跨临界均质二氧化碳试验设备及改善制冷效率的方法

本发明涉及二氧化碳制冷的，尤其涉及跨临界均质二氧化碳试验设备及改善制冷效率的方法。

背景技术：

1、跨临界二氧化碳制冷循环广泛应用于汽车空调，具有压缩运行效率高、容积制冷量大、系统体积小等优点。在跨临界制冷循环中，二氧化碳气体经历从亚临界的状态变化到超临界状态，流体的性质也会随之发生改变。

2、二氧化碳蒸气在压缩机内进行高压流动时，二氧化碳会发生凝结现象。二氧化碳凝结后的液滴会损害压缩机的叶片，进而影响整个压缩机的运行效率。现有技术中无法直接对压缩机内二氧化碳的凝结现象进行测量。

3、如申请公布日为2020.04.24、申请公布号为cn 111062124 a的中国发明专利所公开的一种超临界二氧化碳压缩机试验的相似模化方法，首先，根据几何相似准则，通过同比缩放获得试验模型几何参数。然后，依据不同工质间的流动相似性准则，保证主要准则数一致，获得空气工质压缩机的转速、进口压力、进口温度、流量等运行参数，开展试验研究，获得试验数据。其次，根据性能转换准则推导出超临界二氧化碳压缩机压比、等熵效率、应力载荷以及泄漏流量等性能参数。最后，改变运行工况，评估超临界二氧化碳压缩机不同运行工况下的综合性能，验证超临界二氧化碳压缩机的变工况性能。上述技术方案通过几何结构模化、流动性模化、压缩机性能转换对压缩机的综合性能进行模拟评估，对压缩机叶片进行改进，进而提升制冷效率。利用相似模化方法缩小规模，以空气替代二氧化碳，模拟超临界二氧化碳的流动工况，模拟叶片的结构参数，与实际运行工况存在差异，无法直接对二氧化碳的凝结现象的特性进行采集分析，不能有效提升压缩机的制冷效率。

4、因此，需要设计一种超临界二氧化碳的试验设备，以解决上述背景技术中的问题。

技术实现思路

1、针对相似模化方法模拟超临界二氧化碳的流动工况与实际运行工况存在差异的技术问题，本发明提出一种跨临界均质二氧化碳试验设备及改善制冷效率的方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

3、跨临界均质二氧化碳试验设备，包括依次连接的二氧化碳常压储气罐、柱塞泵和空压机，所述柱塞泵的出口间歇性连通有二氧化碳凝结测试单元，所述二氧化碳凝结测试单元包括依次连接的高压储气罐、质量流量计、可透光的喷管和被动回收罐，所述喷管连接有温度测量模块、压力测量模块及光学测量模块。

4、本技术方案将二氧化碳经过高压压缩后储存在高压储气罐内，然后在压力差的作用下，二氧化碳由高压部分流向被动回收罐，二氧化碳在流动过程中，在喷管内发生非平衡凝结。通过质量流量计反应二氧化碳流体的流速、通过压力测量模块监测喷管中流体的离散的点压力、通过光学测量模块对喷管中的凝结液滴进行测量，可以得到所凝结液滴出现的位置，液滴的尺寸，液滴的增长等数据。通过测量二氧化碳发生非平衡凝结时的压力、温度、产生的液滴位置、尺寸、流体的流量（流速），得出二氧化碳凝结的临界条件。并利用得出的临界条件的参数，在压缩机内设定相应的传感器反应阈值，以避免二氧化碳发生凝结降低压缩机的制冷循环效率。

5、进一步地，所述喷管包括上下对称的弧形面板，弧形面板左右连接有透光面板，喷管沿二氧化碳流动方向的截面形状为矩形，矩形的面积先逐渐缩小再逐渐扩大。喷管的透光面板可以便于观察测量二氧化碳的凝结现象，并且喷管的上下弧形面板与左右的透光面板共同围成密封管，只留下供二氧化碳在其内流动的进口与出口。喷管的形状沿二氧化碳的流动方向先收缩再扩张，便于二氧化碳达到跨临界状态，进而出现非平衡凝结过程。

6、进一步地，所述喷管的温度测量模块包括进口温度测量模块和出口温度测量模块，所述进口温度测量模块包括与高压储气罐连接的恒温模块，所述出口温度测量模块包括与被动回收罐的出口连接的温度压力传感器。二氧化碳在喷管内发生非平衡凝结时，喷管内的温度会发生变化，测量喷管内的温度不能及时反应二氧化碳凝结的临界条件，因此对喷管的进口以及喷管的出口分别进行温度测量，进而得出二氧化碳发生凝结时的临界温度，将压缩机内的温度传感器的反应阈值与上述设备测量出的二氧化碳凝结时进口温度设定一致，便于压缩机内的温度传感器提前做出反应。

