重力再循環(huán)蒸發(fā)器流路優(yōu)化與性能研究

臧潤(rùn)清 趙 東 劉亞哲 劉建勛 張 柱 姬衛(wèi)川

(天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津商業(yè)大學(xué) 冷凍冷藏技術(shù)教育部工程研究中心 天津市制冷技術(shù)工程中心 天津 300134)

重力再循環(huán)蒸發(fā)器流路優(yōu)化與性能研究

臧潤(rùn)清 趙 東 劉亞哲 劉建勛 張 柱 姬衛(wèi)川

(天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津商業(yè)大學(xué) 冷凍冷藏技術(shù)教育部工程研究中心 天津市制冷技術(shù)工程中心 天津 300134)

重力供液再循環(huán)蒸發(fā)器受到工作原理的限制，其流路結(jié)構(gòu)不能借鑒直接膨脹供液系統(tǒng)蒸發(fā)器的流路結(jié)構(gòu)。本文首先闡明了重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器流路的優(yōu)化原則，設(shè)計(jì)了兩種蒸發(fā)器流路結(jié)構(gòu)，其中第一種為重力供液系統(tǒng)常用的流路結(jié)構(gòu)，第二種為經(jīng)過(guò)優(yōu)化的流路結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上搭建了重力再循環(huán)蒸發(fā)器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)優(yōu)化前后的蒸發(fā)器進(jìn)行性能對(duì)比與分析。研究表明，在保溫體溫度一定的情況下，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的蒸發(fā)器因其每個(gè)支路接觸空氣的平均溫度相同，從而能保證并聯(lián)四個(gè)支路制冷劑側(cè)有相同的循環(huán)倍率和相同的平均傳熱溫差，經(jīng)過(guò)優(yōu)化的蒸發(fā)器具有更好的性質(zhì)，尤其在-25 ℃和-20 ℃工況下，第二種(改進(jìn)型)蒸發(fā)器比第一種(傳統(tǒng)型)蒸發(fā)器有更高的單位面積傳熱量，制冷量分別增大60.3%和44.1%，性能系數(shù)分別提高16%和13.8%。

重力供液；蒸發(fā)器流路；蒸發(fā)器性能；再循環(huán)蒸發(fā)器

重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)是通過(guò)熱虹吸作用實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器超倍供液的制冷系統(tǒng)。通過(guò)蒸發(fā)器的超倍供液可以提高蒸發(fā)器制冷劑側(cè)的“潤(rùn)濕度”和流速，從而改善蒸發(fā)器性能。研究表明，通過(guò)再循環(huán)作用無(wú)論是蒸發(fā)器的制冷量還是傳熱系數(shù)都有顯著的提高[1-5]。由于重力再循環(huán)系統(tǒng)蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑液體形成再循環(huán)的特殊性，蒸發(fā)器必須采用下供液上回氣的形式，且蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)管各個(gè)回路由進(jìn)口到出口必須一直保持上升的趨勢(shì)，這種限制使得直接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器的多種蒸發(fā)管流路結(jié)構(gòu)不能應(yīng)用，因此，需要另辟蹊徑，在不違背重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)形成液體制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)再循環(huán)的原理基礎(chǔ)之上優(yōu)化流路結(jié)構(gòu)，從而提高蒸發(fā)器效率。

在蒸發(fā)器蒸發(fā)管流路結(jié)構(gòu)固定下來(lái)之后，重力再循環(huán)蒸發(fā)器的再循環(huán)量是決定其效率的重要因素，而再循環(huán)量則與蒸發(fā)器的供液壓頭、制冷劑的蒸發(fā)溫度、制冷劑種類(lèi)、蒸發(fā)回路阻力和蒸發(fā)管傳入的熱量(熱虹吸動(dòng)力)等有關(guān)。本文重點(diǎn)研究不同制冷溫度對(duì)應(yīng)循環(huán)倍率下蒸發(fā)器蒸發(fā)管流路結(jié)構(gòu)對(duì)蒸發(fā)器蒸發(fā)管傳入熱量的影響，及兩種流路條件下蒸發(fā)器的性能。

