四種制冷劑重力再循環(huán)蒸發(fā)器的理論計算與實(shí)驗(yàn)研究

阮建文 臧潤清 孫志利 趙 東

(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)

四種制冷劑重力再循環(huán)蒸發(fā)器的理論計算與實(shí)驗(yàn)研究

阮建文 臧潤清 孫志利 趙 東

(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)

本文建立了均相流模型，對四種制冷劑重力再循環(huán)蒸發(fā)器進(jìn)行理論分析，并搭建重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺，在不同工況下對比了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計算結(jié)果。以R404A為例，當(dāng)保溫體內(nèi)空氣溫度從0 ℃下降到-25 ℃時，傳熱系數(shù)的理論值與實(shí)驗(yàn)值的偏差從15.91%逐漸減小到3.01%，制冷量的理論值與實(shí)驗(yàn)值的偏差從14.43%逐漸減小到2.07%。保溫體內(nèi)空氣溫度越低，偏差的幅度越小，重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和理論運(yùn)行狀態(tài)較吻合。應(yīng)用該模型對四種制冷劑運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果表明：相比于其他三種制冷劑，當(dāng)液柱高度較低時，R410A的傳熱系數(shù)和制冷量最大。

再循環(huán)蒸發(fā)器；對比；理論分析；實(shí)驗(yàn)研究

翅片管式蒸發(fā)器如今已廣泛使用于制冷及空調(diào)行業(yè)，圍繞強(qiáng)化翅片管式蒸發(fā)器傳熱效果的研究也經(jīng)久不衰，蒸發(fā)器的傳熱量取決于傳熱系數(shù)、傳熱溫差、以及傳熱面積，在傳熱面積一定的前提下，取決于蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)及傳熱溫差。因此，強(qiáng)化蒸發(fā)器傳熱效果的一個重要途徑是強(qiáng)化蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的傳熱系數(shù)。重力再循環(huán)蒸發(fā)器以提高蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的流速為強(qiáng)化換熱手段，以熱虹吸原理實(shí)現(xiàn)制冷劑的再循環(huán)，從而改善蒸發(fā)器的換熱性能，增大制冷劑側(cè)換熱系數(shù)，提高蒸發(fā)器的效率。與直接膨脹制冷系統(tǒng)相比，優(yōu)勢在于：1)可以提高蒸發(fā)器的換熱系數(shù)；2)可以促進(jìn)蒸發(fā)器內(nèi)潤滑油的排出；3)可以保證向蒸發(fā)器內(nèi)均勻供液[1-5]。

A. Paliwoda[6]提出利用分相流計算重力再循環(huán)蒸發(fā)器中壓降問題，采用兩相流系數(shù)將兩相流折算成單相流進(jìn)行相關(guān)計算，總結(jié)了兩相流系數(shù)的計算公式和應(yīng)用條件。

臧潤清等[7]基于熱虹吸原理實(shí)現(xiàn)重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)超倍供液，提出了均相流模型計算重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)并對其進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究。

李星等[8]在不同工況對再循環(huán)蒸發(fā)器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，在低溫工況下，重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)比直接膨脹供液系統(tǒng)有更佳的傳熱效果。

趙東等[9]在保持各支路制冷劑側(cè)循環(huán)倍率和平均傳熱溫差相同的前提下，對重力再循環(huán)蒸發(fā)器管路流程進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化的重力再循環(huán)蒸發(fā)器的制冷量提高44%,傳熱系數(shù)提高13.8%，對再循環(huán)蒸發(fā)器性能具有明顯的影響。

1 均相流模型的重力再循環(huán)蒸發(fā)器理論分析

將兩相制冷劑混合物看成是均勻的“單相”制冷劑，所有參數(shù)取氣液兩相的平均值，并假設(shè)：1)氣液兩相制冷劑具有相同的速度；2)氣液兩相制冷處于熱平衡狀態(tài)；3)可使用單相摩擦阻力系數(shù)表征兩相流動。當(dāng)制冷劑的實(shí)際流動符合下列條件之一時，可按均相流模型處理：ρL/ρG≤100、d≤80 mm；G≥200 kg/(m2·s)，而當(dāng)ηL>0.01 Pa·s時，則不能按均相流模型處理[10-11]。

重力再循環(huán)蒸發(fā)器能否形成超倍供液的首要條件是液柱高度H1所提供的供液壓頭能否克服制冷劑在供液管、蒸發(fā)管、回氣管內(nèi)產(chǎn)生的壓降。該壓降主要由4部分組成：摩擦阻力壓降Δpf、重位壓降Δpg、加速壓降Δpa、局部阻力壓降Δpm。

1.1液柱高度

H1=(Δpf+Δpg+Δpa+Δpm)/gρL

(1)

