啤酒機制冷系統(tǒng)制冷劑充注量的確定方法

胡漢華

引言

為了降低成本，簡化制冷系統(tǒng)結構同時為保證系統(tǒng)可靠運行啤酒冷卻機的制冷系統(tǒng)采用毛細管進行節(jié)流，但因毛細管屬不可調節(jié)的節(jié)流元件，為此制冷系統(tǒng)中制冷劑充注量對系統(tǒng)性能特別是制冷量影響很大.制冷劑加入量過多或過少都是不利的。制冷劑量不足使蒸發(fā)器未完全充滿，蒸發(fā)壓力降低，壓縮機吸氣過熱度增加，因此蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)和制冷量都減?。涣硪环矫嬷评鋭┝窟^多時，將導致冷凝器的有效傳熱面積減少，引起冷凝溫度和壓力升高，引起制冷量下降和能耗增加。對于一般的家用制冷器具每個公司都有自己的一套經驗做法，大多數(shù)以實驗方法為主，但較費時費力。而有些文獻介紹的利用經驗公式計算，但經驗公式通用性不強，準確程度差。在新產品開發(fā)過程中，制冷劑充注量的確定成了實驗工作量最大的環(huán)節(jié)，約占全部實驗工作量的40%。因此，如能以計算的方法確定充注量，以實驗加以驗證，在生產中將有相當大的應用價值。

1、制冷劑充注量對系統(tǒng)性能的影響

對于毛細管內經和長度一定的制冷系統(tǒng)，為達到最大的能效比，制冷劑的充注量有一個最佳值。制冷劑在壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等熱力設備中進行壓縮，放熱、節(jié)流和吸熱四個主要過程，以完成制冷循環(huán)。圖1是理論的制冷循環(huán)壓焊圖上的表示，從圖中我們可以知道理論制冷系數(shù)為ε=（h1-h3）/（h2-h1）。當制冷劑充注量偏多時實際循環(huán)由1-2-4-5-1變成為1-2′-4′-5′-1，如圖2所示。由于制冷劑過量造成冷凝器中存有大量制冷劑液體占據冷凝換熱面積，造成換熱效果差冷凝溫度升高、冷凝壓力升高，同時將會造成壓縮機排氣壓力（冷凝壓力）升高，壓縮機負荷及耗電量增大，壓縮機的理論功耗由Wc變?yōu)閃c′=h2′-h1>h2-h1，而制冷劑單位質量制冷能力q0變?yōu)閝0′=h1-h5′< h1-h5，在其他條件不變的情況下，壓縮機的制冷量減少，系統(tǒng)的能效比下降。由于制冷劑過多造成壓縮機吸入大量的液態(tài)制冷劑造成液擊，極其容易引起壓縮機的損壞，影響制冷效果，系統(tǒng)運行工況惡劣，嚴重時將有事故發(fā)生的可能！系統(tǒng)中的制冷劑充注量過少，最突出的問題是蒸發(fā)器的供液量不足，使得蒸發(fā)壓力由Pe下降倒Pe′，制冷量下降，壓縮機的壓縮比（或壓力差）增加，效率降低，排氣和運轉溫度增高，制冷溫度下降緩慢或根本不下降，耗電量增加。循環(huán)成為1′—2′—4—5′—1′.系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作，平均制冷量很小。

圖3 制冷劑過少的制冷循環(huán)

2、制冷劑充注量的計算

圖4表示制冷劑充注量和制冷量的關系，我們從圖中發(fā)現(xiàn)當系統(tǒng)的制冷量達到最大時，必然有一個最佳的制冷劑量和之匹配。制冷劑注入量的精確計算，迄今還沒有得到很好解決，目前歸納起來有以下幾種方法：（1）經驗估算法：按照制冷系統(tǒng)各容器容積乘以不同系數(shù)，相加后為系統(tǒng)內的充注容系統(tǒng)充注質量可根據下述公式計算：

m=νρ

式中m——系統(tǒng)內充注制冷劑的質量，單位為kg；

ν——系統(tǒng)內充注的容積，單位為m3；

ρ——制冷劑在充注溫度下的密度，單位為kg/m3。

（2）觀察法：這種方法是在壓縮機運行的情況下邊充制冷劑，邊檢查充注壓力，邊觀察蒸發(fā)器的結霜情況、冷凝器的溫度、低壓吸氣管的溫度、壓縮機的運轉電流等。直到蒸發(fā)器全部結霜，壓縮機的運轉電流不超過額定電流時，就停止充制冷劑。

