董曼 夏再忠 杜帥 王如竹

上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所

0 引言

在我國(guó)，建筑能耗占總能耗的比例大致有30%，建筑能耗中空調(diào)系統(tǒng)的能耗約占45%[1]，因此建筑空調(diào)系統(tǒng)是我國(guó)節(jié)能減排的重點(diǎn)研究領(lǐng)域。傳統(tǒng)壓縮式制冷系統(tǒng)用電負(fù)荷很大，同時(shí)，系統(tǒng)中的CFC和HCFC制冷劑對(duì)大氣臭氧層具有破壞作用，加劇溫室效應(yīng)。而吸收式制冷則可利用太陽(yáng)能[2]或工業(yè)余熱[3]驅(qū)動(dòng)，采用溴化鋰和氨水等環(huán)境友好型工質(zhì)制冷，節(jié)能環(huán)保，應(yīng)用前景十分廣闊。

在氨水吸收式制冷系統(tǒng)中，溶液泵是重要的運(yùn)動(dòng)部件，其作用是將吸收終的氨水濃溶液增壓，輸送至高壓發(fā)生器中。溶液泵要求高揚(yáng)程、高穩(wěn)定性、無(wú)泄漏[4]，為滿(mǎn)足這些要求，大中型（制冷量為100kW以上）氨水吸收制冷機(jī)一般選用多級(jí)離心式屏蔽電泵，電效率約為50%左右；小型（制冷量為10～100kW）氨水制冷機(jī)中，由于濃溶液的循環(huán)量很小，要求小流量高揚(yáng)程的溶液泵，一般選用液壓隔膜泵[5]，但是其電效率只有20%左右，而且體積大，使得小型氨水系統(tǒng)耗電量和體積增大，初投資提高。為解決小型氨水制冷機(jī)中溶液泵選型困難和效率低的問(wèn)題，本文提出了一種新型泵送技術(shù)——“呼吸泵”。呼吸泵采用系統(tǒng)內(nèi)高壓氨氣驅(qū)動(dòng)[6]，將吸收終了的氨水濃溶液增壓并輸送至發(fā)生器中，可以滿(mǎn)足小型氨水吸收式制冷機(jī)對(duì)溶液泵的性能和可靠性要求。

本文首先介紹了呼吸泵的構(gòu)造及工作機(jī)理，對(duì)其工作過(guò)程進(jìn)行了理論分析；然后，將呼吸泵工作腔中的氨水吸收問(wèn)題簡(jiǎn)化為大壓差下靜止氨水溶液表面吸收氨蒸氣的傳熱傳質(zhì)問(wèn)題，并進(jìn)行分析；最后討論了影響呼吸泵效率的各種因素，給出了一定運(yùn)行工況下呼吸泵的設(shè)計(jì)原則。

1 呼吸泵的機(jī)理分析

1.1 呼吸泵的結(jié)構(gòu)

圖1即為應(yīng)用呼吸泵的氨水吸收制冷系統(tǒng)圖。圖中，裝置F即為呼吸泵，它由三個(gè)腔體：低壓腔、工作腔、高壓腔和四個(gè)閥門(mén)：K、L、M、N組成。

圖1 氨水制冷系統(tǒng)中呼吸泵原理圖

低壓腔和吸收器連通，壓力恒定，始終為吸收壓力P0，吸收終了的低壓氨水濃溶液連續(xù)不斷地流入低壓腔中，低壓腔起到對(duì)低壓氨水濃溶液的緩沖和貯存作用；高壓腔與高壓氨氣連通，壓力恒定，近似取為冷凝壓力Pk，循環(huán)泵G連續(xù)不斷地將高壓濃溶液泵送至發(fā)生器中，高壓腔起到對(duì)高壓氨水濃溶液的緩沖和貯存作用；工作腔的壓力則在吸收壓力P0和冷凝壓Pk之間周期交變，起到對(duì)氨水溶液增壓的作用，是呼吸泵的主要部件。

