錢(qián) 錚，孫 斌，許明飛

(東北電力大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林吉林132012)

由于安裝工藝、設(shè)計(jì)工藝的原因，制冷劑循環(huán)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)發(fā)生緩慢泄漏。另外在制冷劑充注時(shí)也會(huì)存在一定的誤差。無(wú)論是那個(gè)原因都會(huì)導(dǎo)致制冷循環(huán)系統(tǒng)中制冷劑不足，從而影響系統(tǒng)內(nèi)部阻力特性和換熱特性，最終影響制冷循環(huán)性能。最近幾年制冷系統(tǒng)中的兩相流研究越來(lái)越多，其中很多研究給出了制冷循環(huán)性能與流型之間的關(guān)系［1-2］。本實(shí)驗(yàn)在多功能環(huán)境實(shí)驗(yàn)室中變換環(huán)境的工況下研究了制冷劑不足時(shí)，節(jié)流后與蒸發(fā)器之前的制冷劑氣液兩相流流型與制冷循環(huán)性能之間的關(guān)系。同時(shí)研究了流量，壓力，溫度和實(shí)驗(yàn)段流體流動(dòng)的圖像隨環(huán)境工況變化的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中顯示，制冷劑不足時(shí)制冷循環(huán)中的各個(gè)參數(shù)都發(fā)生了改變，影響了整個(gè)制冷循環(huán)的性能。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析獲得了制冷劑不足時(shí)制冷循環(huán)中參數(shù)的變化規(guī)律，并與正常時(shí)的參數(shù)進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、實(shí)際工程都具有很好的參考價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)制冷劑為R410A，最大制冷量為2.6 kW的直流變頻空冷空調(diào)器，實(shí)驗(yàn)時(shí)制冷劑充注量是正常時(shí)候的2/3。該實(shí)驗(yàn)裝置主要包括兩個(gè)部分，即制冷劑循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，見(jiàn)圖1。制冷劑循環(huán)系統(tǒng)主要包括壓縮機(jī)，冷凝器，膨脹閥，和蒸發(fā)器四個(gè)部分，壓縮機(jī)選用直流變頻壓縮機(jī)，氣缸容積20.8 cm3，運(yùn)行頻率為30 Hz-120 Hz，蒸發(fā)溫度7.2℃，冷凝溫度54.4℃，工作時(shí)壓縮機(jī)根據(jù)環(huán)境工況的變化自動(dòng)調(diào)節(jié)頻率，從而調(diào)節(jié)制冷劑流量;蒸發(fā)器和冷凝器為翅片銅管式，冷凝器為風(fēng)冷結(jié)構(gòu);膨脹閥與壓縮機(jī)協(xié)調(diào)工作，提高控制精度，實(shí)現(xiàn)柔性控制。工作時(shí)制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)壓縮成高溫高壓后流入冷凝器，隨后在膨脹閥節(jié)流后進(jìn)入蒸發(fā)器，最后回到壓縮機(jī)，如此往復(fù)循環(huán)。

在膨脹閥與蒸發(fā)器之間設(shè)計(jì)了一段用透明的玻璃管連接的水平實(shí)驗(yàn)段，透明玻璃管內(nèi)徑6 mm，長(zhǎng)為500 mm，管兩端與銅管同心連接，連接處平滑，見(jiàn)圖2。

