡泵性能的影響，以水為工質(zhì)，基于兩相流分相模型，研究了加熱功率為100～650 W，沉浸比為0.2～0.4，提升管內(nèi)徑為7 mm，9 mm，11 mm，13 mm和16 mm，提升管長為600 mm工況下的氣泡泵性能(如圖6所示)。采用理論研究與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合的方式分析，結(jié)果表明：提升管管徑的增加在一定的范圍能夠顯著提升氣泡泵的提升量，但是管徑的增加有一個極值，實(shí)驗(yàn)中管徑為11～13mm，超過此極值，提升量不升反降，大管徑的提升管為了達(dá)到與小管徑有相同的液體提升量需要更大的加熱功率，氣泡泵的提升效率很低。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.6 Schematic diagram of experiment device

圖7 導(dǎo)流式氣泡泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Structure diagram of guided bubble pump

在實(shí)驗(yàn)研究方面，平亞琴等[24-25]為了提高氣泡泵的液體輸送能力，進(jìn)一步減少工質(zhì)在管內(nèi)運(yùn)行過程中因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)突變所帶來的阻力，在前人研究的基礎(chǔ)上，對氣泡泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，增加了氣泡收集裝置，使管內(nèi)更易產(chǎn)生彈狀流，同時建立了導(dǎo)流式氣泡泵實(shí)驗(yàn)臺(如圖7所示)并對導(dǎo)流式氣泡泵的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，研究發(fā)現(xiàn)，有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)氣泡泵提升效果比沒有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的氣泡泵提升效果好。

梁俁[26]在平亞琴研究的基礎(chǔ)上，簡化了裝置，采用圓弧形導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的氣泡泵并對其進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示。利用質(zhì)量守恒和動量守恒方程建立氣泡泵理論模型，設(shè)計(jì)搭建可視化圓弧形導(dǎo)流式氣泡泵實(shí)驗(yàn)裝置，以水為工質(zhì)，研究不同實(shí)驗(yàn)條件下氣泡泵性能評價參數(shù)——液體質(zhì)量流量、輸出功率和泵提升效率與各運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)系，最后發(fā)現(xiàn)除了加熱功率、沉浸比和提升管管徑的變化會對氣泡泵的性能產(chǎn)生較大影響外，提升高度也對氣泡泵的提升性能產(chǎn)生較大的影響。

圖8 圓弧形導(dǎo)流式氣泡泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 The functional diagram of circular arc form guided bubble pump

陳永軍等[27]在梁俁研究的基礎(chǔ)上，將整個提升管設(shè)計(jì)成錐形，從而大大降低了管內(nèi)液體的流動阻力，并對采用變截面提升管的氣泡泵進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，搭建了變截面豎直提升管氣泡泵裝置的實(shí)驗(yàn)臺，分析了影響變截面豎直提升管氣泡泵性能的因素，并將所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相同管徑下的圓柱形豎直提升管氣泡泵進(jìn)行對比分析，在加熱功率為350 W，沉浸比為0.5時，變截面豎直提升管氣泡泵具有明顯優(yōu)勢，提升效率高出9.2%(實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示)。由于氣泡泵的提升效率低很大程度上限制了氣泡泵的提升性能，為了提高氣泡泵的提升效率，根據(jù)氣液兩相流理論模型，有學(xué)者對多管導(dǎo)流式氣泡泵進(jìn)行了研究[28]。

圖9 錐形導(dǎo)流式氣泡泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Structure diagram of cone guided bubble pump

趙榮祥[29]提出了多管導(dǎo)流式氣泡泵(如圖10所示)，目的是研究管數(shù)量增加能否使提升量達(dá)到倍增。實(shí)驗(yàn)研究表明：在加熱初始階段，管數(shù)量越多，提升量越小，這是由于管數(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，提升效果較差；隨著加熱功率的增加，提升管數(shù)量越多，平均到每根管的加熱功率越大，管內(nèi)流型越接近彈狀流，提升量增大，隨著加熱量的繼續(xù)增大，流型向塊狀流轉(zhuǎn)變，提升量變小。而B. Gurevich等[30]改變了豎直提升管數(shù)量，在不同的運(yùn)行條件下，對工質(zhì)為R134a-DMAC的三根平行且相同的豎直提升管進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中采用的管長為700 mm，內(nèi)徑為7 mm，系統(tǒng)壓力為0.12～0.5 MPa，R134a(制冷劑)質(zhì)量濃度在20%～40%變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)制冷劑質(zhì)量濃度為20%時，單根管比兩根、三根提升管的提升效率高，而當(dāng)制冷劑質(zhì)量濃度為30%或40%時，管數(shù)量增加，增大了液體提升量，尤其加熱功率在150～200 W時。此外，單管情況下，當(dāng)運(yùn)行工質(zhì)的質(zhì)量濃度在20%～40%時，對氣泡泵的性能影響不明顯，當(dāng)管數(shù)量增加到兩根、三根時，濃度影響更加明顯。不僅如此，趙榮祥等[31]還研究了不同的提升高度對液體提升量及提升效率的影響。在保持相同的沉浸比、提升管內(nèi)徑以及加熱功率的情況下，實(shí)驗(yàn)對提升高度分別為600 mm和800 mm的提升管進(jìn)行研究(如圖11所示)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在沉浸比、加熱功率、提升管內(nèi)徑等其他因素一致的條件下，氣泡泵的液體提升量與提升高度(L)和管內(nèi)徑(D)的比值(L/D)成反比關(guān)系，即管長越長，液體提升量越少，提升效率與提升高度成正比關(guān)系。

