张维华

（冰轮环境技术股份有限公司，山东 烟台 264000）

引言

在蒸汽压缩制冷循环中，有许多制冷剂流动是气液两相流动[1-2]。有时需要对两相制冷剂的质量进行测量，以监测和控制循环为主，特别是在特定应用场景中，从冷凝器出口喷射到压缩机的喷射管路和湿压缩压缩机的吸入管路的喷射管路都会用到两相制冷剂[3-5]。

本文提出了一种新的质量测量方法，该方法基于气液水平两相流通过塞状流窄管时气液速度几乎相同的概念。利用液塞和气塞的长度测量窄管两相流的含气率，通过含气率得到了两相流的质量流量和质量。然而，由于窄管中的流型成为塞流的情况受到限制，测量质量的适用范围仅限于小质量。在本研究中，试图通过安装气体旁通管和多个窄管来扩大质量范围。

1 质量测量

1.1 测试部分和实验电路

在以往的研究中，在塞流条件下，窄管中质量和质量流量的测量精度约为±10%。但窄管内流动质量变化范围很小，因为流型在质量变化范围大于0.1 kg时变成了环空流动。在本研究中，引入了一个新的测试部分，以扩展可测量的质量范围。试验段由一个气体旁路管和10 个窄管组成。气体旁路管有2 mm的内径被安装在顶部位置绕过气相。其他气相、液相和两相通过下面10 个内径为1 mm的窄管流动。这些管浇注和固化丙烯酸树脂在模具内固定管和压力阻力。在上游集箱中，安装了隔板来分离气相和液相，使得只有气相流过气体旁路管和上部位置的一些窄管。通过将大部分气相绕过气体旁路管，减小气相的表观速度，使通过窄管的两相流成为旋塞流。上游联箱液位随两相流质量的变化而变化。折流板使集管内的一个液相界面稳定，保证两相流只通过一根管（以下简称两相流管），气、液单相流通过其他管。两相流的质量通过试验获得的部分是两相流管，测量气体的流速,并通过两相流动液相管基于活塞流的空隙率和速度，和计算气体的流速，通过其他管除了液相两相流动管。

下页图1 显示了实验电路的原理图。实验回路由蓄能器、齿轮泵、科里奥利流量计、加热段、试验段和水冷冷凝器组成。工作液采用R134a 制冷剂作为模型剂。试验部分采用直径为1 mm的聚四氟乙烯管。由于聚四氟乙烯不仅具有排斥作用，并且是透明的，所以可以很容易地形成阀塞流，而且可以看到阀塞流。除测试部分外，管线和每个部件都用聚氨酯泡沫塑料绝缘。蓄冷器中的液体制冷剂由齿轮泵通过科里奥利流量计输送到加热段，测量其质量流量。然后在不锈钢管制成的加热段用电加热的方法对液态制冷剂进行加热。制冷剂流动变成气液两相流动进入试验段。离开测试段后，两相制冷剂在冷凝器中冷凝成液体并返回到蓄电池。通过调节施加到加热部分的电流来设置测试部分制冷剂的质量。达到了加热器设定的质量标准根据测试段的压力和制冷剂焓值，由加热前制冷剂焓值、加热功率和质量流量计算得到。加热功率由供电给加热器的电力和加热器的热效率得到。在液体条件下进行的初步试验表明，该加热器的热效率为95%。由于窄管较短，且是用丙烯酸树脂成型的，所以测试段的传热可以忽略不计，窄管没有发生质量变化。用应变式压力表和T型热电偶在下页图2 所示的点测量压力和温度。压力表精度在25 kPa 以内，1.0 ℃表示热电偶。测试段的压差采用精度在0.1 kPa 以内的差压传感器进行测量。该流量计的准确度为读标的0.2%。加热功率和流速的误差对设定质量的相对误差约为4%。

图1 实验电路原理图

1.2 塞流的气液两相流检测和速度测量

当气液两相流通过直径较小的水平管时，流型趋向于堵塞流。气相流速和液相流速被认为是几乎相同的，因此滑移比为1。在这种塞流中，孔隙率fg是气塞长度与液、气塞长度之比，如图2 所示，用式（1）表示：

图2 窄管中堵塞流量

式中：Vg和V1分别为气液两相流动管的体积流量；Lg和Ll分别为气液塞的平均长度。它可以通过检测气相和液相之间的边界来测量。通过测定柱塞流的流速和空隙率，得到了各相的流速。

当检测到两相流管时，在两相流管像素的亮度值中挑出最小值中的最小值为56。然后，对两相流管中最小亮度值的时间变化进行二值化处理，该阈值是气相和液相的最小亮度值的平均值。图3 显示了在两相流管处的两条检测线上的二值化信号的时间变化的示例。从1 号线向下的2 号线的信号与1号线的信号有一定的延时。时延是通过评估线路1的信号与线路2的时移信号之间的最大一致速率来获得的。

图3 检测线上的二值化信号

2 实验和分析

2.1 流态和压力损失

实验在压力为0.7 MPa，质量流量为15 kg/h的条件下进行，高速相机的帧率是1 000 帧/s，从上往下两相流动管的值随质量提高。在不同质量的两相流管内观察到塞流现象。

图4 显示了封头之间的压力差随封头质量的变化情况。当质量增加时，在给定的总流量下，压差增大。填充符号表示通过两相流动管的流动为气泡流或塞流，打开符号表示塞环流或环流。在这种情况下，第10 管的流动状态为塞流，第9 管观察到环空流动。实线和虚线表示预测的压力差。实线部分表示通过两相流动管的流动预期为塞流的范围，折线部分表示预期为环空流动的范围，预测的压差和塞流区域与实验结果吻合较好。最大压差约为6 kPa，测量可接受。随着总质量流量的增加，压差增大，窄管处的流型几乎没有变化塞流。在这种情况下，需要增加窄管的数量，以保持压差和表观气体速度较小。

图4 压差和流型

2.2 总质量流量和质量测量

质量测量的精度如图5 所示。横轴为设定质量，纵轴为设备获得的质量。从图5 可以看出，在0.05～0.8 kg的质量范围内，质量测量是成功的，误差不超过0.03 kg。但由于无法对环空流动进行正确的检测和处理，当两相流动管的流动条件为环空流动时，质量测量的准确性略有下降。为了实现更准确的质量测量，需要对环流进行一定的检测和校正。

图5 质量测量的准确性

该测试段的最大流量为15 kg/h 比普通的家用或汽车制冷系统的流量要小得多。因此，当该装置应用于普通制冷系统时，需要一个均匀降低通过该装置的流量的分配器。或者，随着窄管数量的增加，该设备将适用于更大的流量。虽然本研究中使用的R134a 会因GWP 过高而退出，但通过调节旁通管直径和窄管数量，该测量系统可以应用于任何其他制冷剂。下一步将对实际系统中的应用进行验证。

3 结论

1）在0.05～0.8 kg的质量范围内，连续观察到桥塞的流动。两相流动的管道因质量的不同而发生变化。可以预测压差和流态是否成为塞流。本研究实验条件下的压差小于6 kPa，认为可以接受。

2）质量流量测量误差为±10%，在0.05～0.8 kg质量范围内，质量测量精度在0.03 kg 以内，但当两相流变为环形流时，质量测量精度略有下降。