變制冷循環(huán)過程中氣液流型的轉(zhuǎn)變過渡

變制冷循環(huán)過程中氣液流型的轉(zhuǎn)變過渡

為了盡可能提高蒸發(fā)壓縮循環(huán)的效率，通常需要控制干燥檢測器的低外部通熱量，以盡可能提高蒸發(fā)加熱區(qū)的使用效率。然而，在這種情況下，可以觸發(fā)冷循環(huán)的擾動(dòng)，并且控制裝置的可靠性很難穩(wěn)定。制冷循環(huán)不穩(wěn)定性或者稱為振蕩,是指制冷劑流量、蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、蒸發(fā)溫度、回氣溫度、過熱度等制冷循環(huán)參數(shù)發(fā)生周期性或非周期性振蕩。制冷循環(huán)穩(wěn)定性對制冷系統(tǒng)匹配和控制的意義重大,制冷循環(huán)的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器回氣帶液引起壓縮機(jī)液擊;也可能造成有害的機(jī)械強(qiáng)迫震動(dòng)和疲勞破壞;同時(shí),制冷循環(huán)的不穩(wěn)定性使得制冷系統(tǒng)難以穩(wěn)定控制;制冷循環(huán)的效率下降。制冷循環(huán)是典型的氣液兩相流封閉式循環(huán)過程,文獻(xiàn)綜合概括了氣液兩相流動(dòng)不穩(wěn)定性的型式及其重要性。制冷循環(huán)不穩(wěn)定性問題的研究始于20世紀(jì)60年代干式蒸發(fā)器完全蒸干點(diǎn)位置隨機(jī)性振蕩現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn):水平管干式蒸發(fā)器分氣液兩相區(qū)和過熱區(qū),兩區(qū)的轉(zhuǎn)變點(diǎn)稱為完全蒸干點(diǎn);ZahnWR于1963年、WedekindGI和StoeckerWF于1966年分別通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了即使在制冷循環(huán)定常工況下,完全蒸干點(diǎn)的位置呈現(xiàn)出隨機(jī)性振蕩的情況,并認(rèn)為這是蒸發(fā)過程氣液兩相流動(dòng)的固有特性[4~6]。完全蒸干點(diǎn)振蕩周期大約1秒左右,振蕩周期和幅度均隨機(jī)性變化,這表明完全蒸干點(diǎn)的瞬時(shí)位置是個(gè)隨機(jī)變量。研究還表明,完全蒸干點(diǎn)隨機(jī)振蕩實(shí)際上是液體波引起的,而該液體波是蒸發(fā)器人口附近的波狀緩動(dòng)流通過環(huán)狀流內(nèi)環(huán)面?zhèn)鬟f的。該類穩(wěn)定性研究只針對蒸發(fā)器的蒸發(fā)過程,不考慮膨脹閥等其它部件的影響,是制冷系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。StoeckerGL(1966)系統(tǒng)地研究膨脹閥和蒸發(fā)器控制回路的穩(wěn)定性,HuelleZR對膨脹閥-蒸發(fā)器控制回路的穩(wěn)定性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,總結(jié)出最小穩(wěn)定信號線理論(minimum-stable–signal)[8~9]。該理論認(rèn)為,蒸發(fā)器最小穩(wěn)定過熱度(蒸發(fā)器由穩(wěn)定工作到產(chǎn)生振蕩時(shí)最小過熱度)不是膨脹閥而是蒸發(fā)器本身的一個(gè)特性,與蒸發(fā)器的熱負(fù)荷有關(guān);如圖1,當(dāng)蒸發(fā)器的幾何尺寸和熱工參數(shù)(蒸發(fā)溫度、冷凝溫度)一定的條件下,存在一條最小穩(wěn)定信號線MSS,MSS線以左為不穩(wěn)定區(qū),MSS線以右為穩(wěn)定區(qū),在MSS線上則是臨界值。