制冷循环实验中的怪事

bookish

　　在德国参加一个R134a在板式换热器中的凝结与沸腾的实验研究。在之前的两年里，已经有好几位访问学者在这上面做实验，但实验结果总有点怪怪的。我到了之后，做了次预实验，了解一下实验的操作过程，然后自己独立做一次，测两个测点。接下来做了三次完整的实验，得到的结论是很有趣的。想用这一例子告诉大家，做实验不能盲目做，要用理论去指导，边做边分析，才能得到有用的实验结果。

　　先介绍试验台。试验台的心脏当然是压缩机，6缸活塞式，可以切换为2缸或4缸工作模式，6缸工作时理论排量为每小时155.35立方米。

　　高压制冷剂蒸汽（6-7bar）从压缩机出来后，经油分离器，进入冷凝器（板式换热器）。该板式换热器由GEA公司提供，有效长度1米，竖直放置，蒸汽从上方流入，在冷凝器中冷凝为液体，从冷凝器下部流出，经管道流向贮液筒，在这根管道上有个截止阀，流过截止阀之后，从贮液筒上方进入贮液筒。

　　贮液筒为横卧放置，筒的体积足够大，可以容纳系统中液化了的全部制冷剂。贮液筒之前的管道上装有一个视镜，可以观察到冷凝液中是否夹带气泡。贮液筒装有液位计可以知道贮液筒内制冷剂的量。贮液筒出口在筒体的下方，冷凝液从贮液筒下方流出后进入回热器（壳管式换热器），被进一步冷却，然后流向汽液分离器。

　　汽液分离器是一个横卧的圆筒，高架在系统的最高位置。冷凝液在进入汽液分离器之前，先经一个针阀节流，然后从汽液分离器下部进入汽液分离器。在节流阀前有一个流量计，用以测量冷凝液的流量。

　　汽液分离器下部还有一根垂直向下约2米长的很粗的下降管，节流后的制冷剂，液体部分沿下降管向下流动，从下降管下部通向蒸发器（与冷凝器同类型的板式换热器，垂直放置），从蒸发器下方进入，在蒸发器中吸热气化，汽液两相流从蒸发器上方流出，回到汽液分离器。在这根管道上有段玻璃管，可以看到汽液两相流动。由于汽液分离器中有浮球阀门控制，该管道中的汽液两相流动，其液位总是在管中心附近。在下降管下方与蒸发器下方的连接管之间有一流量计，用以测量蒸发器中制冷剂的流量。

　　蒸发器中制冷剂的循环是自然循环。蒸发器中的制冷剂被加热后汽化，密度变小，由此产生浮升力，推动制冷剂液体在蒸发器、汽液分离器和下降管之间循环。而从蒸发器流出的制冷剂蒸汽，则在进入汽液分离器之后，从汽液分离器的上方流出，通向回热器，用以冷却另一侧的冷凝液体，而蒸汽本身则被过热，然后回到压缩机的吸气口。

　　以上是制冷剂的循环。下面介绍水循环。冷冻水为乙二醇-水混合液，重量浓度为35.5%，贮存于一个大水箱中。冷冻水从水箱底部流出，分别通向两个水泵，一个水泵将冷冻水送入冷凝器，从下面进，上面出（逆流布置），然后进入一个冷却器，被外面的冷却水冷却（冷却水的水温为10-15度），再回到水箱。另一个水泵将冷冻水送入蒸发器，从上面进，下面出（逆流布置），然后也流回水箱。这两路冷冻水的流量分别由流量计测量得到。

　　一个博士研究生在处理实验数据后说，根据制冷剂在冷凝器出口处的温度和压力的测量值可知，压力低于该温度下的饱和压力约0.5bar，因此是两相区。此外，根据水侧的能量平衡计算，可以得到制冷剂在冷凝器出口处的干度为15%，也证明了是处于两相区。但我在自己做实验时是很仔细地控制实验工况的稳定的，并且在工况稳定后，观察贮液筒前的视镜，没有发现有气泡，或者偶然有少量的气泡，这一事实与那个博士研究生所说的不符。

　　现在的问题是，冷凝器出口处的制冷剂是处于什么状态？是处于过冷状态、还是饱和状态，或者是处于两相区？为什么？

　　那个一个博士研究生讲的也是实际的情况。那问题到底有可能出在什么地方呢？

　　不知在座的各位中哪位能找出问题所在，解出这道题？

醉乡常客

也就是说，根据热力学数据和能量衡算结果，冷凝器出口干度0.15左右，但你通过观察却发现它基本上该为0？？？

不知我审题是不是对的？ 给一点步骤分哈～～～～


另外，我本想问一下R134的热力学数据的，但我估计没什么用。

是不是这个冷凝过程中汽液两相不是平衡的？液体靠近冷源，温度应该比较低。

不知用于计算的温度、压力是液相的还是气相的？

bookish

先回答楼上醉兄的问题。

一、“根据热力学数据和能量衡算结果，冷凝器出口干度0.15左右，但你通过观察却发现它基本上该为0？？？”——正是，其实不做实验就可以知道（漏题了），实验只是确定了我的分析而已。

