蒸發(fā)盤管內(nèi)制冷劑噴射蒸發(fā)的制冷系統(tǒng)研究

劉 斌　許玉龍　王清偉　段愛(ài)鵬

(天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　天津商業(yè)大學(xué)　300134)

?

蒸發(fā)盤管內(nèi)制冷劑噴射蒸發(fā)的制冷系統(tǒng)研究

劉 斌許玉龍王清偉段愛(ài)鵬

(天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室天津商業(yè)大學(xué)300134)

制冷劑高壓能的利用對(duì)改善制冷系統(tǒng)運(yùn)行有重要意義?；趫?chǎng)協(xié)同理論，提出了一種利用制冷劑在蒸發(fā)管內(nèi)進(jìn)行噴射的新型制冷系統(tǒng)，理論上分析了協(xié)同角隨毛細(xì)管管徑和噴射孔直徑的變化規(guī)律，并進(jìn)行了相關(guān)的可視化實(shí)驗(yàn)。理論分析結(jié)果表明：協(xié)同角隨著噴射孔直徑的增大而增大；隨著毛細(xì)管管徑的減小而減小，但是隨之減小的速率降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：和傳統(tǒng)的毛細(xì)管節(jié)流制冷系統(tǒng)相比，開孔實(shí)驗(yàn)的制冷劑的充注量減少70%以上，COP提高了9%，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間減少了70%。

毛細(xì)管管徑；噴射孔徑；場(chǎng)協(xié)同

制冷系統(tǒng)的效率提高有很多途徑，目前的研究熱點(diǎn)在于利用高壓工質(zhì)的射流沖擊[1]和提高蒸發(fā)器和冷凝器的換熱效率[2]。劉斌等[3]分析了制冷系統(tǒng)中高壓能利用的可能性，認(rèn)為有效利用高壓能可以提高效率60%以上；Lucas C等[4]實(shí)驗(yàn)研究了CO2膨脹系統(tǒng)采用噴嘴提高效率的情況，最大效率可以達(dá)到22%；Hassanain M等[5]認(rèn)為R134a制冷系統(tǒng)采用噴嘴可以提高效率4.7%；Mo S K等[6]研究了CO2的高壓噴射系統(tǒng)；Sag N B等[7]利用熵研究了采用高壓噴嘴對(duì)制冷效率的影響。在換熱器的效率提高方面，更多的是利用場(chǎng)協(xié)同理論分析[8]。Li M J等[9]分析了4種不同換熱器協(xié)同角的變化；Hamid M O A等[10]分析了兩種不同形式換熱器的協(xié)同角的變化； Saha P等[11]用場(chǎng)協(xié)同理論分析了平板換熱器的渦流；Wu J M等[12]用場(chǎng)協(xié)同理論分析了帶渦流產(chǎn)生氣的管翅式換熱器的強(qiáng)化機(jī)理；Habchi C等[13]用場(chǎng)協(xié)同理論分析了渦流中的熵產(chǎn)；He Y L等[14]用場(chǎng)協(xié)同理論分析了換熱器的換熱特性；過(guò)增元等[15-17]重新審視了對(duì)流換熱的物理機(jī)制，提出了強(qiáng)化換熱的場(chǎng)協(xié)同原則；國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者研究表明[18-20]，沖擊射流的影響因素主要有射流工質(zhì)物性和流動(dòng)特性以及噴射孔特性。可以發(fā)現(xiàn)，射流沖擊的利用和提高換熱器的效率這兩項(xiàng)工作是分開的。在本研究中，就是將高壓噴射的利用和協(xié)同角的降低結(jié)合在一起，從而提高制冷系統(tǒng)的效率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模擬

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及蒸發(fā)盤管內(nèi)結(jié)構(gòu)。

1壓縮機(jī) 2冷凝器 3干燥過(guò)濾器 4手動(dòng)截止閥 5毛細(xì)管 6蒸發(fā)盤管 ○T溫度傳感器 ○P壓力傳感器 θ協(xié)同角圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 System diagram

與傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)相比，新系統(tǒng)是將毛細(xì)管直接插入蒸發(fā)盤管，通過(guò)毛細(xì)管上的噴射孔直接將制冷劑高速噴射在盤管上，吸收通過(guò)盤管直接傳遞的熱量氣化。其最大的特點(diǎn)就是將在毛細(xì)管中損失的高壓能轉(zhuǎn)化為速度，直接噴射在蒸發(fā)盤管壁面上，形成擾流，增強(qiáng)換熱。并且由于毛細(xì)管可以與蒸發(fā)盤管等長(zhǎng)，毛細(xì)管上的開孔數(shù)量較多時(shí)，可以在蒸發(fā)盤管壁面上形成一個(gè)均勻的溫度場(chǎng)。

1.2 協(xié)同角的模擬及分析

根據(jù)場(chǎng)協(xié)同理論，對(duì)流換熱過(guò)程中，Nu數(shù)可以用式(1)進(jìn)行表達(dá):

(1)

從上式可以看出，速度流動(dòng)方向和熱流流動(dòng)方向的夾角越小越有利于強(qiáng)化傳熱。

利用COMSOL軟件平臺(tái)，數(shù)值模擬了毛細(xì)管管徑和毛細(xì)管上開孔直徑對(duì)協(xié)同角的影響，圖2為毛細(xì)管上第2個(gè)開孔處協(xié)同角沿蒸發(fā)盤管半徑的發(fā)展過(guò)程。圖2(a)的模擬條件：毛細(xì)管的直徑為2 mm，毛細(xì)管的入口速度為2 m/s，噴射角為90°；圖2(b)的模擬條件：毛細(xì)管的開孔孔徑為0.5 mm，毛細(xì)管的入口速度為2 m/s，噴射角為90°。前后兩孔之間的距離為100 mm。

圖2 協(xié)同角沿蒸發(fā)盤管半徑的發(fā)展趨勢(shì)Fig.2 Synergy angle development along the diameter of evaporator coil

圖2中，橫坐標(biāo)r/R表示為從蒸發(fā)盤管的中心毛細(xì)管開孔位置到壁面的距離。

在噴射過(guò)程中，遠(yuǎn)離壁面的工質(zhì)流動(dòng)和傳熱取決于壁面處的對(duì)流換熱，因此只考察在壁面處的cosθ的變化。從圖2(a)中可以發(fā)現(xiàn)，隨著開孔孔徑的減小，壁面處cosθ在增大，意味著具有更好的換熱效果。主要原因是，當(dāng)其他條件一致時(shí)，孔徑變小，制冷劑噴出的速度就越大，在壁面造成更大擾動(dòng)，破環(huán)壁面層流邊界層，形成更好的混合，所以協(xié)同角越小。從圖2(b)中可以發(fā)現(xiàn)，隨著毛細(xì)管管徑的減小，壁面處cosθ增大，意味著具有更好的換熱效果，但是增加速率在減小，這說(shuō)明毛細(xì)管管徑對(duì)協(xié)同角的影響存在著一定限制。主要原因是，當(dāng)其他條件一致時(shí)，毛細(xì)管管徑變小，制冷劑噴出的速度就越大，在壁面造成更大的擾動(dòng)，破環(huán)壁面的層流邊界層，形成好的混合，所以協(xié)同角越小；但是毛細(xì)管管徑變小時(shí)，制冷劑的流動(dòng)阻力就越大，所消耗的高壓能就越多，噴射出去的制冷劑的速度就會(huì)降低，從而減弱壁面的擾動(dòng)效應(yīng)，相應(yīng)協(xié)同效應(yīng)減小。

