制冷系统中气液两相流流型识别的研究进展

制冷系统中气液两相流流型识别的研究进展

孙 斌,许明飞

【摘 要】[摘要]分析了制冷系统中气液两相流与以往的气-水,油-气-水等多相流在形成原理上的本质区别,即制冷系统中两相流形成的原因是由于制冷剂发生了物态变化,同时列举了现有的流型类型。重点从实验研究,理论研究和信号处理技术三个方面,对国内外制冷系统中气液两相流流型识别研究的进展进行了讨论,最后通过分析以往的研究成果指出了尚需进一步解决的问题。 【期刊名称】制冷

【年(卷),期】2010(029)003 【总页数】6

【关键词】[关键词]制冷剂;两相流;流型识别;可视化;信号处理技术

随着全世界经济、科技的迅速发展,使得人类社会在短期内获得了极大的繁荣,人们的日常生活水平得到了很大的提高,但是在发展的同时也产生了一些问题,其中环境问题愈来愈显得迫切起来。因此,对臭氧层具有破坏性的制冷空调工业就引起了全人类的关注,对制冷剂及制冷系统的研究方法越来越多。其中制冷系统中气液两相流流型识别的方法是现代比较新的并且直观性最好的研究方法。 两相流动中两相介质的分布状况称为流型。两相流区别于单相流动的一个重要特性就是两相之间存在着分界面。流型不同,不但影响两相流的流动特性和传热传质性能,而且影响对两相流参数的准确测量[1]。

杨亮,张春路在文献 [2]中提到的流型变化尺度及各流型的空泡系数问题中,阐述了不同流型拥有不同的空泡系数,而空泡系数的不同直接影响到了流体在流动界面的传热系数,这必将使整个系统的工作状态发生改变。所以更好的研究不同流

型,可以更好的指导实际工业的生产,优化工程安装的参数设定。

蒸汽压缩式制冷系统中包括制冷剂压缩、冷凝、节流、蒸发4个过程,在冷凝、节流、蒸发过程中都存在制冷剂气液两相流。因此,对制冷剂气液两相流的研究,有助于改进制冷机械中换热器和节流机构的性能,实现系统的优化匹配。另外,人们在工程上,气液两相流计算中大部分都不考虑两相流的流型影响,均作为均相处理。而实际研究表明,流型对于气液两相的各种计算都是有影响的。因此,通过对制冷剂流型识别的研究获得更好的流型机理数据具有非常重要的意义。 国外对制冷系统中气液两相流流型识别的研究比较早,国内相对晚一些,但随着我国经济的发展,一些高校和研究所进行了大量的研究工作并取得了不错的成果。自观制冷系统中气液两相流研究历史,都是以实验为基础并结合理论分析及计算机数值模拟的研究方法对其进行研究。下面对制冷系统中气液两相流流型识别的研究现状和进展进行综述和分析。

1 制冷系统中的两相流流型

目前,制冷系统中的流型还没有一个统一的标准。在研究较多的气-水,油-气-水等流体中主要有以下几种公认的流型定义[3]。

1)乳沫状流:气液两相以强烈的湍动的非均匀混合物形式流动,并伴有液相的激烈搅动。

2)泡状流:在泡状流动中,气相是以分离的气泡散布在连续的液相内,气泡趋向于沿管道上半部流动,这种流型在含气率低时出现。

3)塞状流:小气泡结合成大气泡,如栓塞状。分布在连续的液相内,大气泡是趋向于沿管道上半部流动,大气泡之间存在一些小气泡。

4)分层流:两个相的流动被一层较光滑的分界面隔开,气相在上部,液相在下部分

开流动,这只有在液相和气相的速度都很低时才出现。

5)弹状流:液相中含有头部呈弹头状、尾部是平的大气泡,且一个大气泡后面跟随着许多小气泡。

6)环状流:当气体流速继续再增高时,就会形成环绕管周的一层液膜,液膜不一定连续的环绕这个管周,管子下部的液膜较厚,在气芯中也夹带有液滴。

以上的这些流型都是研究者在实验中单独控制气体和液体的质量流量、流速等参数而获得的,其本身就是两种或两种以上流体组成的,但是在制冷系统中的流体是制冷剂,两相的存在是在不同的压力和温度下制冷剂发生了物态的变化而形成的。这样形成的流型必定与气-水,油-气-水等流体的流型有所区别。从以往对制冷系统中流型的研究来看,不同的研究者有着不同的定义。

Cooper[4]最早采用玻璃毛细管,通过裸眼观察,对毛细管内两相流动流型做了详细描述,发现毛细管内的气液混合物是雾状流动。Mikol[5]通过摄影装置对玻璃毛细管进行了可视化的流动形态观测,描述了雾状流的形成过程。

Saliman[6]将制冷剂在内径为12.7mm的铜管内冷凝时的流型分为塞状、弹状、波状、环状、半环状和环雾状六种。

Koizumi[7]通过研究绝热毛细管长度方向上的压力和温度分布,证明了汽化延迟现象,提出了乳沫状流流型。

Stoecker[8]对制冷剂在内径为13mm的玻璃管内的凝结过程进行了全程观察和拍照,将流型分为环状、波状、弹状和泡状四种。

李俊明,吴业正,李新中[9]在实验中利用一种双热电偶判别两相流型的新方法,对内管直径为12mm和外管直径32mm的套管式冷凝器 (制冷剂为R22,R12)内制冷剂流型分为环状流、分层流、波状流、弹状流、塞状流和泡状流等流型。