制冷系统节流装置流动特性试验台分析

崔朝朝，杨新叶，董兆萍，马佳慧，邓文华，张振迎，陈艳华（华北理工大学建工学院，河北唐山063009）

制冷系统节流装置流动特性试验台分析

崔朝朝，杨新叶，董兆萍，马佳慧，邓文华，张振迎，陈艳华
（华北理工大学建工学院，河北唐山063009）

试验研究是进行节流装置流动特性研究的重要手段，研制高效实用的节流装置试验台显得非常重要。本文对传统制冷循环试验台、液环节流装置试验台、开式制冷节流装置试验台三种制冷系统节流装置流动特性试验台流程进行了分析和比较，以期为以后节流装置流动特性试验台的研发提供参考。

制冷；节流装置；流动特性；试验台

1　引言

节流装置是制冷系统中最重要的部件之一，节流装置与系统其他主要部件的良好匹配是改善系统运行并适应系统负荷变化的基础。研究者多从改进控制算法出发力求提高系统的匹配效果，进而降低能耗，促进系统高效运行。试验研究是进行节流装置流动特性研究的重要手段，研制节流装置流动特性试验台显得非常重要。本文对传统制冷循环试验台、液环节流装置试验台、开式制冷节流装置试验台三种制冷系统节流装置流动特性试验系统进行了分析。

2　传统制冷循环试验台

传统制冷循环试验台模拟一个完整的实际制冷循环，工质在由压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器等构成的闭式系统中连续循环流动。为便于控制节流装置测试段的进出口条件，如温度、压力、过冷度等，加装过冷器、电加热器等。这种试验系统的特点是直观体现工质在实际制冷空调系统中节流装置内的流动特性以及节流装置与系统的匹配特性，但由于压缩机排气参数的波动，使得测试段进出口工况的稳定过渡时间较长，稳定性差；同时由于制冷剂的特性不同，导致测试不同制冷剂流动特性需要配置不同的试验压缩机，造成系统的设备成本成倍增长；不能模拟纯制冷剂（无油）的节流装置流动特性，同时更换制冷剂时要采用不同润滑油来保证运动部件的正常运行，这样存在管路和换热器清洗不便的缺点。

文献［1，2］通过图1所示的试验台研究跨临界二氧化碳节流短管的流动特性。实验台是在CO2汽车空调系统性能试验台的基础上改造而成，该系统包含了压缩机、蒸发器、冷凝器和节流装置四大部件，其实质为一传统的风冷制冷循环系统，系统由3个回路构成:①包括节流装置测试段的制冷剂回路；②蒸发器室温、湿度及风量控制回路；③气冷器侧温度、风量调节回路。节流装置的入口处设一个过滤器，用来滤除系统中的杂质，防止堵塞测试段的测压孔。为了更准确的模拟实际系统，设计系统时没有安装油分离器，因此系统中润滑油的存在对节流元件流动特性的影响无法进行定量研究。测试段入口压力通过调节压缩机的转速实现，旁通管路设一个手动针型调节阀，便于精确的调节试验段上游压力。节流元件入口温度通过调节气冷器迎面风速及温度实现。节流装置测试元件出口压力通过调节旁通支路的手动阀进行粗调，当下游压力接近设计压力时，调节蒸发器的风量和温度，直到下游压力达到设计要求。

文献［3-5］搭建了如图2所示的试验台流程来测量R134a制冷系统中节流短管的流动特性。该系统包括三个主要的循环:制冷剂循环，循环热水和冷水循环。制冷剂循环包括压缩机、冷凝器、短管、蒸发器四大部件和油分离器、高低压储液器、干燥过滤器、过冷器等附件。压缩机由电动马达驱动，通过逆变器改变电机的转速以改变制冷剂流量。油分离器用来使润滑油的影响降低到最小，油分离的效率可达99%。实验中使用循环热水和循环冷水分别平衡蒸发器和冷凝器的热量。电加热器和制冷系统安装在水箱内以控制水温。节流装置测试段的上游压力通过调整冷水的温度来实现，下游压力通过调整控制热水的温度和流量来实现。节流装置入口制冷剂的过冷度通过调节再冷却器的水的流量来实现。

图1　传统风冷节流装置试验系统流程图

3　液环节流装置试验台

传统的制冷循环试验台流程中制冷剂仅在冷凝器及其后一段管路范围内处于液相，其余设备和管路中均处于气相，而在液环节流装置试验台中，制冷剂仅在节流装置后至低压换热器内处于气相，其余设备和管路中的制冷剂均为液相，即试验台流程中大部分制冷剂处于液态，液态制冷剂首尾相接构成一个环路。

