制冷系统中气液两相流流型识别的研究进展

孙 斌,许明飞

(东北电力大学能源与动力工程学院,吉林132012)

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。

曾艳,高原[10]根据制冷剂管内质量流速的不同提出了冷凝器中存在雾状流,环状流和波状流三种流型。并从力学的角度对三种流型的形成机理进行了分析,提出这3种流型受3种力影响,分别是表面张力,重力和气体惯性力。在雾状流段,主要是气相惯性力和表面张力平衡,气相惯性力占主导。对于环状流和波状流,则主要是气相惯性力与液膜重力这两种力起作用。当气相惯性力占主导地位时,流型呈环状流;反之,则呈波状流。另外,还提出蒸发器内随着流体质量逐渐减少,依次出现:气泡状沸腾,楔状沸腾,雾状沸腾,半环状沸腾,雾状沸腾,环状沸腾等流型。

John W Coleman[11]通过精确控制质量流量 (分五个不同的质量流量区),利用数字摄影仪器对透明的、套管式的、制冷剂 (R134a)处于压缩状态下的实验段的流体流型进行了研究分析,得到环状流,间歇状流,波状流和弥散状流四种主要流型,并且文中还详细的细分了每种流型并分别说明了其特点。

Chen L.等[12]搭建了一个R134a制冷剂的循环系统并设计了具有四种直径的实验段,分别是1.10mm,2.01mm,2.88mm和 4.26mm。实验中控制压力为10bar。结论是四种试验段中都存在弥散状流,泡状流,弹状流,乳沫状流,环状流五种流型。并发现在较大管径和较大的流速下会出现雾状流,而在较小管径和低流速下得到了封闭式的泡沫状流。

陶宏,陶乐仁等[13]利用可以改变制冷剂流量的制冷循环实验平台,结合流动显示方法发现蒸发器出口的制冷剂气液两相流流型存在过热蒸汽流和雾状流两种型式。

可见,这些流型类型都是不同的研究者对不同的实验对象研究总结出来的,这必然会使流型的定义具有模糊性和多样性。要对这么多的流型机理进行研究,得到确切统一的标准是一个非常复杂和长期的过程,需要做大量的实验及理论研究。

2 制冷系统中两相流流型实验研究

实验研究方面大致可分为两类,即基于两相流波动特性的流型识别和流体可视化的流型识别方法。

2.1 基于波动参数的实验研究

流体中任意点上的流动参数总是在不停地发生变化,不同流型的两相流往往具有不同的波动特性,因此可以借助流体参数的波动特性来实现流型的识别[14]。实际工程与实验中多采取在管路上布置若干对压力传感器,流量计,温度传感器,速度传感器及大量热电偶来测量流体各种参数沿管长方向的变化。这种方法就是基于两相流波动特性的研究。在气-水,油-气-水等流体的流型研究中比较常用的波动信号主要有以下几个:

压差波动信号是研究流体流型的重要参数之一,是实验中最容易获取的信号,与流型的变化有着密切的关系。

含气率,也称为干度,定义为气液混和物的总质量流量中气相流量所占的份额。这个参数也是很多学者比较热衷研究讨论的。

空泡份额也称为截面含气率:流动系统中气相截面积所占通道截面积的份额。

滑动比:两相流中气相速度与液相速度之比。

除了这些以外还有流体温度,质量流量,流体压力等信号也被用到实验中,作为流型识别研究的参数。

在制冷系统流体流型识别中主要是利用质量流量、空泡率和干度的变化等参数。

Prosek[15]实验中获得了质量流量和毛细管长度之间的对应关系,但没能得到管内的具体流型。

Pate[16]在研究绝热管与非绝热管的流量变化中指出换热增加流量的原因是换热很大程度上阻碍了两相区干度的增加,从而减小了流动过程的摩阻系数。文中虽然没有从流型角度来研究,但我们知道干度的变化是流型变化的主要原因之一。

文献[2]提到的流型变化尺度及各流型的空泡系数的关系。阐述了不同流型具有不同的空泡系数。

文献[10]中根据制冷剂管内质量流速的不同提出了冷凝器中存在三种流型:雾状流,环状流和波状流;蒸发器内随着流体质量逐渐减少,依次出现:气泡状沸腾,楔状沸腾,雾状沸腾,半环状沸腾,雾状沸腾,环状沸腾等流型。

文献[11]中更精确的控制了质量流量,通过对实验段的可视化研究得到了环状流,间歇状流,波状流和弥散状流四种主要流型。

Wang Chi-Chuan[17]讨论了 R22,R134a和R407C在6.5mm管径内,控制质量流量为100,200,400和700kg/(m2s),并在200kg/(m2s)时取干度x=0.73,在400kg/(m2s)时取干度=0.1的情况下流型的产生和变化情况。

从以往对制冷系统两相流波动参数研究可以看到,在参数的选择上与气-水,油-气-水等流体的流型研究相比有很大的区别。在制冷系统中质量流量,干度及空泡率是研究的主要对象。这与制冷系统的本身特点有关。制冷系统中制冷剂流动的管道一般管径相对都很小,流量,干度和空泡率在不同的外界环境下会发生很大变化,更重要的是制冷系统中的两相流是单质两相流,是制冷剂本身在一定条件下发生了物态变化。

2.2 流体流型的可视化研究

可视化研究是一种重要的现代化实验手段,其特点是,采用一定的测量仪器及算法,直接间接地反应出气液两相的结构特征,从而判断流型。通过可视化研究可以掌握管内气液两相流流型的转变,从而为绘制流型图或选择更为准确的计算公式奠定基础。

