四种制冷剂重力再循环蒸发器的理论计算与实验研究

阮建文 臧润清 孙志利 赵 东

(天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 冷冻冷藏技术教育部工程研究中心 天津市制冷技术工程中心 天津 300134)

四种制冷剂重力再循环蒸发器的理论计算与实验研究

阮建文 臧润清 孙志利 赵 东

(天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 冷冻冷藏技术教育部工程研究中心 天津市制冷技术工程中心 天津 300134)

本文建立了均相流模型，对四种制冷剂重力再循环蒸发器进行理论分析，并搭建重力再循环制冷系统实验台，在不同工况下对比了实验结果与理论计算结果。以R404A为例，当保温体内空气温度从0 ℃下降到-25 ℃时，传热系数的理论值与实验值的偏差从15.91%逐渐减小到3.01%，制冷量的理论值与实验值的偏差从14.43%逐渐减小到2.07%。保温体内空气温度越低，偏差的幅度越小，重力再循环制冷系统的运行状态和理论运行状态较吻合。应用该模型对四种制冷剂运行状态进行预测，预测结果表明：相比于其他三种制冷剂，当液柱高度较低时，R410A的传热系数和制冷量最大。

再循环蒸发器；对比；理论分析；实验研究

翅片管式蒸发器如今已广泛使用于制冷及空调行业，围绕强化翅片管式蒸发器传热效果的研究也经久不衰，蒸发器的传热量取决于传热系数、传热温差、以及传热面积，在传热面积一定的前提下，取决于蒸发器的传热系数及传热温差。因此，强化蒸发器传热效果的一个重要途径是强化蒸发器内制冷剂的传热系数。重力再循环蒸发器以提高蒸发器内制冷剂的流速为强化换热手段，以热虹吸原理实现制冷剂的再循环，从而改善蒸发器的换热性能，增大制冷剂侧换热系数，提高蒸发器的效率。与直接膨胀制冷系统相比，优势在于：1)可以提高蒸发器的换热系数；2)可以促进蒸发器内润滑油的排出；3)可以保证向蒸发器内均匀供液[1-5]。

A. Paliwoda[6]提出利用分相流计算重力再循环蒸发器中压降问题，采用两相流系数将两相流折算成单相流进行相关计算，总结了两相流系数的计算公式和应用条件。

臧润清等[7]基于热虹吸原理实现重力再循环制冷系统超倍供液，提出了均相流模型计算重力再循环制冷系统并对其进行了理论分析和实验研究。

李星等[8]在不同工况对再循环蒸发器进行了实验研究，在低温工况下，重力再循环制冷系统比直接膨胀供液系统有更佳的传热效果。

赵东等[9]在保持各支路制冷剂侧循环倍率和平均传热温差相同的前提下，对重力再循环蒸发器管路流程进行优化，发现经过优化的重力再循环蒸发器的制冷量提高44%,传热系数提高13.8%，对再循环蒸发器性能具有明显的影响。

1 均相流模型的重力再循环蒸发器理论分析

将两相制冷剂混合物看成是均匀的“单相”制冷剂，所有参数取气液两相的平均值，并假设：1)气液两相制冷剂具有相同的速度；2)气液两相制冷处于热平衡状态；3)可使用单相摩擦阻力系数表征两相流动。当制冷剂的实际流动符合下列条件之一时，可按均相流模型处理：ρL/ρG≤100、d≤80 mm；G≥200 kg/(m2·s)，而当ηL>0.01 Pa·s时，则不能按均相流模型处理[10-11]。

重力再循环蒸发器能否形成超倍供液的首要条件是液柱高度H1所提供的供液压头能否克服制冷剂在供液管、蒸发管、回气管内产生的压降。该压降主要由4部分组成：摩擦阻力压降Δpf、重位压降Δpg、加速压降Δpa、局部阻力压降Δpm。

1.1液柱高度

H1=(Δpf+Δpg+Δpa+Δpm)/gρL

(1)

式中：H1为气液分离器内静液面至蒸发器入口处的高差，m；g为重力加速度，m/s2。

1.2摩擦阻力压降

对于供液管，没有热量输入，制冷剂以饱和液体的形式流过供液管，因此可以按单相流来计算:

(2)

(3)

对于回气管，无热量输入，此时:

(4)

式中：di为供液管内径，m；de为蒸发管内径，m；do为回气管内径，m；Li为供液管管长，m；Le为蒸发管管长，m；Lo为回气管管长，m；ρG为气相密度，kg/m3；ρL为液相密度，kg/m3；ηG为气相动力黏度，Pa·s；ηL为气相动力黏度，Pa·s；G为蒸发器供液量，kg/s；νG为气相比容，m3/kg；νL为液相比容，m3/kg。

1.3 重位压降

(5)

