氣液分離器的可視化實驗研究

王丹東，柳慈翀，梁媛媛，陳江平

（上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計中，有效避免壓縮機的濕壓縮和保證潤滑油的回油往往能夠?qū)μ嵘龎嚎s機的壽命和穩(wěn)定性起到重要作用。在實際應(yīng)用中，壓縮機停止時位于高壓側(cè)冷凝器的液態(tài)制冷劑會遷移到位于低壓側(cè)的蒸發(fā)器，當(dāng)壓縮再次啟動時，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，在除霜啟動及除霜結(jié)束重新啟動后，也容易引起液態(tài)制冷劑進入到壓縮機中。由于液態(tài)制冷劑在壓縮過程中體積變化小，壓力卻急劇上升，會引起壓縮機排氣溫度和壓力上升，內(nèi)部機械部件受損，從而會降低壓縮機壽命和穩(wěn)定性[2]。另外，潤滑油對壓縮機起到降低內(nèi)部泄露量、潤滑和冷卻機械部件的作用，減少摩擦耗功并提高壓縮機機械效率[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型管底部開有回油孔，使得出口管流動產(chǎn)生壓差將底部的潤滑油帶回到壓縮機中，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存液態(tài)制冷劑和防液擊的作用，但同時對于制冷系統(tǒng)而言，在壓縮機啟動階段會造成冷量的損失。YUN[5]提出了在旋轉(zhuǎn)式壓縮機制冷系統(tǒng)中使用輔助氣液分離器，實驗證明輔助的氣液分離器可提高入口干度以及容納過量制冷劑，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，液體制冷劑進入壓縮機長期以往可能對系統(tǒng)造成損害。對于結(jié)構(gòu)參數(shù)方面，WANG等[7]建立了以R134a作為流動工質(zhì)的氣液分離器的流動壓降模型，并且通過實驗驗證模型的可靠性，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]對內(nèi)部液滴在重力場進行了動力學(xué)建模分析，得到了最大氣流的約束條件，并且對氣液分離器結(jié)構(gòu)進行了理論計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]通過數(shù)值模擬和實驗驗證分析了不同的圓形環(huán)對分離效率的影響。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)性仿真計算來評價氣液分離器對于制冷系統(tǒng)的影響。呂家明等[12]通過Fluent軟件數(shù)值計算分析了旋流式氣液分離器的分離效果，并且通過實驗驗證提出了可行的優(yōu)化方法。葉超等[13]對于旋流式氣液分離器壓降模型進行了理論的推導(dǎo)。齊迪等[14]通過模擬氣液分離器速度和壓力分布改進了吸氣孔和擋板的設(shè)計，實現(xiàn)壓降的減小。郭富軍等[15]探討了多聯(lián)機用并聯(lián)氣液分離器的氣平衡孔和油平衡孔的位置的影響。

綜上，對于氣液分離器的研究主要在于宏觀系統(tǒng)研究，針對其內(nèi)部涉及氣液兩相和潤滑油的微觀現(xiàn)象缺乏深入的研究。本文通過搭建氣液分離器實驗臺，加工制作多個可視化氣液分離器實驗樣件，對氣液分離器在啟動瞬態(tài)和穩(wěn)定狀態(tài)下的兩相流制冷劑內(nèi)部流動規(guī)律進行了總結(jié)，進一步深入理解氣液分離器在空調(diào)系統(tǒng)的作用及影響，為實現(xiàn)氣液分離器的設(shè)計匹配奠定研究基礎(chǔ)。

1 實驗方案

1.1 實驗臺原理

為了測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驗臺。實驗臺原理如圖2示。實驗臺主要包括：壓縮機、套管式冷凝器、針閥、氣液分離器實驗樣件、蒸發(fā)器1、蒸發(fā)器2、冷卻塔、水泵和旁通調(diào)節(jié)閥。本研究采用一臺松下變頻式滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機，其轉(zhuǎn)速通過通訊軟件的頻率設(shè)定進行調(diào)節(jié)；通過冷卻塔對冷凝器進行散熱，采用旁通閥調(diào)節(jié)流量實現(xiàn)穩(wěn)定的高壓壓力以及過冷度控制；采用手動針閥調(diào)節(jié)節(jié)流開度，控制蒸發(fā)器出口的干度及過熱度；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行隔熱阻燃，加熱熱量由電加熱器的輸入電壓進行調(diào)節(jié)。制冷劑采用R410A。

圖2 氣液分離器可視化實驗臺原理圖

1.2 測試工況

1.3 實驗樣件

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 壓縮機啟動的瞬態(tài)實驗

2.2 氣液分離器的穩(wěn)態(tài)實驗

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、潤滑油的流動狀態(tài)，對3個透明樣件分別開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）。對比入口干度為0.8、0.9和過熱5 ℃的積液情況，可以得到當(dāng)入口為過熱狀態(tài)時，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，對于樣件3，當(dāng)干度為0.9和0.8，液面高度分別達到3.5 cm和5 cm。對比3個樣件，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U型管時，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，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)從入口處進入的液體制冷劑和從U型管吸入帶走的制冷劑相同時，液面高度則不再發(fā)生變化。對于樣件1～3，由于入口管管徑依次增大，制冷劑經(jīng)過U型管的流速依次減小，在回油孔U型管內(nèi)側(cè)的壓力相對更低，因此其穩(wěn)定后的液位高度相對也更低。

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）。對于3個樣件均具有一定液位的制冷劑積存在氣液分離器內(nèi)部。對于樣件1，隨著流量的增加，制冷劑的液位逐漸增加。而對于樣件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，會引起分離的液態(tài)制冷劑增加，同時經(jīng)過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 潤滑油的變化

在氣液分離器內(nèi)部，無論在瞬態(tài)實驗還是穩(wěn)態(tài)實驗中，沒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滑油是互溶的，回油孔中帶走了分離的液態(tài)制冷劑，同時溶解在液態(tài)制冷劑的潤滑油，也被帶入到壓縮機中。

在實驗過程中，當(dāng)壓縮機啟動2 min～3 min后，或者當(dāng)系統(tǒng)流量變化較大的時候，可以觀察到有潤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驗均能表現(xiàn)出這樣的現(xiàn)象。當(dāng)啟動時間較長后，很少看到潤滑油進入到分離器內(nèi)。可以推測當(dāng)系統(tǒng)流量變化較大時，潤滑油容易被帶入到低壓側(cè)給壓縮機回油，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)制冷劑將會從U型管底部的回油孔吸入到壓縮機中，當(dāng)氣液分離器入口狀態(tài)為過熱時，內(nèi)部將無制冷劑積存；當(dāng)入口狀態(tài)具有一定干度時，將形成一定的液位高度。

2）啟動瞬態(tài)實驗表明，增大出入管管徑可以減緩液態(tài)制冷劑進入到壓縮機內(nèi)，有利于改善啟動階段壓縮機的濕壓縮狀態(tài)。

3）穩(wěn)定狀態(tài)實驗表明，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。

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