制冷系統(tǒng)中氣液兩相流流型識別的研究進展

孫 斌,許明飛

(東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院,吉林132012)

隨著全世界經(jīng)濟、科技的迅速發(fā)展,使得人類社會在短期內(nèi)獲得了極大的繁榮,人們的日常生活水平得到了很大的提高,但是在發(fā)展的同時也產(chǎn)生了一些問題,其中環(huán)境問題愈來愈顯得迫切起來。因此,對臭氧層具有破壞性的制冷空調(diào)工業(yè)就引起了全人類的關(guān)注,對制冷劑及制冷系統(tǒng)的研究方法越來越多。其中制冷系統(tǒng)中氣液兩相流流型識別的方法是現(xiàn)代比較新的并且直觀性最好的研究方法。

兩相流動中兩相介質(zhì)的分布狀況稱為流型。兩相流區(qū)別于單相流動的一個重要特性就是兩相之間存在著分界面。流型不同,不但影響兩相流的流動特性和傳熱傳質(zhì)性能,而且影響對兩相流參數(shù)的準(zhǔn)確測量[1]。

楊亮,張春路在文獻 [2]中提到的流型變化尺度及各流型的空泡系數(shù)問題中,闡述了不同流型擁有不同的空泡系數(shù),而空泡系數(shù)的不同直接影響到了流體在流動界面的傳熱系數(shù),這必將使整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)發(fā)生改變。所以更好的研究不同流型,可以更好的指導(dǎo)實際工業(yè)的生產(chǎn),優(yōu)化工程安裝的參數(shù)設(shè)定。

蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)中包括制冷劑壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)4個過程,在冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)過程中都存在制冷劑氣液兩相流。因此,對制冷劑氣液兩相流的研究,有助于改進制冷機械中換熱器和節(jié)流機構(gòu)的性能,實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化匹配。另外,人們在工程上,氣液兩相流計算中大部分都不考慮兩相流的流型影響,均作為均相處理。而實際研究表明,流型對于氣液兩相的各種計算都是有影響的。因此,通過對制冷劑流型識別的研究獲得更好的流型機理數(shù)據(jù)具有非常重要的意義。

國外對制冷系統(tǒng)中氣液兩相流流型識別的研究比較早,國內(nèi)相對晚一些,但隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展,一些高校和研究所進行了大量的研究工作并取得了不錯的成果。自觀制冷系統(tǒng)中氣液兩相流研究歷史,都是以實驗為基礎(chǔ)并結(jié)合理論分析及計算機數(shù)值模擬的研究方法對其進行研究。下面對制冷系統(tǒng)中氣液兩相流流型識別的研究現(xiàn)狀和進展進行綜述和分析。

1 制冷系統(tǒng)中的兩相流流型

目前,制冷系統(tǒng)中的流型還沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。在研究較多的氣-水,油-氣-水等流體中主要有以下幾種公認的流型定義[3]。

1)乳沫狀流:氣液兩相以強烈的湍動的非均勻混合物形式流動,并伴有液相的激烈攪動。

2)泡狀流:在泡狀流動中,氣相是以分離的氣泡散布在連續(xù)的液相內(nèi),氣泡趨向于沿管道上半部流動,這種流型在含氣率低時出現(xiàn)。

3)塞狀流:小氣泡結(jié)合成大氣泡,如栓塞狀。分布在連續(xù)的液相內(nèi),大氣泡是趨向于沿管道上半部流動,大氣泡之間存在一些小氣泡。

4)分層流:兩個相的流動被一層較光滑的分界面隔開,氣相在上部,液相在下部分開流動,這只有在液相和氣相的速度都很低時才出現(xiàn)。

5)彈狀流:液相中含有頭部呈彈頭狀、尾部是平的大氣泡,且一個大氣泡后面跟隨著許多小氣泡。

6)環(huán)狀流:當(dāng)氣體流速繼續(xù)再增高時,就會形成環(huán)繞管周的一層液膜,液膜不一定連續(xù)的環(huán)繞這個管周,管子下部的液膜較厚,在氣芯中也夾帶有液滴。

