小型制冷系統(tǒng)中吸氣管-毛細管回?zé)崞魈匦詫嶒炑芯?/h1>
2015-09-01 06:45:26劉桂信李偉釗河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院焦作4540032河南新飛電器有限公司新技術(shù)研發(fā)中心新鄉(xiāng)453000
制冷學(xué)報 2015年5期
盛 偉 劉桂信 李 飛 李偉釗（河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 焦作 454003；2河南新飛電器有限公司新技術(shù)研發(fā)中心 新鄉(xiāng) 453000）
小型制冷系統(tǒng)中吸氣管-毛細管回?zé)崞魈匦詫嶒炑芯?/p>
盛 偉1，2劉桂信1李 飛1李偉釗1
（1河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院焦作454003；2河南新飛電器有限公司新技術(shù)研發(fā)中心新鄉(xiāng)453000）
由吸氣管與毛細管熱交換形成的回?zé)崞鲗π⌒椭评溲b置的制冷性能有著重要影響。目前，回?zé)崞髦饕幸韵滤姆N類型：毛細管外穿式、鋁箔覆蓋式、銅錫焊式、毛細管內(nèi)穿式。結(jié)合理論分析，實驗研究了制冷裝置采用不同類型回?zé)崞鲿r毛細管進出口溫度、吸氣管進出口溫度、蒸發(fā)器溫度以及壓縮機吸排氣溫度對其工作性能的影響。結(jié)果表明，從換熱性能上看，毛細管內(nèi)穿式回?zé)崞髋c銅錫焊式回?zé)崞鞯男阅芑鞠嗤瑥闹评溲b置總體制冷性能上看，毛細管內(nèi)穿式回?zé)崞鲀?yōu)于銅錫焊式，且比毛細管外穿式及鋁箔覆蓋式回?zé)崞魍葪l件下單位容積制冷量提高17.4％，采用毛細管內(nèi)穿式回?zé)崞饔欣谔岣呦到y(tǒng)的制冷性能。
回?zé)崞?；性能測試；毛細管；小型制冷裝置
在冰箱、展示柜等小型制冷裝置中，往往把毛細管與吸氣管纏繞一起進行熱交換（以下簡稱回?zé)崞鳎?，目的是起到冷熱交換作用、提高過冷度，減輕因制冷劑略多或者設(shè)定溫度低而引起的吸氣管結(jié)霜的作用，使吸氣管溫度升高，提高壓縮機效率及安全?；?zé)崞餍阅艿暮脡闹苯佑绊懙叫⌒椭评溲b置的性能，回?zé)崞髯龅貌磺‘?dāng)，會產(chǎn)生以下問題：1）制冷劑不能充分過冷，在液態(tài)制冷劑管路中出現(xiàn)閃發(fā)氣體；2）吸氣溫度降低，使吸氣管結(jié)霜；3）壓縮機的壓比增大，降低壓縮機熱效率；4）變工況時調(diào)節(jié)能力變?nèi)?，降低系統(tǒng)制冷系數(shù)。
學(xué)者對毛細管計算模型［1-2］、內(nèi)部流動特性［3］及相關(guān)實驗［4-5］已有較深入的研究；對于毛細管與吸氣管組成的回?zé)崞餍阅埽瑒⒁娌诺龋?-7］給出了回?zé)崞髅毠艿挠嬎隳Ｐ图皟?nèi)部流動特性；吳曉敏等［8］、陳燕燕等［9］、夏宇棟等［10］、向立平等［11］、陳曦等［12］分別給出了回?zé)崞餍阅艿挠绊懸蛩丶皵?shù)值計算。國外學(xué)者［13-17］對回?zé)崞髅毠芗盎責(zé)崞餍阅苓M行了深入研究。上述文獻表明：關(guān)于單獨毛細管以及回?zé)崞髅毠軆?nèi)部流動計算、特性以及相關(guān)實驗研究已經(jīng)進行得非常深入，對回?zé)崞餍阅艿挠绊懠皵?shù)值分析也做了很多工作。但是對于毛細管與吸氣管組成的不同類型回?zé)崞餍阅軐Ρ鹊难芯坎]有相關(guān)報導(dǎo)。
目前，毛細管與吸氣管回?zé)崞髦饕兴姆N方式：毛細管外穿式回?zé)崞鳎╟apillary wear type）、鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳎╝luminum foil cover type）、銅錫焊式回?zé)崞鳎╟opper and tin welding type）和毛細管內(nèi)穿式回?zé)崞鳎╟apillary inside pipe type）。很多小型制冷裝置生產(chǎn)廠家對回?zé)崞鞯纳a(chǎn)僅憑經(jīng)驗進行加工，對回?zé)崞鞯男阅軟]有從理論上并結(jié)合實驗進行精確驗證，從而導(dǎo)致設(shè)備運行精度不高、增加系統(tǒng)損耗等問題。針對目前市場上現(xiàn)有的四種回?zé)崞黝愋?，結(jié)合實驗對其性能進行驗證分析，指出各自性能的優(yōu)缺點，為生產(chǎn)企業(yè)使用這類回?zé)崞骷捌湓谛⌒椭评溲b置中的應(yīng)用提供參考。
1 理論分析
裝有回?zé)崞鞯睦碚撝评溲h(huán)之T-S圖如圖1所示。其中循環(huán)1-1′-2′-3-3′-4′-1為裝有回?zé)崞鞯闹评溲h(huán)，1-1′和3-3′表示回?zé)徇^程。
圖1 具有回?zé)嵫h(huán)的制冷循環(huán)T-S圖和p-h圖Fig.1 T-S diagram and p-h diagram of refrigeration cycle with regenerative cycle
1）在無熱量損失的條件下，回?zé)徇^程熱平衡關(guān)系為：
式中：Δq0為回?zé)嵫h(huán)單制冷量的增加量，kW；h3-h3′為液體放出的過冷熱量，kW，在T-S圖上以面積4-4′-5′-5-4表示；h1′-h1為蒸氣吸收的過熱量，kW，在T-S圖上以面積1′-1-6-6′-1′表示；Δqh為回?zé)釤崃?，kW。
2）單位制冷量（單位質(zhì)量制冷量）q0′：
式中：cp為定壓比熱容，J/（kg.℃）；hw為汽化潛熱，J/mol。根據(jù)滑遜方程得：
式中：n=0.38；對比溫度Tr=T3/Tc；標(biāo)準(zhǔn)沸點下的對比溫度Tb，r=Tb/Tc；Tc為臨界溫度，℃；hb為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的汽化潛熱，J/mol。hb可由特魯頓定律［18］得：
式中：k為過程指數(shù)，假設(shè)制冷劑為理想氣體，則k稱為絕熱指數(shù)，Z1=1。
3）單位容積制冷量qv′：
式中：v1′為單位體積，m3；R為氣體常數(shù)，J/（mol.K）。
2 設(shè)備系統(tǒng)及過程
該實驗裝置由蒸氣壓縮式制冷循環(huán)裝置、測量裝置組成，如圖2所示。制冷系統(tǒng)中的制冷劑經(jīng)過壓縮機壓縮成高溫高壓的過熱蒸氣后，輸送至冷凝器，通過冷凝器冷凝散熱后形成的制冷劑液體經(jīng)毛細管限流降壓進入蒸發(fā)器。來自毛細管的兩相混合物在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，從被冷卻介質(zhì)中吸收所需的汽化熱，達到制取冷量的目的。該制冷系統(tǒng)在毛細管進口、出口及吸氣管進口、出口處，安裝了截止閥以方便更換不同種類的回?zé)崞?。溫度通過標(biāo)定好的銅鏮銅熱電偶測量。
圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Scheme of experiment equipment
2.1實驗設(shè)備和儀器
制冷機組（型號JZAE9430，功率497 W），蒸發(fā)器（型號LZG01-4A，翅片式換熱器，尺寸：1000 mm× 300 mm×300 mm），電子天平（JM5002，精度0.01 g），溫度測試模塊ADAM6018一個，測溫?zé)犭娕迹ㄐ吞枺篧RC，顯示精度：0.01℃），PC機一臺。
2.2實驗工況
通過測試軟件，在環(huán)境溫度為20±0.8℃條件下，對四種回?zé)崞鳟a(chǎn)品在同一制冷裝置中的性能進行測試。分別測得安裝四種不同回?zé)崞鳟a(chǎn)品后制冷裝置的毛細管進出口溫度（T1，T2）、吸氣管進出口溫度（T4，T5）、蒸發(fā)器進口溫度（T3）、壓縮機吸、排氣溫度（T7，T8）及冷柜內(nèi)部溫度（T6）。監(jiān)測記錄實驗數(shù)據(jù)，并對實驗結(jié)果進行對比、計算和分析。
2.3實驗過程
保證四種回?zé)崞鞯拿毠荛L度、吸氣管長度、管徑、環(huán)境溫度相同的條件下，在實驗裝置的相應(yīng)位置布置溫度測點以監(jiān)測溫度變化的情況；為了實驗過程中分析問題的方便，分別對上述回?zé)崞鬟M行編號，如圖3所示。其中，毛細管外穿式回?zé)崞鳎╟apillary wear type），編號為1；鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳎╝luminum foil cover type），編號為2；銅錫焊式回?zé)崞鳎╟opper and tin welding type），編號為3；毛細管內(nèi)穿式回?zé)崞鳎╟apillary inside pipe type），編號為4。對應(yīng)實驗次序為第一組、第二組、第三組、第四組；對每組回?zé)崞鬟M行性能測試。啟動制冷裝置，每2 min采集毛細管進出口溫度、吸氣管進出口溫度、蒸發(fā)器進口溫度、壓縮機吸氣溫度和排氣溫度，觀察記錄實驗過程現(xiàn)象。
3 實驗結(jié)果及分析
3.1毛細管進、出口溫度
圖4和圖5分別為每種回?zé)崞髟趯嶒炑b置中毛細管進、出口溫度隨時間的變化情況。
由圖4可知，毛細管進口溫度隨時間的變化趨勢由大到小依次為T2＞T1=T3＞T4。
由圖5可知，毛細管出口溫度隨時間的變化趨于穩(wěn)定的過程中，溫度由高到低依次為T2＞T1＞T4＞T3。毛細管出口溫度的高低決定蒸發(fā)器進口溫度大小，進而決定冷柜內(nèi)溫度的大小，溫度越低，其效率越高。實驗數(shù)據(jù)表明，第三組和第四組毛細管的出口溫度低于第一組和第二組的出口溫度。
3.2吸氣管進、出口溫度
圖6～圖8所示分別為實驗裝置中吸氣管進、出口溫度隨時間的變化情況。
由圖6可知，吸氣管進口溫度隨時間的變化趨于穩(wěn)定的過程中，溫度由高到低依次為T1＞T2＞T3＞T4。吸氣管進口溫度與柜內(nèi)溫度成正比，如圖9所示，柜內(nèi)溫度隨時間的變化趨于穩(wěn)定的過程中，溫度由高到低依次為T1＞T2＞T3＞T4。
圖3 四種回?zé)崞鲗嵨飯DFig.3 Four type actual object of regenerator
由圖7可知，吸氣管出口溫度隨時間的變化近似為T1=T2=T3=T4。在同一出口溫度下，進口溫度越小說明其換熱性能越好，溫差可以反映換熱情況。
由圖8可知，吸氣管進、出口溫差隨時間的變化趨于穩(wěn)定的過程中，溫度由高到低依次為T4＞T3＞T2＞T1。即在吸氣管換熱性能方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗椋好毠軆?nèi)穿式回?zé)崞?、銅錫焊式回?zé)崞?、鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳌⒚毠芡獯┦交責(zé)崞?。在冷柜?nèi)制冷效果方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗椋好毠軆?nèi)穿式回?zé)崞?、銅錫焊式回?zé)崞鳌X箔覆蓋式回?zé)崞?、毛細管外穿式回?zé)崞鳌?/p>
圖4 毛細管進口溫度Fig.4 Capillary inlet temperature
圖5 毛細管出口溫度Fig.5 Capillary outlet temperature
圖6 吸氣管進口溫度Fig.6 Inlet temperature of suction pipe
圖7 吸氣管出口溫度Fig.7 Outlet temperature of suction pipe
圖8 吸氣管進出口溫差Fig.8 Import and export temperature difference of suction pipe
圖9 冷柜內(nèi)部溫度Fig.9 Internal temperature of the air-conditioner
3.3壓縮機吸、排氣溫度
圖10和圖11所示分別為實驗裝置中壓縮機吸、排氣溫度隨時間的變化情況。
從圖中可以看出，各組實驗的吸排氣溫度雖然有所不同，但變化幅度并不大，說明裝有不同回?zé)崞鲿r制冷系統(tǒng)均運行穩(wěn)定，無管道堵塞現(xiàn)象，冷凝器溫度及壓縮機消耗功率基本相同。
圖10 壓縮機吸氣溫度Fig.10 Suction temperature of compressor
圖11 壓縮機排氣溫度Fig.11 Exhaust temperature of compressor
圖12 單位容積制冷量Fig.12 Volumetric refrigeration capacities
3.4單位容積制冷量
圖12所示為裝有不同回?zé)崞鲿r單位容積制冷量隨時間變化的情況，由圖可以看出：單位容積制冷量隨著時間的增長趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)達到穩(wěn)定時，單位容積制冷量由大到小進行比較依次為q4＞q3＞q1＞q2，單位容積制冷量即指總制冷量，在保證具有相同制冷量的條件下，其大小反映出壓縮機的尺寸大小，單位容積制冷量越小，購置設(shè)備的費用越大。在同一臺壓縮機提供制冷量時，會隨著蒸發(fā)溫度的降低而下降，從所測得的蒸發(fā)溫度來看，4種回?zé)崞鞯恼舭l(fā)溫度變化幅度不大，故制冷量越大，表明制冷效果越好。
4 結(jié)論
通過對四種回?zé)崞鳟a(chǎn)品的性能進行實驗對比分析研究，可以得出以下結(jié)論：
1）在毛細管換熱性能方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗椋恒~錫焊式回?zé)崞?、毛細管?nèi)穿式回?zé)崞?、毛細管外穿式回?zé)崞?、鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳌?/p>
2）在吸氣管換熱性能方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗椋好毠軆?nèi)穿式回?zé)崞?、銅錫焊式回?zé)崞?、鋁箔覆蓋式回?zé)崞?、毛細管外穿式回?zé)崞鳌?/p>
