制冷剂不足时小型空调制冷循环系统实验研究

钱 铮，孙 斌，许明飞

(东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林132012)

由于安装工艺、设计工艺的原因，制冷剂循环系统在实际运行的过程中会发生缓慢泄漏。另外在制冷剂充注时也会存在一定的误差。无论是那个原因都会导致制冷循环系统中制冷剂不足，从而影响系统内部阻力特性和换热特性，最终影响制冷循环性能。最近几年制冷系统中的两相流研究越来越多，其中很多研究给出了制冷循环性能与流型之间的关系［1-2］。本实验在多功能环境实验室中变换环境的工况下研究了制冷剂不足时，节流后与蒸发器之前的制冷剂气液两相流流型与制冷循环性能之间的关系。同时研究了流量，压力，温度和实验段流体流动的图像随环境工况变化的关系。实验过程中显示，制冷剂不足时制冷循环中的各个参数都发生了改变，影响了整个制冷循环的性能。通过对实验结果的分析获得了制冷剂不足时制冷循环中参数的变化规律，并与正常时的参数进行了比较。实验结果对产品设计、实际工程都具有很好的参考价值。

1 实验装置及实验方法

图1 实验系统图

实验装置是一个制冷剂为R410A，最大制冷量为2.6 kW的直流变频空冷空调器，实验时制冷剂充注量是正常时候的2/3。该实验装置主要包括两个部分，即制冷剂循环系统和数据采集系统，见图1。制冷剂循环系统主要包括压缩机，冷凝器，膨胀阀，和蒸发器四个部分，压缩机选用直流变频压缩机，气缸容积20.8 cm3，运行频率为30 Hz-120 Hz，蒸发温度7.2℃，冷凝温度54.4℃，工作时压缩机根据环境工况的变化自动调节频率，从而调节制冷剂流量;蒸发器和冷凝器为翅片铜管式，冷凝器为风冷结构;膨胀阀与压缩机协调工作，提高控制精度，实现柔性控制。工作时制冷剂在压缩机内压缩成高温高压后流入冷凝器，随后在膨胀阀节流后进入蒸发器，最后回到压缩机，如此往复循环。

在膨胀阀与蒸发器之间设计了一段用透明的玻璃管连接的水平实验段，透明玻璃管内径6 mm，长为500 mm，管两端与铜管同心连接，连接处平滑，见图2。

图2 实验段

数据采集包括图像、温度、压力、流量采集。图像采集系统主要包括照明系统和高速摄影系统。高速摄影机对光线的亮度有较高的要求，通常情况下，选用大功率的碘钨灯、荧光灯甚至激光光源当作照明光源，可以采集到较高质量的流型图像。本实验照明系统的光源使用6 400 K色温的三基色光管，光线明亮无闪烁。由于两相流流型变化复杂，高速摄影系统采用瑞士Weinberger公司研发的SpeedCamVisario系统，其最大分辨率为1 536×1 024，最大帧频达到10 000帧/秒，能够清晰的抓拍各种流型的瞬变图像。在图像摄取过程中由于液体和气体均是透明的，可采用逆光照明［3］，拍摄各种流态的阴影。为了使光线分布均匀，在玻璃管的后侧放置一片磨砂玻璃，如此可获得满意的拍摄图像。温度、压力、流量由另一数据采集系统采集，采集系统包括PCI4712系列采集卡和DasView2.0控制分析软件，温度传感器，温度变送器，整体压力变送器和整体流量变送器。温度传感器分别在压缩机出口、实验段前端、蒸发器出口三处紧贴管道外壁保温安装，温度传感器采集的温度信号通过温度变送器与计算机上的采集系统连接，最终把温度信号变为电压信号并输出。测试仪表的型号、量程及精度见表1。

表1 数据采集设备参数表

2 实验结果分析

实验是在两个全封闭隔热的模拟室内完成的。模拟室内的环境工况由一个多功能的热泵系统来控制。控制温度范围为20-45℃，湿度范围为20%-70%。实验中模拟出实际的空调工作的环境，所得到的数据非常有实际意义。系统从25-40℃环境温度工况范围内，每升高一度采集一次数据，采集频率为 256 Hz，时间为 8 s。

2.1 流 量

图3是实验工况下得到的流量变化情况。结果表明，实验中流量总体随环境温度升高而变大。在25-30℃的区间内变化比30-35℃区间内的变化相对较平缓，35-40℃后流量基本保持一致。这是由于刚开始时换热量不大，随着温度的升高，换热量变大，制冷剂流量变大且流速加快。由于系统制冷剂不足，所以就不能满足当需要更多的制冷剂来参与热量交换的工况。从热力学计算角度可以知道质量流量的不足会影响系统的局部换热［4-5］，管内壁面液膜变薄或消失，会出现恶劣换热过程。