自動(dòng)調(diào)節(jié)電磁閥K、L是呼吸泵的控制部件，其作用是控制呼吸泵的工作時(shí)間，平衡腔體壓力；單向閥M、N是無(wú)動(dòng)力閥，方向向下，起到液體的自動(dòng)通斷作用。

通過(guò)消耗一定量的高壓氨氣，利用三個(gè)腔體及四個(gè)閥門(mén)的配合，工作腔周期性地將低壓腔中的濃溶液“吸入”并“呼出”（即排出）至高壓腔中，實(shí)現(xiàn)濃溶液的壓力升高及泵送，故將整個(gè)裝置形象地稱(chēng)為“呼吸泵”。為了克服循環(huán)中換熱器及管道阻力還需設(shè)置一小揚(yáng)程循環(huán)泵，其揚(yáng)程僅需10m左右，效率高，耗電少。

1.2 呼吸泵的“呼吸過(guò)程”

呼吸泵的一個(gè)工作循環(huán)即為工作腔的一次“呼吸過(guò)程”，即工作腔一個(gè)吸入呼出液體的過(guò)程。呼吸泵的一個(gè)工作循環(huán)可分為兩階段：工作腔的“吸液”階段和“呼液”階段，分別由圖 2（a）和（b）表示，圖中虛線表示管道關(guān)閉，實(shí)線表示管道開(kāi)通。

圖2 呼吸泵的呼吸過(guò)程

1）工作腔的吸液階段：控制電磁閥L處于關(guān)閉狀態(tài)，電磁閥K處于開(kāi)通狀態(tài)。先關(guān)閉電磁閥L，再打開(kāi)電磁閥K，工作腔“吸液階段”開(kāi)始，低壓腔和工作腔連通，冷凝壓力下的工作腔通過(guò)閥K對(duì)低壓腔進(jìn)行充氣；兩腔壓力迅速平衡后，低壓腔中的溶液在重力作用下打開(kāi)單向閥M，流入工作腔中。低壓腔中溶液減少，液位下降，工作腔中溶液增加，液位升高，高壓腔中溶液不斷流出，液位下降。圖2（a）中液位為吸液階段開(kāi)始時(shí)各腔體中溶液液位。

2）工作腔的呼液階段：控制電磁閥K處于關(guān)閉狀態(tài)，電磁閥L處于開(kāi)通狀態(tài)。在吸液階段結(jié)束時(shí)，工作腔中壓力為吸收壓力，先關(guān)閉電磁閥K，再打開(kāi)電磁閥L，工作腔呼液階段開(kāi)始，工作腔和高壓腔連通，高壓腔及高壓氨氣通過(guò)閥L對(duì)工作腔進(jìn)行充氣；兩腔壓力迅速平衡后，工作腔中的溶液在重力作用下打開(kāi)單向閥N，流入高壓腔中。工作腔中溶液減少，液位下降，高壓腔中溶液增加，液位升高，低壓腔中不斷流入氨水溶液，液位上升。

設(shè)計(jì)吸液階段和呼液階段之間無(wú)時(shí)間間隔，圖2（b）中液位為吸液階段結(jié)束、呼液階段開(kāi)始時(shí)各腔體中溶液液位，呼液階段結(jié)束時(shí)各腔體液位如圖2（a）所示，呼吸泵回到吸液階段前的狀態(tài)，完成一個(gè)“呼吸過(guò)程”。

綜上，在一個(gè)“呼吸過(guò)程”中，利用制冷系統(tǒng)內(nèi)高壓氨氣的驅(qū)動(dòng)以及閥門(mén)開(kāi)關(guān)的變換，呼吸泵將低壓飽和態(tài)氨水濃溶液轉(zhuǎn)化為高壓過(guò)冷態(tài)氨水濃溶液，并不斷輸出，輸送的氨水溶液量即為圖2中最低液位和最高液位之間的溶液量。

1.3 呼吸泵的性能分析

呼吸泵需要依靠系統(tǒng)中的高壓氨氣驅(qū)動(dòng)。由于用來(lái)驅(qū)動(dòng)的高壓氨氣未參與蒸發(fā)制冷，造成制冷損失，這部分氨氣消耗量的多少?zèng)Q定了呼吸泵的性能優(yōu)劣。

