氣液分離器的可視化實(shí)驗(yàn)研究

王丹東，柳慈翀，梁媛媛，陳江平

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有效避免壓縮機(jī)的濕壓縮和保證潤(rùn)滑油的回油往往能夠?qū)μ嵘龎嚎s機(jī)的壽命和穩(wěn)定性起到重要作用。在實(shí)際應(yīng)用中，壓縮機(jī)停止時(shí)位于高壓側(cè)冷凝器的液態(tài)制冷劑會(huì)遷移到位于低壓側(cè)的蒸發(fā)器，當(dāng)壓縮再次啟動(dòng)時(shí)，就容易發(fā)生液擊，尤其在系統(tǒng)的制冷劑充注較多的情況[1]。另外，當(dāng)冬季室外溫度較低，蒸發(fā)器表面結(jié)霜，冷凝器與蒸發(fā)器切換，在除霜啟動(dòng)及除霜結(jié)束重新啟動(dòng)后，也容易引起液態(tài)制冷劑進(jìn)入到壓縮機(jī)中。由于液態(tài)制冷劑在壓縮過(guò)程中體積變化小，壓力卻急劇上升，會(huì)引起壓縮機(jī)排氣溫度和壓力上升，內(nèi)部機(jī)械部件受損，從而會(huì)降低壓縮機(jī)壽命和穩(wěn)定性[2]。另外，潤(rùn)滑油對(duì)壓縮機(jī)起到降低內(nèi)部泄露量、潤(rùn)滑和冷卻機(jī)械部件的作用，減少摩擦耗功并提高壓縮機(jī)機(jī)械效率[3-4]。

氣液分離器作為空調(diào)系統(tǒng)的輔助部件，安裝在壓縮機(jī)前面，起到防止液擊、緩沖制冷劑、保證回油等作用。為了保證壓縮機(jī)回油，在氣液分離器出口管設(shè)有回油管或者出口U型管底部開(kāi)有回油孔，使得出口管流動(dòng)產(chǎn)生壓差將底部的潤(rùn)滑油帶回到壓縮機(jī)中，U型管結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 U型管形式氣液分離器

國(guó)內(nèi)外關(guān)于氣液分離器的研究主要集中在系統(tǒng)性能影響和結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。對(duì)于系統(tǒng)性能影響的研究，COULTER等[1]研究表明氣液分離器具有儲(chǔ)存液態(tài)制冷劑和防液擊的作用，但同時(shí)對(duì)于制冷系統(tǒng)而言，在壓縮機(jī)啟動(dòng)階段會(huì)造成冷量的損失。YUN[5]提出了在旋轉(zhuǎn)式壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)中使用輔助氣液分離器，實(shí)驗(yàn)證明輔助的氣液分離器可提高入口干度以及容納過(guò)量制冷劑，起到了緩沖器的作用。MARTIN[6]在冰箱中采用可視化氣液分離器進(jìn)行研究，表明去掉氣液分離器降低成本、節(jié)省空間，但是在較低溫度下重新啟動(dòng)，液體制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)長(zhǎng)期以往可能對(duì)系統(tǒng)造成損害。對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，WANG等[7]建立了以R134a作為流動(dòng)工質(zhì)的氣液分離器的流動(dòng)壓降模型，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的可靠性，回油孔和出口管管徑被視為性能的關(guān)鍵尺寸。呂騰飛等[8]對(duì)內(nèi)部液滴在重力場(chǎng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模分析，得到了最大氣流的約束條件，并且對(duì)氣液分離器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論計(jì)算獲得了可供參考的高度、體積、直徑等參數(shù)大小。韓東等[9]通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析了不同的圓形環(huán)對(duì)分離效率的影響。潘勇[10]考慮了U型管原材料內(nèi)部空間的截面積和設(shè)定后內(nèi)部空間的界面積的比值，總結(jié)出50%～90%的比值有利于降低噪音。BOCKHOLT等[11]研究了CO2制冷系統(tǒng)中的氣液分離器，利用TIL半理論的穩(wěn)態(tài)和連續(xù)性仿真計(jì)算來(lái)評(píng)價(jià)氣液分離器對(duì)于制冷系統(tǒng)的影響。呂家明等[12]通過(guò)Fluent軟件數(shù)值計(jì)算分析了旋流式氣液分離器的分離效果，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提出了可行的優(yōu)化方法。葉超等[13]對(duì)于旋流式氣液分離器壓降模型進(jìn)行了理論的推導(dǎo)。齊迪等[14]通過(guò)模擬氣液分離器速度和壓力分布改進(jìn)了吸氣孔和擋板的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)壓降的減小。郭富軍等[15]探討了多聯(lián)機(jī)用并聯(lián)氣液分離器的氣平衡孔和油平衡孔的位置的影響。