式中：H1為氣液分離器內(nèi)靜液面至蒸發(fā)器入口處的高差，m；g為重力加速度，m/s2。

1.2摩擦阻力壓降

對于供液管，沒有熱量輸入，制冷劑以飽和液體的形式流過供液管，因此可以按單相流來計算:

(2)

(3)

對于回氣管，無熱量輸入，此時:

(4)

式中：di為供液管內(nèi)徑，m；de為蒸發(fā)管內(nèi)徑，m；do為回氣管內(nèi)徑，m；Li為供液管管長，m；Le為蒸發(fā)管管長，m；Lo為回氣管管長，m；ρG為氣相密度，kg/m3；ρL為液相密度，kg/m3；ηG為氣相動力黏度，Pa·s；ηL為氣相動力黏度，Pa·s；G為蒸發(fā)器供液量，kg/s；νG為氣相比容，m3/kg；νL為液相比容，m3/kg。

1.3 重位壓降

(5)

對于回氣管，沒有熱量輸入，制冷劑干度xo不變。

(6)

式中：H2為氣液分離器內(nèi)靜液面至蒸發(fā)器出口處的高差，m。

1.4 加速壓降

換熱管中制冷劑受熱蒸發(fā)引起的動量增加導(dǎo)致的加速壓降，由于供液管和回氣管均沒有熱量輸入，因此加速壓降只存在蒸發(fā)器中，則：

Δpa=G2xo(νG-νL)

(7)

1.5 局部阻力壓降

局部阻力壓降Δpm主要考慮蒸發(fā)器盤管彎頭的壓降。蒸發(fā)器盤管180°彎頭的壓降主要由摩擦阻力壓降和局部阻力壓降組成[12-13]，則：

(8)

式中：m為彎頭數(shù)量；ξ1為彎頭的局部阻力系數(shù)，無油時，ξ1=0.8～1.0；ξ2為彎頭的摩擦阻力系數(shù)，無油時，ξ2=0.094R/de；R為彎頭的曲率半徑，m。1.6 傳熱溫差

制冷劑與空氣間的傳熱溫差可用對數(shù)平均溫差表示：

(9)

式中：ta1、ta2為蒸發(fā)器進(jìn)出風(fēng)溫度，℃；t02為蒸發(fā)器回液溫度，℃；T0為蒸發(fā)溫度，℃；r為制冷劑汽化潛熱，kJ/kg。

1.6 總傳熱系數(shù)

總傳熱系數(shù)是表征制冷系統(tǒng)效率的一個重要參數(shù)，總傳熱系數(shù)越高，說明制冷系統(tǒng)換熱性能越好。

(10)

式中：αi為制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；αof為空氣側(cè)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；γi、γof為分別為制冷劑管內(nèi)及翅片側(cè)的污垢系數(shù)；δ為蒸發(fā)管壁厚，m；λ為蒸發(fā)管導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；ηf為翅片效率；Aof、Af為制冷劑管外表面、翅片等表面積，m2；Ai、Ab為制冷劑管內(nèi)和翅片間等表面積，m2。

2 理論計算

根據(jù)第1章中再循環(huán)蒸發(fā)器理論計算模型，結(jié)合表1中四種氟利昂制冷劑的物性參數(shù)，對再循環(huán)蒸發(fā)器進(jìn)行相關(guān)理論計算，理論計算中壓縮機(jī)的名義制冷量為6 HP，冷凝溫度為30 ℃，風(fēng)冷翅片管式蒸發(fā)器的蒸發(fā)面積為30 m2。四種制冷劑在蒸發(fā)溫度為-25 ℃、-8 ℃，液柱高度為0.8 m、1.0 m、1.2 m下各參數(shù)的理論值。

表1 四種制冷劑的在不同溫度下的物性表

表2 四種制冷劑的理論結(jié)果

注：傳熱系數(shù)的單位為W/(m2·K)，制冷量的單位為kW。

表2為四種制冷劑的理論值，對于同一制冷劑，液柱高度的越大，循環(huán)倍率越大，制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)越大，總傳熱系數(shù)越大，當(dāng)循環(huán)倍率超過某一值，制冷量反而減小。液柱高度不變時，蒸發(fā)溫度越高，循環(huán)倍率越小，傳熱系數(shù)越小，制冷量越大。蒸發(fā)溫度和液柱高度不變，由于R410A的單位容積制冷量較大，傳熱性能及流動性能較好，在液柱高度相同的條件下循環(huán)倍率大于其他制冷劑，傳熱系R410A>R22>R404AR>407C，在較低液柱高度下，R410A的制冷量最大，說明重力再循環(huán)蒸發(fā)器有最佳循環(huán)倍率，再循環(huán)制冷系統(tǒng)處于最佳循環(huán)倍率時，制冷量和傳熱系數(shù)的增幅達(dá)到最大，循環(huán)倍率高于該值時，制冷量不增反降。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證理論計算模型的準(zhǔn)確性，搭建了重力供液實(shí)驗(yàn)臺，實(shí)驗(yàn)裝置原理和壓力溫度測點(diǎn)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)裝置由保溫體、重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、電加熱及調(diào)壓器、數(shù)據(jù)采集器等組成。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理Fig.1 Principle of the experimental device