文献［6-9］搭建了液环节流装置流动特性试验台。试验系统流程图如图3所示，主要由主回路（制冷剂循环系统）、制冷系统、热水循环系统、乙二醇溶液循环系统、操作控制台等几个部分组成。主回路是试验台的核心系统，主要由磁力泵、低压换热器、高压换热器、储液器、测试部分等组成。制冷剂在由变频器控制的磁力泵作用下，改变流量和升高压力，进入高压换热器后，被来自热水循环系统的热水加热，使换热器出口处制冷剂的温度达到节流装置前的设定温度（此温度与实际制冷系统冷凝器出口的制冷剂温度相对应）。而后此高温高压制冷剂液体经节流装置测试段节流闪发，由于磁力泵入口要求必须是液体，因此在节流装置测试段的后面设置了低压换热器来冷凝节流装置出口制冷剂中的气态成分。低压换热器一侧为制冷剂，一侧为低温乙二醇液体。磁力泵入口设置储液器，其作用主要有:①作气液分离器使用，用于将冷凝后的制冷剂液滴加以分离，保证磁力泵入口为全液体；②调节主回路中制冷剂的循环量，保证主回路各组成部件的正常运行。

液环节流装置试验台的优点为:主回路中循环介质只有制冷剂，无润滑油，换热器易于清洗，可进行各种制冷剂在同一节流装置中流动特性的研究；循环介质在大部分管路中处于液态，系统易于控制，工况易于稳定，且测试工况较广；节流装置是可自由拆卸的测试部分，可进行节流短管、毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等各种节流装置的研究；循环路径短，换热器热负荷小，设备购置费用与运行费用均大大降低。

图2　传统水冷节流装置试验系统流程图

图3　液环节流装置试验系统流程图

4　开式制冷节流装置试验台

开式制冷节流装置试验系统又称单流通过型，此种系统只模拟并控制节流装置的进出口工况。一般在节流装置上游设一高压储液罐，下游设一低压储液罐，通过加热、冷却装置分别控制两个罐内工质的温度和压力，达到所要求的节流装置进出口工况后，工质从高压罐流出，经过节流装置节流降压后，进入低压罐，这样就完成了一个测试工况。当大部分工质流入低压罐后，再通过工质泵或其他方式将工质返回到高压罐，重新建立工况，准备下一轮测试。这种试验台的特点是机械部件少，易于在大范围内控制节流装置的入、出口工况，快速达到并保持稳态流动，可避免油污染。缺点是需要较多的制冷剂充注量以获得稳定的运行时间，成本较高。

文献［10］搭建了一开式制冷节流装置试验系统，试验系统流程如图4所示。整个试验台系统主要包括制冷剂提供罐、控制阀、节流装置测试部分、流量计、回收罐、变压器、电加热器、窥镜、控制系统、测量系统等部件构成。制冷剂提供罐设置自耦变压器和电阻加热器来使得制冷剂保持在要求的压力或温度下，液态制冷剂通过提供罐底部的管路进入测试环路。将制冷剂回收罐放在室温或冰水中，使之维持在设定的低压水平，节流装置的下游压力通过控制阀来调节。节流装置入口的制冷剂过冷度通过缠绕在测试段前端管路的加热器功率来控制。在测试部分前安装了质量流量计来测量流量，测试部分的压力表和流量计可以记录所需的实验数据。

图4　开式节流装置试验系统流程图

5　结语

本文对节流短管内制冷剂的流动特性试验台的设计进行了分析，比较了传统制冷循环试验台、液环节流装置试验台、开式节流装置试验台三种制冷系统节流装置流动特性试验台的流程及其优缺点。传统制冷循环试验系统能直观体现工质在实际制冷系统中节流装置内的流动特性以及节流装置与系统的匹配特性，但存在稳定性差、流量范围有限、管路和换热器清洗不便等缺点；液环法节流装置试验系统制冷剂和流量适用范围较广，测试工况易于稳定，管路和换热器清洗方便，运行费用较低，但为了实现其循环还需另外设一台制冷循环系统，使得系统较复杂而且工况调节与匹配过程较难；开式节流装置试验系统机械部件少，易于在大范围内控制节流装置的入、出口工况，快速达到并保持稳态流动，可避免油污染，但存在制冷剂充注量高、回收困难等缺点。本文将为以后节流装置流动特性试验台的研发和搭建提供参考。

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Experimental systems of Throttling Device Flow Characteristics in Refrigeration System

CUIZhaozhao，YANG Xinye，DONG Zhaoping，MA Jiahui，DENGWenhua，ZHNAG Zhenying，CHEN Yanhua
（School of Civil and Architecture Engineering，North China University of science and technology，Tangshan 063009）

The experimentalstudy is an importantmeans of investigating throttling device flow characteristics.It is of significance to develop an efficientand practical throttling device experimental system.In this paper，three throttling device experimental systems，such as the traditional refrigeration cycle experimental system，liguid-ring throttling device experimental system and open uniflow throttling device experimental system are analyzed.It is expected to be illuminating for the developmentof the throttle device flow characteristic experimental system in the future.

Refrigeration；Throttling device；Flow characteristic；Experimental system

TB61

A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.015

ISSN1005-9180（2016）02-077-04

2016-1-22

华北理工大学大学生创新创业训练计划项目（X2015130）；华北理工大学博士科研启动基金项目

崔朝朝（1991-），男，本科生。

张振迎。Email:zhangzhenying@ncst.edu.cn