綜上，對(duì)于氣液分離器的研究主要在于宏觀系統(tǒng)研究，針對(duì)其內(nèi)部涉及氣液兩相和潤(rùn)滑油的微觀現(xiàn)象缺乏深入的研究。本文通過(guò)搭建氣液分離器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，加工制作多個(gè)可視化氣液分離器實(shí)驗(yàn)樣件，對(duì)氣液分離器在啟動(dòng)瞬態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)下的兩相流制冷劑內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)，進(jìn)一步深入理解氣液分離器在空調(diào)系統(tǒng)的作用及影響，為實(shí)現(xiàn)氣液分離器的設(shè)計(jì)匹配奠定研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理

為了測(cè)試不同工況下氣液分離器的性能，本研究搭建了氣液分離器可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理如圖2示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括：壓縮機(jī)、套管式冷凝器、針閥、氣液分離器實(shí)驗(yàn)樣件、蒸發(fā)器1、蒸發(fā)器2、冷卻塔、水泵和旁通調(diào)節(jié)閥。本研究采用一臺(tái)松下變頻式滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，其轉(zhuǎn)速通過(guò)通訊軟件的頻率設(shè)定進(jìn)行調(diào)節(jié)；通過(guò)冷卻塔對(duì)冷凝器進(jìn)行散熱，采用旁通閥調(diào)節(jié)流量實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高壓壓力以及過(guò)冷度控制；采用手動(dòng)針閥調(diào)節(jié)節(jié)流開(kāi)度，控制蒸發(fā)器出口的干度及過(guò)熱度；蒸發(fā)器的銅管外表面纏繞電加熱帶，外部用石棉及保溫棉進(jìn)行隔熱阻燃，加熱熱量由電加熱器的輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。制冷劑采用R410A。

圖2 氣液分離器可視化實(shí)驗(yàn)臺(tái)原理圖

1.2 測(cè)試工況

1.3 實(shí)驗(yàn)樣件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 壓縮機(jī)啟動(dòng)的瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)

2.2 氣液分離器的穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)

2.2.1 穩(wěn)態(tài)積液

為了獲得在系統(tǒng)穩(wěn)定階段氣液分離器內(nèi)部制冷劑、潤(rùn)滑油的流動(dòng)狀態(tài)，對(duì)3個(gè)透明樣件分別開(kāi)展不同干度和不同質(zhì)量流量的穩(wěn)態(tài)研究。

圖8(a)表示不同的入口干度下的氣液分離器的穩(wěn)定液面高度（M=40 kg/h）。對(duì)比入口干度為0.8、0.9和過(guò)熱5 ℃的積液情況，可以得到當(dāng)入口為過(guò)熱狀態(tài)時(shí)，氣液分離器內(nèi)部不存在制冷劑留存。隨著入口的干度降低，將會(huì)積存一定高度的液態(tài)制冷劑。入口干度越低，液面越高。例如，對(duì)于樣件3，當(dāng)干度為0.9和0.8，液面高度分別達(dá)到3.5 cm和5 cm。對(duì)比3個(gè)樣件，液位高度從小到大依次為樣件1、樣件2和樣件3。分析其原因：隨著入口干度降低，進(jìn)入氣液分離器的液體增加。當(dāng)分離后的氣相制冷劑經(jīng)過(guò)U型管時(shí)，在回油孔內(nèi)外形成一定的壓力差，使得分離的液相制冷劑可以被吸入到U型管內(nèi)。當(dāng)液體量增加時(shí)，則需要形成更高的制冷劑液面，從而形成更大的壓差，使得吸入的液態(tài)制冷劑增加。當(dāng)從入口處進(jìn)入的液體制冷劑和從U型管吸入帶走的制冷劑相同時(shí)，液面高度則不再發(fā)生變化。對(duì)于樣件1～3，由于入口管管徑依次增大，制冷劑經(jīng)過(guò)U型管的流速依次減小，在回油孔U型管內(nèi)側(cè)的壓力相對(duì)更低，因此其穩(wěn)定后的液位高度相對(duì)也更低。

