。 。年第 期（总第 卷第 。 期 Ｎｏ．１２ ｉｎ ２０１０（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．２３８，Ｖｏ１．３８） 建筑节能 ■新能源与绿色建筑 ＮＥＷ ＥＮＥＲＧＹ＆ＧＲＥＥＮ ＢＵＩＬＤＩＮＧ ｄｏｉ：ｌＯ．３９６９￣．ｉｓｓｎ．１６７３—７２３７．２０１０ １２．００６ 膨胀阀与蒸发器之间 制冷剂气液两相流可视化实验研究 孙斌，许明飞 ｆ东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 １３２０１２） 摘要： 实验装置是以Ｒ４１０Ａ为制冷剂的小型制冷空调系统，在可以控制温湿度的模拟室内进行实验，应用高速摄像系统对膨胀阀与 蒸发器之间的一段水平实验段内的制冷剂进行了动态图像的拍摄。应用ＭＡＴＬＡＢ程序对四种工况下得到的流型图像做灰度 拉伸、对比增强和滤波。最后从汽化热和干度两个方面对实验结果进行了分析，说明了不同流动状态出现的原因以及对制冷效 果的影响。 关键词： 制冷剂； 两相流； 可视化； 图像处理； 制冷量 中图分类号：ＴＵ８３１ 文献标志码： Ａ 文章编号： １６７３—７２３７（２０１０）１２—００２６—０３ Ｖｉｓｕａｌｉｚｅｄ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ Ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ Ｂｅｔｗｅｅｎ Ｅｘｐａｎｓｉｏｎ Ｖａｌｖｅ ａｎｄ Ｅｖａｐｏｒａｔｏｒ ＳＵＮＢｉｎ，ＸＵＭｉｎｇ－ｆｅｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＥｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｄｉａｎｌｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ １３２０１２，Ｊｉｌｉｎ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ａ ｓｍａｌｌ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒ咖ｔ铲ｒａｎｔ Ｒ４１０Ａ，ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｏｏｍ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｎｎａ ｈｕｍｉｄｉｔｙ．Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｓｐｅｅｄ Ｃ￣ＴＤ＇￣ｅｒｄ ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅ ｒ西 ｒａｎｔ｛１ｕｉｄ ｉｎ ｔｈｅ ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｓｅｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｅｘｐａｎ－ ｓｉｏｎ ｖａｌｖｅ ａｎｄ ｅｖａｐｏｒｔｏｒａ ｉｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｃａｐｔｕｒｅｄ．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｐｐｌ＆ａｔｉｏｎ ｏｆ ＭＡＴＬＡ且ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎ ｉｍｎｇｅｓ ｏｆｆｏ“ｒ ｏｐｅｒａｌｉｎｇ ｃｏｎｄｈｉｏｎｓ￣１２＂ｅ ‘ ｓｃ０ｌｅ ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ，ｃｏｎｔｒ（Ｌｓｔ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｅｐｔｇｅｎｅｔｉｃ ａｓｈｅｓ ｈｉｓｔｏｇｒａｍ ｑｆｔｅｒ ｈｅｒｅｄ，Ｆｉｎａｌ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌ ｒｅｓｕｌｔａｓ ｏ，ｒｅ ｃｍｄ）ｚｅｄ ｆｒｏｍ ｈｅａｔ ｏｆ ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｒｙ ｄｅｇｒｅｅ，ａｎｄ ｉｌｌｕｓｔｒｔｅ ｔａｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｌｏｗ ｓｔｔｅｓａ ａｎｄ ｏｃｃｕｒｓ ｃａｎｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ；ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｌｏｗ；ｖｉｆｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｉｍａｇｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ｃｏｏｌｉｎｇ ｃａｐａｃｉｔｙ Ｏ 引言 目前，空调、家用空调、车载空调、冷藏冷冻 设备在生产生活中已经应用的非常普遍了，与此同时 人们的环境意识和能源意识也在不断的进步，所以优 化制冷系统，做到环保节能，提高制冷系统运行效率 显得尤为重要。随着两相流技术的发展，国内外许多 学者通过各种方法对膨胀阀与蒸发器之间的制冷剂 流动特性进行了研究，取得了一定的成果。但是在发 展的同时，仍然还不够完善，还存在着～一定的局限性。 ①大部分的研究都是应用成熟的单相流仪表采集系 统的温度、压力等波动信号，然后对其数据进行数值 处理从而得到一些反映实际两相流流动的特性。②制 冷系统中的流体介质是制冷剂，这就决定着与汽． 水、油．汽．水等管内的流动特性和流型类型有很多 的不同，所以以往两相流的研究方法及流型形成机理 是否能完全适用于制冷剂气液两相流还需要做进一 步的研究。 可视化研究是一种以现代化技术为基础的实验 手段，其特点是，采用…定的测量仪器及算法，可以直 接或间接地反映出气液两相的结构特征，可以更直 收稿日期：２０１０—０８．３１；修回日期：２０１０．０９—０３ 观的掌握管内气液两相流的转变过程『】】。基于这些优 点，可视化研究方法能够提供有效的方案解决上面 提到的问题。因此，把可视化研究的方法应用到制冷 系统两相流流动研究中具有重要的学术价值和实际 意义。 ｌ 实验装置及实验方法 实验是在一个制冷剂为Ｒ４１０Ａ，工作压力范围为 ０．７～１．２ ＭＰａ，最大制冷量为２．６ ｋＷ的直流变频空冷 空调系统上完成的。该实验装置主要包括两部分，即 制冷剂循环系统和图像采集系统，如图１所示。制冷 剂循环系统主要包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发 器４个部分，制冷剂在压缩机内压缩成高温高压后流 入冷凝器，随后在膨胀阀节流后进入蒸发器，最后回 到压缩机，如此往复循环。 在膨胀阀与蒸发器之间设计了一段用透明的玻 璃管连接的水平实验段，透明玻璃管内径６ ｍｍ，长为 ５００ ｍｍ，管两端与铜管同心连接，连接处平滑，如图２ 所示。 图像采集系统主要包括照明系统和高速摄影系 统。高速摄影机对光线的亮度有较高的要求，照明系 统的光源使用６ ４００ Ｋ色温的三基色光管，光线明亮 无闪烁。由于两相流流型变化复杂，高速摄影系统采 用瑞士公司研发的Ｓｐｅｅｄ Ｃａｍ Ｖｉｓａｒｉｏ系统，其最大 （ａ）Ａ工况时流动图像 分辨率为１ ５３６ｘ１ ０２４，最大帧频达到１０ ０００帧／ｓ，能 够清晰的抓拍各种流型的瞬变图像。在图像摄取过程 （ｂ）Ｂ工况时流动图像 础 端￥ 罄 糕 薅ｌ ＃ 中由于液体和气体均是透明的，可采用逆光照明ｌ ２Ｉ， 拍摄各种流态的阴影。为了使光线分布均匀，在玻璃 管的后侧放置一片磨砂玻璃，如此可获得满意的拍摄 （ｃ）Ｃ ｊ：况时流动图像 图像。 三基色灯① 磨砂玻璃 流 里 计 膨 胀 阀 图１ 制冷剂两相流实验系统图 Ｆｉｇ．１ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ 连接件 透明玻璃管ｆ６ ｍｍ） 连接件 图２买验段 Ｆｉｇ．２ Ｔｅｓｔ ｓｅｃｔｉｏｎ ｓｃｈｅｍａｔｉｃ 实验环境是２个全封闭隔热的模拟室。模拟室内 的环境工况可以由１个多功能的热泵系统来控制。控 制温度范围为２０￣４０℃，湿度范围为２０％－－７０％。所 以实验中可以模拟出实际的空调工作的环境，所得到 的数据非常有实际意义。实验中模拟了制冷循环下 ４种不同温湿度工况，并在每种工况下进行了流体流 动的图像采集，４种工况的详细参数如表１所示。 表１实验工况参数表 Ｔａｂ．１ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒ 其中，Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ表示４种工况， 。为室内干球 温度， 为室内湿球温度， 。为室外干球温度，丁ｗ 为室外湿球温度，Ｒ凰为室内相对湿度，／￣Ｊ－／ｗ为室外 相对湿度。 在这４种工况下利用图像采集系统对实验段进 行了流体流动图像的拍摄。采集的图像像素大小为 １ ５３６ｘ１ ０２４，帧频为１ ０００帧／ｓ，如图３所示。 （ｄ）Ｄ工况时流动图像 图３ 不同工况时原始流动图像 Ｆｉｇ．３ Ｒａｗ ｉｍａｇｅ ２图像处理 为了提高图像识别的准确率，需要对图像进行处 理，以去除不利于特征提取的噪声［３］。在拍摄的过程 中，受照明条件的，拍摄的流动图像灰度集中在 较暗的区域，从而导致图像偏暗，不利于图像识别。实 验中用灰度拉伸功能来拉伸灰度区域，以改善图像质 量。并对图像进行增强处理，最后进行平滑滤波。经过 处理后的流动图像如图４所示。 （ｄ）Ｄ：Ｃ况时流动 像 图４不同工况时处理后流动图像 Ｆｉｇ．４ Ｐｒｅｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｉｍａｇｅ 流动图像中黑色部分为制冷剂气体，其他为制冷 剂液体。图４（ａ）中说明管内主要为液体，存在少量的 气体，气体以小泡状形式存在。图４ｆｂ）中气体比例有 所增加，气泡仍然是以单个形式存在，但体积开始变 大。图４（ｃ）中流体速度变大，气泡数目明显增加，并有 连续的趋势。图４（ｄ）中气泡数量急剧增加并连接在一 起，流体运动激烈，流体流动形式为环状流。 ３实验结果分析 从图像处理结果可以看到４种工况下管内的两 相制冷剂流体中气相的含量是不同的，这必将影响系 统的制冷效果，下面将从汽化热和干度２个方面对实 验结果进行分析。 ３．１汽化热的影响 逆卡诺循环是蒸汽式制冷循环的最理想状态，如 图５ｆａ）所示，逆卡诺循环包括２个等温过程和２个绝 热过程，其中３～４的过程是绝热膨胀过程，这个过程 在现实工程中是很难实现的，需要很高的成本，不利 于制冷系统在生产生活中利用和推广。实际的制冷循 环中采用膨胀阀等节流装置经过等焓节流来替代 ３～４的绝热膨胀过程［５］，如图５（ｂ）所示。 ７ ｓ／（ｋＪ／ｋｇ） Ｔ ｓ／（ｋＪ／ｋｇ） （ｂ）Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ Ｃｙｃｌｅ 图５逆卡诺循环和实际制冷循环在温熵图上的表示 Ｆｉｇ．５ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ—ｅｎｔｒｏｐｙ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆＲｅｖｅｒｓｅ Ｃａｒｎｏ ｃｙｃｌｅ ａｎｄ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｃｙｃｌｅ 图５中的４～１的过程是等温膨胀过程，是制冷 剂在蒸发器内汽化的过程，１点和４点的焓差值反映 了制冷系统的制冷能力。理想的状态是制冷剂进入蒸 发器后再完全汽化，从而获得最大的制冷量。