对于回气管，没有热量输入，制冷剂干度xo不变。

(6)

式中：H2为气液分离器内静液面至蒸发器出口处的高差，m。

1.4 加速压降

换热管中制冷剂受热蒸发引起的动量增加导致的加速压降，由于供液管和回气管均没有热量输入，因此加速压降只存在蒸发器中，则：

Δpa=G2xo(νG-νL)

(7)

1.5 局部阻力压降

局部阻力压降Δpm主要考虑蒸发器盘管弯头的压降。蒸发器盘管180°弯头的压降主要由摩擦阻力压降和局部阻力压降组成[12-13]，则：

(8)

式中：m为弯头数量；ξ1为弯头的局部阻力系数，无油时，ξ1=0.8～1.0；ξ2为弯头的摩擦阻力系数，无油时，ξ2=0.094R/de；R为弯头的曲率半径，m。1.6 传热温差

制冷剂与空气间的传热温差可用对数平均温差表示：

(9)

式中：ta1、ta2为蒸发器进出风温度，℃；t02为蒸发器回液温度，℃；T0为蒸发温度，℃；r为制冷剂汽化潜热，kJ/kg。

1.6 总传热系数

总传热系数是表征制冷系统效率的一个重要参数，总传热系数越高，说明制冷系统换热性能越好。

(10)

式中：αi为制冷剂侧传热系数，W/(m2·K)；αof为空气侧传热系数，W/(m2·K)；γi、γof为分别为制冷剂管内及翅片侧的污垢系数；δ为蒸发管壁厚，m；λ为蒸发管导热系数，W/(m·K)；ηf为翅片效率；Aof、Af为制冷剂管外表面、翅片等表面积，m2；Ai、Ab为制冷剂管内和翅片间等表面积，m2。

2 理论计算

根据第1章中再循环蒸发器理论计算模型，结合表1中四种氟利昂制冷剂的物性参数，对再循环蒸发器进行相关理论计算，理论计算中压缩机的名义制冷量为6 HP，冷凝温度为30 ℃，风冷翅片管式蒸发器的蒸发面积为30 m2。四种制冷剂在蒸发温度为-25 ℃、-8 ℃，液柱高度为0.8 m、1.0 m、1.2 m下各参数的理论值。

表1 四种制冷剂的在不同温度下的物性表

表2 四种制冷剂的理论结果

注：传热系数的单位为W/(m2·K)，制冷量的单位为kW。

表2为四种制冷剂的理论值，对于同一制冷剂，液柱高度的越大，循环倍率越大，制冷剂侧传热系数越大，总传热系数越大，当循环倍率超过某一值，制冷量反而减小。液柱高度不变时，蒸发温度越高，循环倍率越小，传热系数越小，制冷量越大。蒸发温度和液柱高度不变，由于R410A的单位容积制冷量较大，传热性能及流动性能较好，在液柱高度相同的条件下循环倍率大于其他制冷剂，传热系R410A>R22>R404AR>407C，在较低液柱高度下，R410A的制冷量最大，说明重力再循环蒸发器有最佳循环倍率，再循环制冷系统处于最佳循环倍率时，制冷量和传热系数的增幅达到最大，循环倍率高于该值时，制冷量不增反降。

3 实验研究

3.1 实验装置

为验证理论计算模型的准确性，搭建了重力供液实验台，实验装置原理和压力温度测点如图1所示，实验装置由保温体、重力再循环制冷系统、电控系统、电加热及调压器、数据采集器等组成。

图1 实验装置原理Fig.1 Principle of the experimental device

3.2实验结果

实验采用空气侧热平衡法测量蒸发器的制冷量，蒸发器的制冷量等于保温体内漏冷量Q1、电加热器功率Q2、蒸发器风机的功率Q3之和,即蒸发器的制冷量Q=Q1+Q2+Q3,采用6 HP压缩冷凝机组，冷凝温度30 ℃，自行设计的30 m2风冷翅片管蒸发器，实验工况为维持保温体内空气温度0 ℃、-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃，受客观条件限制，实验用制冷剂为R404A, 液柱高度为800 mm、1 000 mm、1 300 mm。实验过程中，通过调节电加热调压器来改变电加热的功率，使保温体内空气温度维持在实验所需温度1 h。

图2所示为不同液柱高度下蒸发温度在不同保温体内空气温度下的对比，随着保温体内空气温度的上升，蒸发温度逐渐升高，液柱高度越高，蒸发温度越高，对制冷系统的影响越大。

如图3所示，在相同工况下，液柱高度越大，蒸发温度越高，制冷剂与室内空气的传热温差越小，因此液柱高度的值不宜过大，液柱高度不变的情况下，保温体内空气温度越高，蒸发温度越高，循环倍率越小，蒸发器内制冷剂的质量流速越小，传热温差越小。

