預(yù)混噴嘴式分流器性能實(shí)驗(yàn)研究

(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 天津市制冷技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津300134)

制冷系統(tǒng)中冷風(fēng)機(jī)多采用分流器對(duì)節(jié)流后氣液兩相制冷劑等干度、等流量分配[1]。分流器分流不均會(huì)使風(fēng)機(jī)得不到充分利用，甚至回氣帶液。而實(shí)際工程多采用文丘里式分流器,其分流效果較差，分液不均大幅降低了蒸發(fā)器的傳熱性能[2]。S. Lalot等[3]實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，制冷劑分配不均會(huì)使系統(tǒng)的COP下降約25%，因此亟需設(shè)計(jì)一種分流器解決上述問(wèn)題。有學(xué)者采用優(yōu)化的對(duì)稱分流器結(jié)構(gòu)提高了分流性能，但不適合于庫(kù)溫變化較大的工況[4-7]。也有學(xué)者采用旋轉(zhuǎn)式分流器，通過(guò)離心力將兩相流整定為周向均勻分布的流型，使分流器對(duì)變工況的適應(yīng)性增強(qiáng)[8-9]。L. Venkatesh等[10]通過(guò)對(duì)分流器的CFD模擬發(fā)現(xiàn)，分流器的下游流動(dòng)壓力變化會(huì)影響上游，當(dāng)冷風(fēng)機(jī)各支路阻力略有不同時(shí)，分流器的分流效果會(huì)受到影響。所以有學(xué)者采用帶有噴嘴的分流器，利用噴嘴對(duì)氣液混合物進(jìn)行加速，達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀俨⑿纬膳R界流動(dòng)，使下游流動(dòng)狀態(tài)的波動(dòng)不會(huì)影響到上游[11-13]，但對(duì)變工況的適應(yīng)性差。兩相流的均勻分配過(guò)程較為復(fù)雜，與流體管路的流型、氣液比、介質(zhì)的性質(zhì)等有關(guān)[14-15]，僅對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)不能解決分流器在變工況下的適應(yīng)性問(wèn)題[16-17]。

為了克服上述問(wèn)題，本文提出了預(yù)混噴嘴式分流器。在分流器中安裝旋流葉片，保證各分流入口接觸氣液相的幾率相等，然后采用噴嘴使制冷劑達(dá)到臨界狀態(tài)。消除了冷風(fēng)機(jī)支路流阻不一致導(dǎo)致的分液不均問(wèn)題，同時(shí)增強(qiáng)了分流器對(duì)變工況的適應(yīng)性。

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)描述

1.1 實(shí)驗(yàn)原理及裝置

實(shí)驗(yàn)中將分流器連入制冷系統(tǒng)，測(cè)試分流器出口對(duì)應(yīng)的每一支路經(jīng)過(guò)換熱器后的過(guò)熱度，通過(guò)對(duì)比過(guò)熱度差別來(lái)評(píng)估分配均勻性。這種方法較容易實(shí)現(xiàn)，可以直觀對(duì)比分流器的性能。過(guò)熱度控制在 3～8 ℃，并將測(cè)試出每個(gè)支路的過(guò)熱度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，保證最小程度減小實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)比各分流器各工況下對(duì)應(yīng)冷風(fēng)機(jī)的制冷量和傳熱系數(shù)，全面反映分流器的分流性能。

實(shí)驗(yàn)采用直接膨脹供液，將優(yōu)化的幾組分流器先后連接到系統(tǒng)中的同一個(gè)冷風(fēng)機(jī)下進(jìn)行測(cè)試。

分流器實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由夾套、冷庫(kù)、冷風(fēng)機(jī)供冷機(jī)組、冷卻水系統(tǒng)、夾套空調(diào)機(jī)組、電氣控制室和測(cè)量采集裝置組成。圖1所示為冷風(fēng)機(jī)測(cè)試裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1壓縮機(jī)；2油分離器；3水冷式冷凝器；4儲(chǔ)液器；5截止閥；6制冷劑質(zhì)量計(jì)；7電磁閥；8視液鏡；9電子膨脹閥；10分流器；11冷風(fēng)機(jī)；12氣液分離器；13水泵；14水的質(zhì)量流量計(jì)；15電加熱；16加濕器；17夾套的制冷控制系統(tǒng)；T溫度測(cè)點(diǎn)；P壓力測(cè)點(diǎn)。圖1 冷風(fēng)機(jī)測(cè)試裝置實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Experimental platform for cold fan testing device

1.2 分流器A～E的結(jié)構(gòu)特征

圖2所示為分流器A的結(jié)構(gòu)。通過(guò)旋流葉片的整流作用使制冷劑氣液分相，然后均勻進(jìn)入各個(gè)噴嘴。分流器B是在分流器A的基礎(chǔ)上去除預(yù)混段。

