制变冷凝矢量冷化体系运转平稳性实验探讨

　　1Huelle Z R在文献中分析指出，当蒸发器完全蒸干点（水平管干式蒸发器两相区与过热区的分界点）在蒸发器出口处随机振荡，由于两相流和过热蒸汽交替出现，蒸发器管壁温度有剧烈的变化。并在此基础上总结出*小稳定信号线理论。陈文勇，陈芝久等人2002年提出*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。

　　变频制冷系统中有两个流量调节装置，即变频压缩机和节流膨胀阀。因为两者有各自调节规则和调节方法，且存在相互之间的参数耦合和调节协调问题，所以变频制冷系统稳定性问题不同于定容量制冷系统稳定性问题。1998年清华大学与美国GM公司合作对变频制冷系统振荡现象进行了相关研究，实验结果表明蒸发器出风温度、压缩机排气压力、压缩机摆盘箱压力、蒸发压力和蒸发器出口制冷剂过热度随时间发生等幅周期性变化。

　　综上所述，可以看出制冷循环运行稳定性研究多以定容量制冷系统为主。而变频制冷系统以其高效节能已经得到迅速推广应用，目前对其稳定性的研究较少。笔者通过变制冷剂流量制冷循环实验平台，承接前人对定容量制冷系统进行研究揭示蒸发器完全蒸干点在蒸发器出口处随机振荡、蒸发器*小稳定过热度对变频制冷系统运行稳定性的影响及其机理。

　　2试验装置简介

　　变制冷剂流量制冷循环实验台。

　　3试验方法

　　制冷剂蒸干点附近温度随机波动。为研究制冷剂蒸干点位于蒸发器出口时对制冷剂温度的影响，开始时保持冷冻水温度12和冷却水温度30恒定，压缩机在一定频率下运行，并从小到大手动调节电子膨胀阀开度，采用热式感应传感器确定完全蒸干点位于蒸发器出口时电子膨胀阀的开度，在此膨胀阀开度下直到制冷循环连续自平衡运行60 m in以上，记录数据并观察蒸发器出口处的制冷剂流动型式。

　　为研究*小稳定过热度对变频制冷系统稳定性的影响，分别进行以下试验：

　　（ 1）保持压缩机频率不变，手动调节电子膨胀阀开度使蒸发器在较高过热度下稳定运行60 m in，此时减小冷冻水电加热量，保持电子膨胀阀开度不变，记录数据；（ 2）保持压缩机频率不变，手动调节电子膨胀阀开度使蒸发器在较高过热度下稳定运行60 m in，将电子膨胀阀控制器改为PID过热度反馈控制，并设定较低过热度，其他参数不变，记录数据；（ 3）保持压缩机频率不变，设置一个较低过热度，但能保证此时系统稳定运行。10 m in后，增大压缩机频率，其他参数不变，记录数据。

　　4结果及理论分析

　　4. 1蒸发器完全蒸干点在蒸发器出口处随机振荡造成制冷循环参数随机波动

　　压缩机60H z时，采用热式感应传感器确定的完全蒸干点位于蒸发器出口时的膨胀阀开度为16%.此时，由于蒸发器面积得到*大利用，理论上制冷量有*大值。试验结果如所示，膨胀阀开度为16%时确实有*大制冷量，这也充分说明了此开度下完全蒸干点位于蒸发器的出口。

　　当蒸发器完全蒸干点处于蒸发器出口时该处的制冷剂流动和传热是非常复杂的，通过石英玻璃观察管发现，蒸发器出口的制冷剂气液两相流流型存在过热蒸汽流和雾状流两种型式，二者之间秒级交替出现，造成了制冷循环参数的随机性振荡。蒸发器出口温度的随机波动。这也证实了Huelle Z. R.在文献中的分析：当蒸发器出口制冷剂过热度逐渐变小时，蒸发器完全蒸干点在蒸发器出口处振荡，由于两相流和过热蒸气交替出现，蒸发器管壁温度有剧烈变化，*终引起制冷循环参数随机性波动。

　　4. 2蒸发器*小稳定过热度对变频制冷系统运行稳定性的影响

　　试验开始时，蒸发器过热度稳定在7. 5 ，冷冻水电加热器加热量为55%，运行到3000 s时，降低电加热器加热量到30%.此时，过热度开始下降，当过热度下降到4 5时，过热度急剧下降，这也证实了陈文勇等人在文献中给出的分析：蒸发器过热度主要受到蒸发器中制冷剂质量流量和制冷剂与水之间热流量影响。当制冷剂质量流量不变时，便只受热流量影响。冷冻水电加热量突然减小，导致水和制冷剂之间传热温差减小，当温差足够小，使制冷剂由核态沸腾换热转变单相强制对流换热时，便引发蒸发器过热度的急剧下降，由此便产生了*小稳定过热度。蒸发器的这个特性使得蒸发器过热度的控制非常困难，过热度设置过低，会使水和制冷剂之间的温差下降，导致核态沸腾消失。核态沸腾和对流沸腾换热的不同会导致电子膨胀阀控制器过调和过热度的振荡。如所示，开始时过热度设置在7. 5 ，系统运行稳定。但是设置在5时过热度将出现振荡。该过程中控制器先是将电子膨胀阀开度增大，以降低过热度。当过热度到达设定值时，电子膨胀阀处于一个较小的开度。

　　此时由于控制器过调，过热度降低到低于*小稳定过热度，过热度便会急剧下降，开始出现振荡。

　　在变频制冷系统实际运行时需要根据负荷的变化来调整压缩机频率，此时*小稳定过热度对系统的影响又不同于定频压缩机制冷系统。

　　当压缩机在40H z，过热度设置在5时，系统运行稳定。在600 s时将压缩机频率调高到60H z，此时，过热度先迅速升高到约7 ，后逐渐趋近设定值，到达设定值5后，过热度出现明显振荡。这是因为压缩机频率增大的瞬间，压缩机从蒸发器中吸入更多的制冷剂，而电子膨胀阀的调节需要一段时间才能使蒸发器中制冷剂进出平衡，在此之前制冷量小于外界负荷，因此过热度会上升。待过热度趋近设定值，因小于此频率下*小稳定过热度产生振荡。而当压缩机频率降低时情况又有不同，如所示，压缩机高频运行且设置较高过热度保证系统稳定运行，此时降低压缩机频率，过热度先是下降到5. 4 ，后仍然处于稳定状态。因此，压缩机频率增大后，电子膨胀阀也应进行调整，使过热度设置在较高值，以保证系统稳定运行。

　　5结论

　　（ 1）蒸发器完全蒸干点在蒸发器出口处随机振荡造成制冷循环参数随机性波动，而完全蒸干点随机振荡的这种特性又是由制冷剂气液两相流交替所引起的，且完全蒸干点处于蒸发器出口时有*大制冷量；（ 2）*小稳定过热度是蒸发器的固有特性，由制冷剂与水之间的传热温差所决定，与膨胀阀及其过热度控制回路无关；（ 3）压缩机变频运行，尤其是频率增大时，*小稳定过热度严重影响系统运行的稳定性。过热度设置过低，制冷循环参数将由稳定转变为周期性振荡。