气液分离器的可视化实验研究

2018-09-04王丹东柳慈翀梁媛媛陈江平

制冷技术 2018年3期

王丹东，柳慈翀，梁媛媛，陈江平

（上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240）

0 引言

在空调系统设计中，有效避免压缩机的湿压缩和保证润滑油的回油往往能够对提升压缩机的寿命和稳定性起到重要作用。在实际应用中，压缩机停止时位于高压侧冷凝器的液态制冷剂会迁移到位于低压侧的蒸发器，当压缩再次启动时，就容易发生液击，尤其在系统的制冷剂充注较多的情况[1]。另外，当冬季室外温度较低，蒸发器表面结霜，冷凝器与蒸发器切换，在除霜启动及除霜结束重新启动后，也容易引起液态制冷剂进入到压缩机中。由于液态制冷剂在压缩过程中体积变化小，压力却急剧上升，会引起压缩机排气温度和压力上升，内部机械部件受损，从而会降低压缩机寿命和稳定性[2]。另外，润滑油对压缩机起到降低内部泄露量、润滑和冷却机械部件的作用，减少摩擦耗功并提高压缩机机械效率[3-4]。

气液分离器作为空调系统的辅助部件，安装在压缩机前面，起到防止液击、缓冲制冷剂、保证回油等作用。为了保证压缩机回油，在气液分离器出口管设有回油管或者出口U型管底部开有回油孔，使得出口管流动产生压差将底部的润滑油带回到压缩机中，U型管结构如图1所示。

图1 U型管形式气液分离器

国内外关于气液分离器的研究主要集中在系统性能影响和结构参数的影响。对于系统性能影响的研究，COULTER等[1]研究表明气液分离器具有储存液态制冷剂和防液击的作用，但同时对于制冷系统而言，在压缩机启动阶段会造成冷量的损失。YUN[5]提出了在旋转式压缩机制冷系统中使用辅助气液分离器，实验证明辅助的气液分离器可提高入口干度以及容纳过量制冷剂，起到了缓冲器的作用。MARTIN[6]在冰箱中采用可视化气液分离器进行研究，表明去掉气液分离器降低成本、节省空间，但是在较低温度下重新启动，液体制冷剂进入压缩机长期以往可能对系统造成损害。对于结构参数方面，WANG等[7]建立了以R134a作为流动工质的气液分离器的流动压降模型，并且通过实验验证模型的可靠性，回油孔和出口管管径被视为性能的关键尺寸。吕腾飞等[8]对内部液滴在重力场进行了动力学建模分析，得到了最大气流的约束条件，并且对气液分离器结构进行了理论计算获得了可供参考的高度、体积、直径等参数大小。韩东等[9]通过数值模拟和实验验证分析了不同的圆形环对分离效率的影响。潘勇[10]考虑了U型管原材料内部空间的截面积和设定后内部空间的界面积的比值，总结出50%～90%的比值有利于降低噪音。BOCKHOLT等[11]研究了CO2制冷系统中的气液分离器，利用TIL半理论的稳态和连续性仿真计算来评价气液分离器对于制冷系统的影响。吕家明等[12]通过Fluent软件数值计算分析了旋流式气液分离器的分离效果，并且通过实验验证提出了可行的优化方法。叶超等[13]对于旋流式气液分离器压降模型进行了理论的推导。齐迪等[14]通过模拟气液分离器速度和压力分布改进了吸气孔和挡板的设计，实现压降的减小。郭富军等[15]探讨了多联机用并联气液分离器的气平衡孔和油平衡孔的位置的影响。

综上，对于气液分离器的研究主要在于宏观系统研究，针对其内部涉及气液两相和润滑油的微观现象缺乏深入的研究。本文通过搭建气液分离器实验台，加工制作多个可视化气液分离器实验样件，对气液分离器在启动瞬态和稳定状态下的两相流制冷剂内部流动规律进行了总结，进一步深入理解气液分离器在空调系统的作用及影响，为实现气液分离器的设计匹配奠定研究基础。

