沿程加热虹吸泵提升性能的试验研究

叶志秦，杨洪海，张总辉，王 欣

(东华大学，上海 201620)

沿程加热虹吸泵提升性能的试验研究

叶志秦，杨洪海，张总辉，王 欣

(东华大学，上海 201620)

搭建了带沿程加热虹吸泵的试验装置，其中提升管长1000 mm，提升管径为10 mm。以水为工质，加热功率为500～800 W，沉浸比为0.6～0.8，系统初始压力为10～101 kPa，入口过冷度为25～40 ℃，研究了在这些工况下热虹吸泵的性能。结果表明，液体提升量和提升效率均随着加热功率的增加而增加，且当加热功率大于700 W时，提升量的增加速率下降；沉浸比越大，热虹吸泵的提升性能越好；入口过冷度越小，液体提升量越大，但提升效率越低；液体提升量与提升效率均与系统的初始压力呈负相关。

热虹吸泵；提升效率；沿程加热；沉浸比

1 前言

太阳能无泵吸收式制冷系统的主要特点是用热虹吸泵(又称气泡泵)取代机械泵将浓溶液从较低位置的发生器提升到较高位置的气液分离器，使之获得足以克服系统阻力的位能，实现制冷系统中的溶液循环。热虹吸泵是小型太阳能吸收式制冷机的核心部件，起到再生器和机械泵的作用，使溶液实现无泵循环。它具有无活动部件、系统稳定、噪声低的特点，而且运行无需电能，在冷却系统及太阳能吸收式制冷系统中具有广阔的应用前景。

热虹吸泵有底部加热和沿程加热两种方式。在底部加热工况下，热虹吸泵的气泡在底部的发生器生成，气泡与液体工质在上升过程中形成气液两相流，最终被提升至气液分离器，工质在提升管内上升的过程中，流态不发生变化。而在沿程加热工况下，热虹吸泵内的循环工质被均匀加热，工质在上升过程中沸腾产生气体，形成气液两相流被提升至气液分离器，工质在提升管内上升的过程中流态发生了变化。因此，相比于底部加热，沿程加热工况下，工质在提升管内的流态更加复杂。

目前，国内外学者对底部加热虹吸泵研究较多，对沿程加热虹吸泵的研究相对较少。在底部加热工况下，Zohar等研究了氨水浓度对热虹吸泵性能的影响[1,2]；Ezzine等以C4H10/C9H20为工质，惰性气体为平衡剂，研究表明当热负荷从170 W变化到350 W时，对应驱动温度在120～150 ℃间波动[3]；刘道平等以氨水为工质研究了系统初始压力、沉浸比、加热功率与气泡泵提升性能的曲线关系，同时对热虹吸泵的截面做了改进[4～6]；王勤等以R134a-DMF溶液为工质，研究了不同工质浓度对热虹吸泵提升性能的影响[7]；高洪涛等将两级气泡泵与溴化锂制冷系统耦合设计，研究加热功率和工质浓度对系统性能系数的影响[8]。在沿程加热工况下，Bourseau等以氨水为工质进行了试验研究[9]；Braun等用沿程加热式虹吸泵替代传统热虹吸泵对扩散吸收式热泵进行改进[10]；郑宏飞等以水-溴化锂为工质，研究了弦月形通道下，运行温度、系统压力与溶液提升量和冷剂水产量的关系[11]；尹世永在三角形通道下，通过试验研究得出了热虹吸泵的工作特性与运行温度、液位高度以及真空度之间的关系[12]。

本文以水为工质，在圆形通道沿程加热的工况下，研究加热功率为500，600，700，800 W，沉浸比分别为0.6，0.7，0.8，入口过冷度分别为25，30，35，40 ℃，系统初始压力分别为10，20，30和101 kPa条件下热虹吸泵的提升性能。

