制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置流動特性試驗臺分析

崔朝朝，楊新葉，董兆萍，馬佳慧，鄧文華，張振迎，陳艷華（華北理工大學建工學院，河北唐山063009）

制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置流動特性試驗臺分析

崔朝朝，楊新葉，董兆萍，馬佳慧，鄧文華，張振迎，陳艷華
（華北理工大學建工學院，河北唐山063009）

試驗研究是進行節(jié)流裝置流動特性研究的重要手段，研制高效實用的節(jié)流裝置試驗臺顯得非常重要。本文對傳統(tǒng)制冷循環(huán)試驗臺、液環(huán)節(jié)流裝置試驗臺、開式制冷節(jié)流裝置試驗臺三種制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置流動特性試驗臺流程進行了分析和比較，以期為以后節(jié)流裝置流動特性試驗臺的研發(fā)提供參考。

制冷；節(jié)流裝置；流動特性；試驗臺

1　引言

節(jié)流裝置是制冷系統(tǒng)中最重要的部件之一，節(jié)流裝置與系統(tǒng)其他主要部件的良好匹配是改善系統(tǒng)運行并適應系統(tǒng)負荷變化的基礎。研究者多從改進控制算法出發(fā)力求提高系統(tǒng)的匹配效果，進而降低能耗，促進系統(tǒng)高效運行。試驗研究是進行節(jié)流裝置流動特性研究的重要手段，研制節(jié)流裝置流動特性試驗臺顯得非常重要。本文對傳統(tǒng)制冷循環(huán)試驗臺、液環(huán)節(jié)流裝置試驗臺、開式制冷節(jié)流裝置試驗臺三種制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置流動特性試驗系統(tǒng)進行了分析。

2　傳統(tǒng)制冷循環(huán)試驗臺

傳統(tǒng)制冷循環(huán)試驗臺模擬一個完整的實際制冷循環(huán)，工質在由壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器等構成的閉式系統(tǒng)中連續(xù)循環(huán)流動。為便于控制節(jié)流裝置測試段的進出口條件，如溫度、壓力、過冷度等，加裝過冷器、電加熱器等。這種試驗系統(tǒng)的特點是直觀體現(xiàn)工質在實際制冷空調系統(tǒng)中節(jié)流裝置內的流動特性以及節(jié)流裝置與系統(tǒng)的匹配特性，但由于壓縮機排氣參數(shù)的波動，使得測試段進出口工況的穩(wěn)定過渡時間較長，穩(wěn)定性差；同時由于制冷劑的特性不同，導致測試不同制冷劑流動特性需要配置不同的試驗壓縮機，造成系統(tǒng)的設備成本成倍增長；不能模擬純制冷劑（無油）的節(jié)流裝置流動特性，同時更換制冷劑時要采用不同潤滑油來保證運動部件的正常運行，這樣存在管路和換熱器清洗不便的缺點。

文獻［1，2］通過圖1所示的試驗臺研究跨臨界二氧化碳節(jié)流短管的流動特性。實驗臺是在CO2汽車空調系統(tǒng)性能試驗臺的基礎上改造而成，該系統(tǒng)包含了壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流裝置四大部件，其實質為一傳統(tǒng)的風冷制冷循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)由3個回路構成:①包括節(jié)流裝置測試段的制冷劑回路；②蒸發(fā)器室溫、濕度及風量控制回路；③氣冷器側溫度、風量調節(jié)回路。節(jié)流裝置的入口處設一個過濾器，用來濾除系統(tǒng)中的雜質，防止堵塞測試段的測壓孔。為了更準確的模擬實際系統(tǒng)，設計系統(tǒng)時沒有安裝油分離器，因此系統(tǒng)中潤滑油的存在對節(jié)流元件流動特性的影響無法進行定量研究。測試段入口壓力通過調節(jié)壓縮機的轉速實現(xiàn)，旁通管路設一個手動針型調節(jié)閥，便于精確的調節(jié)試驗段上游壓力。節(jié)流元件入口溫度通過調節(jié)氣冷器迎面風速及溫度實現(xiàn)。節(jié)流裝置測試元件出口壓力通過調節(jié)旁通支路的手動閥進行粗調，當下游壓力接近設計壓力時，調節(jié)蒸發(fā)器的風量和溫度，直到下游壓力達到設計要求。

文獻［3-5］搭建了如圖2所示的試驗臺流程來測量R134a制冷系統(tǒng)中節(jié)流短管的流動特性。該系統(tǒng)包括三個主要的循環(huán):制冷劑循環(huán)，循環(huán)熱水和冷水循環(huán)。制冷劑循環(huán)包括壓縮機、冷凝器、短管、蒸發(fā)器四大部件和油分離器、高低壓儲液器、干燥過濾器、過冷器等附件。壓縮機由電動馬達驅動，通過逆變器改變電機的轉速以改變制冷劑流量。油分離器用來使?jié)櫥偷挠绊懡档偷阶钚?，油分離的效率可達99%。實驗中使用循環(huán)熱水和循環(huán)冷水分別平衡蒸發(fā)器和冷凝器的熱量。電加熱器和制冷系統(tǒng)安裝在水箱內以控制水溫。節(jié)流裝置測試段的上游壓力通過調整冷水的溫度來實現(xiàn)，下游壓力通過調整控制熱水的溫度和流量來實現(xiàn)。節(jié)流裝置入口制冷劑的過冷度通過調節(jié)再冷卻器的水的流量來實現(xiàn)。