2 實(shí)驗(yàn)研究及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)協(xié)同角的模擬，設(shè)計(jì)了一套可視化制冷系統(tǒng)來(lái)分析蒸發(fā)盤管內(nèi)制冷劑噴射蒸發(fā)對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響，如圖3所示。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括壓縮機(jī)NL7.3MF，額定功率500 W；常規(guī)管翅式冷凝器，外殼尺寸為300 mm×90 mm×230 mm；可視化實(shí)驗(yàn)采用Φ46 mm×1.8 mm的單管作蒸發(fā)器，管道長(zhǎng)為1200 mm，換熱面積為0.173 m2；干燥過(guò)濾器為EK-053；制冷工質(zhì)為R134a，回氣壓力控制在0.08 MPa(蒸發(fā)溫度-12.6 ℃)，冷凝溫度為28 ℃。儀器有MX100數(shù)據(jù)采集器、FLIR紅外熱像儀、MK-131壓力變送器和K型熱電偶。開孔方式：從200 mm處開始沿管軸向環(huán)繞開孔，11個(gè)孔均勻分布，相鄰兩孔在圓周方向錯(cuò)開90°，間距為100 mm，開孔大小為Φ0.5 mm。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

1)蒸發(fā)盤管表面溫度

圖4為蒸發(fā)盤管內(nèi)毛細(xì)管噴液和傳統(tǒng)毛細(xì)管供液蒸發(fā)盤管的表面溫度分布圖。

圖4 蒸發(fā)盤管表面溫度隨時(shí)間變化Fig.4 The development of the surface temperature of the evaporator coil vs. time

如圖4(a)所示，內(nèi)置毛細(xì)管實(shí)驗(yàn)中蒸發(fā)管的表面各點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)一致，開機(jī)前分布在19.5～21 ℃，開機(jī)后開始降溫，在300 s時(shí)各點(diǎn)溫度保持穩(wěn)定，并分布在-10～-8.5 ℃之間，溫度分布區(qū)間寬度為1.5 ℃；如圖4(b)所示，傳統(tǒng)方式供液實(shí)驗(yàn)中蒸發(fā)盤管各測(cè)點(diǎn)溫度變化也較為統(tǒng)一，先從開機(jī)前的18～21 ℃降至最低溫度-8.3～-9 ℃，接著先升溫再緩慢降溫，在800 s時(shí)開始維持穩(wěn)定，表面溫度分布在-10～-8 ℃之間，溫度分布區(qū)間寬度為2 ℃，與開孔實(shí)驗(yàn)的分布寬度相差0.5 ℃。

從圖4中可以看出以下3點(diǎn)：

(1)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間分析，內(nèi)置毛細(xì)管噴液的系統(tǒng)需要的時(shí)間為300 s，而傳統(tǒng)系統(tǒng)則需要800 s，主要原因在于這兩種系統(tǒng)的供液方式不同。對(duì)于內(nèi)置毛細(xì)管噴液的系統(tǒng)而言，在毛細(xì)管上開有12個(gè)噴液孔，制冷系統(tǒng)開啟時(shí)，制冷劑通過(guò)毛細(xì)管的噴液幾乎可以同時(shí)布滿蒸發(fā)盤管的表面，同時(shí)氣化吸熱，實(shí)現(xiàn)制冷效應(yīng)。而對(duì)于傳統(tǒng)供液方式的制冷系統(tǒng)，制冷劑從毛細(xì)管節(jié)流進(jìn)入到蒸發(fā)盤管后，需要一定的時(shí)間流過(guò)蒸發(fā)盤管，因此系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)間要更長(zhǎng)。