以上的這些流型都是研究者在實驗中單獨控制氣體和液體的質(zhì)量流量、流速等參數(shù)而獲得的,其本身就是兩種或兩種以上流體組成的,但是在制冷系統(tǒng)中的流體是制冷劑,兩相的存在是在不同的壓力和溫度下制冷劑發(fā)生了物態(tài)的變化而形成的。這樣形成的流型必定與氣-水,油-氣-水等流體的流型有所區(qū)別。從以往對制冷系統(tǒng)中流型的研究來看,不同的研究者有著不同的定義。

Cooper[4]最早采用玻璃毛細管,通過裸眼觀察,對毛細管內(nèi)兩相流動流型做了詳細描述,發(fā)現(xiàn)毛細管內(nèi)的氣液混合物是霧狀流動。Mikol[5]通過攝影裝置對玻璃毛細管進行了可視化的流動形態(tài)觀測,描述了霧狀流的形成過程。

Saliman[6]將制冷劑在內(nèi)徑為12.7mm的銅管內(nèi)冷凝時的流型分為塞狀、彈狀、波狀、環(huán)狀、半環(huán)狀和環(huán)霧狀六種。

Koizumi[7]通過研究絕熱毛細管長度方向上的壓力和溫度分布,證明了汽化延遲現(xiàn)象,提出了乳沫狀流流型。

Stoecker[8]對制冷劑在內(nèi)徑為13mm的玻璃管內(nèi)的凝結(jié)過程進行了全程觀察和拍照,將流型分為環(huán)狀、波狀、彈狀和泡狀四種。

李俊明,吳業(yè)正,李新中[9]在實驗中利用一種雙熱電偶判別兩相流型的新方法,對內(nèi)管直徑為12mm和外管直徑32mm的套管式冷凝器 (制冷劑為R22,R12)內(nèi)制冷劑流型分為環(huán)狀流、分層流、波狀流、彈狀流、塞狀流和泡狀流等流型。

曾艷,高原[10]根據(jù)制冷劑管內(nèi)質(zhì)量流速的不同提出了冷凝器中存在霧狀流,環(huán)狀流和波狀流三種流型。并從力學(xué)的角度對三種流型的形成機理進行了分析,提出這3種流型受3種力影響,分別是表面張力,重力和氣體慣性力。在霧狀流段,主要是氣相慣性力和表面張力平衡,氣相慣性力占主導(dǎo)。對于環(huán)狀流和波狀流,則主要是氣相慣性力與液膜重力這兩種力起作用。當(dāng)氣相慣性力占主導(dǎo)地位時,流型呈環(huán)狀流;反之,則呈波狀流。另外,還提出蒸發(fā)器內(nèi)隨著流體質(zhì)量逐漸減少,依次出現(xiàn):氣泡狀沸騰,楔狀沸騰,霧狀沸騰,半環(huán)狀沸騰,霧狀沸騰,環(huán)狀沸騰等流型。

John W Coleman[11]通過精確控制質(zhì)量流量 (分五個不同的質(zhì)量流量區(qū)),利用數(shù)字攝影儀器對透明的、套管式的、制冷劑 (R134a)處于壓縮狀態(tài)下的實驗段的流體流型進行了研究分析,得到環(huán)狀流,間歇狀流,波狀流和彌散狀流四種主要流型,并且文中還詳細的細分了每種流型并分別說明了其特點。

Chen L.等[12]搭建了一個R134a制冷劑的循環(huán)系統(tǒng)并設(shè)計了具有四種直徑的實驗段,分別是1.10mm,2.01mm,2.88mm和 4.26mm。實驗中控制壓力為10bar。結(jié)論是四種試驗段中都存在彌散狀流,泡狀流,彈狀流,乳沫狀流,環(huán)狀流五種流型。并發(fā)現(xiàn)在較大管徑和較大的流速下會出現(xiàn)霧狀流,而在較小管徑和低流速下得到了封閉式的泡沫狀流。

