小型制冷系统中吸气管-毛细管回热器特性实验研究

盛 伟　刘桂信　李 飞　李伟钊（河南理工大学机械与动力工程学院　焦作　454003；2河南新飞电器有限公司新技术研发中心　新乡　453000）

小型制冷系统中吸气管-毛细管回热器特性实验研究

盛 伟1，2刘桂信1李 飞1李伟钊1
（1河南理工大学机械与动力工程学院焦作454003；2河南新飞电器有限公司新技术研发中心新乡453000）

由吸气管与毛细管热交换形成的回热器对小型制冷装置的制冷性能有着重要影响。目前，回热器主要有以下四种类型：毛细管外穿式、铝箔覆盖式、铜锡焊式、毛细管内穿式。结合理论分析，实验研究了制冷装置采用不同类型回热器时毛细管进出口温度、吸气管进出口温度、蒸发器温度以及压缩机吸排气温度对其工作性能的影响。结果表明，从换热性能上看，毛细管内穿式回热器与铜锡焊式回热器的性能基本相同，从制冷装置总体制冷性能上看，毛细管内穿式回热器优于铜锡焊式，且比毛细管外穿式及铝箔覆盖式回热器同等条件下单位容积制冷量提高17.4％，采用毛细管内穿式回热器有利于提高系统的制冷性能。

回热器；性能测试；毛细管；小型制冷装置

在冰箱、展示柜等小型制冷装置中，往往把毛细管与吸气管缠绕一起进行热交换（以下简称回热器），目的是起到冷热交换作用、提高过冷度，减轻因制冷剂略多或者设定温度低而引起的吸气管结霜的作用，使吸气管温度升高，提高压缩机效率及安全。回热器性能的好坏直接影响到小型制冷装置的性能，回热器做得不恰当，会产生以下问题：1）制冷剂不能充分过冷，在液态制冷剂管路中出现闪发气体；2）吸气温度降低，使吸气管结霜；3）压缩机的压比增大，降低压缩机热效率；4）变工况时调节能力变弱，降低系统制冷系数。

学者对毛细管计算模型［1-2］、内部流动特性［3］及相关实验［4-5］已有较深入的研究；对于毛细管与吸气管组成的回热器性能，刘益才等［6-7］给出了回热器毛细管的计算模型及内部流动特性；吴晓敏等［8］、陈燕燕等［9］、夏宇栋等［10］、向立平等［11］、陈曦等［12］分别给出了回热器性能的影响因素及数值计算。国外学者［13-17］对回热器毛细管及回热器性能进行了深入研究。上述文献表明：关于单独毛细管以及回热器毛细管内部流动计算、特性以及相关实验研究已经进行得非常深入，对回热器性能的影响及数值分析也做了很多工作。但是对于毛细管与吸气管组成的不同类型回热器性能对比的研究并没有相关报导。

目前，毛细管与吸气管回热器主要有四种方式：毛细管外穿式回热器（capillary wear type）、铝箔覆盖式回热器（aluminum foil cover type）、铜锡焊式回热器（copper and tin welding type）和毛细管内穿式回热器（capillary inside pipe type）。很多小型制冷装置生产厂家对回热器的生产仅凭经验进行加工，对回热器的性能没有从理论上并结合实验进行精确验证，从而导致设备运行精度不高、增加系统损耗等问题。针对目前市场上现有的四种回热器类型，结合实验对其性能进行验证分析，指出各自性能的优缺点，为生产企业使用这类回热器及其在小型制冷装置中的应用提供参考。

1　理论分析

装有回热器的理论制冷循环之T-S图如图1所示。其中循环1-1′-2′-3-3′-4′-1为装有回热器的制冷循环，1-1′和3-3′表示回热过程。

图1　具有回热循环的制冷循环T-S图和p-h图Fig.1 T-S diagram and p-h diagram of refrigeration cycle with regenerative cycle

1）在无热量损失的条件下，回热过程热平衡关系为：

式中：Δq0为回热循环单制冷量的增加量，kW；h3-h3′为液体放出的过冷热量，kW，在T-S图上以面积4-4′-5′-5-4表示；h1′-h1为蒸气吸收的过热量，kW，在T-S图上以面积1′-1-6-6′-1′表示；Δqh为回热热量，kW。

2）单位制冷量（单位质量制冷量）q0′：

式中：cp为定压比热容，J/（kg.℃）；hw为汽化潜热，J/mol。根据滑逊方程得：

式中：n=0.38；对比温度Tr=T3/Tc；标准沸点下的对比温度Tb，r=Tb/Tc；Tc为临界温度，℃；hb为标准大气压下的汽化潜热，J/mol。hb可由特鲁顿定律［18］得：