(2)系統(tǒng)的穩(wěn)定性不同。內(nèi)置毛細(xì)管噴液的系統(tǒng)穩(wěn)定性很好，溫度的波動(dòng)性很小，沒(méi)有出現(xiàn)波動(dòng)。而傳統(tǒng)供液方式的制冷系統(tǒng)在180 s時(shí)出現(xiàn)了一個(gè)低峰，然后再回升，逐漸平衡，波動(dòng)值達(dá)到2.7 ℃。主要原因在于傳統(tǒng)供液方式制冷劑在蒸發(fā)盤管內(nèi)是從毛細(xì)管供液端向出口慢慢流動(dòng)的。在初始階段，蒸發(fā)盤管內(nèi)的制冷劑量較少，在壓縮機(jī)的抽氣作用下，蒸發(fā)盤管內(nèi)壓力下降，導(dǎo)致溫度下降。隨著蒸發(fā)盤管內(nèi)制冷劑越來(lái)越多，壓力回升，逐漸走向平衡。

(3)蒸發(fā)盤管表面溫度均勻性不一樣。系統(tǒng)穩(wěn)定后，內(nèi)置毛細(xì)管噴液制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)盤管表面溫度最大差值為1.5 ℃，而傳統(tǒng)供液制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)盤管表面溫度最大差值為2 ℃。這是與制冷劑在盤管內(nèi)的流動(dòng)方式有關(guān)。圖5顯示了高速相機(jī)拍攝的兩種制冷系統(tǒng)蒸發(fā)盤管內(nèi)的制冷劑流態(tài)。

圖5 制冷劑在蒸發(fā)盤管內(nèi)的流態(tài)Fig.5 The flow state of the refrigerant in the evaporator coil

從圖5中可以看出，內(nèi)置毛細(xì)管噴液制冷系統(tǒng)在盤管內(nèi)所有的內(nèi)壁面都形成了環(huán)狀液膜，而傳統(tǒng)供液制冷系統(tǒng)在盤管內(nèi)壁面中形成了氣液面，在盤管下部是制冷劑液體，而在盤管上部是制冷劑蒸氣，因此溫度的均勻性更差。

從實(shí)驗(yàn)的制冷劑充注量分析，傳統(tǒng)供液方式需要充入R134a共計(jì)665 g；而內(nèi)置毛細(xì)管噴液制冷方式的制冷劑充注量為160 g，減少制冷劑70%以上。

2)壓縮機(jī)功耗

圖6為兩種制冷方式的壓縮機(jī)功耗隨時(shí)間的變化過(guò)程。由圖6可知，毛細(xì)管噴液系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行70 s后，壓縮機(jī)功率即開始穩(wěn)定，維持在400 W左右；而傳統(tǒng)供液系統(tǒng)的壓縮機(jī)功率則一直波動(dòng)，130 s時(shí)達(dá)到一個(gè)低谷值450 W，接著增加到將近490 W，隨后緩慢降低，800 s穩(wěn)定后在436 W左右變動(dòng)。制冷系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，開孔實(shí)驗(yàn)的壓縮機(jī)功率為400 W，而毛細(xì)實(shí)驗(yàn)中的壓縮機(jī)功率為436 W，毛細(xì)實(shí)驗(yàn)較開孔實(shí)驗(yàn)高出9.1%。工況穩(wěn)定后，開孔實(shí)驗(yàn)的蒸發(fā)管平均溫度比毛細(xì)實(shí)驗(yàn)的略低，由于蒸發(fā)器的換熱面積一樣，對(duì)流換熱條件也一樣，可以認(rèn)為開孔實(shí)驗(yàn)的蒸發(fā)器制冷量比毛細(xì)實(shí)驗(yàn)的大。由以上所述，開孔實(shí)驗(yàn)與毛細(xì)實(shí)驗(yàn)相比，制冷量較大而耗功較小，即開孔實(shí)驗(yàn)的制冷效率更高。

圖6 壓縮機(jī)功耗曲線Fig.6 The power curve of the compressor vs. time

3 結(jié)論

利用毛細(xì)管上的開孔來(lái)向蒸發(fā)盤管供液改善了蒸發(fā)盤管內(nèi)制冷劑的協(xié)同角，提高了制冷系統(tǒng)效率。通過(guò)協(xié)同角的模擬分析和實(shí)驗(yàn)研究，可得出以下結(jié)論：