（3）經驗公式法：這種方法是經過長期的實踐工作得出來的，在一定條件下使用較準確，一般使用以下公式計算：

m——系統(tǒng)內充注制冷劑的質量，單位為g；

Vn---蒸發(fā)器內部容積，單位為cm3；

Vk---冷凝器內部體積，單位為cm3。

（4）額定工況計算法：是根據制冷劑在制冷系統(tǒng)內的不同狀態(tài)，查出它的密度和液體及蒸氣所占容積的比例，然后按運行時各容器的狀態(tài)算出其質量。

2.1啤酒冷卻機中制冷劑充注量的計算

啤酒冷卻機的負荷是不穩(wěn)定，特別是剛開始連續(xù)放啤酒的時候，需要的制冷量較大，而在低流量的情況下，則不需要太多的制冷量，因此必須在回氣管上加設了汽液分離器或在冷凝器后加設儲液筒，用來調節(jié)系統(tǒng)的制冷量。如圖5所示。這樣一來既可以避免壓縮機汽缸的液擊，同時也可以保證足夠的制冷量。

圖5 啤酒制冷劑系統(tǒng)示意圖

因此不能用以前的經驗公式來計算方法來確定制冷劑的充注量，必須根據自身特點加以修正，啤酒冷卻機的加液量比一般的小型制冷裝置要大。制冷劑在系統(tǒng)中狀態(tài)不斷變化，根據其狀態(tài)可將系統(tǒng)分幾段，逐段計算出系統(tǒng)各部分的制冷劑量后即可得出充注量.以毛細管節(jié)流的制冷系統(tǒng)，冷凝器中必須存一定的制冷劑液體。為保證系統(tǒng)能在變工況條件下正常工作，當毛細管流量最大時，冷凝器應能保持液封.此時冷凝器中為汽液兩相；相同的蒸發(fā)器中為開始階段為液相，后隨著制冷劑的蒸發(fā)，液態(tài)全部變成氣態(tài)，因此蒸發(fā)器中液為汽液兩相；毫無疑問干燥過濾器中的制冷劑為過冷液態(tài)；在額定狀況下汽液分離器中制冷劑應該是氣態(tài)。因此根據上面的分析我們可以計算出啤酒冷卻機中制冷劑的充注量m。蒸發(fā)器內氣體制冷劑的量：m1；蒸發(fā)器內液體制冷劑的量：m2；冷凝器中氣體制冷劑的量：m3冷凝器中液態(tài)制冷劑的量：m4；干燥過濾器中的液態(tài)制冷劑的量：m5；汽液分離器中的氣態(tài)制冷劑的量：m6；因此啤酒冷卻機中所需制冷劑的充注量為m=m1+m2+m3+m4+m5+m6。啤酒冷卻機的工況是：過冷度為5，過熱度為20，制冷劑為R134a。通過查壓焓圖和熱力性質表中得到所需的參數(shù)。25時，液態(tài)制冷劑密度0.82827*10-3 m3/kg，氣態(tài)制冷劑密度為0.030723m3/kg；時，液態(tài)制冷劑密度，氣態(tài)制冷劑密度為；蒸發(fā)器入口制冷劑的干度，出口干度為1，因此蒸發(fā)器內制冷劑的平均干度為。而冷凝器內的干度取平均經驗值。得到制冷劑的充注量為m=m1+m2+m3+m4+m5+m6=0.7*0.01*Vn+0.3*1.3275* Vn+0.85*0.059* Vk+0.15*1.1215* Vk+0.01*Vs+1.1475*Vd=0.40525Vn+0.218375Vk+0.01Vs+1.15Vd（kg）

考慮到系統(tǒng)中必須有的連接管路和潤滑油中容有的制冷劑給上式添加一個合適的系數(shù)k，將會使計算得出的充注量更加合理和可操作性。經過大量的實驗得出k=1.05，即啤酒冷卻機制冷劑的充注量為m=1.05（0.40525Vn+0.218375Vk+0.01Vs+1.15Vd）（kg）

3、驗證與結論

應用上述計算方法，對V-100系列啤酒冷卻機進行實驗和驗證，得出計算誤差為3.5%，充注量優(yōu)化實驗僅進行2次，時間與費用均大幅下降。由以上討論可得出如下結論：1）制冷劑充注量與制冷量之間存在最佳匹配關系，且制冷量最大時能效比最高。2）用計算的方法確定充注量，準確程度高，能減少70%的實驗工作量。

（作者單位：浙江心連心電器有限公司）