經(jīng)分析，如圖3所示，呼吸泵所消耗的氨氣包括三個(gè)部分：一是沒(méi)有參與呼吸過(guò)程的工作腔余隙所儲(chǔ)存的高壓氨氣體積V余隙；二是呼液階段工作腔中氨水溶液吸收的高壓氨氣體積V吸收；三是為平衡工作腔輸出溶液后增加的空間壓力而消耗的氨氣體積V輸出。確定呼吸泵的性能要明確上述氨氣消耗量，尤其是工作腔中氨水溶液吸收的氨氣量V吸收，目前尚無(wú)成熟的理論支持，需要對(duì)其吸收特性展開(kāi)研究。

圖3 工作腔呼液階段消耗的氨氣

2 工作腔中吸收氨氣量的研究

2.1 吸收過(guò)程物理模型

工作腔靜止，吸收過(guò)程中溶液液位下降緩慢，液面無(wú)波動(dòng)，因此可將工作腔的吸收過(guò)程簡(jiǎn)化為大壓差下靜止氨水溶液表面吸收氨蒸氣的傳熱傳質(zhì)過(guò)程[7]。未吸收時(shí)，工作腔內(nèi)為氣液相平衡態(tài)，下部為氨水溶液，上部為與氨水溶液平衡的氣相氨水混合物，設(shè)此平衡態(tài)體系溫度為T(mén)0（℃），壓力為P0（Pa），氨水溶液中氨的質(zhì)量濃度為C0（kg/m3）。

現(xiàn)將壓力為高壓Pk的氨氣充入工作腔中，使得工作腔壓力從P0突然升高至Pk，工作腔中平衡被打破。這時(shí)氨水溶液呈過(guò)冷狀態(tài)，氣相中氨的蒸氣分壓力遠(yuǎn)高于溶液溫度和濃度所對(duì)應(yīng)的氨蒸氣分壓，形成濃度梯度，氨水溶液將吸收一定量的氨蒸氣。

為了得到既反映實(shí)際吸收過(guò)程，且便于分析與計(jì)算的物理模型，作如下假定：

1）忽略氣液相界面處氣相側(cè)的傳質(zhì)阻力，液相側(cè)與氣相滿(mǎn)足氨水氣液相平衡方程；

2）忽略向氣相的傳熱，氨在界面處被吸收時(shí)產(chǎn)生的吸收熱傳入液相內(nèi)部；

3）氨水溶液熱物性參數(shù)取初始溫度濃度條件下的定值，氨水密度及氨的單位吸收熱均取定值。

工作腔中吸收過(guò)程簡(jiǎn)化為半無(wú)限大一維非穩(wěn)態(tài)傳熱傳質(zhì)問(wèn)題[8]，其物理模型如圖4所示：

圖4 工作腔中吸收過(guò)程的物理模型示意圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)物理模型，可以得到描述吸收過(guò)程的控制微分方程和相應(yīng)的定解條件。坐標(biāo)系如圖4所示，取與溶液表面垂直向下方向?yàn)閤正方向，坐標(biāo)原點(diǎn)位于氣液相界面處。

1）控制方程為：

式中：T為氨水溶液溫度，℃；C為氨水溶液中氨的質(zhì)量濃度，kg/m3，a為氨水溶液導(dǎo)溫系數(shù)，m2/s；D 為氨在氨水溶液中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；τ為吸收時(shí)間，s。

2）邊界條件為：

在氣液相界面處，忽略向氣相的傳熱，傳入液相的熱量即為氨被吸收時(shí)產(chǎn)生的吸收熱：

式中：λ為氨水溶液導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；r為氨的單位吸收熱，J/kg。

氣液相界面處滿(mǎn)足氣液相平衡方程：

式中：Pk為氣相絕對(duì)壓力，Pa；T/x=0為氣液相界面溫度，℃；C/x=0為氣液相界面處氨的質(zhì)量濃度，kg/m3；F(P,T,C)=0為氨水氣液相平衡方程[9]，其中P為體系壓力，T為體系溫度，C為液相中氨的質(zhì)量濃度。