1 实验方案

1.1 实验台原理

为了测试不同工况下气液分离器的性能，本研究搭建了气液分离器可视化实验台。实验台原理如图2示。实验台主要包括：压缩机、套管式冷凝器、针阀、气液分离器实验样件、蒸发器1、蒸发器2、冷却塔、水泵和旁通调节阀。本研究采用一台松下变频式滚动转子式压缩机，其转速通过通讯软件的频率设定进行调节；通过冷却塔对冷凝器进行散热，采用旁通阀调节流量实现稳定的高压压力以及过冷度控制；采用手动针阀调节节流开度，控制蒸发器出口的干度及过热度；蒸发器的铜管外表面缠绕电加热带，外部用石棉及保温棉进行隔热阻燃，加热热量由电加热器的输入电压进行调节。制冷剂采用R410A。

图2 气液分离器可视化实验台原理图

1.2 测试工况

1.3 实验样件

2 实验结果与讨论

2.1 压缩机启动的瞬态实验

2.2 气液分离器的稳态实验

2.2.1 稳态积液

为了获得在系统稳定阶段气液分离器内部制冷剂、润滑油的流动状态，对3个透明样件分别开展不同干度和不同质量流量的稳态研究。

图8(a)表示不同的入口干度下的气液分离器的稳定液面高度（M=40 kg/h）。对比入口干度为0.8、0.9和过热5 ℃的积液情况，可以得到当入口为过热状态时，气液分离器内部不存在制冷剂留存。随着入口的干度降低，将会积存一定高度的液态制冷剂。入口干度越低，液面越高。例如，对于样件3，当干度为0.9和0.8，液面高度分别达到3.5 cm和5 cm。对比3个样件，液位高度从小到大依次为样件1、样件2和样件3。分析其原因：随着入口干度降低，进入气液分离器的液体增加。当分离后的气相制冷剂经过U型管时，在回油孔内外形成一定的压力差，使得分离的液相制冷剂可以被吸入到U型管内。当液体量增加时，则需要形成更高的制冷剂液面，从而形成更大的压差，使得吸入的液态制冷剂增加。当从入口处进入的液体制冷剂和从U型管吸入带走的制冷剂相同时，液面高度则不再发生变化。对于样件1～3，由于入口管管径依次增大，制冷剂经过U型管的流速依次减小，在回油孔U型管内侧的压力相对更低，因此其稳定后的液位高度相对也更低。

图8(b)表示不同的入口流量下的气液分离器的稳定液面高度（q=0.9）。对于3个样件均具有一定液位的制冷剂积存在气液分离器内部。对于样件1，随着流量的增加，制冷剂的液位逐渐增加。而对于样件2和3，随着流量的增加，制冷剂的液面呈现先升后降的现象。分析其原因：当流量增加时，会引起分离的液态制冷剂增加，同时经过U型管的气态制冷剂的流速也增加，前者要求从回油孔带走更多的液态制冷剂，后者会增加带走的流速。因此流量的增加与液面的高低可能呈现非单调的情况。因此，在样件1、2和3具有不同的出口管管径的情况下，液位的高低变化与流量呈现非单调一致性。

2.2.2 润滑油的变化

在气液分离器内部，无论在瞬态实验还是稳态实验中，没有观察到气液分离器内部油和制冷剂分层。其原因是制冷剂和润滑油是互溶的，回油孔中带走了分离的液态制冷剂，同时溶解在液态制冷剂的润滑油，也被带入到压缩机中。

在实验过程中，当压缩机启动2 min～3 min后，或者当系统流量变化较大的时候，可以观察到有润滑油喷入气液分离器，附着在玻璃壁面上，呈黄色。但并不是每一次的实验均能表现出这样的现象。当启动时间较长后，很少看到润滑油进入到分离器内。可以推测当系统流量变化较大时，润滑油容易被带入到低压侧给压缩机回油，系统中的油循环并不是呈现连续的定量流动规律。