圖10 多管導(dǎo)流式氣泡泵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure diagram of multi-tube guided bubble pump

圖11 不同提升高度的對比圖Fig.11 Comparison diagram of different lift height

2.2.2運(yùn)行參數(shù)變化

對于運(yùn)行參數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者對提升管內(nèi)徑、沉浸比、加熱功率、提升效率之間的關(guān)系進(jìn)行了理論研究，也對加熱功率和沉浸比對氣泡泵性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

在理論研究方面，王汝金等[32]結(jié)合Einstein制冷循環(huán)，應(yīng)用氣液兩相流壓降理論建立了氣泡泵物理模型，分析得到氣液兩相流在氣泡泵中以彈狀流型運(yùn)行的公式，并且對氣泡泵上升管內(nèi)徑、沉浸比和外部加熱功率與氣泡泵的提升效率(液體流量與氣體流量之比)之間的關(guān)系進(jìn)行了理論研究。而湯成偉等[33-35]由氣液兩相流壓降理論得出在固定提升效率的Einstein制冷循環(huán)中，氣泡泵內(nèi)徑、沉浸比和外部加熱功率三者的關(guān)系曲線。根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)工況下運(yùn)行的氣泡泵研究得出：氣泡泵的液體流量及提升效率與沉浸比、加熱功率和提升管管徑有關(guān)。同時，氣泡泵在輸送液體時存在周期性，該周期與加熱功率和沉浸比有關(guān)。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，A. D. Delano[36]建立了以空氣-水為工質(zhì)對的小管徑氣泡泵實(shí)驗(yàn)裝置并探究其工作性能。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)沉浸比不變時，隨著加熱功率的增加，氣泡泵的液體提升量不斷增加，達(dá)到最大值后開始出現(xiàn)下降。在計(jì)算Einstein制冷循環(huán)的性能中，將此氣泡泵模型也考慮進(jìn)去，最后得出采用該氣泡泵的制冷系統(tǒng)理論COP為0.17。而葉鵬等[37]基于可視化的實(shí)驗(yàn)裝置，研究了當(dāng)壓力為0.4 MPa，氨水質(zhì)量濃度為18%，發(fā)生溫度為100 ℃時，以氨-水為工質(zhì)的氣泡泵的性能。結(jié)果表明：氣泡泵的液體流量隨著加熱功率和沉浸比的增大而增大，而受提升管內(nèi)徑的變化影響不明顯，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。

2.2.3 工質(zhì)

近年來，學(xué)者們對工質(zhì)的種類(氨-丁烷-水、氨-丙烷-水、甲胺-戊烷-水、氯化氫-丙烷-水、氯化氫-丁烯-水、氯化氫-丁烷-水、氨-戊烷-水)對制冷機(jī)性能的影響進(jìn)行了理論研究，同時對氨水工質(zhì)對及一定的氨水濃度對氣泡泵性能影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。

