冰箱用换热器性能测试系统研究

2020-06-22吕凯萍杜鹏飞王德昌李立顺

科学技术创新 2020年12期

关键词：储液冷凝器重复性

吕凯萍曹雪杜鹏飞王德昌李立顺

（1、青岛大学能源工程研究所，山东青岛266071 2、江苏中科君达物联网股份有限公司，江苏宿迁223800）

两相流热交换器广泛地应用在各个行业中，为了减少能源损耗，换热器的高效利用尤为重要。换热器在制冷系统中是必不可少的重要设备，其换热性能必然会影响整个制冷系统的性能，对制冷设备的节能降耗具有重要的作用。

通常提高换热器性能的主要措施是在保证压降允许的前提下提高换热系数，而换热器换热系数在制冷系统运行过程中受饱和温度、质量流量、蒸气干度、热流密度、雷诺数等各种因素影响，导致换热器性能相差较大。

同时，热交换器的几何形状和表面结构[1-2]、热交换器的材质[3]和制冷剂的种类[4-5]等也会影响其换热性能。通过研究不同影响因素对热交换器换热性能的影响，可以实现高性能热交换器的设计。

目前，许多研究人员建立了换热器测试平台并对换热器性能进行了研究，但是现研究对象多集中于单根管，且实验中制冷剂流量较大，这与冰箱换热器的实际情况相差较大，为尽可能接近冰箱实际运行条件，开发一套小流量调节精确的换热器性能测试系统尤为重要，通过此测试系统，可对不同实验条件，不同结构形式的换热器性能及制冷剂流动情况进行测试。

1 实验系统及方法

1.1 实验系统

图1 为原测试系统图，包括测试回路、板式换热器控温回路和储液器B 控温回路。测试回路制冷剂采用齿轮泵提供循环动力，回路主要包括齿轮泵、质量流量计、蒸发电加热器5、过冷器、直流电加热器6、视液镜、测试换热器、板式换热器、储液器A 和储液器B。测试回路压力通过储液器A 中制冷剂温度控制，为保证齿轮泵入口制冷剂为纯液态，通过储液器B 对回路制冷剂进一步过冷。控温回路主要包括压缩机、冷凝器、储液器、干燥过滤器、膨胀阀、控温电加热器及位于测试回路中的部分。为防止制冷剂液滴进入压缩机，在控温压缩机前设置电加热器，保证压缩机入口制冷剂有一定过热度。

图1 原测试系统图

测试回路和控温回路中电加热器，为将电加热器放于盲管内，再将盲管放置于制冷剂管路中，制冷剂走环形空间。

图2 改造测试系统图

图3 实验系统稳定性及重复性验证

测试蒸发器时，测试回路和两个控温回路同时运行，测试蒸发器出口的制冷剂蒸气在板式换热器内冷凝，直流电加热器6 用以控制蒸发器入口制冷剂干度；测试冷凝器时，测试回路和储液器B 控温回路同时运行，板式换热器控温回路根据需要开启，测试冷凝器前制冷剂在蒸发电加热器5 中蒸发并过热。

对该实验系统进行稳定性和重复性验证，结果显示该实验系统稳定性和重复性良好，且制冷剂流量可通过泵转速准确调节。但是在实验过程中发现，系统所用加热方式，在控制系统故障时容易出现局部加热温度过高导致制冷剂管破裂，甚至有引发火灾的危险，且因为未对换热器外侧空气状态进行控制，导致测试对天气和时间要求较高，实验效率低。

改造测试系统，包括制冷剂供应系统、恒温循环风道、控制系统及数据采集系统。制冷剂供应系统如图2 所示，包括测试回路和控温回路。

控温回路分别为冷凝器、过冷器和预热器提供冷量，测试回路制冷剂压力通过冷凝器控制。冷凝器、过冷器、预热器、再热器和压缩机回气加热器为充注有R141b 制冷剂的铜罐，内部设有蒸发、冷凝盘管和电加热器，通过PID 调节加热温度，电加热器始终处于液态制冷剂中，与传统的加热器通过盲管直接放置于被加热管路中的加热方式相比，避免了控制系统故障时电加热器持续加热使铜管局部破损导致制冷剂泄露甚至引发火灾的危险。

恒温循环风道由有机玻璃制成，放置于恒温室中。内部风量通过离心风机的转速调节，并根据国家标准《GB/T1236-2017》，利用流量喷嘴测量。风道内安装有喉部直径分别为15mm、20mm、25mm、25mm 的四个喷嘴，根据风量的不同选择开启不同的喷嘴，为均匀气流保证测量的准确性，在喷嘴前后安装导流栅。

1.2 实验方法

对于改造后系统，测试蒸发器时，先打恒温室内制冷系统，根据需要设定内部温度并通过PID 控制设定空气流量，选择开启流量喷嘴，待风道内部条件接近设定值时，关闭MV1、MV5，打开MV2、MV3，开启测试回路和控温回路，根据测试换热器大小调节调节系统制冷剂流量，根据测试条件通过PID 控制调节各换热罐中加热器功率。测试冷凝器时，阀门MV2、MV3 关闭，MV1、MV5 开启，预热器调节测试冷凝器入口制冷剂状态，测试回路中再热器相当于蒸发器，冷凝器出口的液态制冷剂在再热器内吸热蒸发，以制冷剂蒸气状态进入压缩机回气加热器内再次加热，达到要求的吸气温度。

2 改造后系统稳定性、重复性及准确性验证

对某一工况进行三次重复性实验，对系统制冷剂流量、测试蒸发器入口制冷剂温度及测试蒸发器入口制冷剂压力进行观测，结果如图3 所示，可以看出三次实验中制冷剂流量及测试蒸发器入口制冷剂温度、压力稳定性良好，且具有很好的重复性。

为确保实验系统所测结果的准确性，根据测试蒸发器生产商提供的实验条件，利用该实验系统在相同的实验条件下对测试蒸发器的换热量及换热系数进行测试，结果如表。由于仪表误差、实验人员操作及系统内润滑油含量等因素，实验条件无法达到与要求条件完全一致，但是偏差均在8%以内，处于可接受范围，测试蒸发器换热量偏差为0.9%，进一步验证了该实验系统的准确性。