新型导流式气泡泵的性能实验研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 2.54MB 62 页 15积分

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摘要

由于当今能源紧缺，氟利昂导致的臭氧层破坏以及全球变暖等因素，吸收式

制冷技术得到了广泛普及应用。Einstein 循环制冷机是吸收式制冷技术的一种应

用，是能够利用太阳能等低品位热源进行驱动的小型化吸收式制冷装置。在二十

世纪九十年代，这种小型化吸收式制冷机再次引起了学术界的关注。其核心部件

气泡泵提供着整个制冷循环的动力，它的性能不仅决定了 Einstein 循环系统能否

正常运行，而且也对整个系统性能系数的大小有着重要的影响。

本文综述了国内外单压吸收式制冷机的发展，并对气泡泵技术进行了总结，

综合了有关提升泵的技术，对传统式气泡泵进行了改进，提出了一种复叠八字的

导流式气泡泵。

基于两相流分相模型理论，建立了绝热弹状流工况下传统式气泡泵和导流式

气泡泵工作特性的理论模型。从两相流理论以及流体力学角度分析了这两种类型

气泡泵的性能影响参数，为气泡泵的设计提供了理论依据。

设计建立了可视化的导流式气泡泵实验系统装置，通过实验研究了导流式气

泡泵中气泡收集装置的三种不同出口管径（d=12mm，d=13mm 以及 d=14mm）对

液体提升量的影响。实验表明 d=12mm 管径的提升性能较其它两者而言具有一定

优势。

观察不同实验条件下传统式气泡泵以及导流式气泡泵提升管内的两相流流

型，比较分析两者在不同工况下液体输送能力。实验研究发现，导流式液体输送

能力明显优于传统式，在相同的工况下，两者提升量最大相差 13%。此外，并用

各自的理论模型进行验证比较。理论值与实验值比较表明，在弹状流范围内，两

者的吻合度较好，提升量能够保持一致；超出此范围则两者的提升量相差越来越

大。

根据量纲分析理论，提出了传统式气泡泵与导流式气泡泵的准则数，为后续

的实验研究以及数据处理提供了指导方向。

关键词：导流式气泡泵理论模型两相流沉浸比

ABSTRACT

Against the background of energy shortages and depletion of the ozone layer as

well as global warming, absorption technology is very popular by the society. The

Einstein cycle refrigerator is a small absorption refrigeration unit, which is one of the

applications of absorption technology and can be driven by low level heat such as solar

energy. It aroused the academe’s attention again in 1990s. The key of the equipment is

bubble pump, which provides the power with the whole cycle. Therefore, the

performance of bubble pump not only decides the normal operation of the Einstein

cycle, but also plays an important part of the cycle’s COP.

This paper has summed up the developments of single pressure absorption

refrigerator home and abroad, as well as including bubble pump technology. Modify

the bubble pump based on air lift pump technology and introduce a kind of guided

bubble pump with overlapped conical structures.

Based on the split-phase model of two phase flow, the theoretical model of the

conventional and guided bubble pump have been built up on adiabatic slug flow

condition. According to the two-phase flow theory and hydrodynamics, the influence

parameters have been analyzed in detail, which provides the theoretical foundation for

the bubble pump’s design.

Design and build up a visual experiment system Study the effect of three different

diameters (d=12mm ，d=13mm,and d=14mm) on bubble collector in the guided

bubble pump on lifted liquid mass. It is showed that the riser whose diameter is 12mm

has some advantages than the other two.

The visual experiment system also can be used to observe the two-phase flow

patterns of conventional and guided bubble pump and compare as well as study the

capability of liquid transportation in different conditions. The experimental data shows

the guided one has 13% maximum superior to the conventional. In addition, some

theoretical data has been compared with the experiment. It is clear that the agreement

is good over the range of slug flow while there is a large deviation for the remainder.

Based on the theory of dimension, give a criterion parameter for traditional and

guided bubble pump, which provides a direction for the later data processing.

Keywords: Guided bubble pump, Theoretical model, Two phase flow,

Immersing ratio

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................. 1

§1.1 单压吸收式研究进展 ........................................................................................2

§1.1.1 Platen & Munters 循环 ............................................................................ 2

§1.1.2 Einstein 循环 .......................................................................................... 5

§1.1.3 Shelton 改进型系统 ............................................................................... 6

§1.1.4 王汝金改进型制冷系统 ..........................................................................7

§1.2 气泡泵、空气提升泵以及热虹吸管的研究进展 ...........................................8

§1.2.1 气泡泵 .....................................................................................................8

§1.2.2 空气提升泵 .............................................................................................9

§1.2.3 热虹吸管 ...............................................................................................11

§1.3 导流式气泡泵 .................................................................................................13

§1.3.1 概念提出 ................................................................................................13

§1.3.2 工作原理 ................................................................................................14

§1.4 本文的主要工作 .............................................................................................15

§1.5 本章小结 .........................................................................................................15

第二章气泡泵的理论模型 ....................................................................................... 16

§2.1 两相流流动阻力 .............................................................................................16

