气液两相流流型振荡诱发制冷循环不稳定性的实验研究

　　在蒸汽压缩式制冷循环的膨胀阀—干式蒸发器控制回路中，为了尽可能地提高蒸发器换热面积的利用效率，一般需要控制干式蒸发器出口足够小的过热度，但此时可能会诱发制冷循环的振荡，而导致控制回路难以稳定。制冷循环不稳定性或者称为振荡，是指制冷剂流量、蒸发压力、冷凝压力、蒸发温度、回气温度、过热度等制冷循环参数发生周期性或非周期性振荡。制冷循环稳定性对制冷系统匹配和控制的意义重大，制冷循环的不稳定性会导致蒸发器回气带液引起压缩机液击;也可能造成有害的机械强迫震动和疲劳破坏;同时，制冷循环的不稳定性使得制冷系统难以稳定控制;制冷循环的效率下降。

　　制冷循环是典型的气液两相流封闭式循环过程，文献[3]综合概括了气液两相流动不稳定性的型式及其重要性。制冷循环不稳定性问题的研究始于20世纪60年代干式蒸发器完全蒸干点位置随机性振荡现象的发现：水平管干式蒸发器分气液两相区和过热区，两区的转变点称为完全蒸干点;Zahn W R于1963年、Wedekind G I和Stoecker W F于1966年分别通过实验发现了即使在制冷循环定常工况下，完全蒸干点的位置呈现出随机性振荡的情况，并认为这是蒸发过程气液两相流动的固有特性[4~6]。完全蒸干点振荡周期大约1秒左右，振荡周期和幅度均随机性变化，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人口附近的波状缓动流通过环状流内环面传递的。该类稳定性研究只针对蒸发器的蒸发过程，不考虑膨胀阀等其它部件的影响，是制冷系统稳定性的基础。

　　Stoecker G L(1966)系统地研究膨胀阀和蒸发器控制回路的稳定性[7]，Huelle Z R对膨胀阀-蒸发器控制回路的稳定性进行了实验研究，总结出最小稳定信号线理论(minimum-stable–signal)[8~9]。该理论认为，蒸发器最小稳定过热度(蒸发器由稳定工作到产生振荡时最小过热度)不是膨胀阀而是蒸发器本身的一个特性，与蒸发器的热负荷有关;如图1，当蒸发器的几何尺寸和热工参数(蒸发温度、冷凝温度)一定的条件下，存在一条最小稳定信号线MSS，MSS线以左为不稳定区，MSS线以右为稳定区，在MSS线上则是临界值。

　　需要说明的是，最小稳定信号线是在蒸发温度、冷凝温度和热负荷一定的情况下，手动调节制冷剂流量得到的，而实际制冷系统是在被冷却介质温度和冷却介质温度一定的情况下运行的。虽然Huelle Z R提出的最小稳定信号线理论局限于静态分析，也未对其发现作出恰当的机理解释，但对制冷循环的稳定性研究作出独创性的贡献。陈文勇等人(2002年)提出最小稳定信号线是由于蒸发器管内流型及传热机理变化的观点，并从理论角度进行了阐述[10]。