3）初始條件為：

式中：T0為氨水溶液初始溫度，℃；C0為氨水溶液初始氨的質(zhì)量濃度，kg/m3。

2.3 數(shù)學(xué)模型的解析解

工作腔氨水溶液的吸收時(shí)間近似為一個(gè)工作循環(huán)中呼液階段的時(shí)間，設(shè)為τ2。通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，得到τ2時(shí)間內(nèi)的吸收氨氣體積V吸收為：

式中：S為工作腔中溶液表面積，m2；ρNH3為高壓氨氣的密度，kg/m3；氣液相界面處氨的質(zhì)量濃度C/x=0由下式確定：

式中：Pk為氨水制冷循環(huán)的冷凝壓力；Cρ為工作腔中氨水溶液的定壓比熱容，J/(kg·K)；ρ為工作腔中氨水溶液的密度，kg/m3；Le為工作腔中氨水溶液的路易斯數(shù)；F(Pk,T,C)=0為氨水氣液相平衡方程。

3 呼吸泵的設(shè)計(jì)原則

3.1 呼吸泵的性能參數(shù)

同電力泵[10]一樣，采用流量、揚(yáng)程、功率和效率來(lái)評(píng)價(jià)呼吸泵的性能。

1）呼吸泵的流量：呼吸泵在單位時(shí)間內(nèi)所輸送的流體的質(zhì)量流量。本文中，呼吸泵的流量即為氨水濃溶液的循環(huán)量，設(shè)為qm,f。

2）呼吸泵的揚(yáng)程：?jiǎn)挝恢亓恳后w通過(guò)泵時(shí)所獲得的能量增加值為泵的揚(yáng)程，可近似由下式確定：

式中：γ為輸送的氨水濃溶液的重度，N/m3。

3）呼吸泵的輸出功率Pe：呼吸泵的流量和揚(yáng)程確定后，可根據(jù)下式得到呼吸泵的輸出功率：

式中：qm,f呼吸泵的質(zhì)量流量，kg/s；重力加速度g=9.8 m/s2；H為呼吸泵的揚(yáng)程，m。

4）呼吸泵的效率：

呼吸泵利用高壓氨氣對(duì)氨水溶液作功，呼吸泵的效率定義為泵的輸出功率和輸入功率之比：

式中：V輸出為一個(gè)工作循環(huán)中呼吸泵所輸送的溶液體積，m3；V輸入為一個(gè)工作循環(huán)中呼吸泵所消耗的氨氣體積，m3；τ1為吸液階段工作時(shí)間，s；τ2為呼液階段工作時(shí)間，s。

3.2 呼吸泵的設(shè)計(jì)原則

將一個(gè)工作循環(huán)中呼吸泵消耗的氨氣體積代入式（10）得：

將工作腔吸收的氨氣體積V吸收的表達(dá)式(6)代入上式中得到：

式中：L為工作腔輸送的溶液高度，m。

分析式（12）：其中 C/x=0，C0，ρNH3，D 取決于呼吸泵的運(yùn)行工況，即呼吸泵的進(jìn)出口壓力和泵送的溶液狀態(tài)；L，V余額是呼吸泵的結(jié)構(gòu)尺寸；τ2是呼吸泵的控制參數(shù)，由電磁閥控制。

下面分析V吸收=0時(shí)V余額/V輸出對(duì)呼吸泵效率的影響，以及V余額=0時(shí)無(wú)量綱數(shù) 對(duì)呼吸泵效率的影響：

1）由圖 5（a）可知，效率隨 V余額/V輸出的增加而降低，當(dāng)V余額、V輸出均為零時(shí)，呼吸泵的效率達(dá)到最高值1，即最理想的情況，實(shí)際中，余隙容積和吸收氨氣體積均是不可避免的，因此效率不可能達(dá)到1；