陶宏,陶樂仁等[13]利用可以改變制冷劑流量的制冷循環(huán)實驗平臺,結(jié)合流動顯示方法發(fā)現(xiàn)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。

可見,這些流型類型都是不同的研究者對不同的實驗對象研究總結(jié)出來的,這必然會使流型的定義具有模糊性和多樣性。要對這么多的流型機理進行研究,得到確切統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)是一個非常復(fù)雜和長期的過程,需要做大量的實驗及理論研究。

2 制冷系統(tǒng)中兩相流流型實驗研究

實驗研究方面大致可分為兩類,即基于兩相流波動特性的流型識別和流體可視化的流型識別方法。

2.1 基于波動參數(shù)的實驗研究

流體中任意點上的流動參數(shù)總是在不停地發(fā)生變化,不同流型的兩相流往往具有不同的波動特性,因此可以借助流體參數(shù)的波動特性來實現(xiàn)流型的識別[14]。實際工程與實驗中多采取在管路上布置若干對壓力傳感器,流量計,溫度傳感器,速度傳感器及大量熱電偶來測量流體各種參數(shù)沿管長方向的變化。這種方法就是基于兩相流波動特性的研究。在氣-水,油-氣-水等流體的流型研究中比較常用的波動信號主要有以下幾個:

壓差波動信號是研究流體流型的重要參數(shù)之一,是實驗中最容易獲取的信號,與流型的變化有著密切的關(guān)系。

含氣率,也稱為干度,定義為氣液混和物的總質(zhì)量流量中氣相流量所占的份額。這個參數(shù)也是很多學(xué)者比較熱衷研究討論的。

空泡份額也稱為截面含氣率:流動系統(tǒng)中氣相截面積所占通道截面積的份額。

滑動比:兩相流中氣相速度與液相速度之比。

除了這些以外還有流體溫度,質(zhì)量流量,流體壓力等信號也被用到實驗中,作為流型識別研究的參數(shù)。

在制冷系統(tǒng)流體流型識別中主要是利用質(zhì)量流量、空泡率和干度的變化等參數(shù)。

Prosek[15]實驗中獲得了質(zhì)量流量和毛細管長度之間的對應(yīng)關(guān)系,但沒能得到管內(nèi)的具體流型。

Pate[16]在研究絕熱管與非絕熱管的流量變化中指出換熱增加流量的原因是換熱很大程度上阻礙了兩相區(qū)干度的增加,從而減小了流動過程的摩阻系數(shù)。文中雖然沒有從流型角度來研究,但我們知道干度的變化是流型變化的主要原因之一。

文獻[2]提到的流型變化尺度及各流型的空泡系數(shù)的關(guān)系。闡述了不同流型具有不同的空泡系數(shù)。

文獻[10]中根據(jù)制冷劑管內(nèi)質(zhì)量流速的不同提出了冷凝器中存在三種流型:霧狀流,環(huán)狀流和波狀流;蒸發(fā)器內(nèi)隨著流體質(zhì)量逐漸減少,依次出現(xiàn):氣泡狀沸騰,楔狀沸騰,霧狀沸騰,半環(huán)狀沸騰,霧狀沸騰,環(huán)狀沸騰等流型。

文獻[11]中更精確的控制了質(zhì)量流量,通過對實驗段的可視化研究得到了環(huán)狀流,間歇狀流,波狀流和彌散狀流四種主要流型。

Wang Chi-Chuan[17]討論了 R22,R134a和R407C在6.5mm管徑內(nèi),控制質(zhì)量流量為100,200,400和700kg/(m2s),并在200kg/(m2s)時取干度x=0.73,在400kg/(m2s)時取干度=0.1的情況下流型的產(chǎn)生和變化情況。