1 蒸發(fā)器流路的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了兩種流路的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。第一種以一個(gè)管列為一個(gè)流路，四列并聯(lián)。在使用時(shí)第一列接觸的是用冷單元內(nèi)溫度的空氣，溫度最高，第二列接觸的是經(jīng)第一列冷卻的空氣，第三、四列依次類(lèi)推。也就是按1～4列的前后關(guān)系第一列所接觸的空氣溫度最高，二、三、四列依次降低，第四列所接觸的空氣溫度最低。當(dāng)認(rèn)為蒸發(fā)溫度相同時(shí)，第一列的溫差最大，第二、三、四列依次減小，第四列的溫差最小。

重力再循環(huán)蒸發(fā)器的阻力由三部分組成，分別是氣液兩相流的摩擦壓降Δpmc、制冷劑液體蒸發(fā)所產(chǎn)生的加速壓降Δpjs和氣液兩相流體的靜壓降Δpjy[6-9]。將這三個(gè)壓降展開(kāi)：

(1)

(2)

(3)

式中：fF為氣液兩相流的摩擦阻力系數(shù)；L1為重力再循環(huán)系統(tǒng)的氣液分離器正常液面與蒸發(fā)器進(jìn)口之間的高度差，m;n為蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑供液量與蒸發(fā)量之比(循環(huán)倍率)，D為蒸發(fā)器蒸發(fā)管內(nèi)徑，m;VL為平均蒸發(fā)壓力下的液相比容，m3/kg;Vg為平均蒸發(fā)壓力下的氣相比容，m3/kg;H3為蒸發(fā)器總高度，m;g為重力加速度，m/s2;Gg為氣相的質(zhì)量速度，kg/(m25s);實(shí)際上它是蒸發(fā)器的蒸發(fā)量，可用下式表示：

(4)

式中：Q為蒸發(fā)器的制冷量，W;γ為制冷劑的汽化潛熱，J/kg;A為蒸發(fā)管的斷面積，m2;K為蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)，W/(m25K);F為蒸發(fā)器空氣側(cè)換熱面積，m2;Δt為傳熱溫差，℃;在蒸發(fā)溫度和送風(fēng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量不變的情況下，并列四路所接觸的空氣溫度不同，傳熱溫差Δt也就不同，第一列傳熱溫差最大，二至四列逐漸減小，第四列溫差最小。溫差減小導(dǎo)致氣相的質(zhì)量流速Gg隨之減小，由式(1)和式(2)可知，氣液兩相流的摩擦壓降Δpmc和制冷劑液體蒸發(fā)所產(chǎn)生的加速壓降Δpjs與Gg的二次方成正比，導(dǎo)致Δpmc和Δpjs減小，循環(huán)倍率n增大。實(shí)驗(yàn)表明，循環(huán)倍率增大可以提高蒸發(fā)器的K值，K的增速比較顯著，Δt的減小比較緩慢，二者的乘積是逐漸增大的；當(dāng)n>5時(shí)，隨n的增大，K的增速比較緩慢，Δt的減小比較顯著，二者的乘積是逐漸減小的。因此，對(duì)于n=5的重力再循環(huán)系統(tǒng)，這種蒸發(fā)器的流路設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致蒸發(fā)器的制冷量減少。

從增大蒸發(fā)器制冷量的角度出發(fā)，在保證蒸發(fā)器四個(gè)并聯(lián)支路蒸發(fā)管長(zhǎng)度相同和各支路串聯(lián)管路保持完全上行的基礎(chǔ)上，使得每個(gè)支路接觸空氣的平均溫度相同，就能保證并聯(lián)四個(gè)支路制冷劑側(cè)有相同的n值和相同的Δt。這就是第二種流路蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)原則。由第二種蒸發(fā)器流路設(shè)計(jì)圖可知，每列有8根蒸發(fā)管，每一支路保持8根管不變且在各列中都保持具有2根蒸發(fā)管，只是列上的位置不同，對(duì)每一路而言接觸空氣溫度的平均值是相同的。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)方法與裝置