圖1　傳統(tǒng)風冷節(jié)流裝置試驗系統(tǒng)流程圖

3　液環(huán)節(jié)流裝置試驗臺

傳統(tǒng)的制冷循環(huán)試驗臺流程中制冷劑僅在冷凝器及其后一段管路范圍內處于液相，其余設備和管路中均處于氣相，而在液環(huán)節(jié)流裝置試驗臺中，制冷劑僅在節(jié)流裝置后至低壓換熱器內處于氣相，其余設備和管路中的制冷劑均為液相，即試驗臺流程中大部分制冷劑處于液態(tài)，液態(tài)制冷劑首尾相接構成一個環(huán)路。

文獻［6-9］搭建了液環(huán)節(jié)流裝置流動特性試驗臺。試驗系統(tǒng)流程圖如圖3所示，主要由主回路（制冷劑循環(huán)系統(tǒng)）、制冷系統(tǒng)、熱水循環(huán)系統(tǒng)、乙二醇溶液循環(huán)系統(tǒng)、操作控制臺等幾個部分組成。主回路是試驗臺的核心系統(tǒng)，主要由磁力泵、低壓換熱器、高壓換熱器、儲液器、測試部分等組成。制冷劑在由變頻器控制的磁力泵作用下，改變流量和升高壓力，進入高壓換熱器后，被來自熱水循環(huán)系統(tǒng)的熱水加熱，使換熱器出口處制冷劑的溫度達到節(jié)流裝置前的設定溫度（此溫度與實際制冷系統(tǒng)冷凝器出口的制冷劑溫度相對應）。而后此高溫高壓制冷劑液體經(jīng)節(jié)流裝置測試段節(jié)流閃發(fā)，由于磁力泵入口要求必須是液體，因此在節(jié)流裝置測試段的后面設置了低壓換熱器來冷凝節(jié)流裝置出口制冷劑中的氣態(tài)成分。低壓換熱器一側為制冷劑，一側為低溫乙二醇液體。磁力泵入口設置儲液器，其作用主要有:①作氣液分離器使用，用于將冷凝后的制冷劑液滴加以分離，保證磁力泵入口為全液體；②調節(jié)主回路中制冷劑的循環(huán)量，保證主回路各組成部件的正常運行。

液環(huán)節(jié)流裝置試驗臺的優(yōu)點為:主回路中循環(huán)介質只有制冷劑，無潤滑油，換熱器易于清洗，可進行各種制冷劑在同一節(jié)流裝置中流動特性的研究；循環(huán)介質在大部分管路中處于液態(tài)，系統(tǒng)易于控制，工況易于穩(wěn)定，且測試工況較廣；節(jié)流裝置是可自由拆卸的測試部分，可進行節(jié)流短管、毛細管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等各種節(jié)流裝置的研究；循環(huán)路徑短，換熱器熱負荷小，設備購置費用與運行費用均大大降低。

圖2　傳統(tǒng)水冷節(jié)流裝置試驗系統(tǒng)流程圖

圖3　液環(huán)節(jié)流裝置試驗系統(tǒng)流程圖

4　開式制冷節(jié)流裝置試驗臺

開式制冷節(jié)流裝置試驗系統(tǒng)又稱單流通過型，此種系統(tǒng)只模擬并控制節(jié)流裝置的進出口工況。一般在節(jié)流裝置上游設一高壓儲液罐，下游設一低壓儲液罐，通過加熱、冷卻裝置分別控制兩個罐內工質的溫度和壓力，達到所要求的節(jié)流裝置進出口工況后，工質從高壓罐流出，經(jīng)過節(jié)流裝置節(jié)流降壓后，進入低壓罐，這樣就完成了一個測試工況。當大部分工質流入低壓罐后，再通過工質泵或其他方式將工質返回到高壓罐，重新建立工況，準備下一輪測試。這種試驗臺的特點是機械部件少，易于在大范圍內控制節(jié)流裝置的入、出口工況，快速達到并保持穩(wěn)態(tài)流動，可避免油污染。缺點是需要較多的制冷劑充注量以獲得穩(wěn)定的運行時間，成本較高。