從以往對制冷系統(tǒng)兩相流波動參數(shù)研究可以看到,在參數(shù)的選擇上與氣-水,油-氣-水等流體的流型研究相比有很大的區(qū)別。在制冷系統(tǒng)中質(zhì)量流量,干度及空泡率是研究的主要對象。這與制冷系統(tǒng)的本身特點有關(guān)。制冷系統(tǒng)中制冷劑流動的管道一般管徑相對都很小,流量,干度和空泡率在不同的外界環(huán)境下會發(fā)生很大變化,更重要的是制冷系統(tǒng)中的兩相流是單質(zhì)兩相流,是制冷劑本身在一定條件下發(fā)生了物態(tài)變化。

2.2 流體流型的可視化研究

可視化研究是一種重要的現(xiàn)代化實驗手段,其特點是,采用一定的測量儀器及算法,直接間接地反應(yīng)出氣液兩相的結(jié)構(gòu)特征,從而判斷流型。通過可視化研究可以掌握管內(nèi)氣液兩相流流型的轉(zhuǎn)變,從而為繪制流型圖或選擇更為準(zhǔn)確的計算公式奠定基礎(chǔ)。

最早進行可視化研究的有Cooper等人。研究中他們采用玻璃毛細管,通過裸眼觀察,給出了毛細管內(nèi)兩相流動流型的詳細描述,得到了毛細管內(nèi)的氣液混合物是霧狀流動的結(jié)論[4]。

20世紀(jì)60年代,Mikol等通過攝影裝置對玻璃毛細管進行了可視化的流動的觀測,揭示了在閃發(fā)點之后流動是在管壁附近產(chǎn)生的汽泡組成,其后在很短的長度內(nèi)汽泡迅速擴大而變成均勻擴散的霧狀流動[5]。

文獻 [11]中對都是透明的套管內(nèi)的制冷劑流動流型進行了可視化研究。

在我國,李俊明,吳業(yè)正,李新中使用12mm內(nèi)徑的玻璃管實現(xiàn)了制冷劑在水平管內(nèi)的流動可視化[9],陳國棟[18]也利用可視化的手段對毛細管內(nèi)制冷劑兩相流流動特性進行了研究。最近幾年,周云龍,陳飛等對水-空氣等在不同通道內(nèi)的多相流流型通過可視化做了大量的研究[2,19],并取得了很多有價值的理論和分析方法,這些理論和方法對研究制冷劑的流型識別具有重要的參考價值。

通過學(xué)習(xí)和研究以往的文獻、著作,作者認為,制冷系統(tǒng)中的流型可視化研究方法的利用還有幾個問題需要解決:

1)以往的研究中對毛細管內(nèi)制冷劑流型的研究較多,而實際上其他部分的兩相流流型也很重要,對毛細管研究得到的結(jié)論不可能完全適用于其他部分。

2)可視化研究的實驗段都是利用光滑玻璃管等透明材料來替代銅管,這些材料的物理特性和銅管是不同的,這必定會使獲得的結(jié)果與真實情況有所偏差。

3)可視化采集設(shè)備目前未能統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。采集設(shè)備在實驗中起著重要的作用,它決定著實驗數(shù)據(jù)真實與否。

3 制冷系統(tǒng)中兩相流流型理論研究

從兩相流流型理論研究發(fā)展來看,20世紀(jì)80年代以前,主要運用動量微分方程或能量微分方程來描述管內(nèi)流體的流動過程;80年代以后,隨著理論研究的深入,人們開始建立基于質(zhì)量守恒、動量守恒的數(shù)學(xué)模型進行數(shù)值模擬,最終形成了三大模型,分別是均相流動模型、分相流動模型、漂移流動模型[20]。從這以后的研究中由于受到科學(xué)技術(shù)和實驗條件的約束,大多數(shù)都是應(yīng)用第一種流型假設(shè)模型。對于制冷系統(tǒng)中流型的研究也同樣存在這個問題。早期的制冷系統(tǒng)中流型研究都是對毛細管的研究,如:Marry[21]提出了毛細管內(nèi)流動的均相分布數(shù)學(xué)模型,他根據(jù)流動的動量方程推導(dǎo)出計算絕熱毛細管長度和給定毛細管幾何尺寸條件下流量的計算公式,并通過圖解積分計算出結(jié)果。但是,文獻 [22]中提到的Mikol在對玻璃毛細管內(nèi)的兩相流型的可視化研究中發(fā)現(xiàn),并非整個流動過程中完全均勻,而在汽化開始后存在熱力學(xué)不平衡現(xiàn)象,液體和氣體之間存在溫差,并且在中間一段會出現(xiàn)環(huán)狀流動,氣體在中心線流動,液體在管壁周圍流動。文獻中總結(jié)出毛細管內(nèi)的制冷劑流動是一個自蒸發(fā)過程,制冷劑由液體蒸發(fā)為氣體,氣相和液相之間必然存在蒸發(fā)的驅(qū)動勢,即熱力學(xué)不平衡。

