四種制冷劑重力再循環蒸發器的理論計算與實驗研究

阮建文 臧潤清 孫志利 趙 東

(天津市制冷技術重點實驗室 天津商業大學 冷凍冷藏技術教育部工程研究中心 天津市制冷技術工程中心 天津 300134)

四種制冷劑重力再循環蒸發器的理論計算與實驗研究

阮建文 臧潤清 孫志利 趙 東

(天津市制冷技術重點實驗室 天津商業大學 冷凍冷藏技術教育部工程研究中心 天津市制冷技術工程中心 天津 300134)

本文建立了均相流模型，對四種制冷劑重力再循環蒸發器進行理論分析，并搭建重力再循環制冷系統實驗臺，在不同工況下對比了實驗結果與理論計算結果。以R404A為例，當保溫體內空氣溫度從0 ℃下降到-25 ℃時，傳熱系數的理論值與實驗值的偏差從15.91%逐漸減小到3.01%，制冷量的理論值與實驗值的偏差從14.43%逐漸減小到2.07%。保溫體內空氣溫度越低，偏差的幅度越小，重力再循環制冷系統的運行狀態和理論運行狀態較吻合。應用該模型對四種制冷劑運行狀態進行預測，預測結果表明：相比于其他三種制冷劑，當液柱高度較低時，R410A的傳熱系數和制冷量最大。

再循環蒸發器；對比；理論分析；實驗研究

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

A. Paliwoda[6]提出利用分相流計算重力再循環蒸發器中壓降問題，采用兩相流系數將兩相流折算成單相流進行相關計算，總結了兩相流系數的計算公式和應用條件。

臧潤清等[7]基于熱虹吸原理實現重力再循環制冷系統超倍供液，提出了均相流模型計算重力再循環制冷系統并對其進行了理論分析和實驗研究。

李星等[8]在不同工況對再循環蒸發器進行了實驗研究，在低溫工況下，重力再循環制冷系統比直接膨脹供液系統有更佳的傳熱效果。

趙東等[9]在保持各支路制冷劑側循環倍率和平均傳熱溫差相同的前提下，對重力再循環蒸發器管路流程進行優化，發現經過優化的重力再循環蒸發器的制冷量提高44%,傳熱系數提高13.8%，對再循環蒸發器性能具有明顯的影響。

1 均相流模型的重力再循環蒸發器理論分析

將兩相制冷劑混合物看成是均勻的“單相”制冷劑，所有參數取氣液兩相的平均值，并假設：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；3)可使用單相摩擦阻力系數表征兩相流動。當制冷劑的實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ηL>0.01 Pa·s時，則不能按均相流模型處理[10-11]。

重力再循環蒸發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、蒸發管、回氣管內產生的壓降。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為氣液分離器內靜液面至蒸發器入口處的高差，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為供液管內徑，m；de為蒸發管內徑，m；do為回氣管內徑，m；Li為供液管管長，m；Le為蒸發管管長，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為氣液分離器內靜液面至蒸發器出口處的高差，m。

1.4 加速壓降

換熱管中制冷劑受熱蒸發引起的動量增加導致的加速壓降，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主要考慮蒸發器盤管彎頭的壓降。蒸發器盤管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為彎頭數量；ξ1為彎頭的局部阻力系數，無油時，ξ1=0.8～1.0；ξ2為彎頭的摩擦阻力系數，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平均溫差表示：

(9)

式中：ta1、ta2為蒸發器進出風溫度，℃；t02為蒸發器回液溫度，℃；T0為蒸發溫度，℃；r為制冷劑汽化潛熱，kJ/kg。

1.6 總傳熱系數

總傳熱系數是表征制冷系統效率的一個重要參數，總傳熱系數越高，說明制冷系統換熱性能越好。

(10)

式中：αi為制冷劑側傳熱系數，W/(m2·K)；αof為空氣側傳熱系數，W/(m2·K)；γi、γof為分別為制冷劑管內及翅片側的污垢系數；δ為蒸發管壁厚，m；λ為蒸發管導熱系數，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為制冷劑管內和翅片間等表面積，m2。