2 试验装置与试验步骤

2.1 试验装置

试验装置如图1所示。

图1 试验装置原理示意

试验装置的工作原理如下：循环工质在提升管中被沿程加热，随着温度的升高，提升管(热虹吸泵)中的工质开始蒸发沸腾，产生大量气泡，最后气泡与液体工质被提升到气液分离器，气体被分离至冷凝器，液体则回流到高位储液器，进入冷凝器的气体被冷凝成液体后流到高位储液器，高位储液器的循环工质再流回低位储液器，形成一个循环。

试验装置的主要部件如下：

提升管：主体是三根不锈钢圆管，外壁面沿程缠绕着电加热带，其中一根提升管上半段由一段长度为300 mm的透明PE管制成，以便于可视化研究。

气液分离器：主体是一个不锈钢圆筒体。高度300 mm，内径250 mm，内部使用隔板式布置，上下隔板开口为反向开口，从而避免了液滴进入冷凝器。

冷凝器：为壳管式冷凝器，高度280 mm，内径200 mm。冷凝器与高位储液器之间有一段是由带刻度的透明PE管连接，PE管下端有一截止阀，用于配合测量冷凝水流量。

高位储液器：主体是一个不锈钢圆筒体。高度600 mm，内径250 mm，内部布置预加热盘管。为减少流动阻力并利于溶液排空，高位储液器上下端均为圆弧式设计。

低位储液器：主体是一个不锈钢圆筒体。高度200 mm，内径250 mm。

2.2 试验步骤

目前没有确定的指标判断热虹吸泵运行是否稳定，只能通过观察热虹吸泵透明PE管段中气泡是否连续来判断热虹吸泵运行是否稳定。试验过程中，提升管的长度L不变，沉浸比H/L的改变可通过调节储液器中液位高度H来实现，电加热功率可以在0～1200 W之间调节，利用小型真空泵改变系统内压力，通过加热或冷却的方式可改变入口过冷度。热虹吸泵出口液体流量采用超声波流量计直接测量，热虹吸泵出口气体流量则是通过测量冷凝器中冷凝水的流量，间接测量得到，具体操作步骤如下：

(1)以加热功率800 W为例。系统稳定时，关闭截止阀，当冷凝水液面到达透明PE管的零刻度线时，按下秒表；当冷凝水液面到达PE管最高刻度线时，停止秒表，计算出冷凝水的体积流量。

(2)打开截止阀，让冷凝水回流至高位储液器，同时将加热功率调至0 W。待液面稳定后，加热功率调节至800 W,重复步骤1。

(3)重复步骤1和步骤2五次，算出5次冷凝水流量的平均值，即在此工况下，热虹吸泵出口气体流量。

需测量的参数测量仪器规格如表1所示。

表1 测量仪器的规格

3 试验结果及分析

目前对热虹吸泵的工作性能还没有统一的评价指标，不同的研究者提出各自的评价指标。例如：液体提升量、启动温度、提升效率等。其中，对于提升效率，不同的学者对其定义也不同。本文选择Pfaff定义的提升效率和液体提升量作为热虹吸泵的性能评价指标[13]。提升效率的定义如下：

α=mO.L/mO.G

(1)

式中mO.L——热虹吸泵出口液体流量，L/hmO.G——热虹吸泵出口气体流量，L/h

3.1 加热功率对沿程加热虹吸泵性能的影响

本组试验主要研究加热功率对热虹吸泵提升性能的影响。因此，设定入口过冷度为0 ℃，系统初始压力为一个大气压，分别研究沉浸比为0.6，0.7，0.8工况下，加热功率对沿程加热虹吸泵提升性能的影响。

从图2可看出，在给定的沉浸比下，液体提升量随着加热功率的增加而增加，但曲线的增加速率会有较为明显的变化，当加热功率超过700W时增加的速率下降。平亚琴等在研究底部加热虹吸泵时，也得出类似的结论[14]。

