專利名稱：制冷工質氣液兩相流混合速度測量方法及測量裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及ー種制冷エ質中對存在傳質過程的氣液兩相流體的混合速度進行研究的氣液兩相流混合速度測量方法及專用于實施該方法的氣液兩相流混合速度測量裝置。
背景技術：
在噴射式制冷系統及采用速度式膨脹機回收節流閥能量損失的蒸汽壓縮式制冷系統中，噴嘴是核心部件之一，起著能量轉化的關鍵作用。在高壓制冷劑流經噴嘴轉化為低壓制冷劑的過程中，噴嘴將變化的這部分壓カ能轉化為制冷劑的動能，隨后，膨脹機葉輪再將這部分流體動能回收利用，達到提高系統性能的目的。因此，兩相制冷劑噴嘴出ロ處的氣液兩相流混合速度對制冷系統的性能有重要的影響。但在用于制冷系統的噴嘴內部涉及到制冷エ質的相變蒸發和臨界流動，制冷エ質的流動包括制冷劑的降壓蒸發、単相液體到氣、液兩相、流體內的熱カ不平衡及相間滑移等復雜過程。而現有的噴嘴兩相流理論及實驗研 究多集中于水和蒸氣的臨界流動，其適用范圍有限，對于氟里昂類制冷エ質在噴嘴中的兩相流動，伴隨著壓力的降低，制冷劑將經過從過冷至飽和，再到氣液兩相狀態的轉變，并產生液體閃發及伴隨而來的熱カ不平衡現象，流體的比容將隨著壓カ和溫度的降低而發生變化，同時還受到流動過程中熱カ不平衡現象的影響，因此，以不可壓縮流體為基礎的常規流速測量方法無法對具有相變的兩相流體速度進行測量。
發明內容
本發明的目的是提供ー種利用動量定律測定制冷エ質中氣液兩相流混合速度的測量方法，以解決現有的常規流速測量方法無法測量具有相變的氣液兩相流體的問題。本發明制冷エ質氣液兩相流混合速度測量方法的技術方案是一種制冷エ質氣液兩相流混合速度測量方法，第一歩，分別測量制冷エ質的流體質量流量m和噴嘴出口沖擊力F ;第二步,根據公式F = -Hi(O-V1) = IiiV1計算制冷エ質的混合平均速度V1,其中，制冷エ質的流體質量流量m是通過分別檢測噴嘴進ロ側液相制冷エ質的容積流量、壓カ和溫度經計算得出；噴嘴出ロ沖擊カF是在噴嘴出ロ處相對設置用于檢測噴嘴噴射沖擊カ的カ電傳感器組件，力電傳感器組件受到噴嘴沖擊力作用將壓カ信號轉變為電信號后經AD轉換電路輸入到計算機中計算后得出。本發明同時還提供了一種專用于實施上述測量方法的制冷エ質氣液兩相流混合速度測量裝置，該測量裝置的技術方案是一種制冷エ質氣液兩相流混合速度測量裝置，包括由壓縮機、冷凝器、蒸發器及內設噴嘴的噴嘴沖擊カ測量裝置組成的制冷エ質循環回路，其中，壓縮機的出口與冷凝器的進ロ通過管道連接，壓縮機的進ロ通過管道與蒸發器的出ロ連接，在噴嘴沖擊カ測量裝置中設有檢測室，檢測室內相対的兩側壁上分別設有所述的噴嘴及用于檢測噴嘴沖擊カ的力電傳感器組件，該カ電傳感器組件通過AD轉換電路連接有計算機，所述噴嘴通過管道與冷凝器的出口連接，所述檢測室通過導流管與蒸發器的進ロ連接，在冷凝器出口與噴嘴連接的管路中還分別設有容積流量計及溫度傳感器和壓カ傳感器。所述的カ電傳感器組件包括固定在所述檢測室側壁上的滑套及以噴嘴的噴射方向為軸向滑動裝配于滑套內的柱形探頭，該柱形探頭伸出滑套的前端面與噴嘴相對間隔設置，在滑套內通過壓緊彈簧頂裝有與柱形探頭后端面抵觸配合的力電傳感器。在所述檢測室平行于噴嘴噴射方向的側壁上設有透明觀察窗，在所述柱形探頭朝向噴嘴的前端面上凸設有用于將噴嘴噴出的氣液兩相流體呈90°折射到透明觀察窗上的導向結構，在透明觀察窗上刻有與被所述導向結構折射后的制冷エ質散射面相平行的散射面標志線。所述的導向結構為導向錐，該導向錐的環錐面為內凹的曲面。