热虹吸泵管径上下限确定方法的比较研究

杨丰畅 杨洪海 刘远钊 施龙 顾奂翔

东华大学环境科学与工程学院

0 引言

在小型吸收式制冷空调系统中，热虹吸泵（又称气泡泵）可取代溶液泵，具有耗电少、系统稳定和低噪音的优点，得到了越来越多的重视和研究[1]。其工作原理如图1所示：开始时，提升管中的液体与低位储液器具有相同的液位高度。加热提升管，使得管内液体沸腾并产生气泡，同时携带液体提升至高位储液器。因此，液体上升主要依靠浮升力及气泡膨胀。一般情况下，提升管内存在下列几种流态：泡状流、弹状流、搅拌流和环状流等。其中，弹状流有利于气泡膨胀做功，得到更好的提升效果[2～3]。因此，流态研究对于考察热虹吸泵的运行机理及工作性能至关重要。在文献研究的基础上，本文着重讨论管径对流态的影响，以及为保持弹状流，管径范围的确定方法。

图1 热虹吸泵原理图

1 管径对流态的影响分析

文献研究表明，提升管内流型受多种因素的影响：不仅与提升管管径有关，还与工质物性、管路水力特性等有关。Abu-Mulaweh[2]采用甲醇为工质，对底部加热的热虹吸泵进行研究。结果表明，当干度为0.08时，16mm管内为泡状流，而8～10mm管内为弹状流。Benhidene[3]采用40%浓度氨水，对沿程加热的热虹吸泵进行研究，管内径4mm、6mm、8mm、10mm。结果表明，在一定管径下，随着热流密度增加，液体输送能力先增加而后减少，存在一个临界热流密度，输送能力最大。相应的，管内分别经历泡状流、弹状流、搅拌流。随着管内径从4mm增加到10mm，临界热流密度从15 kW/m2增加到45kW/m2，表明流态转换延后。

综上所述，在其他条件（如干度、热流密度或气相速度等）相同的情况下，存在一个管径范围，使管内保持弹状流，有利于气泡膨胀做功，改善热虹吸泵的运行性能。如果设计管径过大或过小，则会在运行过程中产生泡状流或搅拌流，不利于热虹吸泵的运行。因此有必要研究管径上、下限。

2 管径上限的比较研究

2.1 Chisholm上限式

早在1963年，Nicklin[4]就认为在小管径下热虹吸泵的提升效率会得到进一步的提高，这是由于在小管径工况下，垂直弹状流中表面张力的影响加强而导致的结果。在此结论的基础上，Chisholm上给出了管径上限[5]：

式中：σ 为表面张力，N/m；ρl为液相密度，kg/m3；ρg为气相密度，kg/m3。

利用式（1）可计算得到，对于氨水溶液（浓度15%，压力0.4MPa），管径上限23.2mm；对于溴化锂-水溶液（浓度50%，压力10kPa），管径上限44.8mm。该公式的缺陷在于只考虑物性参数，忽略了热流密度或流速的影响。实际上，现实中运行工况对热虹吸泵内流态影响很大。因此，有必要推导一种能够考虑运行工况对流态影响的管径上限式。

2.2 基于Bonnecaze空泡率的上限推导

根据Godbole和Tang[6]的研究，当空泡率处于弹状流区间内时，Bonnecaze空泡率关联式具有最佳的模拟精度。因此，本文采用Bonnecaze空泡率关联式推导了新的管径上限式：

式中：jg为气相表观速度，m/s；jl为液相表观速度，m/s。

泡状流-弹状流转换取 0.3[7]，代入式（2）整理可得：

在弹状流区，气、液相速度关系取[8]：

代入式（3），整理可得：

对于低压系统，气液相密度相差较大，ρl＞＞ρg，式（5a）可简化为：

以溴化锂溶液和氨水溶液为例，对式（5a）进行计算，结果见图2。

图2 Bonnecaze管径上限式计算结果

由结果可见，相比于Chisholm上限式，新管径上限不仅考虑了物性的影响，还考虑了运行工况（热流密度或流速）的影响。

3 管径下限的比较研究

3.1 阙雄才下限式

阙雄才[9]将弹状流和搅拌流区视为同一流态区，使用J.G.Collier区分流型方法，得到管径下限公式：

分析式（6a），该管径下限值主要取决于气相流速及两相密度比值，随着气相速度增加，dmin随之增加。在低压系统中，式（6a）可以简化为：

3.2 基于Bonnecaze空泡率的下限推导

最新研究表明，弹状流-搅拌流流态转换条件选取a=0.7，与实际情况最为接近[10]。代入Bonnecaze空泡率关联式（2），推导可得管径下限：

jg和 jl间的关系取[11]：

代入式（7）可以得到：

在低压系统中，式（9a）可以简化为：

3.3 基于White下限式的修正

White[12]使用Hewitt和Wallis提出的弹状流-搅拌流转换条件对管径下限进行了限定，限定条件为弹状流向搅拌流转换，条件式为：

式中：m为溢流系数；j*g和j*l分别为气体和液体无量纲表观速度。

参考Godbole[6]研究结果，现对式（10a）进一步修正：

比较发现，按式（11）计算，结果与实验更加吻合。

3.4 不同下限式的比较

以空气-水（大气压，20℃）为例，利用上述三个下限式计算，并与实验数据[6，13]进行对比，结果见图3。可以看出，修正后的White下限修正式（11）与实验数据吻合良好，可以有效地预测最小管径。而阙雄才下限式（6a）计算结果偏小，Bonnecaze（9a）下限式偏大。

图3 管径下限式计算比较（空气-水）

对于热虹吸泵，以溴化锂水溶液、DMAC-R22为工质，将预测结果与现有文献[14～16]进行对比。比较发现，修正后的White下限式也可较好预测。

根据Shelton[17]等人的研究，热虹吸泵提升效率在弹状流转换为搅拌流前达到峰值。因此，建议实际管径略大于修正后的White下限式所得到的下限值。

现阶段，在热虹吸泵的研究中较多参考了空气提升泵的结果，如Bonnecaze空泡率关联式（2）、气液相速度关联式（4）及（8）、White下限式（10a）等。这是考虑到这两种提升泵确有相似的地方，都属于气、液两相流动，流型及流态转换规律相似，同时对于空气提升泵的研究较为成熟，可参考资料较多。但是，在热虹吸泵的实际运行中还伴随热量交换、工质的沸腾及凝结等相变过程，流动及传热问题更加复杂。因而有必要根据热虹吸泵的实际情况，对其内部流动规律及传热机理等作更深入的分析和研究，为热虹吸泵在小型吸收式制冷空调系统中的应用提供更直接有效理论基础。

4 结论及建议

1）管径大小对热虹吸泵内的流态及运行性能起着重要影响。如果设计管径过大或过小，则会在运行过程中产生泡状流或环状流，不利于热虹吸泵的运行。

2）比较并改进了管径上、下限的确定方法。在设计时，推荐使用Bonnecaze上限式（5a）计算最大管径，修正后的White下限修正式（11）计算最小管径，并使实际的管径略大于该下限值。

3）在热虹吸泵的研究中，可以适当借鉴空气提升泵的结果。但是，热虹吸泵实际运行过程更加复杂，未来有必要对其内部流动规律及传热机理等深入研究，为其在小型太阳能吸收式制冷空调系统中的应用提供更直接有效的理论基础。

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