7、进一步地，所述喷管包括两端的扩张部和中间的收缩部，所述压力测量模块均匀连接在所述收缩部。二氧化碳在扩张部和收缩部分别处于不同的压力状态，便于二氧化碳达到跨临界状态，从而出现凝结现象，便于各测量模块对凝结现象的临界条件进行测量。

8、进一步地，所述光学测量模块的测量方向垂直于所述透光面板。光学测量模块的激光可以穿过透光面板，并且所述激光垂直于透光面板，便于对整个喷罐内的二氧化碳进行测量记录，当二氧化碳出现凝结液滴时，因为激光遇到凝结液滴，激光穿过透光面板所反映出的光信号会发生改变。

9、进一步地，所述光学测量模块包括依次连接在所述喷管一侧的激光发射器、激光衰减器、扩束器、准直透镜，所述激光发射方向垂直于所述透光面板；喷管另一侧依次连接有50%分束器、反射镜及相机，所述50%分束器和反射镜成对设置。所述激光发射器、激光衰减器、扩束器、准直透镜依次连接于喷管的左侧，所述50%分束器 、反射镜、相机依次连接于喷管的右侧，所述激光发射器发射出激光后，经激光衰减器将激光功率衰减后，再经过扩束、准直透镜折射，然后激光垂直照射于喷管的透光面板，激光穿过喷管后，照射于50%分束镜，然后再分为两束，再经过两次反射，产生位置偏移，并发生干涉现象，通过相机记录干涉图样，分析图样可以得到不同的折射率数据，折算成密度数据。光学测量模块通过气液两态的二氧化碳的折射率不同来测量，相机能测量不同的光干涉条纹，然后由相机记录凝结的过程，当相机测得的干涉条纹发生明显变化时，即代表二氧化碳已经开始发生凝结，记录此时的压力、温度、流量等，得出凝结现象的特性，并且此时的压力、温度、流量等参数，作为压缩机内相应传感器的反应阈值，以避免二氧化碳凝结影响制冷效率。

10、进一步地，所述高压储气罐连接有用于压力控制的恒压模块。恒压模块连接在高压储气罐的出口，可以控制柱塞泵加压和停止，用于将二氧化碳的状态维持在高压，恒压模块包括压力传感器。

11、进一步地，所述被动回收罐的出口连接有用于设备泄压的真空泵。真空泵用于测试结束后对整个试验设备的吹扫，并将二氧化碳收集便于后续的重复使用，同时避免污染环境。

12、进一步地，所述二氧化碳常压储气罐与柱塞泵之间设置有阀门开关一，高压储气罐的进出口连接处分别设置有阀门开关二、阀门开关三，喷管与被动回收罐之间设置有阀门开关四，真空泵的进口处连接有用于抽真空的阀门开关五、用于放空的阀门开关六。阀门开关作为开关可以控制二氧化碳的流速，将试验设备分为前端测试部分和末尾吹扫部分，并且可以在测量时对各个部分的测量部件进行分割，使二氧化碳处于实验所需的高压或者常压状态。

13、进一步地，使用跨临界均质二氧化碳试验设备改善制冷效率的方法，步骤如下：

14、（1）关闭阀门开关二和阀门开关六，打开其余阀门开关，用真空泵调整二氧化碳凝结测试单元内的压力到合适的压力；

15、（2）关闭全部阀门开关，打开阀门开关一，将二氧化碳常压储气罐中的二氧化碳通过柱塞泵加压到设定值并注入高压储气罐，并通过恒温模块、恒压模块控制高压储气罐内二氧化碳的温度和压力；

16、（3）先关闭所有阀门开关，再打开阀门开关三、阀门开关四，二氧化碳由高压储气罐流向被动回收罐，通过质量流量计、进口温度测量模块、出口温度测量模块、压力测量模块及光学测量模块测量并记录二氧化碳凝结时产生的液滴位置、液滴尺寸，得出二氧化碳凝结的流量、压力及温度等临界条件；

17、（4）通过真空泵将多余二氧化碳抽出，真空泵的可调压力区间从正压到负压均可；

18、（5）在压缩机内设置温度和压力传感器，并在二氧化碳制冷循环系统设置二氧化碳流量计，所述温度和压力传感器、二氧化碳流量计均与控制系统连接，当压缩机内的温度、压力、流量达到步骤所测得的二氧化碳凝结的临界条件时，通过控制系统调整压缩机的运行功率或通过流量阀调节二氧化碳的流量，以避免出现二氧化碳凝结。

19、本发明的试验设备通过直接采集跨临界二氧化碳凝结现象的特性参数，避免了相似模化方法模拟超临界二氧化碳的流动工况与实际运行工况存在差异的技术问题，并且在压缩机内设定相对应的温度和压力传感器、流量计等传感器，将采集跨临界二氧化碳凝结现象的特性参数作为压缩机内各传感器元件的反应阈值，通过调节压缩机内的温度和压力、流量等并避免凝结现象发生，可以有效提升压缩机的制冷效率，设备实用性强。