需要說明的是,最小穩(wěn)定信號線是在蒸發(fā)溫度、冷凝溫度和熱負(fù)荷一定的情況下,手動(dòng)調(diào)節(jié)制冷劑流量得到的,而實(shí)際制冷系統(tǒng)是在被冷卻介質(zhì)溫度和冷卻介質(zhì)溫度一定的情況下運(yùn)行的。雖然HuelleZR提出的最小穩(wěn)定信號線理論局限于靜態(tài)分析,也未對其發(fā)現(xiàn)作出恰當(dāng)?shù)臋C(jī)理解釋,但對制冷循環(huán)的穩(wěn)定性研究作出獨(dú)創(chuàng)性的貢獻(xiàn)。陳文勇等人(2002年)提出最小穩(wěn)定信號線是由于蒸發(fā)器管內(nèi)流型及傳熱機(jī)理變化的觀點(diǎn),并從理論角度進(jìn)行了闡述。蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度以數(shù)分鐘為周期波動(dòng),而制冷劑蒸干點(diǎn)位置秒級隨機(jī)振蕩,兩者似乎沒有必然的聯(lián)系。HuelleZ.R.在文獻(xiàn)中分析指出,當(dāng)蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度逐漸變小時(shí),蒸發(fā)器完全蒸干點(diǎn)在蒸發(fā)器出口處振蕩,由于兩相流和過熱蒸氣交替出現(xiàn),蒸發(fā)器管壁溫度有劇烈的變化,所以膨脹閥—蒸發(fā)器控制回路的振蕩由完全蒸干點(diǎn)的振蕩引起;完全蒸干點(diǎn)的振蕩周期是秒的量級(約1s),而蒸發(fā)器和膨脹閥控制回路的振蕩周期是分鐘量級,可以看出蒸發(fā)器和膨脹閥控制回路的振蕩周期受回路控制,而不是受完全蒸干點(diǎn)控制。變制冷劑流量(VRV)制冷循環(huán)中有兩個(gè)流量調(diào)節(jié)裝置,即變?nèi)萘繅嚎s機(jī)和節(jié)流膨脹閥,兩者有各自的調(diào)節(jié)規(guī)則和調(diào)節(jié)方法,存在相互之間的參數(shù)耦合協(xié)調(diào)問題,所以變制冷劑流量制冷循環(huán)穩(wěn)定性問題不同于定制冷劑流量制冷循環(huán)穩(wěn)定性問題。1998年清華大學(xué)與美國GM公司合作對變制冷劑流量制冷循環(huán)(汽車空調(diào))進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,蒸發(fā)器出風(fēng)溫度、壓縮機(jī)排氣壓力、壓縮機(jī)擺盤箱壓力、蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度等參數(shù)隨時(shí)間發(fā)生周期性振蕩。綜上所述,可以發(fā)現(xiàn)制冷循環(huán)穩(wěn)定性的研究對象從蒸發(fā)器的蒸發(fā)過程到膨脹閥—蒸發(fā)器控制回路,最后擴(kuò)展到整個(gè)制冷循環(huán),由局部到整體、由簡單到復(fù)雜、由現(xiàn)象到本質(zhì)。制冷循環(huán)是封閉的氣液兩相流循環(huán)過程,本身就是一個(gè)物理反饋回路,即使(節(jié)流機(jī)構(gòu)—蒸發(fā)器)無信號反饋調(diào)節(jié)回路,也可能發(fā)生振蕩現(xiàn)象。