圖2 實(shí)驗(yàn)段

數(shù)據(jù)采集包括圖像、溫度、壓力、流量采集。圖像采集系統(tǒng)主要包括照明系統(tǒng)和高速攝影系統(tǒng)。高速攝影機(jī)對(duì)光線(xiàn)的亮度有較高的要求，通常情況下，選用大功率的碘鎢燈、熒光燈甚至激光光源當(dāng)作照明光源，可以采集到較高質(zhì)量的流型圖像。本實(shí)驗(yàn)照明系統(tǒng)的光源使用6 400 K色溫的三基色光管，光線(xiàn)明亮無(wú)閃爍。由于兩相流流型變化復(fù)雜，高速攝影系統(tǒng)采用瑞士Weinberger公司研發(fā)的SpeedCamVisario系統(tǒng)，其最大分辨率為1 536×1 024，最大幀頻達(dá)到10 000幀/秒，能夠清晰的抓拍各種流型的瞬變圖像。在圖像攝取過(guò)程中由于液體和氣體均是透明的，可采用逆光照明［3］，拍攝各種流態(tài)的陰影。為了使光線(xiàn)分布均勻，在玻璃管的后側(cè)放置一片磨砂玻璃，如此可獲得滿(mǎn)意的拍攝圖像。溫度、壓力、流量由另一數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集，采集系統(tǒng)包括PCI4712系列采集卡和DasView2.0控制分析軟件，溫度傳感器，溫度變送器，整體壓力變送器和整體流量變送器。溫度傳感器分別在壓縮機(jī)出口、實(shí)驗(yàn)段前端、蒸發(fā)器出口三處緊貼管道外壁保溫安裝，溫度傳感器采集的溫度信號(hào)通過(guò)溫度變送器與計(jì)算機(jī)上的采集系統(tǒng)連接，最終把溫度信號(hào)變?yōu)殡妷盒盘?hào)并輸出。測(cè)試儀表的型號(hào)、量程及精度見(jiàn)表1。

表1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備參數(shù)表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)是在兩個(gè)全封閉隔熱的模擬室內(nèi)完成的。模擬室內(nèi)的環(huán)境工況由一個(gè)多功能的熱泵系統(tǒng)來(lái)控制?？刂茰囟确秶鸀?0-45℃，濕度范圍為20%-70%。實(shí)驗(yàn)中模擬出實(shí)際的空調(diào)工作的環(huán)境，所得到的數(shù)據(jù)非常有實(shí)際意義。系統(tǒng)從25-40℃環(huán)境溫度工況范圍內(nèi)，每升高一度采集一次數(shù)據(jù)，采集頻率為 256 Hz，時(shí)間為 8 s。

2.1 流 量

圖3是實(shí)驗(yàn)工況下得到的流量變化情況。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)中流量總體隨環(huán)境溫度升高而變大。在25-30℃的區(qū)間內(nèi)變化比30-35℃區(qū)間內(nèi)的變化相對(duì)較平緩，35-40℃后流量基本保持一致。這是由于剛開(kāi)始時(shí)換熱量不大，隨著溫度的升高，換熱量變大，制冷劑流量變大且流速加快。由于系統(tǒng)制冷劑不足，所以就不能滿(mǎn)足當(dāng)需要更多的制冷劑來(lái)參與熱量交換的工況。從熱力學(xué)計(jì)算角度可以知道質(zhì)量流量的不足會(huì)影響系統(tǒng)的局部換熱［4-5］，管內(nèi)壁面液膜變薄或消失，會(huì)出現(xiàn)惡劣換熱過(guò)程。

2.2 壓力和溫度

圖3 流量隨環(huán)境溫度的變化

圖4是實(shí)驗(yàn)工況下蒸發(fā)壓力、冷凝壓力的變化情況。從圖中的結(jié)果可見(jiàn)，無(wú)論是冷凝壓力還是蒸發(fā)壓力都比不缺制冷劑時(shí)候的壓力低。隨著環(huán)境溫度的升高，壓力有上升趨勢(shì)，但在35-40℃區(qū)間內(nèi)變化梯度趨于零，壓力幾乎不變。

圖5是實(shí)驗(yàn)工況下吸排氣溫度、蒸發(fā)溫度的變化情況。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨著實(shí)驗(yàn)工況變化排氣溫度逐漸降低;吸氣溫度逐漸增高，吸氣口端管內(nèi)溫度高于環(huán)境露點(diǎn)溫度;蒸發(fā)溫度高于設(shè)計(jì)溫度值，并逐漸增高。從現(xiàn)場(chǎng)觀察到的現(xiàn)象如下:

圖4 壓力隨環(huán)境溫度的變化

(1)回氣管沒(méi)有結(jié)露，用手觸摸管壁沒(méi)有明顯涼的感覺(jué)。

(2)壓縮機(jī)排氣管結(jié)霜嚴(yán)重。

(3)蒸發(fā)器只有小部分結(jié)露或結(jié)霜。

(4)室外機(jī)排風(fēng)沒(méi)有熱感。

通過(guò)分析得出，系統(tǒng)制冷劑不足時(shí)會(huì)導(dǎo)致壓縮機(jī)出口端管內(nèi)壓力下降，沸點(diǎn)降低，使管溫低于冰點(diǎn)，冷凝溫度降低;制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)不能很好的完成蒸發(fā)過(guò)程，換熱面積相應(yīng)減少，致使蒸發(fā)溫度和回氣溫度升高，過(guò)熱度增大。

圖5 系統(tǒng)溫度隨環(huán)境溫度的變化

2.3 流動(dòng)圖像分析

圖6 流型圖

從實(shí)驗(yàn)的流動(dòng)圖像表明，隨著環(huán)境工況的變化實(shí)驗(yàn)段出現(xiàn)的流型主要有液-氣分層流，泡-氣分層流［6-8］，見(jiàn)圖6。采集的圖像像素大小為1 536×1 024，幀頻為1 000幀/秒。由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)制冷劑不足，導(dǎo)致節(jié)流后制冷劑氣相增大。圖像中黑色部分是氣液兩相界面，在模擬環(huán)境溫度較低時(shí)，壓縮機(jī)工作頻率較低，膨脹閥的開(kāi)度較小，管內(nèi)主要是液-氣分層流，隨著環(huán)境溫度的升高，界面波動(dòng)越來(lái)越劇烈，流體流速迅速增大。此時(shí)壓縮機(jī)工作頻率較高，膨脹閥的開(kāi)度較大，節(jié)流作用比較弱，制冷劑均相節(jié)流氣化慢，殘留一部分小氣泡未能分離，而形成泡-氣分相流。實(shí)際上在這兩種流型轉(zhuǎn)變的瞬間，由于制冷劑流速急劇增高，液體被高速的氣體沖到管內(nèi)壁，形成中間氣體四周液體的液環(huán)-氣芯流。

通過(guò)得到流量，壓力，溫度等數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出制冷量的大小。計(jì)算公式為:

式中，Q為制冷量，kW;G為質(zhì)量流量，m3/h;h1為制冷劑吸氣狀態(tài)時(shí)的焓值，kJ/kg;h4為節(jié)流后的焓值，kJ/kg。分析計(jì)算結(jié)果，可以得出最大制冷量只有額定制冷量的1/3，可見(jiàn)制冷劑不足對(duì)系統(tǒng)制冷能力影響非常大。圖7反映了各流型區(qū)域與制冷量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖7 各流型區(qū)域與制冷量的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3 結(jié) 論

實(shí)驗(yàn)表明，制冷循環(huán)在制冷劑不足時(shí)，流量，壓力，溫度都發(fā)生了很大的變化，影響了管內(nèi)換熱，導(dǎo)致制冷量嚴(yán)重下降，在實(shí)驗(yàn)設(shè)定值下制冷量最大只有額定制冷量的30%左右。流型圖直觀的反映了制冷劑在管內(nèi)氣液兩相的流動(dòng)特性，實(shí)驗(yàn)中主要出現(xiàn)了液-氣分層流，泡-氣分層流兩種主要流型。實(shí)際上制冷劑在制冷循環(huán)管道中流動(dòng)時(shí)流速非?？?，氣液兩相變化很難準(zhǔn)確的拍攝到，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中在液-氣分層流，泡-氣分層流兩種流型的過(guò)渡區(qū)域出現(xiàn)變化很快的液環(huán)-氣芯流，而在氣芯里面也會(huì)存在著小液滴。制冷循環(huán)是一個(gè)封閉的循環(huán)系統(tǒng)，單質(zhì)制冷劑在管內(nèi)由于環(huán)境工況的變化會(huì)形成兩相流動(dòng)的現(xiàn)象，準(zhǔn)確得到流動(dòng)時(shí)的流型變化能夠更好的分析出制冷循環(huán)系統(tǒng)的流動(dòng)特性，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)、工程具有指導(dǎo)意義。

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