1)通過(guò)模擬對(duì)比2 mm毛細(xì)管管徑時(shí)不同孔徑和0.5 mm孔徑時(shí)不同毛細(xì)管管徑，可以得出協(xié)同角隨著毛細(xì)管上的開孔直徑和毛細(xì)管的直徑減小而變小，但是毛細(xì)管的影響較小。

2)相同實(shí)驗(yàn)條件下，毛細(xì)管開孔供液比傳統(tǒng)供液的制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)盤管的溫度更均勻，波動(dòng)性更小。

3)相同實(shí)驗(yàn)條件下，和傳統(tǒng)供液的制冷系統(tǒng)相比，毛細(xì)管開孔供液制冷系統(tǒng)所需要的制冷劑更少，可以減少70%以上；達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定的時(shí)間更短，系統(tǒng)COP提高9%。

本文受天津市科技支撐(2015N20071)；天津市教委重點(diǎn)(2014ZD01)；天津市科委基金(15JCTPJC64300)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Science and Technology of Tianjin of China (No.2015N20071), the Tianjin Municipal Education Commission (No.2014ZD01) and the Tianjin Municipal Science and Technology Fund Project (No.142CZDNC00016).)

[1]張永恒，周勇，王良璧.圓形沖擊射流傳熱性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].熱科學(xué)與技術(shù)，2006，5(1):38-43.(ZHANG Yongheng, ZHOU Yong, WANG Liangbi. Experimental study on heat transfer performance of circular impinging jet[J].Journal of Thermal Science and Technology，2006，5(1):38-43.)

[2]Guo J, Xu M, Cheng L. The application of field synergy number in shell-and-tube heat exchanger optimization design[J]. Applied Energy, 2009, 86(10): 2079-2087.

[3]劉斌,臧潤(rùn)清,申江.制冷工質(zhì)高壓能的利用研究[J].化工學(xué)報(bào),2006,57(Suppl.1):151-155.(LIU Bin, ZANG Runqing, SHEN Jiang. Study of the using of the high pressure refrigerant[J]. Journal of Chemical Industry and Engineering,2006, 57(Suppl.1):151-155.)

[4]Lucas C, Koehler J. Experimental investigation of the COP improvement of a refrigeration cycle by use of an ejector[J]. International Journal of Refrigeration, 2012,35(6): 1595-1603.

[5]Hassanain M, Elgendy E, Fatouh M. Ejector expansion refrigeration system: Ejector design and performance evaluation[J]. International Journal of Refrigeration, 2015, 58:1-13.

[6]Mo S K, Chang S S, Min S K. A study on the real time optimal control method for heat rejection pressure of a CO2refrigeration system with an internal heat exchanger[J]. International Journal of Refrigeration, 2014, 48:87-99.

[7]Sag N B, Ersoy H K, Hepbasli A,et al. Energetic and exergetic comparison of basic and ejector expander refrigeration systems operating under the same external conditions and cooling capacities[J]. Energy Conversion and Management, 2015, 90: 184-194.

[8]Yang J, Ma L, Liu J, et al. Thermal-hydraulic performance of a novel shell-and-tube oil cooler with multi-fields synergy analysis[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 77(4): 928-939.

[9]Li M J, Zhou W J, Zhang J F, et al. Heat transfer and pressure performance of a plain fin with radiantly arranged winglets around each tube in fin-and-tube heat transfer surface[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 70(2):734-744.

[10] Hamid M O A, Zhang B, Yang L. Application of field synergy principle for optimization fluid flow and convective heat transfer in a tube bundle of a pre-heater[J]. Energy, 2014, 76: 241-253.

[11] Saha P, Biswas G, Sarkar S. Comparison of winglet-type vortex generators periodically deployed in a plate-fin heat exchanger-A synergy based analysis[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2014, 74(4): 292-305.