最小穩(wěn)定過熱度線MSS是在蒸發(fā)溫度、冷凝溫度一定條件下通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)的,與實(shí)際制冷循環(huán)運(yùn)行條件并不完全一樣(如通常情況下,水冷冷水制冷系統(tǒng)的冷凍水溫度/流量、冷卻水溫度/流量一定),那么,實(shí)際制冷循環(huán)運(yùn)行不穩(wěn)定性現(xiàn)象如何呢?又如何從機(jī)理上解釋這些不穩(wěn)定性現(xiàn)象?蒸干點(diǎn)隨機(jī)振蕩和制冷循環(huán)長周期波動(dòng)之間有何關(guān)聯(lián)?這些問題都仍然沒有得到實(shí)證,需要從氣液兩相流流動(dòng)過程的機(jī)理上進(jìn)一步深入研究。實(shí)驗(yàn)以一臺(tái)小型變頻水冷冷水機(jī)組為實(shí)驗(yàn)平臺(tái),應(yīng)用流動(dòng)顯示方法,試圖揭示變制冷劑流量制冷循環(huán)的不穩(wěn)定性現(xiàn)象及其機(jī)理。1石英玻脹閥的dpf1.6實(shí)驗(yàn)裝置原理如圖2所示,總體結(jié)構(gòu)上類同于一臺(tái)小型變頻水冷冷水機(jī)組。壓縮機(jī)1選用FGZ20TG2UYA型交流變頻壓縮機(jī),制冷劑為R22,理論排量13.8mL,運(yùn)行頻率30Hz~100Hz可調(diào),額定運(yùn)行頻率80Hz/3915W(蒸發(fā)溫度7.2℃,冷凝溫度54.4℃,膨脹閥前過冷度8.3℃,回氣溫度35.0℃),電壓頻率比(V/f)1.9,由一臺(tái)通用型變頻器驅(qū)動(dòng),可以手動(dòng)設(shè)定壓縮機(jī)工作頻率。冷凝器2選用BL26-26型板式換熱器,其散熱量由冷卻水平衡,冷卻水的循環(huán)流量和旁通流量通過閥門手動(dòng)設(shè)定,冷卻水的溫度由電加熱器補(bǔ)償恒定,電加熱器由調(diào)壓調(diào)功器自動(dòng)調(diào)節(jié),控溫由溫控器手動(dòng)設(shè)定并自動(dòng)控制。蒸發(fā)器4選用BL26-20型板式換熱器,其制冷量由熱水箱內(nèi)電加熱器產(chǎn)生熱負(fù)荷平衡,冷凍水的循環(huán)流量通過閥門手動(dòng)設(shè)定,冷凍水的溫度由電加熱器恒定,電加熱器由調(diào)壓調(diào)功器自動(dòng)調(diào)節(jié),控溫由溫控器手動(dòng)設(shè)定并自動(dòng)控制。蒸發(fā)器出口10厘米處連接石英玻璃管10(水平布置)用于觀察蒸發(fā)器出口制冷劑的流動(dòng)狀態(tài),在蒸發(fā)器出口用T型熱電偶測量溫度T2(銅管外壁面),用壓力變送器測量蒸發(fā)壓力Pe和蒸發(fā)器進(jìn)出口壓差ΔP。節(jié)流機(jī)構(gòu)3選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直動(dòng)式電子膨脹閥DPF1.6,其開度通過控制器手動(dòng)設(shè)定。膨脹閥前連接液視鏡用于觀察膨脹閥入口制冷劑的流動(dòng)狀態(tài),膨脹閥后5厘米處連接石英玻璃管9(水平布置)用于觀察膨脹閥出口制冷劑的流動(dòng)狀態(tài)。在膨脹閥的出口用T型熱電偶測量溫度T1(銅管外壁面),在膨脹閥的入口用壓力變送器測量冷凝壓力Pc。