氣液兩相流質量測量方法的研究

張維華

（冰輪環境技術股份有限公司，山東 煙臺 264000）

引言

在蒸汽壓縮制冷循環中，有許多制冷劑流動是氣液兩相流動[1-2]。有時需要對兩相制冷劑的質量進行測量，以監測和控制循環為主，特別是在特定應用場景中，從冷凝器出口噴射到壓縮機的噴射管路和濕壓縮壓縮機的吸入管路的噴射管路都會用到兩相制冷劑[3-5]。

本文提出了一種新的質量測量方法，該方法基于氣液水平兩相流通過塞狀流窄管時氣液速度幾乎相同的概念。利用液塞和氣塞的長度測量窄管兩相流的含氣率，通過含氣率得到了兩相流的質量流量和質量。然而，由于窄管中的流型成為塞流的情況受到限制，測量質量的適用范圍僅限于小質量。在本研究中，試圖通過安裝氣體旁通管和多個窄管來擴大質量范圍。

1 質量測量

1.1 測試部分和實驗電路

在以往的研究中，在塞流條件下，窄管中質量和質量流量的測量精度約為±10%。但窄管內流動質量變化范圍很小，因為流型在質量變化范圍大于0.1 kg時變成了環空流動。在本研究中，引入了一個新的測試部分，以擴展可測量的質量范圍。試驗段由一個氣體旁路管和10 個窄管組成。氣體旁路管有2 mm的內徑被安裝在頂部位置繞過氣相。其他氣相、液相和兩相通過下面10 個內徑為1 mm的窄管流動。這些管澆注和固化丙烯酸樹脂在模具內固定管和壓力阻力。在上游集箱中，安裝了隔板來分離氣相和液相，使得只有氣相流過氣體旁路管和上部位置的一些窄管。通過將大部分氣相繞過氣體旁路管，減小氣相的表觀速度，使通過窄管的兩相流成為旋塞流。上游聯箱液位隨兩相流質量的變化而變化。折流板使集管內的一個液相界面穩定，保證兩相流只通過一根管（以下簡稱兩相流管），氣、液單相流通過其他管。兩相流的質量通過試驗獲得的部分是兩相流管，測量氣體的流速,并通過兩相流動液相管基于活塞流的空隙率和速度，和計算氣體的流速，通過其他管除了液相兩相流動管。

下頁圖1 顯示了實驗電路的原理圖。實驗回路由蓄能器、齒輪泵、科里奧利流量計、加熱段、試驗段和水冷冷凝器組成。工作液采用R134a 制冷劑作為模型劑。試驗部分采用直徑為1 mm的聚四氟乙烯管。由于聚四氟乙烯不僅具有排斥作用，并且是透明的，所以可以很容易地形成閥塞流，而且可以看到閥塞流。除測試部分外，管線和每個部件都用聚氨酯泡沫塑料絕緣。蓄冷器中的液體制冷劑由齒輪泵通過科里奧利流量計輸送到加熱段，測量其質量流量。然后在不銹鋼管制成的加熱段用電加熱的方法對液態制冷劑進行加熱。制冷劑流動變成氣液兩相流動進入試驗段。離開測試段后，兩相制冷劑在冷凝器中冷凝成液體并返回到蓄電池。通過調節施加到加熱部分的電流來設置測試部分制冷劑的質量。達到了加熱器設定的質量標準根據測試段的壓力和制冷劑焓值，由加熱前制冷劑焓值、加熱功率和質量流量計算得到。加熱功率由供電給加熱器的電力和加熱器的熱效率得到。在液體條件下進行的初步試驗表明，該加熱器的熱效率為95%。由于窄管較短，且是用丙烯酸樹脂成型的，所以測試段的傳熱可以忽略不計，窄管沒有發生質量變化。用應變式壓力表和T型熱電偶在下頁圖2 所示的點測量壓力和溫度。壓力表精度在25 kPa 以內，1.0 ℃表示熱電偶。測試段的壓差采用精度在0.1 kPa 以內的差壓傳感器進行測量。該流量計的準確度為讀標的0.2%。加熱功率和流速的誤差對設定質量的相對誤差約為4%。

