基于吸收式制冷沿程加熱氣泡泵的啟動性能

劉思琪 楊洪海 段文利 蔡韞宣 蘇云飛

東華大學環境科學與工程學院

0 引言

氣泡泵是太陽能無泵吸收式制冷的核心部件，用于取代傳統機械泵將濃溶液從低位發生器提升到高位的氣液分離器，使溶液獲得足以克服系統阻力的位能，在各部件中循環[1-4]。氣泡泵不僅可以利用低品位熱源，還具有耗電低，運行穩定，低噪音的優點[5]。因此，氣泡泵的研究受到了國內外學者的關注。

氣泡泵按照加熱方式的不同分為底部加熱和沿程加熱兩種[6]。目前，國內外學者對底部加熱式氣泡泵研究較多，而對沿程加熱式氣泡泵研究較少。Ratter 和Garimella 用逆流套管式沿程加熱氣泡泵，發現穩定運行時，套管內加熱流體最低溫度約比沸騰溫度僅高11 ℃[7]。葉志秦等[8]搭建了一套沿程加熱氣泡泵實驗裝置，研究了加熱功率、沉浸比對氣泡泵提升性能的影響。高洪濤[9]等對兩級溴化鋰氣泡泵的啟動時間進行了實驗研究。本文在課題組前期研究工作基礎上[7，10]，以水為工質，重點研究沿程加熱氣泡泵的啟動性能及影響因素。

1 實驗裝置及方法

1.1 實驗裝置

實驗裝置如圖1 所示，工作過程如下：提升管中的工質被加熱至沸騰，產生大量氣泡，提升管內的液體工質在氣泡的攜帶作用與熱虹吸作用下被提升到氣液分離器，蒸汽被分離至冷凝器，液體工質則回流到高位儲液器，進入冷凝器的蒸汽被冷盤管冷凝成液體后流到高位儲液器，高位儲液器的工質再流回低位儲液器，完成一個循環。

圖1 實驗裝置示意圖

提升管采用三根內徑為8 mm，長度為1.2 m 的不銹鋼管并聯，每根提升管采用一根長2 m，功率為250 W 的玻璃纖維加熱帶加熱，加熱功率由調壓器和電子功率計控制。實驗裝置采用保溫棉和玻璃纖維作保溫處理。需要測量的參數測量儀器規格如表1 所示。

表1 測量儀器規格

1.2 實驗方法

通過調壓器控制加熱功率0～700 W。提升管長度L 保持不變，通過調節儲液桶中液位H 控制沉浸高度。利用小型真空泵改變系統壓力，20～100 kPa。通過預加熱盤管和恒溫伴熱帶控制低位儲液桶溫度來控制入口工質溫度。氣泡泵液體提升量通過科式質量流量計連續測量，提升管進出口壓力與溫度通過布置在提升管進出口的壓力傳感器與熱電阻連續測量記錄。

2 實驗結果和分析

2.1 氣泡泵啟動特性

圖2 與圖3 中分別為同一啟動工況下正常啟動的提升液體流量曲線和提升管出口溫度曲線。由此，將啟動到穩定運行分為三個階段，第一階段管內工質溫度迅速攀升，在壁面位置開始有氣泡產生，但不足以克服阻力泵起，液體提升量為零，這一階段為延遲階段。第二階段隨著管內工質溫度不斷升高，蒸汽產生量不斷增加，產生的大量氣泡聚集合形成氣彈，足以克服阻力泵起，液體提升量從無到有且不斷增大，這一階段是過渡階段。第三階段提升管內工質溫度不再大幅升高，開始趨于穩定，提升管蒸汽產量穩定，同時提升液體量不再增加，而是圍繞一個平均值在一定范圍內波動，這一階段為穩定階段。泵起時間是指氣泡泵在一定條件下從靜止狀態到泵起運行狀態所需時間。從開始加熱到穩定階段所需時間定義為啟動時間Tst，將延遲階段所需時間定義為延遲時間Tde。

圖2 中未能正常啟動時的提升液體質量流量曲線，當加熱功率為140 W 時，氣泡泵雖然有數次泵起，但是大部分時間處于斷流狀態，氣泡泵未能泵起。定義一個最低啟動功率Qst，該功率是指氣泡泵存在一個臨界熱負荷，只有當加熱負荷大于或等于這個臨界熱負荷時，提升管內流體的含氣量和干度才能到達一定水平，氣泡的推送作用與驅動壓頭足以克服液相重力和工質流動阻力將液體穩定連續提升到氣液分離器。

圖2 啟動工況下提升液體質量流量曲線

圖3 啟動工況下提升管出口溫度曲線

2.2 系統初壓力對啟動性能的影響

設定提升管入口工質溫度為20 ℃，浸沒高度為66 mm，加熱功率分別為400 W、500 W、600 W，研究系統初壓力對啟動性能的影響。

圖4 系統初壓力對提升管啟動時間的影響

圖5 系統初壓力對提升管出口溫度的影響

圖4 為啟動時間隨系統初壓力的變化曲線，可以發現延遲時間和啟動時間都隨系統初壓力的減小而減小。這主要是因為系統初壓力越低，工質飽和溫度越低，在相同的加熱功率之下，壁面上活化點處的工質更容易達到飽和溫度并過熱從而產生氣泡，氣泡更容易脫離壁面并聚合成氣彈攜帶液體上升，從而氣泡泵能夠更快啟動。從圖5 系統初壓力對提升管出口溫度的影響也可以發現，隨著系統初壓力的降低，提升管出口溫度開始攀升的時間越早，工質溫升的速度越快，同時提升管出口溫度達到穩定的時間也越早。