3）在冷柜內(nèi)制冷效果方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗椋好毠軆?nèi)穿式回?zé)崞?、銅錫焊式回?zé)崞?、鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳌⒚毠芡獯┦交責(zé)崞鳌?/p>
4）在單位容積制冷量方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗椋好毠軆?nèi)穿式回?zé)崞?、銅錫焊式回?zé)崞?、毛細管外穿式回?zé)崞鳌X箔覆蓋式回?zé)崞鳌?/p>
綜上所述：在同一實驗條件下，在換熱性能方面，毛細管內(nèi)穿式回?zé)崞髋c銅錫焊式回?zé)崞鞯男阅芑鞠嗤?，鋁箔覆蓋式回?zé)崞髋c毛細管外穿式回?zé)崞餍阅芑鞠嗤?，且前兩者要好于后兩者。在制冷裝置總體制冷性能方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判蛞来螢椋好毠軆?nèi)穿式回?zé)崞?、銅錫焊式回?zé)崞?、鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳌⒚毠芡獯┦交責(zé)崞鳌?/p>
［1］趙丹，丁國良，任滔.非絕熱毛細管快速計算方法［J］.制冷學(xué)報，2013，34（2）：38-43.（Zhao Dan，Ding Guoliang，Ren Tao.Fast calculation method for modeling nonadiabatic capmary tube［J］.Journal of Refrigeration，2013，34（2）：38-43.）
［2］孔祥敏，劉何清，王浩.小型空調(diào)裝置毛細管長度計算方法研究［J］.制冷，2013，32（1）：1-6.（Kong Xiangmin，Liu Heqing，Wang Hao.Research on the calculation method of capillary length about small air conditioning equipment［J］.Refrigeration，2013，32（1）：1-6.）
［3］林朝光，陳則韶，胡芃，等.冰箱毛細管內(nèi)流動特性的研究［J］.流體機械，2000，28（10）：42-46.（Lin Zhaoguang，Chen Zeshao，Hu Fan，et al.Research on flow characteristics of capillary in refrigerator［J］.Fluid Machinery，2000，28（10）：42-46.）
［4］胡修民，余曉明.風(fēng)冷冷柜中毛細管特性的試驗研究［J］.低溫與超導(dǎo)，2013，41（9）：79-88.（Hu Xiumin，Yu Xiaoming.An experimental study on the application of capillary tube in the air-cooled freezer［J］.Cryogenics and Superconductivity，2013，41（9）：79-88.）
［5］王棟，李蒙，戚利利，等.二氧化碳制冷系統(tǒng)毛細管的設(shè)計及實驗研究［J］.化工學(xué)報，2011，62（10）：2753-2757.（Wang Dong，Li Meng，Qi Lili，et al.Design and experimental study of capillary tube in transcritical carbon dioxide refrigeration system［J］.CIESC Journal，2011，62 （10）：2753-2757.）
［6］劉益才，楊智輝，郭方中.冰箱回?zé)崦毠苡嬎隳Ｐ停跩］.華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，35（3）：96-99.（Liu Yicai，Yang Zhihui，Guo Fangzhong.Calculation model for refrigerant capillary tubes in refrigerateors ［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology（Nature Science Edition），2007，35（3）：96-99.）
［7］楊智輝，劉益才，劉振利，等.冰箱回?zé)崦毠軆?nèi)部流動特性研究［J］.真空與低溫，2006，12（4）：210-214. （Yang Zhihui，Liu Yicai，Liu Zhenli，et al.Research on flow characteristics of the refrigerator non-adiabatic capillary［J］.Vacuum&Cryogenics，2006，12（4）：210-214.）
［8］吳曉敏，B L Webb，王維城.回?zé)崞鲗χ评湎到y(tǒng)性能的影響［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報，2001，23（3）：247-250. （Wu Xiaomin，B L Webb，Wang Weicheng.Effects of suction line heat exchanger on performance of refrigeration system［J］.Journal of University of Shanghai for Science and Technology，2001，23（3）：247-250.）
［9］陳燕燕，羅二倉，戴巍.影響回?zé)崞鲹Q熱的各參數(shù)討論［J］.工程熱物理學(xué)報，2007，28（4）：688-690.（Chen Yanyan，Luo Ercang，Dai Wei.Heat transper characteristics of oscillating-flow regenerators［J］.Journal of Engineering Thermophsics，2007，28（4）：688-690.）
［10］夏宇棟，陳曦，馬詩旻，等.基于格子波爾茲曼方法的回?zé)崞鲾?shù)值模擬［J］.低溫工程，2012（5）：41-45. （Xia Yudong，Chen Xi，Ma Shimin，et al.Numerial simulation of cryocooler regenerator using Lattice Boltzmann Method（LBM）［J］.Cryogenics，2012（5）：41-45.）