2）由圖5(b)可知，效率隨無(wú)量綱數(shù) 的增加而降低；圖5（b）是在冷凝溫度為34℃、吸收溫度為160℃時(shí)不同蒸發(fā)溫度下的效率曲線，四條曲線的蒸發(fā)溫度從上到下依次為 10℃、-5℃、-15℃、-30℃，可見(jiàn)，相同的值下蒸發(fā)溫度越低，呼吸泵效率越低。是因?yàn)椋合到y(tǒng)蒸發(fā)溫度越低，呼吸泵進(jìn)出口壓差越大，工作腔中吸收氨氣量就越多，從而氨損失量越大，效率越低。

運(yùn)行工況一定時(shí)，為了得到高效率，一方面希望工作腔余隙容積越小越好，但應(yīng)滿(mǎn)足最高液位低于氣體管路的要求，以防止液體堵塞氣體管路，影響呼吸泵的工作；另一方面希望 越小越好，這就要求工作腔的呼液時(shí)間τ2盡可能小，工作腔的工作高度L盡可能大，但τ2太小會(huì)造成難以控制、呼吸泵工作不穩(wěn)定的問(wèn)題，而實(shí)際中L也不可能太高。應(yīng)在實(shí)際可行情況下，在設(shè)計(jì)原則指導(dǎo)下，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸L，V余額和控制參數(shù)τ2的匹配來(lái)得到最優(yōu)值。確定結(jié)構(gòu)尺寸和控制參數(shù)后即可根據(jù)流量確定呼吸泵的橫截面積、各腔高度等，從而最終確定呼吸泵的各個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖5 呼吸泵效率隨V余額/V輸出和 的變化

3.3 設(shè)計(jì)工況下呼吸泵的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

設(shè)計(jì)制冷系統(tǒng)的工況為：蒸發(fā)溫度-30℃，發(fā)生溫度160℃，冷凝溫度34℃，制冷量40kW。

呼吸泵的運(yùn)行工況為：吸收壓力120kPa，冷凝壓力1317kPa，濃溶液狀態(tài)：質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2915、溫度34℃。在該運(yùn)行工況下，遵循上述設(shè)計(jì)原則，選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)參數(shù)得到一組設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)工況下呼吸泵設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果

由表1易知，與制冷劑流量相比，用于驅(qū)動(dòng)呼吸泵工作的氨氣量即氨氣消耗量很小，驗(yàn)證了呼吸泵的可行性。結(jié)果表明：遵循設(shè)計(jì)原則得到的呼吸泵，其效率可達(dá)到0.85以上，遠(yuǎn)高于液壓隔膜泵。特別地，呼吸泵由系統(tǒng)內(nèi)高壓氨氣驅(qū)動(dòng)，相當(dāng)于采用低溫?zé)嵩打?qū)動(dòng)，使用的能源品位較低，不依賴(lài)高品位的電能，能源利用更有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

1）本文創(chuàng)新性地提出了一種新型液體泵送技術(shù)——呼吸泵，并對(duì)其工作機(jī)理進(jìn)行了分析。呼吸泵利用高壓氨氣驅(qū)動(dòng)、借助于“呼吸”手段實(shí)現(xiàn)小型氨水制冷機(jī)中小流量高揚(yáng)程的液體輸送，其工作效率高，穩(wěn)定性高，無(wú)泄漏。該技術(shù)的提出解決了小型氨水制冷機(jī)中溶液泵選擇困難、效率低的問(wèn)題，對(duì)小型氨水制冷機(jī)的推廣具有重要意義。

2）對(duì)呼吸泵工作腔中的氨水表面非定常吸收特性進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，獲得了相界面?zhèn)髻|(zhì)的理論表達(dá)式，為呼吸泵的性能分析提供了理論依據(jù)。

3）分析了影響呼吸泵效率的各因素，得到一定運(yùn)行工況下呼吸泵的設(shè)計(jì)原則，即呼吸泵結(jié)構(gòu)尺寸、控制參數(shù)和運(yùn)行工況之間的匹配關(guān)系：在實(shí)際可行的情況下，工作腔余隙容積V余額越小越好，無(wú)量綱數(shù) 越小越好。在設(shè)計(jì)原則指導(dǎo)下給出了設(shè)計(jì)工況下的一個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，結(jié)果表明：呼吸泵的效率為0.88，遠(yuǎn)高于液壓隔膜泵。

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