系統初壓力對最低啟動功率的影響如圖6 所示，系統初壓力從100 kPa 減少至20 kPa 時，最低啟動功率從280 W 減少至120 W，最低啟動功率隨著系統初壓力減小而減小，且減小的速率也不斷增大，這說明系統初壓力越低，泵起越容易。

圖6 系統初壓力對最低啟動功率的影響

2.3 浸沒高度對啟動性能的影響

設定提升管入口工質溫度為20 ℃，系統初壓力為40 kPa，加熱功率分別為400 W、500 W、600 W，研究沉浸高度對啟動性能的影響。

啟動時間隨沉浸高度變化曲線如圖7 所示。延遲時間和啟動時間都隨沉浸高度的增大而減小。從圖8可知：沉浸高度對于提升管出口溫度的影響很小，沉浸高度不會影響提升管內工質溫度的升高與氣泡產生。這是因為對于沿程加熱氣泡泵，提升管被均勻加熱，提升管內工質溫升與氣泡產生速度相同。沉浸高度對啟動性能的影響主要是：沉浸高度越高，氣泡泵凈提升高度減小，重力壓降減小，較小的蒸汽產生量便足以泵起。同時沉浸高度越高，氣泡泵的驅動壓頭越大，液體更容易被泵起。

沉浸高度對最低啟動功率的影響如圖9 所示，最低啟動功率隨著沉浸高度的增加而減小。當沉浸高度較低時（58～74 mm），隨著沉浸高度增加，最低啟動功率明顯降低（從260 W 降到140 W），繼續增加沉浸高度，下降趨勢變緩。

圖7 沉浸高度對啟動時間的影響

圖8 沉浸高度對提升管出口溫度的影響

圖9 沉浸高度對最低啟動功率的影響

2.4 提升管入口工質溫度對啟動性能的影響

設定提升管沉浸高度保持為66 mm，系統初壓力保持為40 kPa，加熱功率分別為400 W、500 W、600 W，研究升管入口工質溫度對啟動性能的影響。

啟動時間隨提升管入口工質溫度的變化曲線如圖10 所示。隨著提升管入口工質溫度的升高，啟動時間和延遲時間都減少，且減少的趨勢逐漸變緩。當入口溫度超過30 ℃時，后面一個因素的抑制作用減小，對啟動延遲時間的影響減少。從圖11 可以看出，入口溫度越高，進入過渡階段與穩定階段的時間越早，穩定階段提升管出口溫度也越高。這是因為，系統壓力和加熱量一定時，提升管入口溫度越低，與飽和溫度的溫差越大，工質被加熱到飽和并產生氣泡所需時間越長，氣泡產生量越少。同時由于主流區溫度越低，氣泡容易冷凝湮滅，難以聚合成氣彈提升液體。

圖10 提升管入口工質溫度對啟動時間的影響

圖11 提升管入口溫度對提升管出口溫度的影響

2.5 加熱功率對啟動性能的影響

設定提升管入口工質溫度為20 ℃，浸沒高度為66 mm，系統初壓力分別為為20 kPa、40 kPa、60 kPa，研究加熱功率對啟動性能的影響。

圖13 加熱功率對啟動時間的影響

圖14 加熱功率對提升管出口工質溫度的影響

啟動時間隨加熱功率的變化曲線如圖13 所示。延遲時間和啟動時間隨加熱功率的升高而減小。這是因為隨著加熱功率的增加，液體從過冷狀態加熱到飽和狀態所需時間越短，產生蒸汽量越多，能在較短的時間內將管內流體提升到氣液分離器。從圖14 可以看出，加熱功率越高，提升管內流體溫度攀升越快，達到過度階段與穩定階段時間越短，同時穩定溫度越高。

3 結論

1）當加熱功率過低時，氣泡泵雖然有數次泵起，但是大部分時間處于斷流狀態，氣泡泵不能正常啟動，氣泡泵存在一個最低啟動功率。隨著加熱功率的增加，延遲時間和啟動時間減少，提升管內流體溫度攀升越快，穩定溫度越高。

2）氣泡泵正常啟動分為三個階段，延遲階段：提升管內流體溫度迅速攀升，但沒有泵起。過度階段：流體溫度不斷升高，產生大量氣泡將液體提升至氣液分離器，且流量不斷增大。穩定階段：流體溫度趨于穩定，提升液體流量圍繞一個值開始波動，不再大幅增加。

3）隨著系統初壓力的降低，氣泡泵的延遲時間、啟動時間與最低啟動功率都減少，提升管出口溫度溫升速度越快，且系統初壓力越低，泵起越容易。

4）延遲時間和啟動時間隨沉浸高度的增加而減小，沉浸高度對于提升管出口溫度影響很小。當沉浸高度較低時，隨著沉浸高度增加，最低啟動功率明顯降低，繼續增加沉浸高度，下降趨勢變緩。

5）延遲時間和啟動時間隨提升管入口工質溫度增大而減小，當提升管入口工質溫度大于30 ℃時，對啟動延遲時間的影響減少。