2膨脹閥出口和蒸發(fā)器出口保持冷凍水溫度12℃和冷卻水溫度30℃恒定,分別設(shè)定壓縮機(jī)在40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz等頻率上連續(xù)運(yùn)行,這時(shí)從小到大調(diào)節(jié)膨脹閥的開度,且在每個(gè)膨脹閥開度,直到制冷循環(huán)連續(xù)自平衡運(yùn)行90分鐘以上,記錄蒸發(fā)溫度、回氣溫度、排氣溫度、制冷量等數(shù)據(jù),并觀察膨脹閥出口和蒸發(fā)器出口的制冷劑流動(dòng)型式。2.1脹閥開度為21%時(shí)流動(dòng)顯示表明:蒸發(fā)器出口的制冷劑氣液兩相流流型存在過熱蒸汽流和霧狀流兩種型式,二者之間存在一個(gè)轉(zhuǎn)變過渡區(qū)域,此時(shí),過熱蒸汽流和霧狀流之間閃動(dòng)交替(約1秒)出現(xiàn)。由圖3可見,膨脹閥開度≤21%時(shí),蒸發(fā)器出口是過熱蒸汽流,蒸發(fā)溫度和回氣溫度基本平穩(wěn);膨脹閥開度=22%或23%時(shí),蒸發(fā)器出口是過熱蒸汽流和霧狀流閃動(dòng)交替(周期約1秒不等),蒸發(fā)溫度基本平穩(wěn),回氣溫度隨機(jī)波動(dòng)(周期約數(shù)分鐘不等);膨脹閥開度≥24%時(shí),蒸發(fā)器出口是霧狀流,蒸發(fā)溫度和回氣溫度又恢復(fù)基本平穩(wěn)。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了HuelleZR在文獻(xiàn)中推測:蒸發(fā)器出口的回氣溫度(或過熱度)隨機(jī)性波動(dòng)的原因是蒸發(fā)器出口的制冷劑流動(dòng)在蒸汽流和霧狀流之間閃動(dòng)交替,且由于溫度傳感器的熱慣性滯后,回氣溫度的隨機(jī)波動(dòng)周期顯著地大于流型閃動(dòng)交替周期。2.2膨脹閥出口流程動(dòng)態(tài)流動(dòng)顯示表明:膨脹閥出口的制冷劑氣液兩相流流型存在液-氣分相流和泡-氣分相流兩種型式。當(dāng)壓縮機(jī)在40Hz、50Hz頻率運(yùn)行時(shí),液-氣分相流的具體型式是液-氣分層流(圖4左),泡-氣分相流的具體型式是泡-氣分層流(圖4右);當(dāng)壓縮機(jī)在60Hz頻率運(yùn)行時(shí),液-氣分相流的具體型式是液環(huán)-氣芯流,泡-氣分相流的具體型式是泡-氣分層流;當(dāng)壓縮機(jī)在70Hz、80Hz頻率運(yùn)行時(shí),液-氣分相流的具體型式是液環(huán)-氣芯流(圖5左),泡-氣分相流的具體型式是泡環(huán)-氣芯流(圖5右)。這是由于隨著制冷劑流動(dòng)速度的增加,液-氣分相流從液-氣分層流演變成液環(huán)-氣芯流,而泡-氣分相流從泡-氣分層流演變成泡環(huán)-氣芯流。圖6為膨脹閥出口氣液兩相流流型交替變化誘發(fā)制冷循環(huán)參數(shù)周期性波動(dòng)情況。當(dāng)膨脹閥開度<27%時(shí),其出口的制冷劑流型是液-氣分相流;當(dāng)膨脹閥開度>27%時(shí),其出口的制冷劑流型是泡-氣分相流,當(dāng)膨脹閥開度=27%時(shí),其出口的制冷劑流型處于氣液兩相流流型的轉(zhuǎn)變過渡區(qū)域,液-氣分相流和泡-氣分相流二者之間長周期交替出現(xiàn),引起制冷循環(huán)處于不穩(wěn)定的周期性振蕩,蒸發(fā)溫度、回氣溫度、排氣溫度等制冷循環(huán)參數(shù)周期性波動(dòng)。此時(shí),制冷循環(huán)振蕩周期約8.5分鐘(與流型交替周期基本相同);蒸發(fā)溫度波動(dòng)幅度約±0.5℃回氣溫度波動(dòng)幅度約±0.75℃,排氣溫度波動(dòng)幅度約±1.5℃;由于蒸發(fā)器的響應(yīng)時(shí)滯,回氣溫度的變化略滯后于蒸發(fā)溫度的變化,而排氣溫度反向于蒸發(fā)溫度變化,表明此時(shí)蒸發(fā)溫度對排氣溫度的影響強(qiáng)于回氣溫度對排氣溫度的影響。