制冷系统的稳定性

    1 引言

    制冷系统作为各类系统中的一种,如果没有适当的系统配置和控制策略,也同样会出现稳定性问题。所谓制冷系统稳定是指制冷系统在受到扰动后,系统各状态参数不发生周期性等幅振荡,能够过渡到新的或恢复到原来稳定运行状态的能力。所谓制冷系统不稳定,或者称为振荡(hunt-ing),是指诸如制冷剂流量、系统各处制冷剂压力和温度、蒸发器出口空气温度等制冷系统参数均发生周期性等幅振荡。制冷系统振荡对系统运行的经济性和安全性都是不利的,所以保证制冷系统稳定性是系统配置和控制的必要条件。本文首先介绍前人在制冷系统稳定性方面的研究成果,然后根据我们对无级变容量制冷系统的研究中出现的振荡现象提出无级变容量制冷系统的稳定性问题。

    2 制冷系统稳定性研究回顾

    制冷系统稳定性问题始于20世纪60年代中期完全蒸干点的位置随机振荡现象的发现。30多年来,国内外许多学者对这一问题进行了大量的试验研究和理论分析。我们根据研究对象不同将制冷系统稳定性研究分为蒸发器完全蒸干点随机振荡现象的研究、蒸发器和热力膨胀阀控制回路稳定性研究和定容量制冷系统稳定性研究三大类。

    2.1 蒸发器完全蒸干点随机振荡现象研究

    水平管干式蒸发器分两相区和过热区,两区的转变点称为完全蒸干点。W.R.Zahn在1964年,G.L.Wedekind和W.F.Stoecker在1966年分别通过实验发现了即使在稳定流动传热情况下,完全蒸干点的位置呈现出振荡的情况[1~3],并认为这是蒸发过程两相流动的固有特性。图1为实测出的完全蒸干点随机振荡情况,从图1中可以看出,振荡周期大约1秒左右,振荡幅度是随机变化的,这表明完全蒸干点的瞬时位置是个随机变量。研究还表明,完全蒸干点随机振荡实际上是液体波引起的,而该液体波是蒸发器入口附近的波状缓动流通过环状流内环面传递的。

    第一类稳定性研究只针对蒸发器的蒸发过程,不考虑热力膨胀阀等其它部件的影响,这是制冷系统稳定性的基础。

    2.2 蒸发器和热力膨胀阀控制回路稳定性研究

    第二类稳定性研究是只针对蒸发器和热力膨胀阀控制回路,不考虑压缩机等其它部件对制冷系统稳定性的影响。按照研究方法不同,可分为静态研究方法、频域分析方法和动态模拟方法等动态研究方法。

    2.2.1 静态研究方法

    Huelle,Z.R.在以上蒸发器完全蒸干点随机振荡研究结果的基础上,对热力膨胀阀控制的蒸发器的稳定性进行了研究,提出了蒸发器最小稳定信号线理论[4]。当蒸发器的几何尺寸和热工参数确定后,在运行中存在一条最小稳定信号线,即MMS线(见图2)。MMS线以左,蒸发器属于不稳定区,MMS线以右,为稳定工作区,在MMS线上则是临界值。图2表示了蒸发器MMS线与不同静态过热度时的热力膨胀阀特性线TEV,当蒸发器供冷量为QA时,制冷系统工作于A点时处于临界稳定状态,理论上讲为最佳稳定工作点。如调小热力膨胀阀静态过热度,使工作点处于B点,在不稳定区中,制冷系统将产生振荡。Huelle,Z.R.提出了MMS理论,对制冷系统稳定性研究作出了创见性贡献,但其研究工作只局限于静态分析。