為了驗(yàn)證兩種流路重力再循環(huán)蒸發(fā)器的工作性能，搭建了空氣側(cè)熱平衡實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置的原理和壓力溫度測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物照片如圖3所示。實(shí)驗(yàn)裝置由保溫體、重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)控制箱、保溫體內(nèi)的電加熱、電動(dòng)調(diào)壓器、數(shù)據(jù)采集儀等組成。

實(shí)驗(yàn)采用空氣側(cè)熱平衡法測(cè)量蒸發(fā)器的制冷量，通過(guò)測(cè)量單位溫差下保溫體傳熱量Q1，保溫體內(nèi)某溫度下平衡制冷系統(tǒng)制冷量的電加熱器的加熱功率Q2和蒸發(fā)器所配風(fēng)機(jī)功率Q3，確定制冷系統(tǒng)的制冷量Q=Q1+Q2+Q3。通過(guò)檢測(cè)制冷壓縮機(jī)的工作電流與電壓確定制冷壓縮機(jī)的輸入功率。

實(shí)驗(yàn)裝置的制冷系統(tǒng)采用泰康3 HP低回壓全封閉風(fēng)冷式壓縮冷凝機(jī)組，制冷劑為R404A。兩種翅片管蒸發(fā)器(紫銅管外套鋁制平翅片)的空氣側(cè)換熱面積都是25 m2，除流路不同外，其余結(jié)構(gòu)完全相同。溫度和壓力采用橫河MX100多路溫度壓力巡檢儀。保溫體外尺寸2.88 m×2.88 m×2.5 m，保溫材料是硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料。

實(shí)驗(yàn)分為五個(gè)工況，分別是保溫體內(nèi)空氣溫度為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃，任何工況下風(fēng)冷式冷凝器的進(jìn)風(fēng)溫度相同。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：運(yùn)行制冷壓縮機(jī)待保溫體內(nèi)空氣溫度降至工況溫度時(shí)開(kāi)啟電加熱器，并改變加熱器電壓直到保溫體內(nèi)空氣溫度恒定1 h，記錄溫度、壓力、電壓、電流等數(shù)據(jù)，記錄時(shí)間為30 min。

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

對(duì)兩種流路的蒸發(fā)器以相同的工況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行期間以肉眼觀察壓縮機(jī)吸氣口沒(méi)有出現(xiàn)回霜現(xiàn)象，且裸露的吸氣閥(沒(méi)有保溫)外表有相同的結(jié)霜狀態(tài)，各測(cè)點(diǎn)的溫度、壓力和電流、電壓均處于正常范圍，溫度為各測(cè)點(diǎn)紫銅管表面的溫度。

2.2.1 溫度

圖4是兩種蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度的變化，基本規(guī)律是低蒸發(fā)溫度條件下二者相差較大，高蒸發(fā)溫度下二者相差較小。第二種蒸發(fā)器能夠提高蒸發(fā)溫度主要在于蒸發(fā)器4個(gè)回路具有相同的傳熱溫差，進(jìn)而保證4個(gè)回路具有一致的循環(huán)倍率。論述這個(gè)問(wèn)題可以參考圖5給予說(shuō)明。例如，當(dāng)保溫體溫度等于-20 ℃、蒸發(fā)器送風(fēng)量相同時(shí)，第二種蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)溫差如圖5所示，對(duì)于第一種蒸發(fā)器這個(gè)參數(shù)也應(yīng)該是相同的，假設(shè)這個(gè)溫差為(t1-t2)，第一種蒸發(fā)器四列管組分配到的溫差分別為(t1-t0)、3(t1-t2)/4-t01、2(t1-t2)/4-t01、(t1-t2)/4-t01，平均傳熱溫差為(10t1-6t2-7t01)，第二種蒸發(fā)器四列管所得到的溫差是相同的都是(t1-t2)/4-t02，將第一種蒸發(fā)器傳熱溫差△t1與第二種蒸發(fā)器傳熱溫差△t2相比，顯然比值是大于1的，也就是第一種蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度低于第二種。

