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，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)定性會導(dǎo)致蒸發(fā)器回氣帶液引起壓縮機液擊;也可能造成有害的機械強迫震動和疲勞破壞;同時,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,文獻綜合概括了氣液兩相流動不穩(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60年代干式蒸發(fā)器完全蒸干點位置隨機性振蕩現(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)變點稱為完全蒸干點;ZahnWR于1963年、WedekindGI和StoeckerWF于1966年分別通過實驗發(fā)現(xiàn)了即使在制冷循環(huán)定常工況下,完全蒸干點的位置呈現(xiàn)出隨機性振蕩的情況,并認為這是蒸發(fā)過程氣液兩相流動的固有特性[4~6]。完全蒸干點振蕩周期大約1秒左右,振蕩周期和幅度均隨機性變化,這表明完全蒸干點的瞬時位置是個隨機變量。研究還表明,完全蒸干點隨機振蕩實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)定性進行了實驗研究,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)生振蕩時最小過熱度)不是膨脹閥而是蒸發(fā)器本身的一個特性,與蒸發(fā)器的熱負荷有關(guān);如圖1,當蒸發(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、冷凝溫度和熱負荷一定的情況下,手動調(diào)節(jié)制冷劑流量得到的,而實際制冷系統(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?shù)臋C理解釋,但對制冷循環(huán)的穩(wěn)定性研究作出獨創(chuàng)性的貢獻。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)流型及傳熱機理變化的觀點,并從理論角度進行了闡述。蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度以數(shù)分鐘為周期波動,而制冷劑蒸干點位置秒級隨機振蕩,兩者似乎沒有必然的聯(lián)系。HuelleZ.R.在文獻中分析指出,當蒸發(fā)器出口制冷劑過熱度逐漸變小時,蒸發(fā)器完全蒸干點在蒸發(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的振蕩引起;完全蒸干點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控制。變制冷劑流量(VRV)制冷循環(huán)中有兩個流量調(diào)節(jié)裝置,即變?nèi)萘繅嚎s機和節(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))進行實驗研究,實驗結(jié)果表明,蒸發(fā)器出風溫度、壓縮機排氣壓力、壓縮機擺盤箱壓力、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,最后擴展到整個制冷循環(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,本身就是一個物理反饋回路,即使(節(jié)流機構(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驗總結(jié)的,與實際制冷循環(huán)運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,實際制冷循環(huán)運行不穩(wěn)定性現(xiàn)象如何呢?又如何從機理上解釋這些不穩(wěn)定性現(xiàn)象?蒸干點隨機振蕩和制冷循環(huán)長周期波動之間有何關(guān)聯(lián)?這些問題都仍然沒有得到實證,需要從氣液兩相流流動過程的機理上進一步深入研究。實驗以一臺小型變頻水冷冷水機組為實驗平臺,應(yīng)用流動顯示方法,試圖揭示變制冷劑流量制冷循環(huán)的不穩(wěn)定性現(xiàn)象及其機理。1石英玻脹閥的dpf1.6實驗裝置原理如圖2所示,總體結(jié)構(gòu)上類同于一臺小型變頻水冷冷水機組。壓縮機1選用FGZ20TG2UYA型交流變頻壓縮機,制冷劑為R22,理論排量13.8mL,運行頻率30Hz~100Hz可調(diào),額定運行頻率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,由一臺通用型變頻器驅(qū)動,可以手動設(shè)定壓縮機工作頻率。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設(shè)定,冷卻水的溫度由電加熱器補償恒定,電加熱器由調(diào)壓調(diào)功器自動調(diào)節(jié),控溫由溫控器手動設(shè)定并自動控制。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)生熱負荷平衡,冷凍水的循環(huán)流量通過閥門手動設(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)功器自動調(diào)節(jié),控溫由溫控器手動設(shè)定并自動控制。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)器進出口壓差ΔP。節(jié)流機構(gòu)3選用步進電機驅(qū)動的直動式電子膨脹閥DPF1.6,其開度通過控制器手動設(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)定壓縮機在40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz等頻率上連續(xù)運行,這時從小到大調(diào)節(jié)膨脹閥的開度,且在每個膨脹閥開度,直到制冷循環(huán)連續(xù)自平衡運行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型式。2.1脹閥開度為21%時流動顯示表明: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,二者之間存在一個轉(zhuǎn)變過渡區(qū)域,此時,過熱蒸汽流和霧狀流之間閃動交替(約1秒)出現(xiàn)。由圖3可見,膨脹閥開度≤21%時,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,蒸發(fā)器出口是過熱蒸汽流和霧狀流閃動交替(周期約1秒不等),蒸發(fā)溫度基本平穩(wěn),回氣溫度隨機波動(周期約數(shù)分鐘不等);膨脹閥開度≥24%時,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)。該實驗結(jié)果證實了HuelleZR在文獻中推測:蒸發(fā)器出口的回氣溫度(或過熱度)隨機性波動的原因是蒸發(fā)器出口的制冷劑流動在蒸汽流和霧狀流之間閃動交替,且由于溫度傳感器的熱慣性滯后,回氣溫度的隨機波動周期顯著地大于流型閃動交替周期。2.2膨脹閥出口流程動態(tài)流動顯示表明: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。當壓縮機在40Hz、50Hz頻率運行時,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);當壓縮機在60Hz頻率運行時,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;當壓縮機在70Hz、80Hz頻率運行時,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)周期性波動情況。當膨脹閥開度<27%時,其出口的制冷劑流型是液-氣分相流;當膨脹閥開度>27%時,其出口的制冷劑流型是泡-氣分相流,當膨脹閥開度=27%時,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。此時,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)溫度波動幅度約±0.5℃回氣溫度波動幅度約±0.75℃,排氣溫度波動幅度約±1.5℃;由于蒸發(fā)器的響應(yīng)時滯,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,表明此時蒸發(fā)溫度對排氣溫度的影響強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運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)時實驗得到的,而在實際中一般以過熱度(=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(無論隨機性波動還是周期性波動)時,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,壓縮機在不同頻率運行時,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)器的進口)流型交替現(xiàn)象。圖8把不同頻率時的蒸發(fā)器出口流型轉(zhuǎn)變點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把不同頻率時的膨脹閥出口流型轉(zhuǎn)變點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,整個制冷循環(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)致回氣溫度隨機性微小波動;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,此時,整個制冷循環(huán)是不穩(wěn)定的,制冷量也在波動。3實驗結(jié)果分析實驗表明,對于每個設(shè)定的壓縮機運行頻率,隨著膨脹閥開度的逐漸增大,蒸發(fā)器出口會出現(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)的隨機性波動;再隨著膨脹閥開度的逐漸增大,膨脹閥出口會出現(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。由上述實驗結(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,二者之間存在一個轉(zhuǎn)變過渡區(qū)域,此時,兩種流型閃動交替出現(xiàn),回氣溫度隨機性波動,而此時制冷量最大;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,二者之間存在一個轉(zhuǎn)