圖1 實驗電路原理圖

1.2 塞流的氣液兩相流檢測和速度測量

當氣液兩相流通過直徑較小的水平管時，流型趨向于堵塞流。氣相流速和液相流速被認為是幾乎相同的，因此滑移比為1。在這種塞流中，孔隙率fg是氣塞長度與液、氣塞長度之比，如圖2 所示，用式（1）表示：

圖2 窄管中堵塞流量

式中：Vg和V1分別為氣液兩相流動管的體積流量；Lg和Ll分別為氣液塞的平均長度。它可以通過檢測氣相和液相之間的邊界來測量。通過測定柱塞流的流速和空隙率，得到了各相的流速。

當檢測到兩相流管時，在兩相流管像素的亮度值中挑出最小值中的最小值為56。然后，對兩相流管中最小亮度值的時間變化進行二值化處理，該閾值是氣相和液相的最小亮度值的平均值。圖3 顯示了在兩相流管處的兩條檢測線上的二值化信號的時間變化的示例。從1 號線向下的2 號線的信號與1號線的信號有一定的延時。時延是通過評估線路1的信號與線路2的時移信號之間的最大一致速率來獲得的。

圖3 檢測線上的二值化信號

2 實驗和分析

2.1 流態和壓力損失

實驗在壓力為0.7 MPa，質量流量為15 kg/h的條件下進行，高速相機的幀率是1 000 幀/s，從上往下兩相流動管的值隨質量提高。在不同質量的兩相流管內觀察到塞流現象。

圖4 顯示了封頭之間的壓力差隨封頭質量的變化情況。當質量增加時，在給定的總流量下，壓差增大。填充符號表示通過兩相流動管的流動為氣泡流或塞流，打開符號表示塞環流或環流。在這種情況下，第10 管的流動狀態為塞流，第9 管觀察到環空流動。實線和虛線表示預測的壓力差。實線部分表示通過兩相流動管的流動預期為塞流的范圍，折線部分表示預期為環空流動的范圍，預測的壓差和塞流區域與實驗結果吻合較好。最大壓差約為6 kPa，測量可接受。隨著總質量流量的增加，壓差增大，窄管處的流型幾乎沒有變化塞流。在這種情況下，需要增加窄管的數量，以保持壓差和表觀氣體速度較小。

圖4 壓差和流型

2.2 總質量流量和質量測量

質量測量的精度如圖5 所示。橫軸為設定質量，縱軸為設備獲得的質量。從圖5 可以看出，在0.05～0.8 kg的質量范圍內，質量測量是成功的，誤差不超過0.03 kg。但由于無法對環空流動進行正確的檢測和處理，當兩相流動管的流動條件為環空流動時，質量測量的準確性略有下降。為了實現更準確的質量測量，需要對環流進行一定的檢測和校正。

圖5 質量測量的準確性

該測試段的最大流量為15 kg/h 比普通的家用或汽車制冷系統的流量要小得多。因此，當該裝置應用于普通制冷系統時，需要一個均勻降低通過該裝置的流量的分配器。或者，隨著窄管數量的增加，該設備將適用于更大的流量。雖然本研究中使用的R134a 會因GWP 過高而退出，但通過調節旁通管直徑和窄管數量，該測量系統可以應用于任何其他制冷劑。下一步將對實際系統中的應用進行驗證。

3 結論

1）在0.05～0.8 kg的質量范圍內，連續觀察到橋塞的流動。兩相流動的管道因質量的不同而發生變化。可以預測壓差和流態是否成為塞流。本研究實驗條件下的壓差小于6 kPa，認為可以接受。

2）質量流量測量誤差為±10%，在0.05～0.8 kg質量范圍內，質量測量精度在0.03 kg 以內，但當兩相流變為環形流時，質量測量精度略有下降。