图2 不同加热功率下的液体提升量

图3 不同加热功率下的提升效率

从图3中可以发现，在相同的沉浸比下，随着加热功率的增加，热虹吸泵的提升效率逐渐降低。这是由于加热功率增大，使得管内沸腾更加剧烈，提升管内产生大量气体，在热虹吸泵的作用下，热虹吸泵出口的气体和液体流量均增加，但是气体增加量明显大于液体的增加量。因此，热虹吸泵的提升效率逐渐降低。

3.2 沉浸比H/L对沿程加热虹吸泵性能的影响

为了便于试验研究，本组试验设定入口过冷度为0 ℃，系统初始压力为一个大气压，分别研究加热功率为500，600，700，800 W工况下，沉浸比对沿程加热虹吸泵提升性能的影响。

从图4，5中可以看出，在给定加热功率下，热虹吸泵液体提升量和提升效率均随沉浸比的增大而增大。液体提升量增大的原因在于，随着沉浸比增大，热虹吸泵的驱动力增大，而热虹吸泵的净提升高度减小，较大的驱动力容易实现较小的净提升高度，从而液体提升量增大。提升效率增大是由于在加热功率不变情况下，热虹吸泵内沸腾的剧烈程度不变，热虹吸泵的出口气体流量几乎不变，但此时热虹吸泵液体提升量增大，即热虹吸泵出口的液体流量增大，所以随着沉浸比的增大，热虹吸泵的提升效率降低。

图4 不同沉浸比下的液体提升量

图5 不同沉浸比下的提升效率

3.3 入口过冷度对沿程加热虹吸泵性能的影响

入口过冷度定义为一定压力下，提升管入口段液体的温度低于相应压力下饱和温度的差值。以水为例，常压下，若入口段水溶液的温度为70 ℃，则入口过冷度为30 ℃(常压下，水的饱和温度为100 ℃)。由上述研究可知，在其他条件不变时，沉浸比越大，液体提升量越大。为了便于试验研究及数据分析，本组试验设定沉浸比为0.8，系统初始压力为常压,分别研究加热功率500，600，700，800 W工况下，入口过冷度对热虹吸泵提升性能的影响，结果如图6所示。

图6 液体提升量随着入口过冷度的变化

从图6中可以看出，在一定的沉浸比和加热功率下，随着入口过冷度逐渐减增加，液体提升量逐渐减小。对于不饱和工质，提升管对液体的提升主要分两个阶段。第一阶段，不饱和工质进入提升管，在沿程加热下，温度达到饱和的同时液体被提升了一小段。在这一阶段，工质只是在热虹吸的作用下被提升。第二阶段，饱和液体沸腾，产生大量气体，管内工质形成气液两相流，流态由泡状流向弹状流发展。这一阶段工质在气泡做功以及热虹吸的双重作用下，被提升至气液分离器。因此，就提升能力来说，第二阶段比第一阶段强。当入口过冷度较小时，工质经历的第一阶段时间短，更多时间处在提升性能更好的第二阶段。当入口过冷度大时，工质经历的第一阶段时间长，处在第二阶段的时间短。因此，随着入口过冷度的增大，液体的提升量减小。

从图6还可以看出，当入口过冷度在25 ～30 ℃时，液体提升量减少的慢，而入口过冷度在30～35 ℃时，液体提升量减小的快，当入口过冷度在35～40 ℃时，液体提升量减小的慢。产生这种现象主要是因为上述的第二阶段流态变化导致的。如果工质在第二阶段的时间足够长，那么流体的流态应该是从泡状流至弹状流，最后形成环状流，其中，流体在弹状流时，气泡做功的效果最好。而实际上工质在第二阶段的时间是有限的，当入口过冷度在25～30 ℃时，工质到达气液分离器的流态是环状流。当入口过冷度在30～35 ℃时，工质到达气液分离器时的流态是弹状流，当入口过冷度在35～40 ℃时，工质到达气液分离器的流态是泡状流。