在理論研究方面，L. A. Schaefer[38]為了研究不同工質(zhì)對對制冷機(jī)性能的影響，根據(jù)Einstein制冷循環(huán)的特點(diǎn)，利用p-T方程、混合準(zhǔn)則和物性數(shù)據(jù)對比分析氨-丁烷-水、氨-丙烷-水、甲胺-戊烷-水、氯化氫-丙烷-水、氯化氫-丁烯-水、氯化氫-丁烷-水、氨-戊烷-水等三元工質(zhì)在系統(tǒng)用于熱泵場合的性能特點(diǎn)。通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，只有以氨-丙烷-水為工質(zhì)對的系統(tǒng)可以與以氨-丁烷-水為工質(zhì)的系統(tǒng)相媲美，其他組合COP均較低。而丁充[39]也為了研究不同工質(zhì)對對制冷機(jī)性能的影響，對氣泡泵及整個制冷系統(tǒng)進(jìn)行理論建模。選取氨-丙烷-水，氯化氫-丁烷-水，氯化氫-丙烷-水，氨-丁烷-水四組工質(zhì)對在Tc/Te=323 K/278 K，Tc/Te=323 K/285 K和Tc/Te=315 K/285 K三種工況下，根據(jù)兩相流均相流理論，利用EES軟件進(jìn)行系統(tǒng)模擬，對工作在彈狀流情況下的氣泡泵進(jìn)行性能計(jì)算，并得出：氨-丁烷-水依然是較為理想的工質(zhì)對。

在實(shí)驗(yàn)研究方面，S. J. White[40]為了研究Einstein制冷循環(huán)氣泡泵的性能，用配比濃度15.5%的氨水溶液進(jìn)行了小管徑氣泡泵的實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了提升管內(nèi)的兩相流在由彈狀流向塊狀流過渡時，氣泡泵的提升效率最高。并根據(jù)兩相流理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了流型從彈狀流向塊狀流轉(zhuǎn)變的準(zhǔn)則。而K. W. Chan等[41]建立了以氨-水為工質(zhì)的氣泡泵實(shí)驗(yàn)臺，測試了壓力為0.4 MPa，沉浸比為0.7，管內(nèi)徑為8 mm，氨水濃度為20%時氣泡泵的性能。結(jié)果表明：以氨水為工質(zhì)的氣泡泵的工質(zhì)沸騰溫度較低，其開啟溫度也低于以水為工質(zhì)的氣泡泵。同時將這一模型用于模擬Einstein制冷循環(huán)的性能，當(dāng)系統(tǒng)壓力為0.4 MPa，蒸發(fā)溫度為12 ℃，氣泡泵加熱溫度為160 ℃時，得出系統(tǒng)的COP為0.29，這一結(jié)果比以水-空氣為工質(zhì)的氣泡泵性能高40%。

2.2.4 其他

對于氣泡泵的實(shí)驗(yàn)研究，還有部分學(xué)者考慮到氣泡泵在熱態(tài)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的不穩(wěn)定缺點(diǎn)，從而改變了氣泡泵的受熱方式，對氣泡泵進(jìn)行了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)。

李廣等[42]對圓錐形氣泡泵進(jìn)行了冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行壓力為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，采用常溫水為工質(zhì)，進(jìn)氣量取0.5、0.75、1.0、1.25、1.5、1.75、2.0、2.25 m3/h，沉浸比取值為0.2、0.25、0.3、0.35、0.4和0.45，實(shí)驗(yàn)表明：隨著氣體輸入量的增加，初始階段，液體提升量隨著氣體輸入量的增加而急速增加，當(dāng)氣體輸入量達(dá)到一定程度后，液體提升量逐漸趨于穩(wěn)定。沉浸比越大，液體提升量越大。陳永軍等[43]對管長600 mm，外徑13 mm，下端內(nèi)徑11 mm，上端內(nèi)徑8 mm，且下端到上端管徑連續(xù)縮小的漸縮形式的氣泡泵進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在運(yùn)行過程中保持提升管高度600 mm不變，通過調(diào)節(jié)液位控制器改變儲液器液位高度H，可獲得不同沉浸比。在沉浸比為0.2，0.3，0.4和0.5，進(jìn)氣量1～25 L/min條件下研究氣泡泵的性能。實(shí)驗(yàn)表明：在氣體流量為5～10 L/min時變截面管提升性能較佳，且冷態(tài)對比分析中，氣體流量在5～15 L/min時變截面提升管提升效率高出19%。鄭曉倩等[44]采用了進(jìn)氣的方式對圓弧形導(dǎo)流式氣泡泵冷態(tài)工況下的提升特性進(jìn)行了分析，并在實(shí)驗(yàn)過程中保持進(jìn)氣連續(xù)均勻(如圖12所示)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對影響氣泡泵性能因素進(jìn)行了分析，并對比了冷態(tài)工況和熱態(tài)工況下氣泡泵的提升性能。結(jié)果表明：當(dāng)保持系統(tǒng)工況恒定時，氣泡泵的液體提升量隨著管徑、沉浸比的增大而增大，隨著氣體輸入量的增加先增大后減小。

圖12 冷態(tài)實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.12 Schematic diagram of the cold test device