图2 蒸发温度随液柱高度和保温体内温度的变化Fig.2 Effect of evaporating temperature on supply liquid height and air temperature in heat insulation

图3 传热温差随液柱高度和保温体内空气温度的变化Fig.3 Effect of heat transfer temperature on supply liquid height and air temperature in heat insulation

图4 传热系数随液柱高度和保温体内空气温度的变化Fig.4 Effect of heat-transfer coefficient on supply liquid height and air temperature in heat insulation

图4所示为不同液柱高度对传热系数的影响，相同工况下，液柱高度越大，循环倍率越大，蒸发器内制冷剂的质量流速越大，制冷剂侧传热系数越大，总传热系数越大，随着液柱高度的增加，传热系数的增幅越来越小，若液柱高度不变，保温体内空气温度越高，蒸发温度越高，循环倍率越小，制冷剂侧传热系数越小，总传热系数越小。

图5所示为不同液柱高度对制冷量的影响，相同工况下，液柱高度越大，再循环蒸发器的理论制冷量逐渐增加，但增加的幅度越来越小，这是因为，蒸发面积一定，制冷量的值仅取决于传热温差和传热系数的乘积，一方面，液柱高度越大，供液压头越大，循环倍率越大，传热温差越小，另一方面，液柱高度越大，传热系数越大，当传热系数占主要影响因素时，制冷量增加，当传热温差占主要影响因素时，制冷量减小，这就导致制冷量呈先增加后减少的趋势；液柱高度不变，保温体内空气温度越高，制冷量越大。

图5 制冷量随液柱高度和保温体内空气温度的变化Fig.5 Effect of refrigerating capacity on supply liquid height and air temperature in heat insulation

图5同时说明了重力再循环蒸发器有最佳循环倍率，再循环蒸发器处于最佳循环倍率时，制冷量和传热系数的增幅达到最大，循环倍率高于该值时，传热系数变大，传热温差减小，制冷量不增反降。

3.3实验结果与理论计算对比

由3.1中对液柱高度的对比分析可知，本实验的最佳液柱高度为1 000 mm，因此本实验值和理论值对比是在1 000 mm下进行的。实验中蒸发器的供液量G由超声波流量计测得，蒸发器内制冷剂的蒸发量可由公式Gg=q0/(3 600r)求出，循环倍率可根据公式n=G/Gg求出，理论计算结果在前文有说明。实验值与理论值对比结果如表3所示。

由表3中实验值与理论值的对比可知，通过实验与理论计算得到的循环倍率和传热系数具有相同的规律，均随着保温体内空气温度的升高而降低，并且降低的幅度越来越大，保温体内空气温度从-25 ℃增加到0 ℃时，循环倍率从偏差3.01%逐渐增加到15.91%，传热系数从偏差1.72%逐渐增加到15.58%。制冷量的实验值与理论值均随着保温体内空气温度的升高而增大，保温体内空气温度由-25 ℃增加到0 ℃时，制冷量偏差由2.07%逐渐增加到14.43%，一方面随着保温体内空气温度的升高，热负荷逐渐变大，另一方面，低温工况下，节流阀的开度减小，使制冷剂的供液量不断减少。根据公式Q0=GgΔh可知，在蒸发器进出口焓值不变的情况下蒸发器内制冷剂流量越小，制冷量越小。随着保温体内空气温度的降低，制冷量实验值与理论值的偏差逐渐减小，当保温体内空气温度为-25 ℃时，偏差最小为2.07%。说明在低温工况下实验值与理论值最吻合。

表3 实验值与理论值的对比

4 结论

1) 根据表2和图5可以得出，重力再循环蒸发器有最佳循环倍率，最佳循环倍率受制冷剂种类，蒸发温度等的综合影响，在液柱高度为1 m，保温体内空气温度分别为-25 ℃、-20 ℃、-15 ℃、-10 ℃、-5 ℃、0 ℃时，R404A最佳循环倍率的实验值分别为5.15、4.98、4.68、4.28、3.67、2.96，实际循环倍率等于最佳循环倍率时，制冷系统的传热系数，制冷量的增幅最大，超过最佳循环倍率时，制冷量反而降低。

2) 通过对R404A实验值与理论值的对比可知，重力再循环制冷系统的实验数据和理论分析数据误差较小，模型预测精度较高。对四种制冷剂运行状态进行预测，预测结果显示，相比于其他三种制冷剂，在液柱高度较低的情况下，R410A的传热系数和制冷量最大。

本文受天津市高等学校科技发展基金计划重点项目(160024)资助。(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

臧润清，男，教授，天津商业大学机械工程学院，13821232559，E-mail：zrqing@tjcu.edu.cn。研究方向：制冷系统优化及节能，食品冷链。