CN102680731B - 制冷工质气液两相流混合速度测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种制冷工质气液两相流混合速度测量方法及配套的测量装置，其通过测定制冷回路中制冷工质的流体质量流量<i>m</i>和喷嘴出口喷射冲击力<i>F</i>，然后根据动量定律计算喷嘴喷出的具有相变的气液两相流的混合平均速度<i>V1</i>。测量方法简单、实用，利用对喷嘴出口气液两相流混合速度的研究可以由得到的数据进一步的研究喷嘴的结构参数对出口速度及喷嘴能量转化效率的影响，优化气液两相流喷嘴的设计参数，提高整个制冷循环的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种制冷工质中对存在传质过程的气液两相流体的混合速度进行研究的气液两相流混合速度测量方法及专用于实施该方法的气液两相流混合速度测量装置。
背景技术
在喷射式制冷系统及采用速度式膨胀机回收节流阀能量损失的蒸汽压缩式制冷系统中，喷嘴是核心部件之一，起着能量转化的关键作用。在高压制冷剂流经喷嘴转化为低压制冷剂的过程中，喷嘴将变化的这部分压力能转化为制冷剂的动能，随后，膨胀机叶轮再将这部分流体动能回收利用，达到提高系统性能的目的。因此，两相制冷剂喷嘴出口处的气液两相流混合速度对制冷系统的性能有重要的影响。但在用于制冷系统的喷嘴内部涉及到制冷工质的相变蒸发和临界流动，制冷工质的流动包括制冷剂的降压蒸发、单相液体到气、液两相、流体内的热力不平衡及相间滑移等复杂过程。而现有的喷嘴两相流理论及实验研究多集中于水和蒸气的临界流动，其适用范围有限，对于氟里昂类制冷工质在喷嘴中的两相流动，伴随着压力的降低，制冷剂将经过从过冷至饱和，再到气液两相状态的转变，并产生液体闪发及伴随而来的热力不平衡现象，流体的比容将随着压力和温度的降低而发生变化，同时还受到流动过程中热力不平衡现象的影响，因此，以不可压缩流体为基础的常规流速测量方法无法对具有相变的两相流体速度进行测量。
发明内容
本发明的目的是：提供一种利用动量定律测定制冷工质中气液两相流混合速度的测量方法，以解决现有的常规流速测量方法无法测量具有相变的气液两相流体的问题。
本发明制冷工质气液两相流混合速度测量方法的技术方案是：一种制冷工质气液两相流混合速度测量方法，第一步，分别测量制冷工质的流体质量流量m和喷嘴出口冲击力F；第二步，根据公式F＝-m(0-V1)＝mV1计算制冷工质的混合平均速度V1，其中，制冷工质的流体质量流量m是通过分别检测喷嘴进口侧液相制冷工质的容积流量、压力和温度经计算得出；喷嘴出口冲击力F是在喷嘴出口处相对设置用于检测喷嘴喷射冲击力的力电传感器组件，力电传感器组件受到喷嘴冲击力作用将压力信号转变为电信号后经AD转换电路输入到计算机中计算后得出。
本发明同时还提供了一种专用于实施上述测量方法的制冷工质气液两相流混合速度测量装置，该测量装置的技术方案是：一种制冷工质气液两相流混合速度测量装置，包括由压缩机、冷凝器、蒸发器及内设喷嘴的喷嘴冲击力测量装置组成的制冷工质循环回路，其中，压缩机的出口与冷凝器的进口通过管道连接，压缩机的进口通过管道与蒸发器的出口连接，在喷嘴冲击力测量装置中设有检测室，检测室内相对的两侧壁上分别设有所述的喷嘴及用于检测喷嘴冲击力的力电传感器组件，该力电传感器组件通过AD转换电路连接有计算机，所述喷嘴通过管道与冷凝器的出口连接，所述检测室通过导流管与蒸发器的进口连接，在冷凝器出口与喷嘴连接的管路中还分别设有容积流量计及温度传感器和压力传感器。
所述的力电传感器组件包括固定在所述检测室侧壁上的滑套及以喷嘴的喷射方向为轴向滑动装配于滑套内的柱形探头，该柱形探头伸出滑套的前端面与喷嘴相对间隔设置，在滑套内通过压紧弹簧顶装有与柱形探头后端面抵触配合的力电传感器。