從圖7可見,流型交替變化誘發(fā)的制冷循環(huán)的振蕩周期隨著壓縮機(jī)運(yùn)行頻率的提高而縮短,或者說,隨著制冷量的增加而縮短,這表明,制冷循環(huán)的振蕩周期反比于制冷循環(huán)的制冷劑流量。需要說明的是,上述結(jié)果都是在膨脹閥—蒸發(fā)器控制回路開環(huán)時(shí)實(shí)驗(yàn)得到的,而在實(shí)際中一般以過熱度(=回氣溫度-蒸發(fā)溫度)作為反饋信號形成膨脹閥—蒸發(fā)器控制回路閉環(huán),因此,當(dāng)制冷劑氣液兩相流流型交替引起制冷循環(huán)振蕩(無論隨機(jī)性波動(dòng)還是周期性波動(dòng))時(shí),膨脹閥—蒸發(fā)器控制回路的控制穩(wěn)定性受到影響,這可以解釋膨脹閥—蒸發(fā)器閉環(huán)控制回路振蕩現(xiàn)象。2.3出口氣液兩相流型交替由圖8和圖9可見,壓縮機(jī)在不同頻率運(yùn)行時(shí),呈現(xiàn)同樣的規(guī)律:隨著膨脹閥開度的逐漸增大,先是發(fā)生蒸發(fā)器出口的流型交替現(xiàn)象,然后才發(fā)生膨脹閥出口(即蒸發(fā)器的進(jìn)口)流型交替現(xiàn)象。圖8把不同頻率時(shí)的蒸發(fā)器出口流型轉(zhuǎn)變點(diǎn)連接起來形成一條過熱蒸汽流和霧狀流的流型轉(zhuǎn)變分界線,圖9把不同頻率時(shí)的膨脹閥出口流型轉(zhuǎn)變點(diǎn)連接起來形成一條液-氣分相流和泡-氣分相流的流型轉(zhuǎn)變分界線,如果把圖8和圖9重疊起來比較可以發(fā)現(xiàn),蒸發(fā)器出口的流型轉(zhuǎn)變分界線在膨脹閥出口流型轉(zhuǎn)變分界線的左上側(cè)。由圖3可見,蒸發(fā)器出口氣液兩相流型交替過程中,蒸發(fā)溫度、排氣溫度基本穩(wěn)定,此時(shí),整個(gè)制冷循環(huán)是穩(wěn)定的,且制冷量最大,只是由于蒸發(fā)器出口氣液兩相流型交替而導(dǎo)致回氣溫度隨機(jī)性微小波動(dòng);而由圖7可見,膨脹閥出口氣液兩相流型交替過程中,蒸發(fā)溫度、回氣溫度、排氣溫度都在周期性小幅波動(dòng),此時(shí),整個(gè)制冷循環(huán)是不穩(wěn)定的,制冷量也在波動(dòng)。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析實(shí)驗(yàn)表明,對于每個(gè)設(shè)定的壓縮機(jī)運(yùn)行頻率,隨著膨脹閥開度的逐漸增大,蒸發(fā)器出口會(huì)出現(xiàn)過熱蒸汽流和霧狀流的交替現(xiàn)象,從而導(dǎo)致蒸發(fā)器出口回氣溫度(或過熱度)的隨機(jī)性波動(dòng);再隨著膨脹閥開度的逐漸增大,膨脹閥出口會(huì)出現(xiàn)液-氣分相流和泡-氣分相流交替現(xiàn)象,從而誘發(fā)制冷循環(huán)周期性振蕩。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析,可以得到以下結(jié)論:1)蒸發(fā)器出口的制冷劑氣液兩相流流型存在過熱蒸汽流和霧狀流兩種型式,二者之間存在一個(gè)轉(zhuǎn)變過渡區(qū)域,此時(shí),兩種流型閃動(dòng)交替出現(xiàn),回氣溫度隨機(jī)性波動(dòng),而此時(shí)制冷量最大;2)膨脹閥出口的制冷劑氣液兩相流的流型存在液-氣分相流、泡-氣分相流兩種型式,二者之間存在一個(gè)轉(zhuǎn)