由图7可知，在一定的沉浸比和加热功率下，沿程加热虹吸泵的提升效率随着入口过冷度的增大而增大。这是由于，随着入口过冷度的减小，气体产生量和液体的提升量均增大，但是气体的产生量增大的速率远大于液体提升量，因此，提升效率升高。

图7 提升效率随入口过冷度的变化

3.4 系统初始压力对沿程加热虹吸泵性能的影响

由上述研究可知，在其他条件相同时，加热功率越大，入口过冷度越小，液体的提升量越大。本试验中液体提升量较小，为了获得相对较大的液体提升量，以便于数据分析，同时又要避免加热功率过大对实验台产生危害，本组试验设定加热功率为800 W，入口过冷度为0 ℃，分别研究了沉浸比为0.6，0.7，0.8工况下，系统初始压力对热虹吸泵提升性能的影响。

由图8可以看出，在一定的沉浸比和加热功率下，随着系统初始压力减小，液体提升量增大。在沉浸比为0.8，加热功率为800 W的条件下，系统初始压力为10 kPa的液体提升量比系统初始压力为常压下的液体提升量高64.5%。方甲闯等人在研究装置绝对压力对沿程加热弦月形热虹吸泵性能影响时，也得出类似结果，系统压力对于热虹吸泵提升性能的影响比较显著[15]。分析其原因,当系统压力小于标准大气压时，水的沸点降低，即相同加热功率下，系统压力越小，气泡产量越多，越容易形成弹状流，提升性能越好。

图8 不同系统初始压力下的液体提升量

由图9可知，提升管的提升效率与系统的初始压力成负相关。

图9 不同系统初始压力下的提升效率

由以上分析知，随着系统压力增大，液体提升量减小。当系统压力增大时，提升管内气泡的生成量与液体提升量均减小，但是气泡生成减小的速度更快，因此，提升效率降低。

4 结论

(1)随着加热功率的增大，热虹吸泵的液体提升量增大，当加热功率增加大到700 W时，液体提升量的增加速率降低。随着加热功率的增大，提升管的提升效率降低。随着沉浸比的增大，液体提升量和提升效率均增加。

(2)沿程加热虹吸泵的液体提升量随着入口过冷度的减小而提高。当入口过冷度在25 ℃到30 ℃时，液体提升量减少的慢，而入口过冷度在30 ℃到35 ℃时，液体提升量减小的快，当入口过冷度在35 ℃到40 ℃时，液体提升量减小的慢。沿程加热虹吸泵的提升效率随着入口过冷度的增大而增大。

(3)在沉浸比和加热功率一定的条件下，沿程加热虹吸泵的液体提升量与提升效率均与系统的初始压力呈负相关。

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Experimental Study on the Performance for Along-heating Thermosyphon

YE Zhi-qin,YANG Hong-hai,ZHANG Zong-hui,WANG Xin

(Donghua University,Shanghai 201620,China)

An experimental platform with along-heating thermosyphon was set up,which tube long 1000 mm and diameter 10 mm.The performance of thermosyphon under the condition was studied with water as the working fluid,heating power 500～800 W,immersion ratio 0.6 to 0.8,the system initial pressure 10～101 kPa,inlet undercooling 25～40 ℃.With the increase of heating power,the flow rate of the pump water and the efficiency of the thermosyphon increase,and when the heating power is greater than 700 W,the flow rate of the pump water decreases;With the Immersion ratio increase,the flow rate of the pump water and the efficiency of the thermosyphon increase;With the initial pressure of the system increase,the flow rate of the pump water and the efficiency of the thermosyphon decrease；With inlet undercooling increase,the flow rate of the pump water increase,but the efficiency of the thermosyphon is decrease.

bubble pump;the efficiency of the bubble pump;along heating;immersion ratio

1005-0329(2017)01-0072-05

2016-05-06

2016-07-06

上海市自然科学基金项目(13ZR1401100)

TH3

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.013