式中：k为过程指数，假设制冷剂为理想气体，则k称为绝热指数，Z1=1。

3）单位容积制冷量qv′：

式中：v1′为单位体积，m3；R为气体常数，J/（mol.K）。

2　设备系统及过程

该实验装置由蒸气压缩式制冷循环装置、测量装置组成，如图2所示。制冷系统中的制冷剂经过压缩机压缩成高温高压的过热蒸气后，输送至冷凝器，通过冷凝器冷凝散热后形成的制冷剂液体经毛细管限流降压进入蒸发器。来自毛细管的两相混合物在蒸发器内蒸发，从被冷却介质中吸收所需的汽化热，达到制取冷量的目的。该制冷系统在毛细管进口、出口及吸气管进口、出口处，安装了截止阀以方便更换不同种类的回热器。温度通过标定好的铜鏮铜热电偶测量。

图2　实验装置示意图Fig.2 Scheme of experiment equipment

2.1实验设备和仪器

制冷机组（型号JZAE9430，功率497 W），蒸发器（型号LZG01-4A，翅片式换热器，尺寸：1000 mm× 300 mm×300 mm），电子天平（JM5002，精度0.01 g），温度测试模块ADAM6018一个，测温热电偶（型号：WRC，显示精度：0.01℃），PC机一台。

2.2实验工况

通过测试软件，在环境温度为20±0.8℃条件下，对四种回热器产品在同一制冷装置中的性能进行测试。分别测得安装四种不同回热器产品后制冷装置的毛细管进出口温度（T1，T2）、吸气管进出口温度（T4，T5）、蒸发器进口温度（T3）、压缩机吸、排气温度（T7，T8）及冷柜内部温度（T6）。监测记录实验数据，并对实验结果进行对比、计算和分析。

2.3实验过程

保证四种回热器的毛细管长度、吸气管长度、管径、环境温度相同的条件下，在实验装置的相应位置布置温度测点以监测温度变化的情况；为了实验过程中分析问题的方便，分别对上述回热器进行编号，如图3所示。其中，毛细管外穿式回热器（capillary wear type），编号为1；铝箔覆盖式回热器（aluminum foil cover type），编号为2；铜锡焊式回热器（copper and tin welding type），编号为3；毛细管内穿式回热器（capillary inside pipe type），编号为4。对应实验次序为第一组、第二组、第三组、第四组；对每组回热器进行性能测试。启动制冷装置，每2 min采集毛细管进出口温度、吸气管进出口温度、蒸发器进口温度、压缩机吸气温度和排气温度，观察记录实验过程现象。

3　实验结果及分析

3.1毛细管进、出口温度

图4和图5分别为每种回热器在实验装置中毛细管进、出口温度随时间的变化情况。

由图4可知，毛细管进口温度随时间的变化趋势由大到小依次为T2＞T1=T3＞T4。

由图5可知，毛细管出口温度随时间的变化趋于稳定的过程中，温度由高到低依次为T2＞T1＞T4＞T3。毛细管出口温度的高低决定蒸发器进口温度大小，进而决定冷柜内温度的大小，温度越低，其效率越高。实验数据表明，第三组和第四组毛细管的出口温度低于第一组和第二组的出口温度。

3.2吸气管进、出口温度

图6～图8所示分别为实验装置中吸气管进、出口温度随时间的变化情况。

由图6可知，吸气管进口温度随时间的变化趋于稳定的过程中，温度由高到低依次为T1＞T2＞T3＞T4。吸气管进口温度与柜内温度成正比，如图9所示，柜内温度随时间的变化趋于稳定的过程中，温度由高到低依次为T1＞T2＞T3＞T4。

图3　四种回热器实物图Fig.3 Four type actual object of regenerator

由图7可知，吸气管出口温度随时间的变化近似为T1=T2=T3=T4。在同一出口温度下，进口温度越小说明其换热性能越好，温差可以反映换热情况。

由图8可知，吸气管进、出口温差随时间的变化趋于稳定的过程中，温度由高到低依次为T4＞T3＞T2＞T1。即在吸气管换热性能方面，回热器性能由高到低排序为：毛细管内穿式回热器、铜锡焊式回热器、铝箔覆盖式回热器、毛细管外穿式回热器。在冷柜内制冷效果方面，回热器性能由高到低排序为：毛细管内穿式回热器、铜锡焊式回热器、铝箔覆盖式回热器、毛细管外穿式回热器。