另外，本發明還提供了一種用于檢測噴嘴噴射沖擊カ大小的噴嘴沖擊カ測量裝置，該噴嘴沖擊カ測量裝置的技術方案是一種噴嘴沖擊カ測量裝置，包括內設檢測室的殼 體，檢測室內相対的兩側壁上對應設有噴嘴和力電傳感器組件，該カ電傳感器組件通過AD轉換電路連接有計算機。所述的カ電傳感器組件包括固定在所述檢測室側壁上的滑套及以噴嘴的噴射方向為軸向滑動裝配于滑套內的柱形探頭，該柱形探頭伸出滑套的前端面與噴嘴相對間隔設置，在滑套內通過壓緊彈簧頂裝有與柱形探頭后端面抵觸配合的力電傳感器。在所述檢測室平行于噴嘴噴射方向的側壁上設有透明觀察窗，在所述柱形探頭朝向噴嘴的前端面上凸設有用于將噴嘴噴出的氣液兩相流體呈90°折射到透明觀察窗上的導向結構，在透明觀察窗上刻有與被所述導向結構折射后的制冷エ質散射面相平行的散射面標志線。所述的導向結構為導向錐，該導向錐的環錐面為內凹的曲面。本發明提供了一種制冷エ質氣液兩相流混合速度測量方法及配套的測量裝置，其利用動量定律，通過檢測噴嘴噴射前的制冷エ質液的質量流量和噴嘴噴射的沖擊力，計算出噴嘴出口的氣液兩相流體的混合速度，進而得到噴嘴的能量轉換效率，從而可以由得到的數據進一歩研究噴嘴的結構參數對出口速度及噴嘴能量轉化效率的影響，優化氣液兩相流噴嘴的設計參數，提高整個制冷循環的效率。
圖I為本發明中制冷エ質氣液兩相流混合速度測量裝置的制冷管路示意圖；圖2為圖I中噴嘴沖擊カ測量裝置的結構示意圖；圖3為圖2中力電傳感器組件的結構示意圖；圖4為本發明氣液兩相流混合速度測定的原理示意圖。圖中箭頭所示為制冷エ質的流動方向
具體實施例方式本發明的制冷エ質氣液兩相流混合速度測量方法是先分別測定制冷回路中制冷エ質的流體質量流量m和噴嘴出口噴射沖擊カF，然后根據公式F = -Hi(O-V1) = HiV1計算制冷エ質的混合平均速度 '。其中，制冷エ質的流體質量流量m通過檢測噴嘴進ロ側制冷エ質的容積流量、壓カ和溫度經計算得出，該計算方法為現有技木，此處不再贅述。噴嘴出ロ噴射沖擊カF是在噴嘴出ロ處相對設置用于檢測噴嘴噴射沖擊カ的力電傳感器組件，力電傳感器組件受到噴嘴沖擊力作用將壓カ信號轉變為電信號后經AD轉換電路輸入到計算機中計算后得出。為實施上述測量方法，本發明提供了ー種專用于實施該方法的制冷エ質氣液兩相流混合速度測量裝置，如圖I所示，該裝置包括壓縮機I、冷凝器2、蒸發器6及用于測量噴嘴噴射沖擊カ的噴嘴沖擊カ測量裝置5,在噴嘴沖擊カ測量裝置5中安裝有待測試的噴嘴7，壓縮機I、冷凝器2、蒸發器6及噴嘴沖擊カ測量裝置5共同組成模擬制冷系統的制冷エ質循環回路。其中，壓縮機I的出口與冷凝器2的進ロ通過管道連接，壓縮機I的進ロ通過管道與蒸發器6的出ロ連接，在冷凝器2出ロ側還串接有過濾器3，過濾器3的出ロ設有兩條支路，一條支路中設有節流閥4,另一條支路中串接噴嘴沖擊カ測量裝置5。該噴嘴沖擊力測量裝置5中包括內設有檢測室的殼體，如圖2所示，噴嘴7穿裝固定在檢測室的一端側壁中并通過管道與冷凝器2的出口連接，檢測室內在與噴嘴7相對的另一端側壁上穿裝固定有用于檢測噴嘴7噴射沖擊カF的力電傳感器組件8，檢測室通過導流管(圖中未視出)與蒸發器6的進ロ連接。使用時，關閉節流閥4，壓縮機I將氣相的制冷エ質送入冷凝器2， 冷凝器2排出的液相制冷エ質經由過濾器3濾掉攜帯的雜質顆粒后進入噴嘴沖擊カ測量裝置5。在噴嘴沖擊カ測量裝置5中，制冷エ質流體通過噴嘴7將其壓力能轉化為流體速度能，流體沖擊至力電傳感器組件8上并對カ電傳感器組件8產生推力F，之后，制冷エ質流體由導流管經蒸發器6回到壓縮機1，完成制冷循環。在此過程中，被測量的噴嘴7充當了該模擬制冷系統的節流閥4，起著保持壓差、控制制冷エ質循環流量的作用。