文獻［10］搭建了一開式制冷節(jié)流裝置試驗系統(tǒng)，試驗系統(tǒng)流程如圖4所示。整個試驗臺系統(tǒng)主要包括制冷劑提供罐、控制閥、節(jié)流裝置測試部分、流量計、回收罐、變壓器、電加熱器、窺鏡、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等部件構成。制冷劑提供罐設置自耦變壓器和電阻加熱器來使得制冷劑保持在要求的壓力或溫度下，液態(tài)制冷劑通過提供罐底部的管路進入測試環(huán)路。將制冷劑回收罐放在室溫或冰水中，使之維持在設定的低壓水平，節(jié)流裝置的下游壓力通過控制閥來調節(jié)。節(jié)流裝置入口的制冷劑過冷度通過纏繞在測試段前端管路的加熱器功率來控制。在測試部分前安裝了質量流量計來測量流量，測試部分的壓力表和流量計可以記錄所需的實驗數(shù)據(jù)。

圖4　開式節(jié)流裝置試驗系統(tǒng)流程圖

5　結語

本文對節(jié)流短管內制冷劑的流動特性試驗臺的設計進行了分析，比較了傳統(tǒng)制冷循環(huán)試驗臺、液環(huán)節(jié)流裝置試驗臺、開式節(jié)流裝置試驗臺三種制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置流動特性試驗臺的流程及其優(yōu)缺點。傳統(tǒng)制冷循環(huán)試驗系統(tǒng)能直觀體現(xiàn)工質在實際制冷系統(tǒng)中節(jié)流裝置內的流動特性以及節(jié)流裝置與系統(tǒng)的匹配特性，但存在穩(wěn)定性差、流量范圍有限、管路和換熱器清洗不便等缺點；液環(huán)法節(jié)流裝置試驗系統(tǒng)制冷劑和流量適用范圍較廣，測試工況易于穩(wěn)定，管路和換熱器清洗方便，運行費用較低，但為了實現(xiàn)其循環(huán)還需另外設一臺制冷循環(huán)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)較復雜而且工況調節(jié)與匹配過程較難；開式節(jié)流裝置試驗系統(tǒng)機械部件少，易于在大范圍內控制節(jié)流裝置的入、出口工況，快速達到并保持穩(wěn)態(tài)流動，可避免油污染，但存在制冷劑充注量高、回收困難等缺點。本文將為以后節(jié)流裝置流動特性試驗臺的研發(fā)和搭建提供參考。

［1］Chen J.P.，Liu J.P.，Chen Z.J.，et al.Trans-critical R744 and two-phase flow through short tube orifices［J］. International Journal of Thermal Sciences，2004，43 （6）:623-630

［2］陳江平，劉軍樸，金紀峰，等.跨臨界CO2節(jié)流短管流量特性實驗研究［J］.上海交通大學學報，2006，39，（8）:1214-1217

［3］Nilpueng K.，Wongwises S.Choked flow mechanism of HFC-134a flowing through short-tube orifices［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2011，35（2）: 347-354

［4］Nilpueng K.，Wongwises S.Experimental investigation of two-phase flow characteristics of HFC-134a through short-tube orifices［J］.International Journal of Refrigeration，2009，32（5）:854-864

［5］Nilpueng K.，Supavarasuwat C.，Wongwises S.Flow pattern，mass flow rate，pressure distribution，and temperature distribution of two-phase flow of HFC-134a inside short-tube orifices［J］.International Journal of Refrigeration，2009，32（8）:1864-1875

［6］張川，馬善偉，陳江平，等.電子膨脹閥節(jié)流機構流量特性的實驗研究［J］.上海交通大學學報，2006，40（2）:291-296

［7］張保青.電子膨脹閥流量特性試驗臺的研制［D］.上海:上海交通大學，2004

［8］張保青，馬善偉，張川，等.節(jié)流機構流量特性試驗臺的研制［J］.流體機械，2004，32（8）:54-56

［9］Kim S.，Kim M.，Ro S.Experimental investigation of the performance of R22，R407C and R410A in several capillary tubes for air-conditioners［J］.International Journal of Refrigeration 2002，25（5）:521-531

［10］Tu X.，Hrnjak P.S.，Bullard C.W.Refrigerant 134a liquid flow through micro-scale short tube orifices with/ without phase change［J］.Experimental Thermal and Fluid Science 2006，30（3）:253-262

Experimental systems of Throttling Device Flow Characteristics in Refrigeration System

CUIZhaozhao，YANG Xinye，DONG Zhaoping，MA Jiahui，DENGWenhua，ZHNAG Zhenying，CHEN Yanhua
（School of Civil and Architecture Engineering，North China University of science and technology，Tangshan 063009）

The experimentalstudy is an importantmeans of investigating throttling device flow characteristics.It is of significance to develop an efficientand practical throttling device experimental system.In this paper，three throttling device experimental systems，such as the traditional refrigeration cycle experimental system，liguid-ring throttling device experimental system and open uniflow throttling device experimental system are analyzed.It is expected to be illuminating for the developmentof the throttle device flow characteristic experimental system in the future.

Refrigeration；Throttling device；Flow characteristic；Experimental system

TB61

A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.015

ISSN1005-9180（2016）02-077-04

2016-1-22

華北理工大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（X2015130）；華北理工大學博士科研啟動基金項目

崔朝朝（1991-），男，本科生。

張振迎。Email:zhangzhenying@ncst.edu.cn