最早进行可视化研究的有Cooper等人。研究中他们采用玻璃毛细管,通过裸眼观察,给出了毛细管内两相流动流型的详细描述,得到了毛细管内的气液混合物是雾状流动的结论[4]。

20世纪60年代,Mikol等通过摄影装置对玻璃毛细管进行了可视化的流动的观测,揭示了在闪发点之后流动是在管壁附近产生的汽泡组成,其后在很短的长度内汽泡迅速扩大而变成均匀扩散的雾状流动[5]。

文献 [11]中对都是透明的套管内的制冷剂流动流型进行了可视化研究。

在我国,李俊明,吴业正,李新中使用12mm内径的玻璃管实现了制冷剂在水平管内的流动可视化[9],陈国栋[18]也利用可视化的手段对毛细管内制冷剂两相流流动特性进行了研究。最近几年,周云龙,陈飞等对水-空气等在不同通道内的多相流流型通过可视化做了大量的研究[2,19],并取得了很多有价值的理论和分析方法,这些理论和方法对研究制冷剂的流型识别具有重要的参考价值。

通过学习和研究以往的文献、著作,作者认为,制冷系统中的流型可视化研究方法的利用还有几个问题需要解决:

1)以往的研究中对毛细管内制冷剂流型的研究较多,而实际上其他部分的两相流流型也很重要,对毛细管研究得到的结论不可能完全适用于其他部分。

2)可视化研究的实验段都是利用光滑玻璃管等透明材料来替代铜管,这些材料的物理特性和铜管是不同的,这必定会使获得的结果与真实情况有所偏差。

3)可视化采集设备目前未能统一标准。采集设备在实验中起着重要的作用,它决定着实验数据真实与否。

3 制冷系统中两相流流型理论研究

从两相流流型理论研究发展来看,20世纪80年代以前,主要运用动量微分方程或能量微分方程来描述管内流体的流动过程;80年代以后,随着理论研究的深入,人们开始建立基于质量守恒、动量守恒的数学模型进行数值模拟,最终形成了三大模型,分别是均相流动模型、分相流动模型、漂移流动模型[20]。从这以后的研究中由于受到科学技术和实验条件的约束,大多数都是应用第一种流型假设模型。对于制冷系统中流型的研究也同样存在这个问题。早期的制冷系统中流型研究都是对毛细管的研究,如:Marry[21]提出了毛细管内流动的均相分布数学模型,他根据流动的动量方程推导出计算绝热毛细管长度和给定毛细管几何尺寸条件下流量的计算公式,并通过图解积分计算出结果。但是,文献 [22]中提到的Mikol在对玻璃毛细管内的两相流型的可视化研究中发现,并非整个流动过程中完全均匀,而在汽化开始后存在热力学不平衡现象,液体和气体之间存在温差,并且在中间一段会出现环状流动,气体在中心线流动,液体在管壁周围流动。文献中总结出毛细管内的制冷剂流动是一个自蒸发过程,制冷剂由液体蒸发为气体,气相和液相之间必然存在蒸发的驱动势,即热力学不平衡。

其实早在上个世纪70年代Bankoff[23]等通过理论分析得出,实际气液两相的平均速度并不相等,存在一定的漂移流速。可见为了更好的研究两相流的真实流型机理,漂移流模型计算应该成为研究的重点。

4 信号处理技术

信号处理技术是近年来发展起来的,建立在现有成熟的硬件传感器基础上,以计算机技术为核心,通过建立模型运算处理而完成的。主要是将统计学、混沌分析、人工神经网络、小波变换、图像处理、非线性科学等理论引入两相流流型研究中,解决具有复杂性、不确定性、且很难用数学模型精确描述的两相流流型识别问题。

在气-水,油-气-水等流体流型识别研究中这些信号处理技术和方法已经得到了很好的利用,但在制冷系统中,由于对其本身两相流研究还不够成熟,所以对信号处理技术的应用仍然处在发展和摸索的阶段。

另外,在以往的研究中可以证实这些流型识别方法也存在一些问题。例如,神经网络拓扑结构的选择缺乏理论基础,其联结权值和神经元内部阀值的物理意义不明确,使得人们无法理解其进行推理的过程,同时神经网络通过学习得到的知识分布在权值矩阵中,意义不明确[24]。再如小波去噪过程中小波分解得到的分量是相对于母小波进行的,它们强烈的受到所选母小波的影响,如何选择母小波,需要多次的验证确定[25]。

5 结论与展望

综上所述,可以看到以往对制冷系统中制冷剂流型识别的研究主要还存在以下几点不足:

1)流型定义模糊化,由以往的研究可以知道当前所描述的每种流型之间还存在着过渡的流型,要想得到确切的流型定义需要更细更深人的对流型的形成过程做更多的研究。

2)流型识别的主观性,目前的研究都是建立在一定条件下的,无论是数学模型和边界条件的选择,还是实验设备和实验研究重点的确定都和研究者主观意识有关。这些因素都将直接阻碍我们获得真实的流型。

3)数据采集方法过于单一化。流型识别实验中数据的采集都是靠单一的传感器,研究者在做实验时不同的信号采集都是在相对独立的条件下获得的。

针对这些问题,很多学者也在不断地进行着实验研究寻找解决办法。文献 [23]中提到的数据融合技术就是解决问题的一种很好的方法。

随着现代科研技术水平的不断提高,关注制冷系统中两相流流型识别方法的人越来越多,对这一课题的研究出现了空前的绝佳环境,相信在未来几年内这个课题会有突破性的进展。

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