［11］向立平，曹小林，席占利，等.回?zé)崞鲗χ评溲h(huán)性能影響的研究［J］.制冷與空調(diào)（四川），2005（4）：38-42. （Xiang Liping，Cao Xiaolin，Xi Zhanli，et al.A theoretical investigation on the performance of refrigeration system with liquid-suctin heat exchargers［J］.Refrigeration&Air Conditioning，2005（4）：38-42.）
［12］陳曦，郭永飛，張華，等.回?zé)崾降蜏刂评錂C用回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)研究綜述［J］.制冷學(xué)報，2011，32（3）：6-14. （Chen Xi，Guo Yongfei，Zhang Hua，et al.Review of Investigation on regenerator for regenerative cryocoolers［J］. Journal of Refrigeration，2011，32（3）：6-14.）
［13］Martins L S，Ordonez J C，Vargas J V C，et al.Thermodynamic optimization of a regenerator heat exchanger［J］. Applied Thermal Engineering，2012，45/46：42-51.
［14］E Natarajan，K Pitchandi.Thermodynamic optimization of periodic regenerative heat exchanger［J］.World Academy of Science，Engineering and Technology，2009，56：509-517.
［15］Hermes C J L，Melo C，Knabben F T.Algebraic solution of capillary tube flows.Part II：Capillary tube suction line heat exchangers［J］.Applied Thermal Engineering，2010，30（6/7）：770-775.
［16］Yang C，Bansal P K.Numerical investigation of capillary tube-suction line heat exchanger performance［J］.Applied Thermal Engineering，2005，25（13）：2014-2018.
［17］Madsen P K，Wang G.Numerical analysis of chocked refrigerant flow in capillary tubes［J］.Applied Thermal Engineering，2004，24：851-863.
［18］Drees H，Zwicker A.制冷裝置［M］.徐家駒，譯.北京：機械工業(yè)出版社，1988：55-56.
Performance Analysis of Small Refrigerating Regenerators
Sheng Wei1，2Liu Guixin1Li Fei1Li Weizhao1
（1.College of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，454003，China；2.New Technology Research Center，Henan Frestech Electrical Co.，Ltd.，Xinxiang，453000，China）
Heat regenerator formed by capillary and suction pipe has an important influence on the performance of small refrigeration equipment.At present，there are four main types of regenerator：capillary wear type，aluminum foil cover type，copper and tin welding type，capillary inside pipe type.Combining with theoretical analysis，the refrigeration performance of regenerator was experimentally studied by capillary inlet and outlet temperature，suction pipe inlet and outlet temperature，evaporator temperature and discharge temperature of compressor suction.The results show that，wear inside the capillary regenerator and copper tin welding type regenerator have the same performance in heat transfer performance.However，the refrigerating capacity per unit of swept volume of capillary inside pipe type regenerator was 17.4％higher than that of capillary wear type and aluminum foil cover type regenerator under the same conditions.The performance of refrigerator can be improved by using capillary inside pipe type regenerator.
heat regenerator；performance test；capillary；small refrigeration device
TB657；TQ051.5
A
0253-4339（2015）05-0081-06
10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.081
2015年11月10日
簡介
盛偉，男，博士，副教授，河南理工大學(xué)，（0391）3987546，E-mail：weisean@163.com。研究方向：制冷新技術(shù)理論與應(yīng)用。About the corresponding author
Sheng Wei，male，Ph.D./associate professor，Hennan Polytechnic University，+86 391-3987546，E-mail：weisean@163.com. Research fields：the new refrigeration technology theory and application.