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)采用空氣側(cè)熱平衡法測量蒸發(fā)器的制冷量，蒸發(fā)器的制冷量等于保溫體內(nèi)漏冷量Q1、電加熱器功率Q2、蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)的功率Q3之和,即蒸發(fā)器的制冷量Q=Q1+Q2+Q3,采用6 HP壓縮冷凝機(jī)組，冷凝溫度30 ℃，自行設(shè)計的30 m2風(fēng)冷翅片管蒸發(fā)器，實(shí)驗(yàn)工況為維持保溫體內(nèi)空氣溫度0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃，受客觀條件限制，實(shí)驗(yàn)用制冷劑為R404A, 液柱高度為800 mm、1 000 mm、1 300 mm。實(shí)驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)電加熱調(diào)壓器來改變電加熱的功率，使保溫體內(nèi)空氣溫度維持在實(shí)驗(yàn)所需溫度1 h。

圖2所示為不同液柱高度下蒸發(fā)溫度在不同保溫體內(nèi)空氣溫度下的對比，隨著保溫體內(nèi)空氣溫度的上升，蒸發(fā)溫度逐漸升高，液柱高度越高，蒸發(fā)溫度越高，對制冷系統(tǒng)的影響越大。

如圖3所示，在相同工況下，液柱高度越大，蒸發(fā)溫度越高，制冷劑與室內(nèi)空氣的傳熱溫差越小，因此液柱高度的值不宜過大，液柱高度不變的情況下，保溫體內(nèi)空氣溫度越高，蒸發(fā)溫度越高，循環(huán)倍率越小，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的質(zhì)量流速越小，傳熱溫差越小。

圖2 蒸發(fā)溫度隨液柱高度和保溫體內(nèi)溫度的變化Fig.2 Effect of evaporating temperature on supply liquid height and air temperature in heat insulation

圖3 傳熱溫差隨液柱高度和保溫體內(nèi)空氣溫度的變化Fig.3 Effect of heat transfer temperature on supply liquid height and air temperature in heat insulation

圖4 傳熱系數(shù)隨液柱高度和保溫體內(nèi)空氣溫度的變化Fig.4 Effect of heat-transfer coefficient on supply liquid height and air temperature in heat insulation

圖4所示為不同液柱高度對傳熱系數(shù)的影響，相同工況下，液柱高度越大，循環(huán)倍率越大，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的質(zhì)量流速越大，制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)越大，總傳熱系數(shù)越大，隨著液柱高度的增加，傳熱系數(shù)的增幅越來越小，若液柱高度不變，保溫體內(nèi)空氣溫度越高，蒸發(fā)溫度越高，循環(huán)倍率越小，制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)越小，總傳熱系數(shù)越小。

圖5所示為不同液柱高度對制冷量的影響，相同工況下，液柱高度越大，再循環(huán)蒸發(fā)器的理論制冷量逐漸增加，但增加的幅度越來越小，這是因?yàn)椋舭l(fā)面積一定，制冷量的值僅取決于傳熱溫差和傳熱系數(shù)的乘積，一方面，液柱高度越大，供液壓頭越大，循環(huán)倍率越大，傳熱溫差越小，另一方面，液柱高度越大，傳熱系數(shù)越大，當(dāng)傳熱系數(shù)占主要影響因素時，制冷量增加，當(dāng)傳熱溫差占主要影響因素時，制冷量減小，這就導(dǎo)致制冷量呈先增加后減少的趨勢；液柱高度不變，保溫體內(nèi)空氣溫度越高，制冷量越大。

圖5 制冷量隨液柱高度和保溫體內(nèi)空氣溫度的變化Fig.5 Effect of refrigerating capacity on supply liquid height and air temperature in heat insulation

圖5同時說明了重力再循環(huán)蒸發(fā)器有最佳循環(huán)倍率，再循環(huán)蒸發(fā)器處于最佳循環(huán)倍率時，制冷量和傳熱系數(shù)的增幅達(dá)到最大，循環(huán)倍率高于該值時，傳熱系數(shù)變大，傳熱溫差減小，制冷量不增反降。

3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計算對比

由3.1中對液柱高度的對比分析可知，本實(shí)驗(yàn)的最佳液柱高度為1 000 mm，因此本實(shí)驗(yàn)值和理論值對比是在1 000 mm下進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)中蒸發(fā)器的供液量G由超聲波流量計測得，蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)量可由公式Gg=q0/(3 600r)求出，循環(huán)倍率可根據(jù)公式n=G/Gg求出，理論計算結(jié)果在前文有說明。實(shí)驗(yàn)值與理論值對比結(jié)果如表3所示。