二、“我本想问一下R134的热力学数据的，但我估计没什么用。”——那个博士研究生的计算可以相信，所以不必再算一边（当然，我校核过计算）。

三、在制冷系统中的两相流动和传热，气液两相的温度和压力可以认为是平衡的。

还有更多的问题。

那个博士研究生希望得到冷凝器的实验数据是在不同的制冷剂流量下得到的，即，流过冷凝器的制冷剂的流量可以在一个较大的范围内连续变化，但实验总是做不好，工况无法稳定下来。

他们在做实验时，每个工况设定一个冷凝器中制冷剂的流量值。他告诉我，他们经过多次摸索，发现，如果把流量控制在每分钟10升左右时，系统较为稳定，但也只能维持半小时到一小时，或者是贮液筒内的制冷剂最后全跑到气液分离器里去了，或者是气液分离器里的制冷剂越来越少，最后，蒸发器里的自然循环流不起来了。流过冷凝器的制冷剂的流量再高的话，实验更难做。

经过我自己做了实验之后，我告诉他们，他们的这种设定工况的方法是不对的。此外，按目前已安装的蒸发器的板片数，压缩机只能用2缸。

我的问题是，他们的这种设定工况的方法错在哪里？为什么？应该怎样做？

醉乡常客

比较蠢哈，老师请再讲讲————

1、压缩机出口是6～7bar，那么，冷凝器出口的压力是多少呢，应该也是6～7bar吧？

2、是不是通过调节截截止阀开度来设置工况的？截止阀出口的压力是多少？节流前后的压力是多少？

3、有没有做过蒸发器的水侧能量衡算？目前的蒸发器换热能力是否只能满足2缸工况？

bookish

醉老师的问题1、2现在还不能回答。问题3，实验装置在气液分离器的蒸气出口（通向回热器）没有设置温度测点，因此，气液分离器的蒸气温度只能近似取蒸发器的出口温度值。

所以，我要他们改的内容之一就是增加气液分离器的蒸气出口处的温度测点。

目前的蒸发器换热能力正好能满足2缸工况？

醉乡常客

按照老师的描述，想了一夜半天。

莫非那截止阀不听话，以及蒸发器水侧的供热能力不足。

bookish

“在这根管道上有个截止阀，流过截止阀之后，从贮液筒上方进入贮液筒。”——截止阀为球阀，法兰连接，全开时没有阻力压降损失。他们在做实验时，该阀门全开。贮液筒上方管道位置比冷凝器制冷剂出口位置高出约1米。R134a液体的密度为1240kg/m3，因此液位差引起贮液筒上方管道处的压力降约为0.12bar。

我的依据是，对于该实验装置，“根据制冷剂在冷凝器出口处的温度和压力的测量值可知，压力低于该温度下的饱和压力约0.5bar。”这种情况绝对不可能出现，因此，只能是压力测量有误。

更为有力的依据是，因为压缩机高压端有个压力表，指示的表压与计算机上显示的冷凝器蒸气进口处的蒸气压力相近，由此推断，计算机上给出的所有压力值都是表压（计算机同时还给出测量环境压力的绝对压力传感器的测量值）。

可是，所有这些压力传感器的形状都一样，都只有一个接口，且都没有注明是绝对压力还是压差。所以，我要他们改的内容之二是，与厂方联系，确定每个压力传感器给出的是绝对压力还是与大气压差。测量阻力压降的改为差压变送器+绝对压力变送器组合。

我担心，更为糟糕的是，这些都是绝对压力传感器，但他们当时是作为差压变送器标定的。如果这样的话，他们以前的测量，压力值都是不可靠的。其实这也无所谓，压力测量没有温度测量可靠，一般我宁可用温度反推压力值，不会用压力值反推温度值。他们还有更糟糕的问题，以前的实验中一个重要测量数据是错的，谁能指出这个错误，绝对是高水平，可以加威的。

我这里的问题是，为什么“根据制冷剂在冷凝器出口处的温度和压力的测量值可知，压力低于该温度下的饱和压力约0.5bar”的这种情况绝对不可能出现？

醉乡常客

R134在绝对压力5～7bar时，0.5bar压差造成的饱和温度差只有3～5K，能从这个判断吗？

前面提到截止阀，误以为在这里有较大压降了，既然是全开球阀，那

bookish

醉兄，在前面的分析中不需要考虑这个阀门。我是在最后一次实验中使用了这个阀门的（这可是关键），当阀门转过80度（90度全关）时，实验结果就明摆着，测量数据中有一个重要测量量是错的，偏差居然超过了10%。

