小型吸收式制冷热虹吸泵的流态图研究

张总辉 杨丰畅 杨洪海 赖思雨 李可可

东华大学环境科学与工程学院

小型吸收式制冷热虹吸泵的流态图研究

张总辉 杨丰畅 杨洪海 赖思雨 李可可

东华大学环境科学与工程学院

在小型无泵吸收式制冷循环中，流型及流态转换研究对于考察热虹吸泵的运行机理及工作性能至关重要。目前，流态图是最有效确定热虹吸泵内流态的方法。在Samaras流态图的基础上，推导得到了一种适用于制冷系统的新型流态图（气体表观速度-空泡率），并对影响热虹吸泵内流态的因素进行了分析。

吸收式制冷循环 热虹吸泵 流型 空泡率

0 引言

小型吸收式制冷系统中，热虹吸泵可取代溶液泵，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[1～2]。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。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[1]。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。

图1 热虹吸泵原理图

1 流态转换问题及解决方法

以往对热虹吸泵内流态的划分常用某个空泡率值判断，但各研究者取值不同，如泡状流-弹状流转换，有取0.3[3]，也有取0.1[4]；弹状流-搅拌流转换，有取0.7[4]，也有取0.52[5]。目前尚无一种能够确定流态变化临界空泡率的方法。

为了解决上述问题，本文采用Samaras流型图[6]作为研究方法。Samaras流型图是在学界广泛认可的Hewitt-Roberts流态图基础上推导得到的，在弹状流和搅拌流区，使用空泡率关联式（1）：

式中：ε为空泡率；jg、ji分别为气液相表观速度；ρg、ρi分别为气液相密度；d为管径；g为重力加速度。

在环状流和液束环状流区，Samaras使用式（2）：

通过以上关联式可以得到Samaras流态图，如图2虚线所示。从Samaras流态图可以看出，流态发生转换时的空泡率随气相表观速度变化。例如，当气相表观速度约2m/s时，泡状流转化为弹状流要求空泡率大于0.35；当气相表观速度约6m/s时，则要求空泡率大于0.6，泡状流转化为弹状流。通过使用Samaras流态图可以有效地对流态转换空泡率进行判断，进而预测热虹吸泵内流态变化规律。此外，这种流态图还可用于工程估算空泡率，只要测量了气相速度并观察流态，就可得到两相流空泡率区间。例如，当观察流态为弹状流且气相表观速度为5m/s时，由图2可知，两相流空泡率在0.57～0.68之间；当流态为环状流且气相表观速度为9m/s时，两相流空泡率必然大于0.71。

图2 基于Dix空泡率修正式的新流态图与实验数据的比较（空气-水，d=40mm，Psys=0.1MPa，20℃）

2 适用于制冷系统的新流态图推导

在小型吸收式制冷系统，常用氨水或溴化锂水溶液作为制冷工质，前者要求系统压力高于0.4MPa，后者则要求真空度，工质物性及系统压力对热虹吸泵内流型均有影响。Samaras所使用的关联式未考虑压力的影响且仅计算了空气-水的流态图，很难应用于制冷系统中。因此，本文使用Dix空泡率修正式（4a）[7]，可以弥补Samaras流型图的不足。

式中：σ为表面张力；Psys为系统压力；θ为提升管倾角。

对于小型吸收式制冷系统，提升管通常垂直布置，θ=90，因此，式（4a）可简化为：

流态转换边界条件下气、液相速度如式（5）[6]。

泡状流-弹状流转换：

弹状流-搅拌流转换：

搅拌流-环状流转换：

联立求解式（4b）、（5a）～（5c），可以得到基于Dix空泡率修正式的新型流态图（如图 2实线），与Samaras流态趋势及其实验数据吻合较好。

从Dix修正公式可以看出，空泡率受工质物性（如气液相密度、表面张力和混合工质浓度）、几何参数（如管径和倾斜角度）及运行参数（如气液相表观速度、系统压力和温度）的综合影响。对于吸收式制冷用的热虹吸泵，常采用溴化锂-水、氨水。因此，本文分别绘制流态图，并分析比较。

