啤酒机制冷系统制冷剂充注量的确定方法

胡汉华

引言

为了降低成本，简化制冷系统结构同时为保证系统可靠运行啤酒冷却机的制冷系统采用毛细管进行节流，但因毛细管属不可调节的节流元件，为此制冷系统中制冷剂充注量对系统性能特别是制冷量影响很大.制冷剂加入量过多或过少都是不利的。制冷剂量不足使蒸发器未完全充满，蒸发压力降低，压缩机吸气过热度增加，因此蒸发器的传热系数和制冷量都减小；另一方面制冷剂量过多时，将导致冷凝器的有效传热面積减少，引起冷凝温度和压力升高，引起制冷量下降和能耗增加。对于一般的家用制冷器具每个公司都有自己的一套经验做法，大多数以实验方法为主，但较费时费力。而有些文献介绍的利用经验公式计算，但经验公式通用性不强，准确程度差。在新产品开发过程中，制冷剂充注量的确定成了实验工作量最大的环节，约占全部实验工作量的40%。因此，如能以计算的方法确定充注量，以实验加以验证，在生产中将有相当大的应用价值。

1、制冷剂充注量对系统性能的影响

对于毛细管内经和长度一定的制冷系统，为达到最大的能效比，制冷剂的充注量有一个最佳值。制冷剂在压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器等热力设备中进行压缩，放热、节流和吸热四个主要过程，以完成制冷循环。图1是理论的制冷循环压焊图上的表示，从图中我们可以知道理论制冷系数为ε=（h1-h3）/（h2-h1）。当制冷剂充注量偏多时实际循环由1-2-4-5-1变成为1-2′-4′-5′-1，如图2所示。由于制冷剂过量造成冷凝器中存有大量制冷剂液体占据冷凝换热面积，造成换热效果差冷凝温度升高、冷凝压力升高，同时将会造成压缩机排气压力（冷凝压力）升高，压缩机负荷及耗电量增大，压缩机的理论功耗由Wc变为Wc′=h2′-h1>h2-h1，而制冷剂单位质量制冷能力q0变为q0′=h1-h5′< h1-h5，在其他条件不变的情况下，压缩机的制冷量减少，系统的能效比下降。由于制冷剂过多造成压缩机吸入大量的液态制冷剂造成液击，极其容易引起压缩机的损坏，影响制冷效果，系统运行工况恶劣，严重时将有事故发生的可能！系统中的制冷剂充注量过少，最突出的问题是蒸发器的供液量不足，使得蒸发压力由Pe下降倒Pe′，制冷量下降，压缩机的压缩比（或压力差）增加，效率降低，排气和运转温度增高，制冷温度下降缓慢或根本不下降，耗电量增加。循环成为1′—2′—4—5′—1′.系统不能稳定工作，平均制冷量很小。

图3 制冷剂过少的制冷循环

2、制冷剂充注量的计算

图4表示制冷剂充注量和制冷量的关系，我们从图中发现当系统的制冷量达到最大时，必然有一个最佳的制冷剂量和之匹配。制冷剂注入量的精确计算，迄今还没有得到很好解决，目前归纳起来有以下几种方法：（1）经验估算法：按照制冷系统各容器容积乘以不同系数，相加后为系统内的充注容系统充注质量可根据下述公式计算：

m=νρ

式中m——系统内充注制冷剂的质量，单位为kg；

ν——系统内充注的容积，单位为m3；

ρ——制冷剂在充注温度下的密度，单位为kg/m3。

（2）观察法：这种方法是在压缩机运行的情况下边充制冷剂，边检查充注压力，边观察蒸发器的结霜情况、冷凝器的温度、低压吸气管的温度、压缩机的运转电流等。直到蒸发器全部结霜，压缩机的运转电流不超过额定电流时，就停止充制冷剂。

（3）经验公式法：这种方法是经过长期的实践工作得出来的，在一定条件下使用较准确，一般使用以下公式计算：

m——系统内充注制冷剂的质量，单位为g；

Vn---蒸发器内部容积，单位为cm3；

Vk---冷凝器内部体积，单位为cm3。

（4）额定工况计算法：是根据制冷剂在制冷系统内的不同状态，查出它的密度和液体及蒸气所占容积的比例，然后按运行时各容器的状态算出其质量。

2.1啤酒冷却机中制冷剂充注量的计算

啤酒冷却机的负荷是不稳定，特别是刚开始连续放啤酒的时候，需要的制冷量较大，而在低流量的情况下，则不需要太多的制冷量，因此必须在回气管上加设了汽液分离器或在冷凝器后加设储液筒，用来调节系统的制冷量。如图5所示。这样一来既可以避免压缩机汽缸的液击，同时也可以保证足够的制冷量。

图5 啤酒制冷剂系统示意图

因此不能用以前的经验公式来计算方法来确定制冷剂的充注量，必须根据自身特点加以修正，啤酒冷却机的加液量比一般的小型制冷装置要大。制冷剂在系统中状态不断变化，根据其状态可将系统分几段，逐段计算出系统各部分的制冷剂量后即可得出充注量.以毛细管节流的制冷系统，冷凝器中必须存一定的制冷剂液体。为保证系统能在变工况条件下正常工作，当毛细管流量最大时，冷凝器应能保持液封.此时冷凝器中为汽液两相；相同的蒸发器中为开始阶段为液相，后随着制冷剂的蒸发，液态全部变成气态，因此蒸发器中液为汽液两相；毫无疑问干燥过滤器中的制冷剂为过冷液态；在额定状况下汽液分离器中制冷剂应该是气态。因此根据上面的分析我们可以计算出啤酒冷却机中制冷剂的充注量m。蒸发器内气体制冷剂的量：m1；蒸发器内液体制冷剂的量：m2；冷凝器中气体制冷剂的量：m3冷凝器中液态制冷剂的量：m4；干燥过滤器中的液态制冷剂的量：m5；汽液分离器中的气态制冷剂的量：m6；因此啤酒冷却机中所需制冷剂的充注量为m=m1+m2+m3+m4+m5+m6。啤酒冷却机的工况是：过冷度为5，过热度为20，制冷剂为R134a。通过查压焓图和热力性质表中得到所需的参数。25时，液态制冷剂密度0.82827*10-3 m3/kg，气态制冷剂密度为0.030723m3/kg；时，液态制冷剂密度，气态制冷剂密度为；蒸发器入口制冷剂的干度，出口干度为1，因此蒸发器内制冷剂的平均干度为。而冷凝器内的干度取平均经验值。得到制冷剂的充注量为m=m1+m2+m3+m4+m5+m6=0.7*0.01*Vn+0.3*1.3275* Vn+0.85*0.059* Vk+0.15*1.1215* Vk+0.01*Vs+1.1475*Vd=0.40525Vn+0.218375Vk+0.01Vs+1.15Vd（kg）

考虑到系统中必须有的连接管路和润滑油中容有的制冷剂给上式添加一个合适的系数k，将会使计算得出的充注量更加合理和可操作性。经过大量的实验得出k=1.05，即啤酒冷却机制冷剂的充注量为m=1.05（0.40525Vn+0.218375Vk+0.01Vs+1.15Vd）（kg）

3、验证与结论

应用上述计算方法，对V-100系列啤酒冷却机进行实验和验证，得出计算误差为3.5%，充注量优化实验仅进行2次，时间与费用均大幅下降。由以上讨论可得出如下结论：1）制冷剂充注量与制冷量之间存在最佳匹配关系，且制冷量最大时能效比最高。2）用计算的方法确定充注量，准确程度高，能减少70%的实验工作量。

（作者单位：浙江心连心电器有限公司）