圖8(b)表示不同的入口流量下的氣液分離器的穩(wěn)定液面高度（q=0.9）。對(duì)于3個(gè)樣件均具有一定液位的制冷劑積存在氣液分離器內(nèi)部。對(duì)于樣件1，隨著流量的增加，制冷劑的液位逐漸增加。而對(duì)于樣件2和3，隨著流量的增加，制冷劑的液面呈現(xiàn)先升后降的現(xiàn)象。分析其原因：當(dāng)流量增加時(shí)，會(huì)引起分離的液態(tài)制冷劑增加，同時(shí)經(jīng)過(guò)U型管的氣態(tài)制冷劑的流速也增加，前者要求從回油孔帶走更多的液態(tài)制冷劑，后者會(huì)增加帶走的流速。因此流量的增加與液面的高低可能呈現(xiàn)非單調(diào)的情況。因此，在樣件1、2和3具有不同的出口管管徑的情況下，液位的高低變化與流量呈現(xiàn)非單調(diào)一致性。

2.2.2 潤(rùn)滑油的變化

在氣液分離器內(nèi)部，無(wú)論在瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)還是穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)中，沒(méi)有觀察到氣液分離器內(nèi)部油和制冷劑分層。其原因是制冷劑和潤(rùn)滑油是互溶的，回油孔中帶走了分離的液態(tài)制冷劑，同時(shí)溶解在液態(tài)制冷劑的潤(rùn)滑油，也被帶入到壓縮機(jī)中。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)壓縮機(jī)啟動(dòng)2 min～3 min后，或者當(dāng)系統(tǒng)流量變化較大的時(shí)候，可以觀察到有潤(rùn)滑油噴入氣液分離器，附著在玻璃壁面上，呈黃色。但并不是每一次的實(shí)驗(yàn)均能表現(xiàn)出這樣的現(xiàn)象。當(dāng)啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)后，很少看到潤(rùn)滑油進(jìn)入到分離器內(nèi)?？梢酝茰y(cè)當(dāng)系統(tǒng)流量變化較大時(shí)，潤(rùn)滑油容易被帶入到低壓側(cè)給壓縮機(jī)回油，系統(tǒng)中的油循環(huán)并不是呈現(xiàn)連續(xù)的定量流動(dòng)規(guī)律。

圖8 不同樣件穩(wěn)定液面高度

3 結(jié)論

1）大部分經(jīng)分離的液態(tài)制冷劑將會(huì)從U型管底部的回油孔吸入到壓縮機(jī)中，當(dāng)氣液分離器入口狀態(tài)為過(guò)熱時(shí)，內(nèi)部將無(wú)制冷劑積存；當(dāng)入口狀態(tài)具有一定干度時(shí)，將形成一定的液位高度。

2）啟動(dòng)瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)表明，增大出入管管徑可以減緩液態(tài)制冷劑進(jìn)入到壓縮機(jī)內(nèi)，有利于改善啟動(dòng)階段壓縮機(jī)的濕壓縮狀態(tài)。

3）穩(wěn)定狀態(tài)實(shí)驗(yàn)表明，隨著出入管管徑增大，或者干度的減小，液面積存的高度會(huì)增加；隨著入口流量的增大，積液高度可能呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)。

4）溶解于制冷劑的潤(rùn)滑油將全部通過(guò)底部回油孔回流到壓縮機(jī)內(nèi)，回油和氣液分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)系不大，主要由系統(tǒng)中其他部件引起。