2.2.2 壓力

圖6和圖7兩種蒸發(fā)器吸、排氣壓力的對(duì)比圖。由圖可見(jiàn)，吸氣壓力與蒸發(fā)溫度的規(guī)律有很好的配合，第二種蒸發(fā)器的壓縮機(jī)排氣壓力都高于第一種，且隨制冷溫度的降低，二者的差距逐漸減小，當(dāng)制冷溫度降至-25 ℃時(shí)二者的壓力相同。制冷溫度降低將引起制冷劑液體的密度增大，在重力再循環(huán)系統(tǒng)供液高度不變的情況下，供液壓頭得到提高，蒸發(fā)器內(nèi)的制冷劑循環(huán)倍率增大，循環(huán)倍率增大導(dǎo)致蒸發(fā)溫度升高。由圖4可知，自保溫體內(nèi)溫度為-15 ℃，低于這個(gè)值二者之間的差距縮小，其原因是第一種蒸發(fā)器和第二種蒸發(fā)器循環(huán)倍率的增大幅度是前者大于后者且蒸發(fā)溫度越低差別越小。

排氣壓力決定于制冷壓縮機(jī)工作的背壓(冷凝壓力)和吸氣壓力，雖然實(shí)驗(yàn)是在冷凝器相同進(jìn)風(fēng)溫度下進(jìn)行的，在制冷系統(tǒng)工作期間冷凝壓力仍然會(huì)有變化，并與吸氣壓力共同影響排氣壓力。在制冷溫度高于-15 ℃時(shí)，排氣壓力隨制冷溫度的升高第二種和第一種的差值逐漸拉大，而吸氣壓力二者的平均差值是相當(dāng)?shù)模f(shuō)明第二種蒸發(fā)器隨著制冷溫度的升高，循環(huán)倍率的減小幅度遠(yuǎn)大于第一種蒸發(fā)器，供液壓頭不足以滿足蒸發(fā)器充足的供液，蒸發(fā)器內(nèi)部制冷劑的保有量減少，高壓端制冷劑的保有量增大，導(dǎo)致冷凝壓力升高，排氣壓力隨之升高(這種現(xiàn)象亦說(shuō)明第二種蒸發(fā)器制冷系統(tǒng)的制冷劑量在較高制冷溫度下是顯得過(guò)多的)。在制冷溫度-20～-15 ℃的范圍內(nèi)二者的排氣壓力持平，低于-20 ℃時(shí)第二種低于第一種，此時(shí)，吸氣壓力的變化起了關(guān)鍵的作用。

2.2.3 制冷量和COP

需要說(shuō)明的是，本實(shí)驗(yàn)是在固定蒸發(fā)器供液壓頭下進(jìn)行的，供液壓頭是根據(jù)蒸發(fā)溫度-25 ℃、循環(huán)倍率n=5計(jì)算得到的，蒸發(fā)器在蒸發(fā)溫度-25 ℃上下單位面積傳熱量K△t較大，偏離這個(gè)范圍越遠(yuǎn)，n越小，甚至有小于1的可能，才會(huì)引起制冷量在高制冷溫度下增幅不夠理想。對(duì)于第二種蒸發(fā)器而言，在高制冷溫度下系統(tǒng)制冷劑顯多，引起冷凝/排氣壓力升高造成制冷量減少和功耗增加。如果能夠根據(jù)蒸發(fā)溫度增大供液壓頭，并調(diào)整制冷劑充注量，高制冷溫度下的情況將得到大幅改善。

