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变容量、电子膨胀阀和微机控制等先进技术在制冷系统的广泛应用需要可靠高效的系统控制,而蒸发过程及蒸发器出口状态的制冷剂两相流动不稳定性严重困扰着制冷系统控制策略的确定。
本文建立了制冷系统蒸发过程不稳定实验台,包括水冷式直管、电热式U型管等几种不同形式的蒸发器。建立了使用可视化测试技术的制冷系统实验台,在制冷应用范围内对制冷剂蒸发过程中不同型式不稳定两相流动的发生条件和形成机理进行了研究。
本文通过对蒸发过程两相流动研究,在静态不稳定研究方面发现蒸发管道存在负斜率区,并对此特性和相关静态不稳定性进行了研究和分析；在动态不稳定研究方面,发现了制冷工况下至少存在三种动态不稳定类型(密度波不稳定、压力降不稳定以及热不稳定),并利用均相模型对这三类不稳定性的边界进行了研究,获得了相应的实验关联式。
在对蒸发过程两相流动研究的基础上,对蒸发器完全蒸干点随机振荡机理和主要影响因素进行了系统分析。本文进行了蒸发器最小稳定信号线的实验,发现实验中的稳定信号线不交于原点。针对三种动态不稳定性对出口的影响进行了研究,发现随着蒸发压力升高,三种动态不稳定的完全蒸干点振荡的峰值和平均位置都在增大。针对外扰对蒸发器出口的影响研究表明,密度波不稳定性的系统参数调节的回复性最好,压力降不稳定性和热不稳定性的回复性较差,而热不稳定性回复时需要的超调量最大。
本文建立了能够模拟蒸发器出口两相的制冷系统动态模型。经过实验验证,具有较好的模拟精度。根据该模型,计算出电子膨胀阀脉冲数和压缩机频率对蒸发器调节和控制的稳定域。
根据以上制冷系统蒸发过程不稳定研究结果,提出了采用雾化喷嘴取代膨胀阀抑制蒸发过程不稳定性的方法。本文建立了喷雾式节流及其蒸发器的可视化装置,并对其换热特性和两相流动不稳定性进行了初步测试,发现该节流装置配套系统与传统膨胀阀控制的系统相比,具有较好的换热能力,能够抑制热不稳定性发生,并对发生的密度波不稳定性和压力降不稳定性具有一定的抑制作用。
本文的研究成果为制冷系统优化配置和可靠高效控制奠定了理论基础。