猜你喜歡
減少#1爐再熱器減溫水使用量電子樂園·下旬刊(2022年5期)2022-05-13 20:42:21 火電廠鍋爐再熱器聯(lián)絡(luò)管裂紋分析及處理中國特種設(shè)備安全(2022年1期)2022-04-26 14:16:24 毛細管氣相色譜法測定3-氟-4-溴苯酚云南化工(2020年11期)2021-01-14 00:50:54 汽水分離再熱器安全閥維修標(biāo)定試驗研究中國特種設(shè)備安全(2019年4期)2019-05-20 09:55:42 谷物冷卻機運行特性研究糧食與飼料工業(yè)(2017年2期)2017-03-08 07:48:05 空調(diào)器制冷量不確定度評定環(huán)境技術(shù)(2016年4期)2016-09-22 03:50:20 超聲萃取-毛細管電泳測定土壤中磺酰脲類除草劑雜草學(xué)報(2015年2期)2016-01-04 14:58:05 毛細管氣相色譜法測定自釀葡萄酒中甲醇的含量中藥與臨床(2015年5期)2015-12-17 02:39:28 基于Regen3.3的45K斯特林制冷機分層結(jié)構(gòu)回?zé)崞鞯膬?yōu)化真空與低溫(2015年4期)2015-06-18 10:47:22 更 正低溫與特氣(2014年1期)2014-03-29 01:02:46
盛 偉 劉桂信 李 飛 李偉釗（河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 焦作 454003；2河南新飛電器有限公司新技術(shù)研發(fā)中心 新鄉(xiāng) 453000）
小型制冷系統(tǒng)中吸氣管-毛細管回?zé)崞魈匦詫嶒炑芯?/p>
盛 偉1，2劉桂信1李 飛1李偉釗1
（1河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院焦作454003；2河南新飛電器有限公司新技術(shù)研發(fā)中心新鄉(xiāng)453000）
由吸氣管與毛細管熱交換形成的回?zé)崞鲗π⌒椭评溲b置的制冷性能有著重要影響。目前，回?zé)崞髦饕幸韵滤姆N類型：毛細管外穿式、鋁箔覆蓋式、銅錫焊式、毛細管內(nèi)穿式。結(jié)合理論分析，實驗研究了制冷裝置采用不同類型回?zé)崞鲿r毛細管進出口溫度、吸氣管進出口溫度、蒸發(fā)器溫度以及壓縮機吸排氣溫度對其工作性能的影響。結(jié)果表明，從換熱性能上看，毛細管內(nèi)穿式回?zé)崞髋c銅錫焊式回?zé)崞鞯男阅芑鞠嗤瑥闹评溲b置總體制冷性能上看，毛細管內(nèi)穿式回?zé)崞鲀?yōu)于銅錫焊式，且比毛細管外穿式及鋁箔覆蓋式回?zé)崞魍葪l件下單位容積制冷量提高17.4％，采用毛細管內(nèi)穿式回?zé)崞饔欣谔岣呦到y(tǒng)的制冷性能。
回?zé)崞?；性能測試；毛細管；小型制冷裝置
在冰箱、展示柜等小型制冷裝置中，往往把毛細管與吸氣管纏繞一起進行熱交換（以下簡稱回?zé)崞鳎?，目的是起到冷熱交換作用、提高過冷度，減輕因制冷劑略多或者設(shè)定溫度低而引起的吸氣管結(jié)霜的作用，使吸氣管溫度升高，提高壓縮機效率及安全?；?zé)崞餍阅艿暮脡闹苯佑绊懙叫⌒椭评溲b置的性能，回?zé)崞髯龅貌磺‘?dāng)，會產(chǎn)生以下問題：1）制冷劑不能充分過冷，在液態(tài)制冷劑管路中出現(xiàn)閃發(fā)氣體；2）吸氣溫度降低，使吸氣管結(jié)霜；3）壓縮機的壓比增大，降低壓縮機熱效率；4）變工況時調(diào)節(jié)能力變?nèi)?，降低系統(tǒng)制冷系數(shù)。
學(xué)者對毛細管計算模型［1-2］、內(nèi)部流動特性［3］及相關(guān)實驗［4-5］已有較深入的研究；對于毛細管與吸氣管組成的回?zé)崞餍阅埽瑒⒁娌诺龋?-7］給出了回?zé)崞髅毠艿挠嬎隳Ｐ图皟?nèi)部流動特性；吳曉敏等［8］、陳燕燕等［9］、夏宇棟等［10］、向立平等［11］、陳曦等［12］分別給出了回?zé)崞餍阅艿挠绊懸蛩丶皵?shù)值計算。國外學(xué)者［13-17］對回?zé)崞髅毠芗盎責(zé)崞餍阅苓M行了深入研究。上述文獻表明：關(guān)于單獨毛細管以及回?zé)崞髅毠軆?nèi)部流動計算、特性以及相關(guān)實驗研究已經(jīng)進行得非常深入，對回?zé)崞餍阅艿挠绊懠皵?shù)值分析也做了很多工作。但是對于毛細管與吸氣管組成的不同類型回?zé)崞餍阅軐Ρ鹊难芯坎]有相關(guān)報導(dǎo)。
目前，毛細管與吸氣管回?zé)崞髦饕兴姆N方式：毛細管外穿式回?zé)崞鳎╟apillary wear type）、鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳎╝luminum foil cover type）、銅錫焊式回?zé)崞鳎╟opper and tin welding type）和毛細管內(nèi)穿式回?zé)崞鳎╟apillary inside pipe type）。很多小型制冷裝置生產(chǎn)廠家對回?zé)崞鞯纳a(chǎn)僅憑經(jīng)驗進行加工，對回?zé)崞鞯男阅軟]有從理論上并結(jié)合實驗進行精確驗證，從而導(dǎo)致設(shè)備運行精度不高、增加系統(tǒng)損耗等問題。針對目前市場上現(xiàn)有的四種回?zé)崞黝愋?，結(jié)合實驗對其性能進行驗證分析，指出各自性能的優(yōu)缺點，為生產(chǎn)企業(yè)使用這類回?zé)崞骷捌湓谛⌒椭评溲b置中的應(yīng)用提供參考。
1 理論分析
裝有回?zé)崞鞯睦碚撝评溲h(huán)之T-S圖如圖1所示。其中循環(huán)1-1′-2′-3-3′-4′-1為裝有回?zé)崞鞯闹评溲h(huán)，1-1′和3-3′表示回?zé)徇^程。
圖1 具有回?zé)嵫h(huán)的制冷循環(huán)T-S圖和p-h圖Fig.1 T-S diagram and p-h diagram of refrigeration cycle with regenerative cycle
1）在無熱量損失的條件下，回?zé)徇^程熱平衡關(guān)系為：
式中：Δq0為回?zé)嵫h(huán)單制冷量的增加量，kW；h3-h3′為液體放出的過冷熱量，kW，在T-S圖上以面積4-4′-5′-5-4表示；h1′-h1為蒸氣吸收的過熱量，kW，在T-S圖上以面積1′-1-6-6′-1′表示；Δqh為回?zé)釤崃?，kW。
2）單位制冷量（單位質(zhì)量制冷量）q0′：
式中：cp為定壓比熱容，J/（kg.℃）；hw為汽化潛熱，J/mol。根據(jù)滑遜方程得：
式中：n=0.38；對比溫度Tr=T3/Tc；標(biāo)準(zhǔn)沸點下的對比溫度Tb，r=Tb/Tc；Tc為臨界溫度，℃；hb為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的汽化潛熱，J/mol。hb可由特魯頓定律［18］得：
式中：k為過程指數(shù)，假設(shè)制冷劑為理想氣體，則k稱為絕熱指數(shù)，Z1=1。
3）單位容積制冷量qv′：
式中：v1′為單位體積，m3；R為氣體常數(shù)，J/（mol.K）。
2 設(shè)備系統(tǒng)及過程