在所述检测室平行于喷嘴喷射方向的侧壁上设有透明观察窗，在所述柱形探头朝向喷嘴的前端面上凸设有用于将喷嘴喷出的气液两相流体呈90°折射到透明观察窗上的导向结构，在透明观察窗上刻有与被所述导向结构折射后的制冷工质散射面相平行的散射面标志线。
所述的导向结构为导向锥，该导向锥的环锥面为内凹的曲面。
另外，本发明还提供了一种用于检测喷嘴喷射冲击力大小的喷嘴冲击力测量装置，该喷嘴冲击力测量装置的技术方案是：一种喷嘴冲击力测量装置，包括内设检测室的壳体，检测室内相对的两侧壁上对应设有喷嘴和力电传感器组件，该力电传感器组件通过AD转换电路连接有计算机。
所述的力电传感器组件包括固定在所述检测室侧壁上的滑套及以喷嘴的喷射方向为轴向滑动装配于滑套内的柱形探头，该柱形探头伸出滑套的前端面与喷嘴相对间隔设置，在滑套内通过压紧弹簧顶装有与柱形探头后端面抵触配合的力电传感器。
在所述检测室平行于喷嘴喷射方向的侧壁上设有透明观察窗，在所述柱形探头朝向喷嘴的前端面上凸设有用于将喷嘴喷出的气液两相流体呈90°折射到透明观察窗上的导向结构，在透明观察窗上刻有与被所述导向结构折射后的制冷工质散射面相平行的散射面标志线。
所述的导向结构为导向锥，该导向锥的环锥面为内凹的曲面。
本发明提供了一种制冷工质气液两相流混合速度测量方法及配套的测量装置，其利用动量定律，通过检测喷嘴喷射前的制冷工质液的质量流量和喷嘴喷射的冲击力，计算出喷嘴出口的气液两相流体的混合速度，进而得到喷嘴的能量转换效率，从而可以由得到的数据进一步研究喷嘴的结构参数对出口速度及喷嘴能量转化效率的影响，优化气液两相流喷嘴的设计参数，提高整个制冷循环的效率。
附图说明
图1为本发明中制冷工质气液两相流混合速度测量装置的制冷管路示意图；
图2为图1中喷嘴冲击力测量装置的结构示意图；
图3为图2中力电传感器组件的结构示意图；
图4为本发明气液两相流混合速度测定的原理示意图。
图中箭头所示为制冷工质的流动方向
具体实施方式
本发明的制冷工质气液两相流混合速度测量方法是先分别测定制冷回路中制冷工质的流体质量流量m和喷嘴出口喷射冲击力F，然后根据公式F＝-m(0-V1)＝mV1计算制冷工质的混合平均速度V1。其中，制冷工质的流体质量流量m通过检测喷嘴进口侧制冷工质的容积流量、压力和温度经计算得出，该计算方法为现有技术，此处不再赘述。喷嘴出口喷射冲击力F是在喷嘴出口处相对设置用于检测喷嘴喷射冲击力的力电传感器组件，力电传感器组件受到喷嘴冲击力作用将压力信号转变为电信号后经AD转换电路输入到计算机中计算后得出。
为实施上述测量方法，本发明提供了一种专用于实施该方法的制冷工质气液两相流混合速度测量装置，如图1所示，该装置包括压缩机1、冷凝器2、蒸发器6及用于测量喷嘴喷射冲击力的喷嘴冲击力测量装置5，在喷嘴冲击力测量装置5中安装有待测试的喷嘴7，压缩机1、冷凝器2、蒸发器6及喷嘴冲击力测量装置5共同组成模拟制冷系统的制冷工质循环回路。其中，压缩机1的出口与冷凝器2的进口通过管道连接，压缩机1的进口通过管道与蒸发器6的出口连接，在冷凝器2出口侧还串接有过滤器3，过滤器3的出口设有两条支路，一条支路中设有节流阀4，另一条支路中串接喷嘴冲击力测量装置5。该喷嘴冲击力测量装置5中包括内设有检测室的壳体，如图2所示，喷嘴7穿装固定在检测室的一端侧壁中并通过管道与冷凝器2的出口连接，检测室内在与喷嘴7相对的另一端侧壁上穿装固定有用于检测喷嘴7喷射冲击力F的力电传感器组件8，检测室通过导流管(图中未视出)与蒸发器6的进口连接。使用时，关闭节流阀4，压缩机1将气相的制冷工质送入冷凝器2，冷凝器2排出的液相制冷工质经由过滤器3滤掉携带的杂质颗粒后进入喷嘴冲击力测量装置5。在喷嘴冲击力测量装置5中，制冷工质流体通过喷嘴7将其压力能转化为流体速度能，流体冲击至力电传感器组件8上并对力电传感器组件8产生推力F，之后，制冷工质流体由导流管经蒸发器6回到压缩机1，完成制冷循环。在此过程中，被测量的喷嘴7充当了该模拟制冷系统的节流阀4，起着保持压差、控制制冷工质循环流量的作用。