圖2 帶預(yù)混段和噴嘴的分流器(分流器A)的結(jié)構(gòu)(單位：mm)Fig.2 The structure of the shunt with the premixed segment and nozzle

圖3和圖4分別為分流器C和分流器D的結(jié)構(gòu)。分流器C、分流器D均為分相式分流器，通過(guò)特殊的分相結(jié)構(gòu)使氣液分相。分流器C中的液相制冷劑進(jìn)入冷風(fēng)機(jī)，氣相制冷劑通過(guò)上部管道接入冷風(fēng)機(jī)出口，因此采用分流器C的冷風(fēng)機(jī)各支路進(jìn)口制冷劑為液態(tài)。而分流器D下部支管處設(shè)有結(jié)構(gòu)相同的開(kāi)口，保證進(jìn)入冷風(fēng)機(jī)各支路的制冷劑流量一致，因此采用分流器D的冷風(fēng)機(jī)各支路制冷劑為氣液兩相。

圖3 氣液分離式分流器(分流器C)的結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of the gas-liquid separation shunt

圖4 CAL分流器(分流器D)的結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of the CAL shunt

圖5所示為分流器E的結(jié)構(gòu)。分流器E為混相式分流器，通過(guò)在分流器入口制冷劑的降壓增速，使氣液兩相制冷劑充分混合，再進(jìn)入蒸發(fā)器支路管道。

圖5 文丘里分流器(分流器E)的結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of the Venturi shunt

1.3 數(shù)據(jù)采集

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)將熱電偶連接到數(shù)據(jù)采集器GP20對(duì)分流器各支路的冷風(fēng)機(jī)前后溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。庫(kù)房?jī)?nèi)溫度采集是將熱電偶布置在庫(kù)房的各個(gè)庫(kù)角處，最后取平均值。測(cè)試系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備數(shù)據(jù)誤差≤0.5%。

各測(cè)量?jī)x器精度：冷庫(kù)漏熱系數(shù)為17.6 W/℃；溫度在-25～10 ℃范圍內(nèi)(內(nèi)外溫差<28 ℃)時(shí)，冷庫(kù)的漏熱量≤500 W；溫度不均勻性<0.5 ℃；溫度波動(dòng)<0.3 ℃；溫度測(cè)量誤差≤0.5 ℃；壓力測(cè)量誤差≤0.2%；質(zhì)量流量測(cè)量誤差≤0.2%。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1 制冷量處理方法

對(duì)于制冷量的處理采用兩種方法：空氣側(cè)熱平衡法和制冷劑側(cè)焓差法，實(shí)驗(yàn)中要求兩者的誤差不超過(guò)3%。

1)空氣側(cè)熱平衡法

利用空氣側(cè)熱平衡法測(cè)量冷風(fēng)機(jī)空氣側(cè)供冷量的計(jì)算公式:

Qm=Kc(T3-T4)+Q1+Q2

(1)

式中：Kc為庫(kù)房?jī)?nèi)漏熱系數(shù)，W/℃；T3為夾套內(nèi)溫度，℃；T4為庫(kù)溫，℃；Q1為庫(kù)房?jī)?nèi)加熱器輸入熱量，W；Q2為冷風(fēng)機(jī)電機(jī)散熱量，W。

2)制冷劑側(cè)焓差法

利用制冷劑側(cè)焓差法測(cè)量冷風(fēng)機(jī)制冷劑側(cè)供冷量的計(jì)算公式:

Qn=qm(H2-H1)

(2)

式中：qm為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；H1為進(jìn)入冷風(fēng)機(jī)液體制冷劑焓值，kJ/kg；H2為離開(kāi)冷風(fēng)機(jī)氣體制冷劑焓值，kJ/kg。

3)平均制冷量

冷風(fēng)機(jī)實(shí)際供冷量為上述兩種方法的平均值：

Q=0.5(Qm+Qn)

(3)

式中：Qm為熱平衡法供冷量，W；Qn為焓差法供冷量，W。

2.2 過(guò)熱度處理方法

為了更好的分析分流器A各支路分流情況，引入總過(guò)熱度偏差率的不均勻度，作為評(píng)價(jià)冷風(fēng)機(jī)各支路分流優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，此方法誤差更小，能精確地反映出分流器各支路的分流情況：

(4)

計(jì)算各支路的平均過(guò)熱度后，利用公式(4)計(jì)算總過(guò)熱度偏差率的不均勻度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 平均過(guò)熱度分析

