引言沿程加热式气泡泵具有结构紧凑、受热面积大等优点，可被广泛应用于各类热驱动自然循环系统[1-4]。部分热驱动两相自然循环系统中，气泡泵可以代替机械泵，将液体从低位储液器输送至高位的气液分离器[5-7]。气泡泵的基本原理是基于流体密度的变化，特别是指部分液体被蒸发，产生的蒸汽气泡提升液体。气泡泵具有无运动部件、稳定、低噪声和无电等优点，在电子冷却、太阳能加热和太阳能冷却系统等领域具有巨大的潜力[8-10]。根据气泡泵所应用的系统不同，其内部所泵送的工质也不同，工质种类会对气泡泵的提升性能产生影响。近年来，有学者通过改良工质提高气泡泵的提升性能。CHLUDZSKI[11]等提出一种在水中添加少量低沸点物质的太阳能热水气泡泵，并搭建了实验台进行实验。结果表明，该气泡泵系统可以实现较好的连续运行，实验中传热效率最高能够达到84%。刘昊然[12]在溴化锂气泡泵实验台中添加了不同浓度的纳米CuO颗粒，发现CuO颗粒的添加对于气泡泵中出现流型的种类无影响，各流型的提升性能均随着CuO添加量的增大而增大，直到一定添加量后不再发生变化。豆景礼[13]选取正辛醇作为液体添加剂，加入溴化锂气泡泵，分析添加剂浓度对气泡泵运行的影响。结果表明，气泡泵内的弹状流速度会随着添加剂浓度的增加而减小，但正辛醇浓度超过0.1%时会有相反的趋势。表面活性剂具有低浓度就能使工质的表面张力显著下降、强化沸腾换热的特性[14]，具有改良气泡泵工质的潜力。目前，针对其应用于沿程加热气泡泵中的相关研究较少。因此，选用SDS表面活性剂作为工质，研究其对气泡泵提升性能的影响。1实验装置及概况1.1实验装置沿程加热式气泡泵实验装置如图1所示。提升管内存在一个初始液位，加热提升管内液体至其沸腾，产生的气泡会裹挟着液体向上运动，将两相流输送至气液分离器，蒸汽经气路被分离至冷凝器内，液体通过液路回流至高位储液器内。进入冷凝器中的蒸汽被冷盘管冷凝成液体，与液路回流的液体汇合于高位储液器，高位储液器内的工质流回低位储液器，完成整个循环。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.018.F001图1沿程加热式气泡泵实验装置试验台共采用3根提升管，分别为两根内径为8 mm、长度为1.2 m的不锈钢管和1根玻璃管并联。玻璃管材质为耐压透明石英玻璃管，可视化长度为0.78 m，上下两端设有不锈钢螺纹连接以及硅胶垫片，用于连接不锈钢管并且保证密封性，总体长度与不锈钢提升管相同，为1.2 m，内径为8 mm。每根提升管外均匀缠绕电阻丝，以模拟沿程加热工况，通电时可以均匀加热提升管。加热功率由TDGC2-5KVA单相调压器和PF9901电子功率计控制；压力通过PTX-5072压力传感器采集；通过DMF-1科氏力流量计直接测量质量流量；使用K型热电偶采集温度；使用Agilent 34970A数据采集系统采集实验数据，扫描频率设置0.5 Hz。各测量仪器详细参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.018.T001表1各测量仪器详细参数参数测量仪器量程不确定度温度K型热电偶-50~200 ℃0.2 ℃压力PTX-5072压力传感器0~0.5 MPa0.2% FS流量DMF-1科氏力流量计0~30 kg/h0.2% FS功率PF9901电子功率计0~1 200 W2 W实验装置各处采用玻璃棉与黑胶棉紧密包裹，仅在玻璃提升管外设有活动保温盖，方便实验中观察提升管内流态。1.2实验概况为了探究SDS表面活性剂水溶液对气泡泵提升性能的影响，设置不同实验工况，如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.018.T002表2实验工况参数类型参数数值定量沉浸高度/mm680进口过冷度/℃11系统压力/kPa99变量加热功率/W150、250、350、450、550SDS浓度/(mg/L)0、10、90、170参照XU[15]等测量的SDS水溶液表面张力变化随浓度变化的曲线，如图2所示。SDS水溶液浓度为0~200 mg/L时，表面张力随浓度上升迅速下降；浓度超过200 mg/L后，表面张力几乎不下降。因此，选择10 mg/L、90 mg/L和170 mg/L共3组浓度进行实验。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.018.F002图2SDS水溶液的表面张力随浓度变化曲线2结果与讨论2.1SDS水溶液对液体流量与蒸汽流量的影响气泡泵稳定运行后，绘制不同加热功率下，平均液体流量与平均蒸汽流量随SDS浓度变化的曲线，如图3所示。加热功率越大，则蒸汽流量越大。但是蒸汽流量几乎不随SDS浓度的改变发生变化，因为SDS含量太少，并不能改变溶液的导热性能。虽然气泡数量增加，但是总的蒸汽量不变。不同功率下的平均液体流量随SDS浓度变化情况不同，加热功率小于或等于350 W时，液体流量随着SDS浓度的增加而增加，功率越小，则SDS浓度增加带来的液体流量增加越明显。加热功率为150 W时，SDS浓度为170 mg/L的液体流量相比纯水的流量增加近100%；加热功率为350 W时，仅增加了约33%。