醉乡常客

不会就是把表压当绝压了吧？

bookish

我做的第2次实验，内容之一是其他参数不变，改变冷凝器冷却水的流量。

图中给出了3条曲线：
Q_wc——根据冷却水流量和进出口温度计算得到的冷凝器热负荷；
Q_rc_sat——设冷凝器出口处制冷剂为饱和液体，根据制冷剂流量和进出口处制冷剂的比焓计算得到的冷凝器热负荷；
Q_re——根据节流阀前制冷剂流量、饱和液体比焓以及蒸发器出口制冷剂饱和蒸汽比焓得到的蒸发器热负荷。

压缩机为2缸工作模式。可惜缺少压缩机进口压力的实测数据，但可以认为，压缩机的功率基本不变。

从这张图上不知大家能否看出问题，但至少老板要气得吐血了。为什么？

醉乡常客

哈，买东西的时候太不小心了。

不知这套设备是“品牌”的还是“兼容”的？

冷却能力不足，不知能否附设一个“冷却剂冷却系统”解决，把乙二醇水溶液冻一下再用。

那么，冷凝器出口到底是什么状态呢？

bookish

感谢醉兄的讨论。现在把我的分析叙述如下。

一、试验台工况的控制

首先，我们知道，活塞式压缩机的排量是由气缸体积决定的，它还与吸气口制冷剂蒸汽的状态有关，对应一个吸气状态，就有一个制冷剂流量，这个流量也就是流经冷凝器的制冷剂流量，按现有试验台结构，如果流量大于压缩机排量，那么从贮液筒经节流阀流向气液分离器的流量就大于压缩机提供的流量，贮液筒内的制冷剂就会越来越少，反之则相反。这两种情况下，系统都不能处于正常的稳定状态。

所以，我的方法就是，通过调节节流阀来调节从贮液筒经节流阀流向气液分离器的流量，使得贮液筒内制冷剂的液位保持不变。这样控制，系统相当稳定。

同时我还明确告诉他们，由于蒸发器内的制冷工质是自然循环，不能指望将压缩机切换到4缸或6缸就可以使冷凝器内制冷剂流量为原来的两倍和三倍。因为这意味着系统的冷量也增加了两倍和三倍，即蒸发器的冷量要相应提高，但自然循环其流量有限，蒸发器出口干度提高同时也显著增加流动阻力，最终使自然循环停止。

所以他们以前做的每分钟10升、20升和30升流量的实验数据几乎是不可信的，或者是在非稳态工况下得到的。

二、冷凝器出口处制冷剂的状态

按现有试验台结构，冷凝器出口处制冷剂的状态只能是略微过冷的液态。我们注意到，贮液筒的体积较大，如果里面有液体，那么就处于饱和状态，气液两相共存。从贮液筒底下流出，流向回热器的是液态，那么，当系统稳定时，流入贮液筒的制冷工质就只能是液态，如果有蒸汽不断进入，就会把里面的液体全部挤走，而贮液筒的液位是被控制保持不变的。此外，考虑到系统相环境散热忽略不计，贮液筒进口管路位置高于冷凝器出口位置，再考虑制冷剂流动的阻力压降，那么，从贮液筒进口逆向冷凝器出口，制冷剂的压力是逐步略有提高的。所以在冷凝器出口处，制冷剂压力略高于饱和压力。

那么，会不会出现制冷剂蒸汽在冷凝器中不能被完全冷凝的情况呢？例如，冷凝器中冷却水的流量减小了，而压缩机的排量还是那么多，蒸汽就不能完全被冷凝了。

这时，会有更多的蒸汽进入贮液筒，但结果是使贮液筒内压力上升，随即，冷凝器的冷凝压力也跟着上升，冷凝温度也上升，传热温差增大，使冷凝器的负荷维持不变（由于压缩机进气状态发生变化，冷凝器的负荷还是会有较明显的变化的）。反之，如果冷却效果好，则冷凝温度下降，传热温差变小。

既然如此，那么为什么会有“根据水侧的能量平衡计算，可以得到制冷剂在冷凝器出口处的干度为15%”这种情况呢？唯一的解释是，测量数据有严重错误，冷凝器内制冷剂的流量可以根据压缩机吸气口的体积流量估算，与实测值还算吻合，因此，可以断定，冷凝器冷却水的流量测量存在至少10%的负偏差。这样的数据自然也是不能用的。

不动脑筋盲目做实验，得到的就是这种结果。