該實驗裝置由蒸氣壓縮式制冷循環(huán)裝置、測量裝置組成，如圖2所示。制冷系統(tǒng)中的制冷劑經(jīng)過壓縮機壓縮成高溫高壓的過熱蒸氣后，輸送至冷凝器，通過冷凝器冷凝散熱后形成的制冷劑液體經(jīng)毛細管限流降壓進入蒸發(fā)器。來自毛細管的兩相混合物在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，從被冷卻介質(zhì)中吸收所需的汽化熱，達到制取冷量的目的。該制冷系統(tǒng)在毛細管進口、出口及吸氣管進口、出口處，安裝了截止閥以方便更換不同種類的回?zé)崞?。溫度通過標(biāo)定好的銅鏮銅熱電偶測量。
圖2 實驗裝置示意圖Fig.2 Scheme of experiment equipment
2.1實驗設(shè)備和儀器
制冷機組（型號JZAE9430，功率497 W），蒸發(fā)器（型號LZG01-4A，翅片式換熱器，尺寸：1000 mm× 300 mm×300 mm），電子天平（JM5002，精度0.01 g），溫度測試模塊ADAM6018一個，測溫?zé)犭娕迹ㄐ吞枺篧RC，顯示精度：0.01℃），PC機一臺。
2.2實驗工況
通過測試軟件，在環(huán)境溫度為20±0.8℃條件下，對四種回?zé)崞鳟a(chǎn)品在同一制冷裝置中的性能進行測試。分別測得安裝四種不同回?zé)崞鳟a(chǎn)品后制冷裝置的毛細管進出口溫度（T1，T2）、吸氣管進出口溫度（T4，T5）、蒸發(fā)器進口溫度（T3）、壓縮機吸、排氣溫度（T7，T8）及冷柜內(nèi)部溫度（T6）。監(jiān)測記錄實驗數(shù)據(jù)，并對實驗結(jié)果進行對比、計算和分析。
2.3實驗過程
保證四種回?zé)崞鞯拿毠荛L度、吸氣管長度、管徑、環(huán)境溫度相同的條件下，在實驗裝置的相應(yīng)位置布置溫度測點以監(jiān)測溫度變化的情況；為了實驗過程中分析問題的方便，分別對上述回?zé)崞鬟M行編號，如圖3所示。其中，毛細管外穿式回?zé)崞鳎╟apillary wear type），編號為1；鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳎╝luminum foil cover type），編號為2；銅錫焊式回?zé)崞鳎╟opper and tin welding type），編號為3；毛細管內(nèi)穿式回?zé)崞鳎╟apillary inside pipe type），編號為4。對應(yīng)實驗次序為第一組、第二組、第三組、第四組；對每組回?zé)崞鬟M行性能測試。啟動制冷裝置，每2 min采集毛細管進出口溫度、吸氣管進出口溫度、蒸發(fā)器進口溫度、壓縮機吸氣溫度和排氣溫度，觀察記錄實驗過程現(xiàn)象。
3 實驗結(jié)果及分析
3.1毛細管進、出口溫度
圖4和圖5分別為每種回?zé)崞髟趯嶒炑b置中毛細管進、出口溫度隨時間的變化情況。
由圖4可知，毛細管進口溫度隨時間的變化趨勢由大到小依次為T2＞T1=T3＞T4。
由圖5可知，毛細管出口溫度隨時間的變化趨于穩(wěn)定的過程中，溫度由高到低依次為T2＞T1＞T4＞T3。毛細管出口溫度的高低決定蒸發(fā)器進口溫度大小，進而決定冷柜內(nèi)溫度的大小，溫度越低，其效率越高。實驗數(shù)據(jù)表明，第三組和第四組毛細管的出口溫度低于第一組和第二組的出口溫度。
3.2吸氣管進、出口溫度
圖6～圖8所示分別為實驗裝置中吸氣管進、出口溫度隨時間的變化情況。
由圖6可知，吸氣管進口溫度隨時間的變化趨于穩(wěn)定的過程中，溫度由高到低依次為T1＞T2＞T3＞T4。吸氣管進口溫度與柜內(nèi)溫度成正比，如圖9所示，柜內(nèi)溫度隨時間的變化趨于穩(wěn)定的過程中，溫度由高到低依次為T1＞T2＞T3＞T4。
圖3 四種回?zé)崞鲗嵨飯DFig.3 Four type actual object of regenerator
由圖7可知，吸氣管出口溫度隨時間的變化近似為T1=T2=T3=T4。在同一出口溫度下，進口溫度越小說明其換熱性能越好，溫差可以反映換熱情況。
由圖8可知，吸氣管進、出口溫差隨時間的變化趨于穩(wěn)定的過程中，溫度由高到低依次為T4＞T3＞T2＞T1。即在吸氣管換熱性能方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗椋好毠軆?nèi)穿式回?zé)崞?、銅錫焊式回?zé)崞?、鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳌⒚毠芡獯┦交責(zé)崞?。在冷柜?nèi)制冷效果方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗椋好毠軆?nèi)穿式回?zé)崞?、銅錫焊式回?zé)崞鳌X箔覆蓋式回?zé)崞?、毛細管外穿式回?zé)崞鳌?/p>
圖4 毛細管進口溫度Fig.4 Capillary inlet temperature
圖5 毛細管出口溫度Fig.5 Capillary outlet temperature
圖6 吸氣管進口溫度Fig.6 Inlet temperature of suction pipe
圖7 吸氣管出口溫度Fig.7 Outlet temperature of suction pipe
圖8 吸氣管進出口溫差Fig.8 Import and export temperature difference of suction pipe
圖9 冷柜內(nèi)部溫度Fig.9 Internal temperature of the air-conditioner
3.3壓縮機吸、排氣溫度
圖10和圖11所示分別為實驗裝置中壓縮機吸、排氣溫度隨時間的變化情況。
從圖中可以看出，各組實驗的吸排氣溫度雖然有所不同，但變化幅度并不大，說明裝有不同回?zé)崞鲿r制冷系統(tǒng)均運行穩(wěn)定，無管道堵塞現(xiàn)象，冷凝器溫度及壓縮機消耗功率基本相同。
圖10 壓縮機吸氣溫度Fig.10 Suction temperature of compressor
圖11 壓縮機排氣溫度Fig.11 Exhaust temperature of compressor
圖12 單位容積制冷量Fig.12 Volumetric refrigeration capacities
3.4單位容積制冷量
圖12所示為裝有不同回?zé)崞鲿r單位容積制冷量隨時間變化的情況，由圖可以看出：單位容積制冷量隨著時間的增長趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)達到穩(wěn)定時，單位容積制冷量由大到小進行比較依次為q4＞q3＞q1＞q2，單位容積制冷量即指總制冷量，在保證具有相同制冷量的條件下，其大小反映出壓縮機的尺寸大小，單位容積制冷量越小，購置設(shè)備的費用越大。在同一臺壓縮機提供制冷量時，會隨著蒸發(fā)溫度的降低而下降，從所測得的蒸發(fā)溫度來看，4種回?zé)崞鞯恼舭l(fā)溫度變化幅度不大，故制冷量越大，表明制冷效果越好。
4 結(jié)論
通過對四種回?zé)崞鳟a(chǎn)品的性能進行實驗對比分析研究，可以得出以下結(jié)論：
1）在毛細管換熱性能方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗椋恒~錫焊式回?zé)崞?、毛細管?nèi)穿式回?zé)崞?、毛細管外穿式回?zé)崞?、鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳌?/p>