圖6所示為5種分流器的平均過(guò)熱度隨庫(kù)溫的變化。由圖6可知，過(guò)熱度隨著庫(kù)溫的降低而減小，在整個(gè)工況范圍內(nèi)，分流器A的平均過(guò)熱度最小。分流器E的冷風(fēng)機(jī)平均過(guò)熱度最大，說(shuō)明冷風(fēng)機(jī)供液不足或分流不夠均勻。當(dāng)溫度低于-8 ℃時(shí)，除分流器E外，其他分流器平均過(guò)熱度都接近3 ℃，且不超過(guò)3 ℃，冷風(fēng)機(jī)的供液充分，狀況優(yōu)于-8 ℃工況。

圖6 5種分流器的平均過(guò)熱度隨庫(kù)溫的變化Fig.6 The average superheat of the five shunts with the change of the temperature of library temperature

3.2 不均勻度分析

圖7 5種分流器不均勻度隨庫(kù)溫的變化Fig.7 The variation of the unevenness of the five shunts with the temperature of the cold storage

圖7所示為5種分流器不均勻度隨庫(kù)溫的變化。由圖7可知，隨著庫(kù)溫的下降，分流器的不均勻度成下降趨勢(shì)。因?yàn)殡S著庫(kù)溫的降低，冷風(fēng)機(jī)所需的制冷劑減少，制冷劑流速降低，分流器A經(jīng)過(guò)旋流葉片整流后流型更加穩(wěn)定，隨著庫(kù)溫的降低，當(dāng)接近設(shè)定工況時(shí)(蒸發(fā)溫度-25 ℃，庫(kù)溫為-18 ℃)，噴嘴的分配效果最好，不均勻度僅為0.78%，說(shuō)明預(yù)混噴嘴式分流器各支路過(guò)熱度差別小，基本上已達(dá)到各支路均勻供液。在-20 ℃庫(kù)溫下，分流器A和分流器B不均勻度有所上升是因?yàn)槠x了設(shè)計(jì)工況導(dǎo)致。整體而言，分流器不均勻度從高到低為：A>B>C>D>E。在設(shè)計(jì)工況下，分流器A、B的分流效果最好，在庫(kù)溫為-20～-16 ℃時(shí)，分流器A、B具有較好的效果?？梢钥闯龇至髌鰽和B的不均勻度隨著庫(kù)溫的降低下降較快，且分流器A的分流效果優(yōu)于分流器B。因?yàn)殡S著庫(kù)溫的降低，蒸發(fā)溫度降低，制冷壓縮機(jī)的輸氣量減少，制冷劑的質(zhì)量流量減小，導(dǎo)致流速降低，噴嘴喉部制冷劑流速逐漸靠近臨界流速，分流效果顯著提高。分流器A的旋流葉片和整流器使制冷劑到達(dá)各個(gè)噴嘴入口的流型較分流器B均勻，所以分流器A的不均勻度優(yōu)于分流器B。對(duì)于分流器C、D、E，庫(kù)溫和蒸發(fā)溫度的降低對(duì)其不均勻度的影響較分流器A和B小，分流效果均較差。

3.3 制冷量與傳熱系數(shù)

圖8所示為分流器制冷量在各個(gè)庫(kù)溫下的對(duì)比。由圖8可知，制冷量隨庫(kù)溫的升高而增大。在各工況下，裝有分流器A的冷風(fēng)機(jī)比分流器B、C、D、E的制冷量大，因此分流器A在-20～0 ℃范圍內(nèi)具有優(yōu)異的分流效果。在-18 ℃的庫(kù)溫下(設(shè)計(jì)工況)，A和B的差值明顯，說(shuō)明預(yù)混段的加入對(duì)分流性能有很大提升。而在較高庫(kù)溫下，A、B差值減小，這是因?yàn)樵诟邘?kù)溫下制冷劑質(zhì)量流量大，旋流葉片的預(yù)混效果不佳使分流效果變差，但仍優(yōu)于分流器B。

圖8 5種分流器制冷量在各個(gè)庫(kù)溫下的對(duì)比Fig.8 The comparison of five shunts refrigerating capacity under different cold storage temperatures