喷嘴冲击力测量装置5中设置的力电传感器组件8如图3所示，该力电传感器组件8包括固定穿装在喷嘴冲击力测量装置5的检测室侧壁10上的滑套12及以喷嘴7的喷射方向为轴向滑动装配于滑套12内的柱形探头11并使该柱形探头11与喷嘴7同轴布置，滑套12与柱形探头11之间留有滑动配合间隙，通过润滑使柱形探头11可沿滑套12轴向滑动。该柱形探头11伸出滑套12的前端面与喷嘴7相对间隔设置，在滑套12内位于柱形探头11远离喷嘴7的后端面设有力电传感器13，该力电传感器13通过压紧弹簧14和锁紧螺母15固定并与柱形探头11的后端面顶触配合。本发明的气液两相流体混合流速的测量原理如图4所示，进入喷嘴冲击力测量装置5的液相制冷工质流体在喷嘴7中降压闪发，将压力能转化为流体速度能，离开喷嘴7的气液两相流体冲击至力电传感器组件8的柱形探头11上，柱形探头11受到喷嘴7喷出的气液两相流的轴向作用顶压力传感器13，力电传感器13将柱形探头11受到的压力信号转变为电压信号输出，并通过AD转换电路输入到计算机中计算出喷嘴的冲击力F。由动量定理可知，F＝-m(0-V1)＝mV1，因此，测定流体质量流量m和冲击力F，即可得到气液两相流体的混合平均速度V1。本发明中，在过滤器3与喷嘴冲击力测量装置5连接的管路中还分别设有用于检测制冷工质容积流量、温度及压力参数的涡轮液体容积流量计、温度传感器和压力传感器。从而可以通过检测得到的制冷工质容积流量、温度及压力参数计算出制冷工质的质量流量m，从而结合力电传感器组件检测得到的喷嘴7冲击力F计算出制冷工质的混合平均速度，该计算方法为现有计算，此处不再赘述。
本发明中，在冲击力检测装置5的检测室平行于喷嘴喷射方向的侧壁上还设有透明观察窗9，在力电传感器组件8中的柱形探头11朝向喷嘴的前端面上凸设有用于将喷嘴7喷出的气液两相流体呈90°折射到透明观察窗9上的导向结构，本实施例中，该导向结构为导向锥，如图3所示，该导向锥的环锥面为内凹的曲面，同时，在透明观察窗9上刻有与被导向结构折射后的制冷工质散射面相平行的散射面标志线。在测量由喷嘴7喷出的制冷工质气液两相流的混合速度时，如图4所示，喷嘴7出口的气液两相流体冲击至导向锥上内凹曲面结构的环锥面上，在导向锥内凹曲面的引导下，气液两相流体的速度方向由喷嘴出口方向产生90°改变形成垂直于喷嘴轴向的速度方向，由导向锥折射后的气液两相流体在检测室内形成圆形的散射面，此时，透过透明观察窗9观察该圆形散射面与透明观察窗9交汇所形成的一条相贯线与透明观察窗9上的散射面标志线是否平行，其当观察到圆形散射面与透明观察窗9交汇所形成的相贯线与透明观察窗9上的散射面标志线平行时，此时，由力电传感器13所受到的冲击力F配合制冷工质的质量流量m即可由动量定律根据F＝-m(0-V1)＝mV1计算出制冷工质气液两相流的混合平均速度V1。
本发明中的喷嘴冲击力测量装置5在上述实施例中已有向下描述，此处不再赘述。
本发明不局限于上述实施例，制冷管路中制冷工质的质量流量m也可以由设置于喷嘴进口侧管路中的质量流量计直接检测得到；力电传感器组件中柱形探头前端面设置的导向结构也可以采用斜面或圆锥面结构实现对喷嘴喷出的气液两相流进行90°折射，其都在本发明的保护范围之内。