在实验 数据中，Ｄ工况时大量的制冷剂在蒸发器前汽化了， 这必将影响剩下的制冷剂在蒸发器内汽化时的压力 和温度，而对于任何物质，随着汽化温度的提高其汽 化热会不断地减小，如图６所示的是某制冷剂在Ｔ—Ｓ 图上的饱和曲线，由图中我们可以看到温度越高ａ和 ｂ两点的熵差越小，即汽化热越小。而汽化热反映的 就是物质物态变化时的吸热能力，吸热能力表现在制 冷系统中就是制冷量。 ５００ ４２０ ３８０ Ｔ／Ｋ ３４０ ３００ ２６０ ２２０ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ｓ／（ｋＪ／ｋｇ） 图６某制冷剂在温熵图上的饱和曲线 Ｆｉｇ．６ Ｔ—Ｓ ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｃＨｒｖｅ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆａ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ３．２干度的影响 在蒸汽式制冷循环中，来自冷凝器的较高压力的 饱和液体经过节流装置后会汽化出少量的饱和蒸汽， 之后的循环就进入制冷剂两相流动区。对于ｌ ｋｇ制冷 剂，若用 表示闪发后的干度，则当其余液体全部转 变为饱和蒸汽时吸收的热量为： ｑ ｏ＝ｒ（１一 ） （１） 式中：ｑ。为单位质量制冷量。 由式（１）可知，单位制冷量不仅与制冷剂的汽化热 有关，还随节流后的干度而变，节流过程中闪发的蒸 汽量越多，单位制冷量就越小。 由实验图像数据可以看到，Ａ工况中制冷剂主要 是以液相形式流动，干度相对较小；Ｄ工况下，大量制 冷剂快速闪发变为气体，干度相对比较大；Ｂ和Ｃ工 况同样也反映了在不同冷量需求下制冷剂两相中干 度大小。 文献［６］的实验研究中分析了干度对管内沸腾传 热系数变化的影响。即传热系数会随着干度的增加而 增加。详细的实验和分析过程在此不做累述。 ４结论 （１）高速摄影系统能够很清楚的拍摄出制冷系统 管内制冷剂流动的图像，可直观地观测到不同工况下 节流后管内制冷剂流动状态的变化过程，使得研究过 程简单化。 （２）使用ＭＡＴＬＡＢ中灰度拉伸功能来拉伸灰度 区域，改善图像质量，并对图像进行增强处理。处理后 的图像其特征明显，便于实验分析。 （３）利用汽化热和干度的热力学原理分析了节流 后管内制冷剂汽化的程度对制冷效果影响。高温高压 制冷剂节流后全部在蒸发器内汽化是理想的工作状 态，如果在蒸发器前有过多的制冷剂汽化将会改变蒸 发器内制冷剂的汽化热和干度，即影响了系统的制冷 能力。 参考文献： ［１］张华俊，蒲亮．毛细管内制冷剂气液两相流动研究现状与发展［Ｊ］．制 冷与空调，２００３，３（５）：１ ２—１ ７． ［２］Ｈａ Ｙ Ｊ，Ｌｔｕ Ｚ Ｃ，Ｈａｎｒａｔｔｙ Ｔ Ｊ．Ａ ｂａｃｋｌｉｇｈｔｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｐａｒ－ ｔｉｃｌｅ ｓｉｚｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｗｏ ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗｓ［Ｊ］Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｉｎ Ｆｌｕｉｄｓ，１９９８ （５）：２２６—２３２． （３］阮秋琦．数字图像处理［Ｍ］ Ｅ京：电子工业出版社，２００１． ［４］Ｏｏｎｚａｌｃｚｒ Ｃ，Ｗｏｏｄｓｒ Ｅ．Ｄｉｇｉｔａｌ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ［Ｍ】．Ｐｒｅｎｔｉｃｅ Ｈａｌｌ， Ｕｐｐｅｒ Ｓａｄｄｌｅ Ｒｉｖｅｒ，ＮＪ，２００２． ［５］Ｍｅｒｌｅ Ｇ Ｐａｔｔｅｒ，Ｃｒａｉｇ Ｗ．Ｓｏｍｅ￣ｏｎ．郭航译．工程热力学［Ｍ］．］Ｅ京：科学 出版社，２００２． ［６】段雪涛，马虎根．Ｒ４１０Ａ的流动沸腾换热性能［ＪＪ．１匕工学报，２００６，５７ （１０）：２２８９．２２９２ 作者简介：孙斌（１９７２），男，博士，副教授，从事多相流流型识别方法 方向的研究（ｊｌｓｕｎｂｉｎ＠１２６．ｃｏｒｎ）。