2）在吸氣管換熱性能方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗椋好毠軆?nèi)穿式回?zé)崞?、銅錫焊式回?zé)崞?、鋁箔覆蓋式回?zé)崞?、毛細管外穿式回?zé)崞鳌?/p>
3）在冷柜內(nèi)制冷效果方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗椋好毠軆?nèi)穿式回?zé)崞?、銅錫焊式回?zé)崞?、鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳌⒚毠芡獯┦交責(zé)崞鳌?/p>
4）在單位容積制冷量方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗椋好毠軆?nèi)穿式回?zé)崞?、銅錫焊式回?zé)崞?、毛細管外穿式回?zé)崞鳌X箔覆蓋式回?zé)崞鳌?/p>
綜上所述：在同一實驗條件下，在換熱性能方面，毛細管內(nèi)穿式回?zé)崞髋c銅錫焊式回?zé)崞鞯男阅芑鞠嗤?，鋁箔覆蓋式回?zé)崞髋c毛細管外穿式回?zé)崞餍阅芑鞠嗤?，且前兩者要好于后兩者。在制冷裝置總體制冷性能方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判蛞来螢椋好毠軆?nèi)穿式回?zé)崞?、銅錫焊式回?zé)崞?、鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳌⒚毠芡獯┦交責(zé)崞鳌?/p>
［1］趙丹，丁國良，任滔.非絕熱毛細管快速計算方法［J］.制冷學(xué)報，2013，34（2）：38-43.（Zhao Dan，Ding Guoliang，Ren Tao.Fast calculation method for modeling nonadiabatic capmary tube［J］.Journal of Refrigeration，2013，34（2）：38-43.）
［2］孔祥敏，劉何清，王浩.小型空調(diào)裝置毛細管長度計算方法研究［J］.制冷，2013，32（1）：1-6.（Kong Xiangmin，Liu Heqing，Wang Hao.Research on the calculation method of capillary length about small air conditioning equipment［J］.Refrigeration，2013，32（1）：1-6.）
［3］林朝光，陳則韶，胡芃，等.冰箱毛細管內(nèi)流動特性的研究［J］.流體機械，2000，28（10）：42-46.（Lin Zhaoguang，Chen Zeshao，Hu Fan，et al.Research on flow characteristics of capillary in refrigerator［J］.Fluid Machinery，2000，28（10）：42-46.）
［4］胡修民，余曉明.風(fēng)冷冷柜中毛細管特性的試驗研究［J］.低溫與超導(dǎo)，2013，41（9）：79-88.（Hu Xiumin，Yu Xiaoming.An experimental study on the application of capillary tube in the air-cooled freezer［J］.Cryogenics and Superconductivity，2013，41（9）：79-88.）
［5］王棟，李蒙，戚利利，等.二氧化碳制冷系統(tǒng)毛細管的設(shè)計及實驗研究［J］.化工學(xué)報，2011，62（10）：2753-2757.（Wang Dong，Li Meng，Qi Lili，et al.Design and experimental study of capillary tube in transcritical carbon dioxide refrigeration system［J］.CIESC Journal，2011，62 （10）：2753-2757.）
［6］劉益才，楊智輝，郭方中.冰箱回?zé)崦毠苡嬎隳Ｐ停跩］.華中科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2007，35（3）：96-99.（Liu Yicai，Yang Zhihui，Guo Fangzhong.Calculation model for refrigerant capillary tubes in refrigerateors ［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology（Nature Science Edition），2007，35（3）：96-99.）
［7］楊智輝，劉益才，劉振利，等.冰箱回?zé)崦毠軆?nèi)部流動特性研究［J］.真空與低溫，2006，12（4）：210-214. （Yang Zhihui，Liu Yicai，Liu Zhenli，et al.Research on flow characteristics of the refrigerator non-adiabatic capillary［J］.Vacuum&Cryogenics，2006，12（4）：210-214.）
［8］吳曉敏，B L Webb，王維城.回?zé)崞鲗χ评湎到y(tǒng)性能的影響［J］.上海理工大學(xué)學(xué)報，2001，23（3）：247-250. （Wu Xiaomin，B L Webb，Wang Weicheng.Effects of suction line heat exchanger on performance of refrigeration system［J］.Journal of University of Shanghai for Science and Technology，2001，23（3）：247-250.）
［9］陳燕燕，羅二倉，戴巍.影響回?zé)崞鲹Q熱的各參數(shù)討論［J］.工程熱物理學(xué)報，2007，28（4）：688-690.（Chen Yanyan，Luo Ercang，Dai Wei.Heat transper characteristics of oscillating-flow regenerators［J］.Journal of Engineering Thermophsics，2007，28（4）：688-690.）
［10］夏宇棟，陳曦，馬詩旻，等.基于格子波爾茲曼方法的回?zé)崞鲾?shù)值模擬［J］.低溫工程，2012（5）：41-45. （Xia Yudong，Chen Xi，Ma Shimin，et al.Numerial simulation of cryocooler regenerator using Lattice Boltzmann Method（LBM）［J］.Cryogenics，2012（5）：41-45.）
［11］向立平，曹小林，席占利，等.回?zé)崞鲗χ评溲h(huán)性能影響的研究［J］.制冷與空調(diào)（四川），2005（4）：38-42. （Xiang Liping，Cao Xiaolin，Xi Zhanli，et al.A theoretical investigation on the performance of refrigeration system with liquid-suctin heat exchargers［J］.Refrigeration&Air Conditioning，2005（4）：38-42.）