本发明的制冷工质气液两相流混合速度测量方法简单、实用，其根据动量定理设计的测量装置方便有效，利用对喷嘴出口气液两相流混合速度的研究可以由得到的数据进一步的研究喷嘴的结构参数对出口速度及喷嘴能量转化效率的影响，优化气液两相流喷嘴的设计参数，提高整个制冷循环的效率。
Claims (3)
1.一种制冷工质气液两相流混合速度测量方法，其特征在于，第一步，分别测量制冷工质的流体质量流量m和喷嘴出口冲击力F，其中，喷嘴出口的气液两相流体冲击至导向锥上内凹曲面结构的环锥面上，在导向锥内凹曲面的引导下，气液两相流体的速度方向由喷嘴出口方向产生90°改变形成垂直于喷嘴轴向的速度方向，由导向锥折射后的气液两相流体在检测室内形成圆形的散射面，在透明观察窗上刻有与被导向结构折射后的制冷工质散射面相平行的散射面标志线，此时，透过透明观察窗观察该圆形散射面与透明观察窗交汇所形成的一条相贯线与透明观察窗上的散射面标志线是否平行，当观察到圆形散射面与透明观察窗交汇所形成的相贯线与透明观察窗上的散射面标志线平行时，分别记下力电传感器所受到的冲击力F配合制冷工质的质量流量m；第二步，根据公式F＝-m(0-V1)＝mV1计算制冷工质的混合平均速度V1，其中，制冷工质的流体质量流量m是通过分别检测喷嘴进口侧制冷工质的容积流量、压力和温度经计算得出；喷嘴出口冲击力F是在喷嘴出口处相对设置用于检测喷嘴喷射冲击力的力电传感器组件，力电传感器组件受到喷嘴冲击力作用将压力信号转变为电信号后经AD转换电路输入到计算机中计算后得出。
2.一种专用于实施如权利要求1所述制冷工质气液两相流混合速度测量方法的制冷工质气液两相流混合速度测量装置，其特征在于，包括由压缩机、冷凝器、蒸发器及内设喷嘴的喷嘴冲击力测量装置组成的制冷工质循环回路，其中，压缩机的出口与冷凝器的进口通过管道连接，压缩机的进口通过管道与蒸发器的出口连接，在喷嘴冲击力测量装置中设有检测室，检测室内相对的两侧壁上分别设有所述的喷嘴及用于检测喷嘴冲击力的力电传感器组件，该力电传感器组件通过AD转换电路连接有计算机，所述喷嘴通过管道与冷凝器的出口连接，所述检测室通过导流管与蒸发器的进口连接，在冷凝器出口与喷嘴连接的管路中还分别设有容积流量计及温度传感器和压力传感器；所述的力电传感器组件包括固定在所述检测室侧壁上的滑套及以喷嘴的喷射方向为轴向滑动装配于滑套内的柱形探头，该柱形探头伸出滑套的前端面与喷嘴相对间隔设置，在滑套内通过压紧弹簧顶装有与柱形探头后端面抵触配合的力电传感器；在所述检测室平行于喷嘴喷射方向的侧壁上设有透明观察窗，在所述柱形探头朝向喷嘴的前端面上凸设有用于将喷嘴喷出的气液两相流体呈90°折射到透明观察窗上的导向结构，在透明观察窗上刻有与被所述导向结构折射后的制冷工质散射面相平行的散射面标志线；所述的导向结构为导向锥，该导向锥的环锥面为内凹的曲面。
3.一种喷嘴冲击力测量装置，其特征在于，包括内设检测室的壳体，检测室内相对的两侧壁上对应设有喷嘴和力电传感器组件，该力电传感器组件通过AD转换电路连接有计算机；所述的力电传感器组件包括固定在所述检测室侧壁上的滑套及以喷嘴的喷射方向为轴向滑动装配于滑套内的柱形探头，该柱形探头伸出滑套的前端面与喷嘴相对间隔设置，在滑套内通过压紧弹簧顶装有与柱形探头后端面抵触配合的力电传感器；在所述检测室平行于喷嘴喷射方向的侧壁上设有透明观察窗，在所述柱形探头朝向喷嘴的前端面上凸设有用于将喷嘴喷出的气液两相流体呈90°折射到透明观察窗上的导向结构，在透明观察窗上刻有与被所述导向结构折射后的制冷工质散射面相平行的散射面标志线；所述的导向结构为导向锥，该导向锥的环锥面为内凹的曲面，柱形探头与喷嘴同轴布置。
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