3 制冷系统流态图绘制及分析

选取氨水（50%浓度）、溴化锂-水（50%浓度），计算得到的流态图如3～5所示。研究发现：

1）对应不同工质，流态转换规律相似，但空泡率大小有差异。

2）管径增大，流态转换空泡率降低，所需的实际气体流速增大。

3）随着系统压力升高，流态转换线呈上扬趋势。这是由于压力项以指数形式影响空泡率，导致空泡率受压力影响较大。此外，可以发现随着压力升高，系统压力对空泡率影响逐渐减小。

4）流态转换受浓度影响较小。这是由于定压条件下，改变浓度主要影响液相密度和表面张力，对气相密度影响很小，并且在Dix公式中密度项和表面张力项指数较小，对空泡率影响也较小。

图3 三种工质的流速-空泡率流态图对比（d=40mm）

图4 不同管径下的流速-空泡率流态图（50%氨水,Psys=0.4MPa,d=40mm）

图5 不同压力下的流速-空泡率流态图（50%氨水，d=40mm）

4 结论

1）使用Dix空泡率关联式，绘制氨水及溴化锂水溶液的流态图，为判断吸收式制冷中热虹吸泵的流态和空泡率提供了新方法。

2）热虹吸泵内流型受多种因素的影响，受系统压力及管径影响较大，受浓度的影响较小。对应不同工质，流态转换规律相似，但空泡率大小有差异。在进行热虹吸泵设计时，需考虑不同因素对流态综合影响。

3）热虹吸泵的研究，可适当借鉴空气提升泵的结果，但热虹吸泵的实际运行过程更加复杂，伴随热量交换、沸腾及冷凝等过程，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。

[1]王汝金,刘道平,薛相美,等.单压吸收式Einstein循环制冷机中气泡泵参数的设计确定[J].流体机械,2008,36(1):62-65

[2]汤成伟,刘道平,祁影霞,等.单压吸收制冷系统气泡泵性能的试验研究[J].流体机械,2009,37(8):49-53.

[3]Krü ssenberg A K,Prasser H M,Schaffrath A.A new criterion for the identification of the bubble slug transaction in vertical tubes[J].Kerntechnik,2000,32(1):7-13

[4]Godbole P V,Tang C C,Ghajar A J.Comparison of void fraction correlations for different flow patterns in upward vertical two-pha -se flow[J].Heat Transfer Engineering,2011,32(10):843-860

[5]Chen X T,Brill J P.Slug to churn transition in upward vertical two-phase flow[J].Chem.Eng.Sci.,1997,52,4269-4272

[6]Samaras V C,Margaris D P.Two-phase flow regime maps for airlift pump vertical upward gas-liquid flow[J].Int.J.of Multiphase Flow,2005,31:757-766

[7]M A Woldesemayat,A J Ghajar.Comparison of void fraction correlations for different flow patterns in horizontal and upward inclined pipes[J].International Journal of Multiphase Flow, 2007,33(4):347-370

Ne w Tw o-pha s e Flow Re gim e Ma ps of The rm os yphon Applie d for Abs orption Re frige ra tion Cyc le s

ZHANG Zong-hui,YANG Feng-chang,YANG Hong-hai,LAI Si-yu,LI Ke-ke
School of Environmental Science and Engineering Shanghai,Donghua University

Studies on flow patterns and transactions were key issues to investigate the characteristics and performance of thermosyphon(bubble pump)operated in diffusion-absorption refrigeration system.At present,the flow regime maps were the most effective method to determine the flow pattern in thermosyphon.On the basis of traditional flow regime map,a new flow regime map(vapor superficial velocity versus void fraction)for refrigeration system was built by using void fraction correlation.In the meantime,different factors influenced the flow patterns in thermosyhon were analyzed.

absorption refrigeration cycles;thermosyphon;flow regimes;void fraction.

1003-0344（2015）01-062-3

2013-10-18

杨洪海（1968～）女，博士，副教授；上海市松江区人民北路2999号东华大学环境学院3163（201620）；E-mail:yhh@dhu.edu.cn

上海市自然科学基金（No.13ZR1401100）