噴嘴沖擊カ測量裝置5中設置的力電傳感器組件8如圖3所示，該カ電傳感器組件8包括固定穿裝在噴嘴沖擊カ測量裝置5的檢測室側壁10上的滑套12及以噴嘴7的噴射方向為軸向滑動裝配于滑套12內的柱形探頭11并使該柱形探頭11與噴嘴7同軸布置，滑套12與柱形探頭11之間留有滑動配合間隙，通過潤滑使柱形探頭11可沿滑套12軸向滑動。該柱形探頭11伸出滑套12的前端面與噴嘴7相對間隔設置，在滑套12內位于柱形探頭11遠離噴嘴7的后端面設有力電傳感器13，該カ電傳感器13通過壓緊彈簧14和鎖緊螺母15固定并與柱形探頭11的后端面頂觸配合。本發明的氣液兩相流體混合流速的測量原理如圖4所示，進入噴嘴沖擊カ測量裝置5的液相制冷エ質流體在噴嘴7中降壓閃發，將壓カ能轉化為流體速度能，離開噴嘴7的氣液兩相流體沖擊至力電傳感器組件8的柱形探頭11上，柱形探頭11受到噴嘴7噴出的氣液兩相流的軸向作用頂壓カ傳感器13，カ電傳感器13將柱形探頭11受到的壓カ信號轉變為電壓信號輸出，并通過AD轉換電路輸入到計算機中計算出噴嘴的沖擊カF。由動量定理可知,F = -m(O-V1) = IiiV1,因此,測定流體質量流量m和沖擊カF，即可得到氣液兩相流體的混合平均速度V1。本發明中，在過濾器3與噴嘴沖擊カ測量裝置5連接的管路中還分別設有用于檢測制冷エ質容積流量、溫度及壓カ參數的渦輪液體容積流量計、溫度傳感器和壓カ傳感器。從而可以通過檢測得到的制冷エ質容積流量、溫度及壓カ參數計算出制冷エ質的質量流量m，從而結合力電傳感器組件檢測得到的噴嘴7沖擊カF計算出制冷エ質的混合平均速度，該計算方法為現有計算，此處不再贅述。本發明中，在沖擊カ檢測裝置5的檢測室平行于噴嘴噴射方向的側壁上還設有透明觀察窗9，在力電傳感器組件8中的柱形探頭11朝向噴嘴的前端面上凸設有用于將噴嘴7噴出的氣液兩相流體呈90°折射到透明觀察窗9上的導向結構，本實施例中，該導向結構為導向錐，如圖3所示，該導向錐的環錐面為內凹的曲面，同時，在透明觀察窗9上刻有與被導向結構折射后的制冷エ質散射面相平行的散射面標志線。在測量由噴嘴7噴出的制冷エ質氣液兩相流的混合速度時，如圖4所示，噴嘴7出口的氣液兩相流體沖擊至導向錐上內凹曲面結構的環錐面上，在導向錐內凹曲面的引導下，氣液兩相流體的速度方向由噴嘴出口方向產生90 °改變形成垂直于噴嘴軸向的速度方向，由導向錐折射后的氣液兩相流體在檢測室內形成圓形的散射面，此時，透過透明觀察窗9觀察該圓形散射面與透明觀察窗9交匯所形成的一條相貫線與透明觀察窗9上的散射面標志線是否平行，其當觀察到圓形散射面與透明觀察窗9交匯所形成的相貫線與透明觀察窗9上的散射面標志線平行吋，此吋，由力電傳感器13所受到的沖擊カF配合制冷エ質的質量流量m即可由動量定律根據F=-In(O-V1) = IiiV1計算出制冷エ質氣液兩相流的混合平均速度\。本發明中的噴嘴沖擊カ測量裝置5在上述實施例中已有向下描述，此處不再贅述。
本發明不局限于上述實施例，制冷管路中制冷エ質的質量流量m也可以由設置于噴嘴進ロ側管路中的質量流量計直接檢測得到；力電傳感器組件中柱形探頭前端面設置的導向結構也可以采用斜面或圓錐面結構實現對噴嘴噴出的氣液兩相流進行90°折射，其都在本發明的保護范圍之內。本發明的制冷エ質氣液兩相流混合速度測量方法簡單、實用，其根據動量定理設計的測量裝置方便有效，利用對噴嘴出口氣液兩相流混合速度的研究可以由得到的數據進一歩的研究噴嘴的結構參數對出ロ速度及噴嘴能量轉化效率的影響，優化氣液兩相流噴嘴的設計參數，提高整個制冷循環的效率。
權利要求