2.2 压力和温度

图3 流量随环境温度的变化

图4是实验工况下蒸发压力、冷凝压力的变化情况。从图中的结果可见，无论是冷凝压力还是蒸发压力都比不缺制冷剂时候的压力低。随着环境温度的升高，压力有上升趋势，但在35-40℃区间内变化梯度趋于零，压力几乎不变。

图5是实验工况下吸排气温度、蒸发温度的变化情况。实验数据显示，随着实验工况变化排气温度逐渐降低;吸气温度逐渐增高，吸气口端管内温度高于环境露点温度;蒸发温度高于设计温度值，并逐渐增高。从现场观察到的现象如下:

图4 压力随环境温度的变化

(1)回气管没有结露，用手触摸管壁没有明显凉的感觉。

(2)压缩机排气管结霜严重。

(3)蒸发器只有小部分结露或结霜。

(4)室外机排风没有热感。

通过分析得出，系统制冷剂不足时会导致压缩机出口端管内压力下降，沸点降低，使管温低于冰点，冷凝温度降低;制冷剂在蒸发器内不能很好的完成蒸发过程，换热面积相应减少，致使蒸发温度和回气温度升高，过热度增大。

图5 系统温度随环境温度的变化

2.3 流动图像分析

图6 流型图

从实验的流动图像表明，随着环境工况的变化实验段出现的流型主要有液-气分层流，泡-气分层流［6-8］，见图6。采集的图像像素大小为1 536×1 024，帧频为1 000帧/秒。由于实验系统制冷剂不足，导致节流后制冷剂气相增大。图像中黑色部分是气液两相界面，在模拟环境温度较低时，压缩机工作频率较低，膨胀阀的开度较小，管内主要是液-气分层流，随着环境温度的升高，界面波动越来越剧烈，流体流速迅速增大。此时压缩机工作频率较高，膨胀阀的开度较大，节流作用比较弱，制冷剂均相节流气化慢，残留一部分小气泡未能分离，而形成泡-气分相流。实际上在这两种流型转变的瞬间，由于制冷剂流速急剧增高，液体被高速的气体冲到管内壁，形成中间气体四周液体的液环-气芯流。

通过得到流量，压力，温度等数据，可以计算出制冷量的大小。计算公式为:

式中，Q为制冷量，kW;G为质量流量，m3/h;h1为制冷剂吸气状态时的焓值，kJ/kg;h4为节流后的焓值，kJ/kg。分析计算结果，可以得出最大制冷量只有额定制冷量的1/3，可见制冷剂不足对系统制冷能力影响非常大。图7反映了各流型区域与制冷量的对应关系。

图7 各流型区域与制冷量的对应关系

3 结 论

实验表明，制冷循环在制冷剂不足时，流量，压力，温度都发生了很大的变化，影响了管内换热，导致制冷量严重下降，在实验设定值下制冷量最大只有额定制冷量的30%左右。流型图直观的反映了制冷剂在管内气液两相的流动特性，实验中主要出现了液-气分层流，泡-气分层流两种主要流型。实际上制冷剂在制冷循环管道中流动时流速非常快，气液两相变化很难准确的拍摄到，实验过程中在液-气分层流，泡-气分层流两种流型的过渡区域出现变化很快的液环-气芯流，而在气芯里面也会存在着小液滴。制冷循环是一个封闭的循环系统，单质制冷剂在管内由于环境工况的变化会形成两相流动的现象，准确得到流动时的流型变化能够更好的分析出制冷循环系统的流动特性，对实际生产、工程具有指导意义。

［1］陶宏，陶乐仁，郑志皋，等.变制冷剂流量制冷循环性能与气液两相流流型的研究［J］.上海理工大学学报，2009，31(6):521-524.

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［3］阮秋琦.数字图像处理［M］.北京:电子工业出版社，2001.

［4］段雪涛，马虎根.R410A的流动沸腾换热性能［J］.化工学报，2006，57(10):2289-2292.

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［6］张华俊，蒲亮.毛细管内制冷剂气液两相流动研究现状与发展［J］.制冷与空调，2003，3(5):12-17.

［7］李俊明，吴业正，李新中.一种判别制冷剂水平管内两相流型的新方法［J］.制冷学报，1995(1):18-23.

［8］陶宏，陶乐仁，郑志皋，等.气液两相流流型振荡诱发制冷循环不稳定性的实验研究［J］.制冷学报，2009，30(2):18-23.