§2.1.1 直管的两相流压降计算 .......................................................................16

§2.1.2 两相流局部压降计算 ...........................................................................20

§2.1.3 单相流压降计算 ...................................................................................21

§2.2 气泡泵的理论模型 ..........................................................................................22

§2.2.1 传统式气泡泵的理论模型 ...................................................................22

§2.2.2 导流式气泡泵的理论模型 ...................................................................27

§2.3 本章小结 .........................................................................................................28

第三章导流式气泡泵的实验研究 ........................................................................... 29

§3.1 实验台设计 .....................................................................................................29

§3.1.1 设计目标 ...............................................................................................29

§3.1.2 实验装置的系统构成 ...........................................................................29

§3.2 实验方案 .........................................................................................................32

§3.2.1 性能实验方案 .......................................................................................32

§3.2.2 耗散实验方案 .......................................................................................33

§3.3 实验结果及分析 .............................................................................................34

§3.3.1 传统式气泡泵的性能影响 ...................................................................34

§3.3.2 传统式理论模型的论证 .......................................................................35

§3.3.3 导流式气泡泵的性能影响 ...................................................................38

§3.3.4 导流式理论模型的论证 ........................................................................39

§3.3.5 传统式与导流式性能对比分析 ...........................................................41

§3.4 本章小结 .........................................................................................................43

第四章量纲分析 ....................................................................................................... 44

§4.1 基本原理 .........................................................................................................44

§4.1.1 量纲分析法 ...........................................................................................44

§4.2 气泡泵模型 .....................................................................................................46

§4.2.1 传统式气泡泵量纲分析 .......................................................................46

§4.2.2 导流式气泡泵量纲分析 .......................................................................48

§4.3 本章小结 .........................................................................................................49

第五章结论与建议 ................................................................................................... 50

§5.1 结论 .................................................................................................................50

§5.2 建议 .................................................................................................................51

主要符号表 .....................................................................................................................52

参考文献 .........................................................................................................................55

发表论文及科研项目 .....................................................................................................59

致谢 ...............................................................................................................................60