1.一種制冷エ質氣液兩相流混合速度測量方法，其特征在于，第一歩，分別測量制冷エ質的流體質量流量m和噴嘴出ロ沖擊カF ;第二步,根據公式F = -Hi(O-V1) = IIiV1計算制冷エ質的混合平均速度V1，其中，制冷エ質的流體質量流量m是通過分別檢測噴嘴進ロ側制冷エ質的容積流量、壓カ和溫度經計算得出；噴嘴出ロ沖擊カF是在噴嘴出口處相對設置用于檢測噴嘴噴射沖擊カ的力電傳感器組件，力電傳感器組件受到噴嘴沖擊力作用將壓カ信號轉變為電信號后經AD轉換電路輸入到計算機中計算后得出。
2.一種專用于實施如權利要求I所述制冷エ質氣液兩相流混合速度測量方法的制冷エ質氣液兩相流混合速度測量裝置，其特征在于，包括由壓縮機、冷凝器、蒸發器及內設噴嘴的噴嘴沖擊カ測量裝置組成的制冷エ質循環回路，其中，壓縮機的出口與冷凝器的進ロ通過管道連接，壓縮機的進ロ通過管道與蒸發器的出口連接，在噴嘴沖擊カ測量裝置中設有檢測室，檢測室內相対的兩側壁上分別設有所述的噴嘴及用于檢測噴嘴沖擊カ的カ電傳感器組件，該カ電傳感器組件通過AD轉換電路連接有計算機，所述噴嘴通過管道與冷凝器的出口連接，所述檢測室通過導流管與蒸發器的進ロ連接，在冷凝器出口與噴嘴連接的管路中還分別設有容積流量計及溫度傳感器和壓カ傳感器。
3.根據權利要求2所述的制冷エ質氣液兩相流混合速度測量裝置，其特征在于，所述的力電傳感器組件包括固定在所述檢測室側壁上的滑套及以噴嘴的噴射方向為軸向滑動裝配于滑套內的柱形探頭，該柱形探頭伸出滑套的前端面與噴嘴相對間隔設置，在滑套內通過壓緊彈簧頂裝有與柱形探頭后端面抵觸配合的力電傳感器。
4.根據權利要求3所述的制冷エ質氣液兩相流混合速度測量裝置，其特征在干，在所述檢測室平行于噴嘴噴射方向的側壁上設有透明觀察窗，在所述柱形探頭朝向噴嘴的前端面上凸設有用于將噴嘴噴出的氣液兩相流體呈90°折射到透明觀察窗上的導向結構，在透明觀察窗上刻有與被所述導向結構折射后的制冷エ質散射面相平行的散射面標志線。
5.根據權利要求4所述的制冷エ質氣液兩相流混合速度測量裝置，其特征在于，所述的導向結構為導向錐，該導向錐的環錐面為內凹的曲面。
6.一種噴嘴沖擊カ測量裝置，其特征在于，包括內設檢測室的殼體，檢測室內相對的兩側壁上對應設有噴嘴和力電傳感器組件，該カ電傳感器組件通過AD轉換電路連接有計算機。
7.根據權利要求6所述的噴嘴沖擊カ測量裝置，其特征在干，所述的カ電傳感器組件包括固定在所述檢測室側壁上的滑套及以噴嘴的噴射方向為軸向滑動裝配于滑套內的柱形探頭，該柱形探頭伸出滑套的前端面與噴嘴相對間隔設置，在滑套內通過壓緊彈簧頂裝有與柱形探頭后端面抵觸配合的力電傳感器。
8.根據權利要求7所述的噴嘴沖擊カ測量裝置，其特征在干，在所述檢測室平行于噴嘴噴射方向的側壁上設有透明觀察窗，在所述柱形探頭朝向噴嘴的前端面上凸設有用于將噴嘴噴出的氣液兩相流體呈90°折射到透明觀察窗上的導向結構，在透明觀察窗上刻有與被所述導向結構折射后的制冷エ質散射面相平行的散射面標志線。
9.根據權利要求8所述的噴嘴沖擊カ測量裝置，其特征在于，所述的導向結構為導向錐，該導向錐的環錐面為內凹的曲面。
全文摘要
本發明提供了一種制冷工質氣液兩相流混合速度測量方法及配套的測量裝置，其通過測定制冷回路中制冷工質的流體質量流量m和噴嘴出口噴射沖擊力F，然后根據動量定律計算噴嘴噴出的具有相變的氣液兩相流的混合平均速度V1。測量方法簡單、實用，利用對噴嘴出口氣液兩相流混合速度的研究可以由得到的數據進一步的研究噴嘴的結構參數對出口速度及噴嘴能量轉化效率的影響，優化氣液兩相流噴嘴的設計參數，提高整個制冷循環的效率。
文檔編號G01M10/00GK102680731SQ20121000101
公開日2012年9月19日 申請日期2012年1月4日 優先權日2012年1月4日
發明者劉艷, 梁坤峰, 王志遠, 羅浩, 許偉春, 賀滔 申請人:河南科技大學