2.3 氣泡泵在單壓吸收式制冷中的研究

通過近年來國內(nèi)外學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，影響氣泡泵性能的主要因素有：工質(zhì)、運(yùn)行參數(shù)、氣泡泵的結(jié)構(gòu)形式。

對于工質(zhì)而言，不同的工質(zhì)對，或者不同濃度的同一工質(zhì)組，都會影響氣泡泵的提升性能。

在運(yùn)行參數(shù)方面，加熱功率和沉浸比是影響氣泡泵性能的兩個重要參數(shù)，兩者大小的改變對氣泡泵提升效率有重要的影響。

結(jié)構(gòu)形式影響氣泡泵的性能主要有兩個方面：提升管的管徑和氣泡泵的結(jié)構(gòu)形式。提升管管徑的增加在一定的范圍能夠顯著提升氣泡泵的提升量，但管徑的增加有一個極值，超過這個極值，提升量不升反降，同時也有學(xué)者改變氣泡泵在系統(tǒng)中的數(shù)量和底部對整個氣泡泵的加熱方式來改變氣泡泵提升性能。

根據(jù)上文所述，對近年來單壓吸收制冷系統(tǒng)中氣泡泵的研究歸納如表1所示。

表1 近年來氣泡泵研究進(jìn)展

3 結(jié)論與展望

當(dāng)今能源依然緊缺，對單壓吸收式制冷循環(huán)的研究仍然需要國內(nèi)外學(xué)者的重視，而氣泡泵是單壓吸收式制冷循環(huán)的驅(qū)動部件，如何提高氣泡泵的提升效率是國內(nèi)外學(xué)者的研究重點(diǎn)。近年來，國內(nèi)外學(xué)者主要通過改變影響氣泡泵性能的一些因素對其研究[45]，著重對氣泡泵結(jié)構(gòu)改造進(jìn)行研究，包括：氣泡泵數(shù)量的增加、氣泡泵管徑變化、氣泡泵管高度的研究及導(dǎo)流結(jié)構(gòu)的改造。同時國內(nèi)學(xué)者開始改變產(chǎn)生氣泡方式，如冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，研究其性能，并與加熱狀態(tài)的氣泡泵性能對比，但是對氣泡泵性能仍未完全掌握，本文對氣泡泵未來的研究。提出了以下幾點(diǎn)建議：

1)近年來的研究都是在特定工質(zhì)下研究氣泡泵的性能，今后可以加強(qiáng)對相同條件下不同種類的工質(zhì)對氣泡泵或者系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行研究。

2)現(xiàn)階段對于多管氣泡泵的研究，不能使每根管中同時產(chǎn)生彈狀流，形成提升量的倍增，在今后的研究中，可以考慮添加均流器，使每根管盡量受熱均勻，同時產(chǎn)生彈狀流，達(dá)到提升量倍增的目的。

本文受上海市教育委員會科研創(chuàng)新(13ZZ117)——基于Einstein制冷循環(huán)的單壓吸收式制冷技術(shù)的研究項(xiàng)目資助。 (The project was supported by the Innovation Program of Shanghai Municipal Education Commission (No. 13ZZ117): single pressure absorption refrigeration technology research based on Einstein refrigeration cycle.

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About the corresponding author

Liu Daoping, male, Ph. D., professor, Institute of Refrigeration Technology, University of Shanghai for Science and Technology，+86 13501618727，E-mail: dpliu@usst.edu.cn. Research fields: single pressure absorption refrigeration, formation of the natural gas.

Research Progress of Bubble Pump in Single Pressure Absorption Refrigeration System

Zhu Faming Liu Daoping Yang Liang Wu Tengma

(Institute of Refrigeration Technology, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai, 200093, China)

The principle of bubble pump is introduced briefly and a number of bubble pumps that apply to single pressure absorption refrigeration system are summarized and discussed. Configuration, operating parameter and working fluid are presented as the important parameters influencing the performance of the bubble pump. The theoretic and experimental research on bubble pumps with diffusion-absorption refrigeration cycle and Einstein refrigeration cycle are provided. The factors that influence the performance of the bubble pump and research in other aspects are classified. Finally, more further research on different types of working medium and the multiplication of lifting capacity formed are pointed out in the future.

refrigeration system; absorption refrigeration; bubble pump

0253- 4339(2017) 02- 0065- 11

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.065

2016年7月18日

TB657;TB61+1

A

劉道平，男，博士，教授，上海理工大學(xué)制冷技術(shù)研究所，13501618727，E-mail：dpliu@usst.edu.cn。研究方向：單壓吸收式制冷，氣體水合物生成技術(shù)。