圖9所示為分流器傳熱系數(shù)在各個(gè)庫(kù)溫下的對(duì)比。由圖9可知，采用新型優(yōu)化的分流器A提高了冷風(fēng)機(jī)的傳熱系數(shù)，明顯改善了冷風(fēng)機(jī)傳熱性能，相比于分流器D、E，分流效果尤為突出。當(dāng)庫(kù)溫為-18～-12 ℃時(shí)，采用分流器A的冷風(fēng)機(jī)傳熱系數(shù)變化較少，甚至有所降低。這是因?yàn)榇藭r(shí)分流器A的不均勻度迅速增大，導(dǎo)致回氣有部分制冷劑吸熱不足未完全達(dá)到飽和，而在-8 ℃以后分流器A、B的不均勻度逐漸靠近?？梢钥吹椒至髌鰽、B的變化趨勢(shì)一致：庫(kù)溫為-20～-18 ℃時(shí)，冷風(fēng)機(jī)傳熱系數(shù)增大；庫(kù)溫為-18～-12 ℃時(shí)，傳熱系數(shù)變化較?。粠?kù)溫為-12～0 ℃時(shí)，傳熱系數(shù)繼續(xù)增大；分流器C、D、E變化趨勢(shì)一致：庫(kù)溫為-20～-12 ℃時(shí)，傳熱系數(shù)緩慢上升；庫(kù)溫為-12～0 ℃時(shí)，傳熱系數(shù)迅速上升；因此，采用預(yù)混噴嘴的分流器A在6 ℃左右的庫(kù)溫變化下，仍具有較好的分流效果。

圖9 5種分流器傳熱系數(shù)在各個(gè)庫(kù)溫下的對(duì)比Fig.9 The comparison of five shunts heat transfer coefficient under different cold storage temperatures

3.4 冷風(fēng)機(jī)綜合性能系數(shù)

為了更直觀的表現(xiàn)冷風(fēng)機(jī)的性能改善效果，以制冷量和傳熱系數(shù)的平方和的根作為冷風(fēng)機(jī)的綜合性能表現(xiàn)，即冷風(fēng)機(jī)綜合性能系數(shù)P：

式中：Q為冷風(fēng)機(jī)的供冷量，W；k為冷風(fēng)機(jī)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

圖10所示為冷風(fēng)機(jī)性能系數(shù)隨庫(kù)溫的變化。由圖10可知，性能系數(shù)(半徑)越大，表明性能越好。各工況下，采用分流器A的冷風(fēng)機(jī)綜合性能系數(shù)最大。庫(kù)溫為-18～-4 ℃時(shí)，冷風(fēng)機(jī)綜合性能提高顯著，-4 ℃時(shí)性能最好，分流器A在較大的庫(kù)溫工況內(nèi)對(duì)冷風(fēng)機(jī)性能均有較好的提升。因此，新型分流器對(duì)冷風(fēng)機(jī)綜合性能的改善有較大幫助。

圖10 冷風(fēng)機(jī)綜合性能系數(shù)隨庫(kù)溫的變化Fig.10 Comprehensive coefficient of performance of air cooler changes with the cold storage temperature

4 結(jié)論

本文搭建了冷風(fēng)機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，采用熱平衡法和焓差法，并在-20～0 ℃庫(kù)溫下測(cè)量了冷風(fēng)機(jī)的制冷量、傳熱系數(shù)和出口過(guò)熱度，得到了5種分流器的不均勻度。通過(guò)分流器在-20、-16、-12、-8、-4、0 ℃和設(shè)計(jì)庫(kù)溫下的對(duì)比，得到如下結(jié)論：

1)預(yù)混噴嘴式分流器(分流器A)能夠明顯改善制冷劑分流效果，使分液更均勻，提高了冷風(fēng)機(jī)利用效率。在設(shè)計(jì)工況下，相對(duì)于分流器B、C、D、E，不均勻度減小了66.1%、87.8%、88.5%、89.6%，冷風(fēng)機(jī)綜合性能提高了5.6%、10.8%、16.5%、17.5%。

2)采用噴嘴的分流器A、B在設(shè)計(jì)工況下具有較小的不均勻度，噴嘴對(duì)改善冷風(fēng)機(jī)均勻度效果顯著。采用噴嘴的分流器性能還受入口制冷劑流動(dòng)狀態(tài)的影響，分流器A通過(guò)添加旋流葉片整流使不均勻度由2.305降至0.781。因此，對(duì)噴嘴入口制冷劑的流型整定是必要的。

3)在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，采用分流器A的冷風(fēng)機(jī)不均勻度隨偏離程度逐漸增大，因此對(duì)于不同的工作工況，需采用不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的預(yù)混噴嘴式分流器，以提高冷風(fēng)機(jī)及系統(tǒng)的性能。本實(shí)驗(yàn)采用的噴嘴在大約6 ℃的庫(kù)溫變化下，仍然具有較好的分流性能，所以為了保證工作效率，采用分流器A、B的冷庫(kù)溫度波動(dòng)不應(yīng)超過(guò)6 ℃。

本文受天津市自然科學(xué)基金(16JCQNJC06600)項(xiàng)目資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Tianjin (No.16JCQNJC06600).)