［12］陳曦，郭永飛，張華，等.回?zé)崾降蜏刂评錂C用回?zé)崞鹘Y(jié)構(gòu)研究綜述［J］.制冷學(xué)報，2011，32（3）：6-14. （Chen Xi，Guo Yongfei，Zhang Hua，et al.Review of Investigation on regenerator for regenerative cryocoolers［J］. Journal of Refrigeration，2011，32（3）：6-14.）
［13］Martins L S，Ordonez J C，Vargas J V C，et al.Thermodynamic optimization of a regenerator heat exchanger［J］. Applied Thermal Engineering，2012，45/46：42-51.
［14］E Natarajan，K Pitchandi.Thermodynamic optimization of periodic regenerative heat exchanger［J］.World Academy of Science，Engineering and Technology，2009，56：509-517.
［15］Hermes C J L，Melo C，Knabben F T.Algebraic solution of capillary tube flows.Part II：Capillary tube suction line heat exchangers［J］.Applied Thermal Engineering，2010，30（6/7）：770-775.
［16］Yang C，Bansal P K.Numerical investigation of capillary tube-suction line heat exchanger performance［J］.Applied Thermal Engineering，2005，25（13）：2014-2018.
［17］Madsen P K，Wang G.Numerical analysis of chocked refrigerant flow in capillary tubes［J］.Applied Thermal Engineering，2004，24：851-863.
［18］Drees H，Zwicker A.制冷裝置［M］.徐家駒，譯.北京：機械工業(yè)出版社，1988：55-56.
Performance Analysis of Small Refrigerating Regenerators
Sheng Wei1，2Liu Guixin1Li Fei1Li Weizhao1
（1.College of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，454003，China；2.New Technology Research Center，Henan Frestech Electrical Co.，Ltd.，Xinxiang，453000，China）
Heat regenerator formed by capillary and suction pipe has an important influence on the performance of small refrigeration equipment.At present，there are four main types of regenerator：capillary wear type，aluminum foil cover type，copper and tin welding type，capillary inside pipe type.Combining with theoretical analysis，the refrigeration performance of regenerator was experimentally studied by capillary inlet and outlet temperature，suction pipe inlet and outlet temperature，evaporator temperature and discharge temperature of compressor suction.The results show that，wear inside the capillary regenerator and copper tin welding type regenerator have the same performance in heat transfer performance.However，the refrigerating capacity per unit of swept volume of capillary inside pipe type regenerator was 17.4％higher than that of capillary wear type and aluminum foil cover type regenerator under the same conditions.The performance of refrigerator can be improved by using capillary inside pipe type regenerator.
heat regenerator；performance test；capillary；small refrigeration device
TB657；TQ051.5
A
0253-4339（2015）05-0081-06
10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.081
2015年11月10日
簡介
盛偉，男，博士，副教授，河南理工大學(xué)，（0391）3987546，E-mail：weisean@163.com。研究方向：制冷新技術(shù)理論與應(yīng)用。About the corresponding author
Sheng Wei，male，Ph.D./associate professor，Hennan Polytechnic University，+86 391-3987546，E-mail：weisean@163.com. Research fields：the new refrigeration technology theory and application.
猜你喜歡
電子樂園·下旬刊(2022年5期)2022-05-13 20:42:21
中國特種設(shè)備安全(2022年1期)2022-04-26 14:16:24
云南化工(2020年11期)2021-01-14 00:50:54
中國特種設(shè)備安全(2019年4期)2019-05-20 09:55:42
糧食與飼料工業(yè)(2017年2期)2017-03-08 07:48:05
環(huán)境技術(shù)(2016年4期)2016-09-22 03:50:20
雜草學(xué)報(2015年2期)2016-01-04 14:58:05
中藥與臨床(2015年5期)2015-12-17 02:39:28
真空與低溫(2015年4期)2015-06-18 10:47:22
低溫與特氣(2014年1期)2014-03-29 01:02:46