由表3中實(shí)驗(yàn)值與理論值的對比可知，通過實(shí)驗(yàn)與理論計算得到的循環(huán)倍率和傳熱系數(shù)具有相同的規(guī)律，均隨著保溫體內(nèi)空氣溫度的升高而降低，并且降低的幅度越來越大，保溫體內(nèi)空氣溫度從-25 ℃增加到0 ℃時，循環(huán)倍率從偏差3.01%逐漸增加到15.91%，傳熱系數(shù)從偏差1.72%逐漸增加到15.58%。制冷量的實(shí)驗(yàn)值與理論值均隨著保溫體內(nèi)空氣溫度的升高而增大，保溫體內(nèi)空氣溫度由-25 ℃增加到0 ℃時，制冷量偏差由2.07%逐漸增加到14.43%，一方面隨著保溫體內(nèi)空氣溫度的升高，熱負(fù)荷逐漸變大，另一方面，低溫工況下，節(jié)流閥的開度減小，使制冷劑的供液量不斷減少。根據(jù)公式Q0=GgΔh可知，在蒸發(fā)器進(jìn)出口焓值不變的情況下蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑流量越小，制冷量越小。隨著保溫體內(nèi)空氣溫度的降低，制冷量實(shí)驗(yàn)值與理論值的偏差逐漸減小，當(dāng)保溫體內(nèi)空氣溫度為-25 ℃時，偏差最小為2.07%。說明在低溫工況下實(shí)驗(yàn)值與理論值最吻合。

表3 實(shí)驗(yàn)值與理論值的對比

4 結(jié)論

1) 根據(jù)表2和圖5可以得出，重力再循環(huán)蒸發(fā)器有最佳循環(huán)倍率，最佳循環(huán)倍率受制冷劑種類，蒸發(fā)溫度等的綜合影響，在液柱高度為1 m，保溫體內(nèi)空氣溫度分別為-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃、-10 ℃、-5 ℃、0 ℃時，R404A最佳循環(huán)倍率的實(shí)驗(yàn)值分別為5.15、4.98、4.68、4.28、3.67、2.96，實(shí)際循環(huán)倍率等于最佳循環(huán)倍率時，制冷系統(tǒng)的傳熱系數(shù)，制冷量的增幅最大，超過最佳循環(huán)倍率時，制冷量反而降低。

2) 通過對R404A實(shí)驗(yàn)值與理論值的對比可知，重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析數(shù)據(jù)誤差較小，模型預(yù)測精度較高。對四種制冷劑運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，預(yù)測結(jié)果顯示，相比于其他三種制冷劑，在液柱高度較低的情況下，R410A的傳熱系數(shù)和制冷量最大。

本文受天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金計劃重點(diǎn)項目(160024)資助。(The project was supported by the Key Project of Development of Tianjin Municipal Eudcation Commission(No.160024).)

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About the corresponding author

Zang Runqing, male, professor, School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Commerce, +86 13821232559, E-mail: zrqing@tjcu.edu.cn. Research fields: optimization and energy saving of refrigeration system, food cold chain technology.

Theoretical Calculation and Experimental Research of Four Refrigerants on Gravity Recirculation Evaporator

Ruan Jianwen Zang Runqing Sun Zhili Zhao Dong

(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)

The homogeneous phase flow model was established to analyze gravity recirculating evaporators in the condition that four kinds of refrigerants are used respectively. The experimental device of gravity recirculating refrigeration system was set up, and the experimental results were compared with the theoretical calculation results under different working conditions. Taking R404A as an example, when the air temperature in heat insulation decreased from 0 ℃ to -25 ℃, the deviation of the experimental value from the theoretical value of the heat transfer coefficient lowers from 15.91% to 3.01% gradually. The deviation of the experimental value from the theoretical value of the cooling capacity decreases from 14.43% to 2.07%. The lower the air temperature in heat insulation is, the smaller the deviation becomes, which indicates that the running state of the gravity recirculating refrigeration system is in better agreement with the theoretical operating state in lower temperature. This model was used to predict the running states of the four refrigerants. And it shows that comparing with the other three refrigerants, the heat transfer coefficient and cooling capacity of the R410A are the highest when the supplying height is in a relatively low level.

gravity recirculation evaporator; comparison; theoretical analysis; experimental research

0253- 4339(2017) 02- 0096- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2017.02.096

2016年8月3日

TB61+2;TQ051.5

A

臧潤清，男，教授，天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，13821232559，E-mail：zrqing@tjcu.edu.cn。研究方向：制冷系統(tǒng)優(yōu)化及節(jié)能，食品冷鏈。