2 理論計算

根據第1章中再循環蒸發器理論計算模型，結合表1中四種氟利昂制冷劑的物性參數，對再循環蒸發器進行相關理論計算，理論計算中壓縮機的名義制冷量為6 HP，冷凝溫度為30 ℃，風冷翅片管式蒸發器的蒸發面積為30 m2。四種制冷劑在蒸發溫度為-25 ℃、-8 ℃，液柱高度為0.8 m、1.0 m、1.2 m下各參數的理論值。

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果

注：傳熱系數的單位為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，循環倍率越大，制冷劑側傳熱系數越大，總傳熱系數越大，當循環倍率超過某一值，制冷量反而減小。液柱高度不變時，蒸發溫度越高，循環倍率越小，傳熱系數越小，制冷量越大。蒸發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，說明重力再循環蒸發器有最佳循環倍率，再循環制冷系統處于最佳循環倍率時，制冷量和傳熱系數的增幅達到最大，循環倍率高于該值時，制冷量不增反降。

3 實驗研究

3.1 實驗裝置

為驗證理論計算模型的準確性，搭建了重力供液實驗臺，實驗裝置原理和壓力溫度測點如圖1所示，實驗裝置由保溫體、重力再循環制冷系統、電控系統、電加熱及調壓器、數據采集器等組成。

圖1 實驗裝置原理Fig.1 Principle of the experimental device

3.2實驗結果

實驗采用空氣側熱平衡法測量蒸發器的制冷量，蒸發器的制冷量等于保溫體內漏冷量Q1、電加熱器功率Q2、蒸發器風機的功率Q3之和,即蒸發器的制冷量Q=Q1+Q2+Q3,采用6 HP壓縮冷凝機組，冷凝溫度30 ℃，自行設計的30 m2風冷翅片管蒸發器，實驗工況為維持保溫體內空氣溫度0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃，受客觀條件限制，實驗用制冷劑為R404A, 液柱高度為800 mm、1 000 mm、1 300 mm。實驗過程中，通過調節電加熱調壓器來改變電加熱的功率，使保溫體內空氣溫度維持在實驗所需溫度1 h。

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

如圖3所示，在相同工況下，液柱高度越大，蒸發溫度越高，制冷劑與室內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，保溫體內空氣溫度越高，蒸發溫度越高，循環倍率越小，蒸發器內制冷劑的質量流速越小，傳熱溫差越小。

圖2 蒸發溫度隨液柱高度和保溫體內溫度的變化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 傳熱系數隨液柱高度和保溫體內空氣溫度的變化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的影響，相同工況下，液柱高度越大，循環倍率越大，蒸發器內制冷劑的質量流速越大，制冷劑側傳熱系數越大，總傳熱系數越大，隨著液柱高度的增加，傳熱系數的增幅越來越小，若液柱高度不變，保溫體內空氣溫度越高，蒸發溫度越高，循環倍率越小，制冷劑側傳熱系數越小，總傳熱系數越小。

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，再循環蒸發器的理論制冷量逐漸增加，但增加的幅度越來越小，這是因為，蒸發面積一定，制冷量的值僅取決于傳熱溫差和傳熱系數的乘積，一方面，液柱高度越大，供液壓頭越大，循環倍率越大，傳熱溫差越小，另一方面，液柱高度越大，傳熱系數越大，當傳熱系數占主要影響因素時，制冷量增加，當傳熱溫差占主要影響因素時，制冷量減小，這就導致制冷量呈先增加后減少的趨勢；液柱高度不變，保溫體內空氣溫度越高，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蒸發器有最佳循環倍率，再循環蒸發器處于最佳循環倍率時，制冷量和傳熱系數的增幅達到最大，循環倍率高于該值時，傳熱系數變大，傳熱溫差減小，制冷量不增反降。

3.3實驗結果與理論計算對比

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

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

表3 實驗值與理論值的對比

4 結論

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

2) 通過對R404A實驗值與理論值的對比可知，重力再循環制冷系統的實驗數據和理論分析數據誤差較小，模型預測精度較高。對四種制冷劑運行狀態進行預測，預測結果顯示，相比于其他三種制冷劑，在液柱高度較低的情況下，R410A的傳熱系數和制冷量最大。

本文受天津市高等學?？萍及l展基金計劃重點項目(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，天津商業大學機械工程學院，13821232559，E-mail：zrqing@tjcu.edu.cn。研究方向：制冷系統優化及節能，食品冷鏈。