其實早在上個世紀(jì)70年代Bankoff[23]等通過理論分析得出,實際氣液兩相的平均速度并不相等,存在一定的漂移流速?？梢姙榱烁玫难芯績上嗔鞯恼鎸嵙餍蜋C理,漂移流模型計算應(yīng)該成為研究的重點。

4 信號處理技術(shù)

信號處理技術(shù)是近年來發(fā)展起來的,建立在現(xiàn)有成熟的硬件傳感器基礎(chǔ)上,以計算機技術(shù)為核心,通過建立模型運算處理而完成的。主要是將統(tǒng)計學(xué)、混沌分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換、圖像處理、非線性科學(xué)等理論引入兩相流流型研究中,解決具有復(fù)雜性、不確定性、且很難用數(shù)學(xué)模型精確描述的兩相流流型識別問題。

在氣-水,油-氣-水等流體流型識別研究中這些信號處理技術(shù)和方法已經(jīng)得到了很好的利用,但在制冷系統(tǒng)中,由于對其本身兩相流研究還不夠成熟,所以對信號處理技術(shù)的應(yīng)用仍然處在發(fā)展和摸索的階段。

另外,在以往的研究中可以證實這些流型識別方法也存在一些問題。例如,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的選擇缺乏理論基礎(chǔ),其聯(lián)結(jié)權(quán)值和神經(jīng)元內(nèi)部閥值的物理意義不明確,使得人們無法理解其進行推理的過程,同時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)得到的知識分布在權(quán)值矩陣中,意義不明確[24]。再如小波去噪過程中小波分解得到的分量是相對于母小波進行的,它們強烈的受到所選母小波的影響,如何選擇母小波,需要多次的驗證確定[25]。

5 結(jié)論與展望

綜上所述,可以看到以往對制冷系統(tǒng)中制冷劑流型識別的研究主要還存在以下幾點不足:

1)流型定義模糊化,由以往的研究可以知道當(dāng)前所描述的每種流型之間還存在著過渡的流型,要想得到確切的流型定義需要更細更深人的對流型的形成過程做更多的研究。

2)流型識別的主觀性,目前的研究都是建立在一定條件下的,無論是數(shù)學(xué)模型和邊界條件的選擇,還是實驗設(shè)備和實驗研究重點的確定都和研究者主觀意識有關(guān)。這些因素都將直接阻礙我們獲得真實的流型。

3)數(shù)據(jù)采集方法過于單一化。流型識別實驗中數(shù)據(jù)的采集都是靠單一的傳感器,研究者在做實驗時不同的信號采集都是在相對獨立的條件下獲得的。

針對這些問題,很多學(xué)者也在不斷地進行著實驗研究尋找解決辦法。文獻 [23]中提到的數(shù)據(jù)融合技術(shù)就是解決問題的一種很好的方法。

隨著現(xiàn)代科研技術(shù)水平的不斷提高,關(guān)注制冷系統(tǒng)中兩相流流型識別方法的人越來越多,對這一課題的研究出現(xiàn)了空前的絕佳環(huán)境,相信在未來幾年內(nèi)這個課題會有突破性的進展。

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