[12] Wu J M, Tao W Q. Investigation on laminar convection heat transfer in fin-and-tube heat exchanger in aligned arrangement with longitudinal vortex generator from the viewpoint of field synergy principle[J]. Applied Thermal Engineering, 2007,27(14/15):2609-2617.

[13] Habchi C, Lemenand T, Valle D D, et al. Entropy production and field synergy principle in turbulent vortical flows[J]. International Journal of Thermal Sciences, 2011,50(12): 2365-2376.

[14] He Y L, Tao W Q, Song F Q, et al. Three-dimensional numerical study of heat transfer characteristics of plain plate fin-and-tube heat exchangers from view point of field synergy principle[J]. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2005, 26(3):459-473.

[15] 過(guò)增元.對(duì)流換熱的物理機(jī)制及其控制：速度場(chǎng)與熱流場(chǎng)的協(xié)同[J].科學(xué)通報(bào)，2000，45(19)：2118-2122.(GUO Zengyuan. The physical mechanism and the control of convective heat transfer-the synergy of velocity field and temperature field[J]. Chinese Science Bulletin，2000，45(19)：2118-2122.)

[16] 過(guò)增元.換熱器中的場(chǎng)協(xié)同原則及其應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39(12)：1-9. (GUO Zengyuan. The synergy field principle of heat exchanger and its application[J].Journal of Mechanical Engineering, 2003，39(12)：1-9.)

[17] 過(guò)增元，李志信.換熱器中的溫差場(chǎng)均勻性原則[J].中國(guó)科學(xué)，1996，26(1)：25-31. (GUO Zengyuan, LI Zhixin. Temperature difference field in heat exchanger uniformity principle[J]. Science China, 1996，26(1)：25-31.)

[18] 譚蕾.半封閉肋化通道射流沖擊換熱特性的數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[19] Al-aqal O M.A.. Heat transfer distributions on the walls of a narrow channel with jet impingement and cross flow[D]. University of Pittsburgh,1999.

[20] Metzger D E, Florschuetz L W,Takeuchi D I, et al. Heat transfer characteristics for inline and staggered arrays of circular jets with cross flow of spent air[J]. Journal of Heat Transfer, 1978,101(3):526-531.

About the corresponding author

Liu Bin,male, professor, Tianjin University of Commerce, Department of Refrigeration Technology, +86 22-26667502,E-mail: lbtju@tjcu.edu.cn. Research fields: cold chain and related research work.

Performance of the Refrigeration System with Refrigerant Injection from Holes on the Capillary in Evaporator Coils

Liu BinXu YulongWang QingweiDuan Aipeng

(Tianjin Key Lab of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce,Tianjin, 300134,China)

It is interesting to improve the performance of the refrigeration system by the utilization of the high pressure refrigerant. Based on the field synergy theory, a new type of refrigeration system was provided, in which the high pressure refrigerant was injected into the evaporator coil from the hole opened on the capillary inserted in the evaporator coil. The change law of the synergy angle between the flow and heat flow along the hole diameter and the capillary diameter was analyzed theoretically. And the visual experiments were carried out. The theoretical results show that the synergy angle is reduced with the decrease of the hole diameter and the capillary diameter, but the effect of synergy angle is also reduced with the decreasing of the capillary diameter. The experimental results show that compared with the conventional refrigeration system, the refrigerant mass charge is reduced more than 70%, COP is improved about 9% and the time needed to be stable is reduced 70% in the hole opening system.

capillary cube diameter; injection hole diameter; field synergy

0253- 4339(2016) 04- 0076- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.076

2016年1月7日

TB657.5;TB61+1

A

簡(jiǎn)介

劉斌，男，教授，天津商業(yè)大學(xué)制冷與空調(diào)工程系，(022)26667502,E-mail: lbtju@tjcu.edu.cn。 研究方向：低溫物流技術(shù)及相關(guān)研究工作。