图4　毛细管进口温度Fig.4 Capillary inlet temperature

图5　毛细管出口温度Fig.5 Capillary outlet temperature

图6　吸气管进口温度Fig.6 Inlet temperature of suction pipe

图7　吸气管出口温度Fig.7 Outlet temperature of suction pipe

图8　吸气管进出口温差Fig.8 Import and export temperature difference of suction pipe

图9　冷柜内部温度Fig.9 Internal temperature of the air-conditioner

3.3压缩机吸、排气温度

图10和图11所示分别为实验装置中压缩机吸、排气温度随时间的变化情况。

从图中可以看出，各组实验的吸排气温度虽然有所不同，但变化幅度并不大，说明装有不同回热器时制冷系统均运行稳定，无管道堵塞现象，冷凝器温度及压缩机消耗功率基本相同。

图10　压缩机吸气温度Fig.10 Suction temperature of compressor

图11　压缩机排气温度Fig.11 Exhaust temperature of compressor

图12　单位容积制冷量Fig.12 Volumetric refrigeration capacities

3.4单位容积制冷量

图12所示为装有不同回热器时单位容积制冷量随时间变化的情况，由图可以看出：单位容积制冷量随着时间的增长趋于稳定状态。当达到稳定时，单位容积制冷量由大到小进行比较依次为q4＞q3＞q1＞q2，单位容积制冷量即指总制冷量，在保证具有相同制冷量的条件下，其大小反映出压缩机的尺寸大小，单位容积制冷量越小，购置设备的费用越大。在同一台压缩机提供制冷量时，会随着蒸发温度的降低而下降，从所测得的蒸发温度来看，4种回热器的蒸发温度变化幅度不大，故制冷量越大，表明制冷效果越好。

4　结论

通过对四种回热器产品的性能进行实验对比分析研究，可以得出以下结论：

1）在毛细管换热性能方面，回热器性能由高到低排序为：铜锡焊式回热器、毛细管内穿式回热器、毛细管外穿式回热器、铝箔覆盖式回热器。

2）在吸气管换热性能方面，回热器性能由高到低排序为：毛细管内穿式回热器、铜锡焊式回热器、铝箔覆盖式回热器、毛细管外穿式回热器。

3）在冷柜内制冷效果方面，回热器性能由高到低排序为：毛细管内穿式回热器、铜锡焊式回热器、铝箔覆盖式回热器、毛细管外穿式回热器。

4）在单位容积制冷量方面，回热器性能由高到低排序为：毛细管内穿式回热器、铜锡焊式回热器、毛细管外穿式回热器、铝箔覆盖式回热器。

综上所述：在同一实验条件下，在换热性能方面，毛细管内穿式回热器与铜锡焊式回热器的性能基本相同，铝箔覆盖式回热器与毛细管外穿式回热器性能基本相同，且前两者要好于后两者。在制冷装置总体制冷性能方面，回热器性能由高到低排序依次为：毛细管内穿式回热器、铜锡焊式回热器、铝箔覆盖式回热器、毛细管外穿式回热器。

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Performance Analysis of Small Refrigerating Regenerators

Sheng Wei1，2Liu Guixin1Li Fei1Li Weizhao1
（1.College of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，454003，China；2.New Technology Research Center，Henan Frestech Electrical Co.，Ltd.，Xinxiang，453000，China）

Heat regenerator formed by capillary and suction pipe has an important influence on the performance of small refrigeration equipment.At present，there are four main types of regenerator：capillary wear type，aluminum foil cover type，copper and tin welding type，capillary inside pipe type.Combining with theoretical analysis，the refrigeration performance of regenerator was experimentally studied by capillary inlet and outlet temperature，suction pipe inlet and outlet temperature，evaporator temperature and discharge temperature of compressor suction.The results show that，wear inside the capillary regenerator and copper tin welding type regenerator have the same performance in heat transfer performance.However，the refrigerating capacity per unit of swept volume of capillary inside pipe type regenerator was 17.4％higher than that of capillary wear type and aluminum foil cover type regenerator under the same conditions.The performance of refrigerator can be improved by using capillary inside pipe type regenerator.

heat regenerator；performance test；capillary；small refrigeration device

TB657；TQ051.5

A

0253-4339（2015）05-0081-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.081

2015年11月10日

简介

盛伟，男，博士，副教授，河南理工大学，（0391）3987546，E-mail：weisean@163.com。研究方向：制冷新技术理论与应用。About the corresponding author

Sheng Wei，male，Ph.D./associate professor，Hennan Polytechnic University，+86 391-3987546，E-mail：weisean@163.com. Research fields：the new refrigeration technology theory and application.