3 結(jié)論

1)再循環(huán)蒸發(fā)器是泵供液系統(tǒng)和重力再循環(huán)系統(tǒng)具有的特殊結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器，本文所研究的內(nèi)容以均衡各列蒸發(fā)管組傳熱溫差為目標(biāo)，提高蒸發(fā)器性能的思路是正確的，對(duì)于改善再循環(huán)蒸發(fā)器的性能具有顯著的效果。

2)以蒸發(fā)溫度-25 ℃、制冷劑為R404a、循環(huán)倍率n=5計(jì)算確定的重力再循環(huán)系統(tǒng)供液高度，在制冷溫度-25 ℃和-20 ℃條件下，第二種(改進(jìn)型)蒸發(fā)器比第一種(傳統(tǒng)型)蒸發(fā)器有更高的單位面積傳熱量，制冷量分別增大60.3%和44.1%，說(shuō)明這個(gè)供液高度更適用于-25 ℃的制冷溫度。

3)在COP方面，對(duì)于低制冷溫度的研究工作具有意義，理論和實(shí)驗(yàn)都能夠證明COP是有顯著增大的。在高制冷溫度下通過(guò)調(diào)高蒸發(fā)器供液壓頭也應(yīng)該具有COP增大的效果，只是受供液液柱提高蒸發(fā)溫度作用的影響，導(dǎo)致傳熱溫差△t縮小，制冷量的增加幅度減小，COP的增幅也會(huì)減小。

4)第一種蒸發(fā)器所組成的重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)與直接供液膨脹供液制冷系統(tǒng)在參考文獻(xiàn)[10]中做過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，第一種蒸發(fā)器的制冷量比直接膨脹供液在-20 ℃制冷溫度下增大了30%。照此推算，第二種蒸發(fā)器所組成的重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)將比直接膨脹制冷系統(tǒng)提高74%左右。

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About the corresponding author

Zhao Dong,male,master candidate,Key Laboratory of Refrigeration Technology in Tianjin University of Commerce,+86 13302060515,E-mail:qiufo0902@163.com. Research fields:refrigeration system energy conservation and optimization．

Flow Path Optimization and Performance Study on Gravity Recirculation Evaporator

Zang Runqing Zhao Dong Liu Yazhe Liu Jianxun Zhang Zhu Ji Weichuan

(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Refrigeration Engineering Research Center of Ministry of Education, Tianjin Refrigeration Engineering Technology Center, Tianjin, 300134, China)

As gravity-fed recirculation evaporator is restricted by its principles, the structure of its flow path couldn’t be the same as that of the direct expansion cooling system. Firstly, in this paper, the flow path optimal principles of gravity-fed recirculation evaporator have been clarified, and two forms of flow path structures have been designed. The first is a flow path structure which is commonly used in the gravity-fed cooling system, and the second is an optimized flow path structure. A gravity-fed recirculation evaporator experiment platform is built based on the above. The evaporator performances before and after the optimization have been compared and analyzed. Results shows that, when the temperature of the insulation body keeps constant, the same circulation ratio and mean temperature difference can be guaranteed at the refrigerant-side of the four branches in parallel since the mean temperature of the air which contacts each of the branches of the optimized evaporator is the same.It is also shown that the optimized evaporation has a better performance, especially under the low-temperature condition. The second (ie. the optimized) evaporator has a greater heat transfer than the first (ie. the common) one based on per unit area, and the cooling capacity increased 60.3% and 44.1% respectively, and the COP increased 16% and 13.87% respectively for the condition of -25 ℃ and -20 ℃.

gravity-fed recirculation evaporator; flow path; air evaporator performance; recirculation evaporator

0253- 4339(2015) 01- 0101- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.101

2014年6月30日

TB657.5; TB61+1

A

趙東，男，碩士在讀，天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，13302060515，E-mail: qiufo0902@163.com。研究方向：制冷系統(tǒng)節(jié)能及優(yōu)化。