第一章绪论

制冷技术的发展可以追溯到制冷剂的发展史，从制冷剂的发明、更新到替换

大致可以分别四个阶段：第一代制冷剂（1830—1930 年），第二代制冷剂（1931

—1990 年），第三代制冷剂（1990—2010 年）以及第四代制冷剂（2010—），详细

说明如下表 1-1 所示。

表1-1 制冷剂发展史

第一代

第二代

第三代

第四代

年代

1830-1930

1931-1990

1991-2010

2010-

原则

能用即用

安全与耐久性

臭氧层保护

防止全球变暖，低 ODP，

低GWP，高效

制冷剂

醛类，CO2，NH3，SO2，

甲酸甲酯，HCs，H2O，

CCl4，空气

CFCs，HCFCs，

NH3，H2O

（HCFCs），

HFCs，NH3，

H2O，HCs，CO2

（HCFCs），NH3，H2O，

HCs，CO2，空气

吸收式制冷技术是应第一代制冷剂而提出、产生并发展。单压吸收式制冷技

术属于其中的一个范畴，在二十世纪二十年代末 Baltzar Carl Platen[1-2]等人提出单

压吸收式制冷的专利。二十世纪三十年代初，Albert Einstein[3]和他的同伴对其装

置进行研究和改进，并申请了美国专利，后人称为 Einstein 循环。

第二代制冷剂是一系列卤代烃制冷剂的出现，杜邦公司将其命名为氟利昂

（Freon），由于这些物质具有优良的热力性能且高效、安全，能够显著提高制冷

机的 COP，因此当时极大地促进了 HVACR 工业的发展，并将其推入了黄金时段。

在二十世纪七十年代后期，人们发现 CFCs 物质对臭氧层空洞有消耗作用和

较高的温室效应值，因此，《蒙特利尔议定书》和《维也纳公约》将其列入逐步禁

用范围。由于第二代制冷剂都属于 CFCs 物质，都具有较高的 ODP 值，因此第三

代制冷剂的选择是以保护环境为基准[4-6]。在此状况下，氨、CO2、碳氢化合物和

水以及空气等天然制冷剂重新得到了研究，受到了社会关注。因此，吸收式制冷

技术又重新得到研究与发展[7]。

Einstein 循环，属于吸收式制冷范畴，是单压吸收式制冷。它的制冷量较小，

与家用空调所需的制冷量相当，因此有望实现吸收式制冷装置的小型化。在二十

世纪 90 年代初再一次得到世界关注，这始于美国学者的研究[8]。尽管存在一些问

题，比如性能系数 COP 比较低，但与常规的双压吸收式制冷相比，仍具有很多的

优点，如结构简单紧凑，无运动部件，无噪音，抗振性好；另外，由于使用了热

新型导流式气泡泵的性能实验研究

能驱动的气泡泵代替传统溶液泵，因此不需消耗电能，而且成本低，灵活性好以

及可靠性高。若在工程应用中能利用太阳能实现发生器以及气泡泵的热能推动，

则不需消耗电能或者借助较少的电能就能够推动此装置运行，因此对于家用空调

市场具有一定的前景。

气泡泵是单压吸收制冷系统的核心部件，是单压系统正常运转的关键部件，

它为单压吸收制冷系统的循环提供了动力。因此气泡泵的性能分析是单压吸收式

制冷系统研究的重点[9]。

纵观最近几十年，国内外专门研究 Einstein 循环的气泡泵文献甚少，他们主

要研究空气提升泵的性能，代表人物有 Nicklin[10] 、Steinning and Martin[11] 、

Kouremenos and Staicos[12]、Clark and Dabolt[13]以及 Cachard and Delhaye[14]等。由

于空气提升泵的工作原理与气泡泵相似[15]，因此，后来学者主要借助空气提升泵

的理论应用到气泡泵的研究方向。然而，目前国内外学者所研究的气泡泵还存在

着一些问题与缺点，比如效率低、工作不稳定以及无法有效利用低品位热源等缺

点。

因此，根据垂直管内两相流流态的分布，分析研究气泡收集装置管径、沉浸

比、加热功率参数对气泡泵性能的影响，并在此基础上对传统气泡泵进行改进和

完善，对于提高气泡泵性能、改善整个制冷系统的 COP 都有重要的意义。

§1.1 单压吸收式研究进展

单压吸收式制冷循环，区别于双压吸收式而言，主要表现为四个方面：1）采

用了三元工质——制冷剂、吸收剂以及压力平衡剂；2）系统保持在均一压力状况

下；3）没有设置溶液泵以及节流阀；4）制冷量比较小。

单压吸收式制冷循环可分为两类：一类是 von Plant& Munters 制冷循环系统，

即为扩散吸收式制冷循环；另一类是 Einstein & Szilard 制冷循环，简称 Einstein

循环。两者的区别主要在于：1）系统工质对；2）系统压力以及发生器温度；3）

制冷量的大小，如表 1-2 所示。

表1-2 Einstein 循环和 von Plant& Munters 制冷系统的比较

制冷剂

压力平衡剂

吸收剂

系统压力

发生温度

制冷量

Plant& Munters 循环

氨

氢

水

1.8~2.5Mpa

≥180℃

<1KW

Einstein 循环

丁烷

氨

水

0.4 Mpa

≥100℃

1~5KW

§1.1.1 Platen & Munters 循环

第一章绪论

最初的单压吸收式制冷装置是由 Baltzar Carl Platen[1]等人 1926 年提出的，并

于1928 年[2]在美国申请了专利，它是以氨作为制冷剂，水作为吸收剂，氢作为压

力平衡剂。后来，他们对循环系统进行了改进，选用二氧化硫溶液为制冷剂，丙

酮为吸收剂，乙炔为压力平衡剂。系统如图 1-1 所示，此循环采用电加热提供能

量，存在着三个循环回路：

1发生器 2吸收器 3蒸发器 4冷凝器 5散热器 6冷却水套 7加热器 8输送管

9浓吸收剂输送管 10 稀吸收剂输送管 11 平衡剂输送管 12 制冷剂输送管 13，14 回热器

图1-1 最初的单压吸收式制冷装置

a) 制冷剂循环回路：制冷剂气体经过输送管12进入冷凝器4，冷凝成液态后流

入蒸发器3。在蒸发器中，由于压力平衡剂的加入使得液面上制冷剂气体的分压力

降低，液态制冷剂二氧化硫必须从外界吸收热量，在其分压力对应的饱和温度下

蒸发，以此维持压力平衡的关系。然后，压力平衡剂-制冷剂混合气体经过输送管8、

回热气13后重新流入吸收器2中。在吸收器中，压力平衡剂气体被吸收剂吸收，生

的热量由冷却水套6带走，不溶于吸收剂的制冷剂气体则经过输送管12进入冷凝器

4，至此形成了一个完整的制冷剂循环回路。

b) 吸收剂循环回路：浓溶液（成分为吸收剂丙酮与压力平衡剂乙炔）经过输

送管 9、回热器 14 预热后流入发生器 1中。在发生器中，加热器加热，浓溶液被

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摘要由于当今能源紧缺，氟利昂导致的臭氧层破坏以及全球变暖等因素，吸收式制冷技术得到了广泛普及应用。Einstein循环制冷机是吸收式制冷技术的一种应用，是能够利用太阳能等低品位热源进行驱动的小型化吸收式制冷装置。在二十世纪九十年代，这种小型化吸收式制冷机再次引起了学术界的关注。其核心部件气泡泵提供着整个制冷循环的动力，它的性能不仅决定了Einstein循环系统能否正常运行，而且也对整个系统性能系数的大小有着重要的影响。本文综述了国内外单压吸收式制冷机的发展，并对气泡泵技术进行了总结，综合了有关提升泵的技术，对传统式气泡泵进行了改进，提出了一种复叠八字的导流式气泡泵。基于两相流分相模型理论，建立...

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