加热功率大于350 W时，液体流量随SDS浓度的增加先增大后减小，加热功率越大则其变化趋势越明显。加热功率为550 W时，SDS浓度为170 mg/L的液体流量相比纯水的流量减少约9%。因为SDS的添加主要增加了气泡泵内的气泡生成数目，加快其聚合，并未改变气体生成量。功率较小时，SDS使其气泡数目增多，流态向着提升性能好的弹状流靠近，增加平均液体流量。而功率较大时，气泡数目已经足够多，SDS的加入反而会使得流态向着提升性能差的搅拌流转变，从而导致液体流量的下降。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.018.F003图3液体流量与蒸汽流量随SDS浓度变化的曲线2.2SDS水溶液对液气比的影响液气比常用于衡量气泡泵的提升性能，表示相同质量蒸汽能够提升的液体质量，该值直接关系整个系统能否正常运行。液气比b为：b=MLMV (1)式中：ML——液体流量；MV——蒸汽流量。因为蒸汽流量几乎不随着浓度的改变而改变，液气比的变化主要由液体流量的变化决定。液气比表现出与液体流量相似的变化规律，即在加热功率小于或等于350 W时（小功率），液气比随着SDS浓度的增加而增加；在加热功率大于350 W时（大功率），液气比随着SDS浓度的增加先增大后减小。添加SDS并不一定能够提高气泡泵运行效率，运行效率还与气泡泵运行时的功率和内部流态状态有关。加热功率为150 W和550 W时SDS浓度为170 mg/L的气泡泵内流态如图4和图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.018.F004图4加热功率为150 W时SDS浓度为170 mg/L的气泡泵内流态10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.018.F005图5加热功率为550 W时SDS浓度为170 mg/L的气泡泵内流态由图4和图5可知，加热功率较小(150 W)时，气泡泵内流态仍为弹状流，提升能力较强；加热功率增大(550 W)后，气泡泵内气泡数目过多，使得其流态向着提升能力更弱的搅拌流转变，与上述研究结果一致。2.3SDS水溶液对泵送稳定性的影响气泡泵泵送液体的过程是一个非连续过程。气泡泵的泵送是否相对稳定对于各类系统的稳定运行非常重要。气泡泵的瞬时质量流量与提升管内的温度、压力波动均可以反映其泵送液体的稳定性。与纯水相比，各功率下，SDS的添加均会增加瞬时液体质量流量的波动，加剧泵送的不稳定性；且SDS浓度越高，质量流量的波动越大。功率较低(150 W)时，添加SDS能够加速弹状气泡的聚合形成，加快泵送速度，虽然导致了瞬时质量流量的波动增加，但是平均质量流量也增加，添加了SDS的瞬时质量流量波动曲线基本位于未添加SDS时的瞬时质量流量波动曲线的上方。功率较大(550 W)时，气泡泵内的气泡数目足够多，添加SDS会导致提升管内气泡过多，流态由提升性能好的弹状流向提升性能不好的搅拌流转变，使得管内流态更为复杂，波动更加剧烈，此时添加了SDS的瞬时质量流量波动曲线将位于纯水的瞬时质量流量波动曲线下方，平均质量流量相对更低。由于提升管内气相和液相交替冲刷压力传感器以及气泡的湮灭，压力传感器能够检测到上下波动的压力信号。提升管出口附近的压力均值约为100 kPa，均值之间的差值不超过1 kPa，说明实验中的系统压力控制较为稳定，不同工况下差距不大，能够较好地确保实验的可靠性，同时各工况下的压力波动差值基本也处于1 kPa的范围内。各加热功率下，随着SDS浓度的增加，出口处的压力波动更加剧烈，压力波动的峰值有所增加。这说明提升管内气液交替频率加剧，两相流动更为剧烈。通过提升管内部热电偶与管内气液流体直接接触，检测到波动的温度信号。不同工况下，提升管出口温度均值基本一致，均为100 ℃左右，偏差不超过1 ℃。这是因为提升管出口附近的流体处于饱和状态，其温度与压力相关。由于实验中系统压力基本控制在100 kPa附近，出口温度的均值也相差不大。与压力波动随着SDS浓度增加而增加不同，不同加热功率下提升管出口温度的波动随着SDS浓度的增加而降低。加热功率增大，这种现象更加明显。原因可能是SDS浓度的增加导致管内流态更加复杂，液相气相搅拌更为均匀，因此温度的波动幅度相对降低，气泡泵出口的温度更加稳定。3结语搭建沿程加热气泡泵实验台，设置加热功率分别为150 W、250 W、350 W、450 W和550 W，研究不同加热功率下浓度为10 mg/L、90 mg/L和170 mg/L的SDS阴离子表面活性剂对沿程加热气泡泵的提升性能的影响，并与去离子水工质下气泡泵的提升性能进行对比。得出结论如下：第一，各功率下气泡泵内气体流量与SDS浓度无关，液体流量在较小功率时随SDS浓度增加而增加，较大功率时随SDS浓度的增加先增大后减小。第二，气泡泵泵送比随SDS浓度的变化规律与液体流量类似，通过可视化观察可以发现，其变化的本质与加入表面活性剂后提升管内处于何种流态有关。第三，SDS浓度的增加会导致气泡泵泵送的瞬时流量波动加大，管内压力的波动增大，说明气泡泵的泵送稳定性随SDS浓度的增加而降低。