制冷劑不足時小型空調制冷循環系統實驗研究

錢 錚，孫 斌，許明飛

(東北電力大學能源與動力工程學院，吉林吉林132012)

由于安裝工藝、設計工藝的原因，制冷劑循環系統在實際運行的過程中會發生緩慢泄漏。另外在制冷劑充注時也會存在一定的誤差。無論是那個原因都會導致制冷循環系統中制冷劑不足，從而影響系統內部阻力特性和換熱特性，最終影響制冷循環性能。最近幾年制冷系統中的兩相流研究越來越多，其中很多研究給出了制冷循環性能與流型之間的關系［1-2］。本實驗在多功能環境實驗室中變換環境的工況下研究了制冷劑不足時，節流后與蒸發器之前的制冷劑氣液兩相流流型與制冷循環性能之間的關系。同時研究了流量，壓力，溫度和實驗段流體流動的圖像隨環境工況變化的關系。實驗過程中顯示，制冷劑不足時制冷循環中的各個參數都發生了改變，影響了整個制冷循環的性能。通過對實驗結果的分析獲得了制冷劑不足時制冷循環中參數的變化規律，并與正常時的參數進行了比較。實驗結果對產品設計、實際工程都具有很好的參考價值。

1 實驗裝置及實驗方法

圖1 實驗系統圖

實驗裝置是一個制冷劑為R410A，最大制冷量為2.6 kW的直流變頻空冷空調器，實驗時制冷劑充注量是正常時候的2/3。該實驗裝置主要包括兩個部分，即制冷劑循環系統和數據采集系統，見圖1。制冷劑循環系統主要包括壓縮機，冷凝器，膨脹閥，和蒸發器四個部分，壓縮機選用直流變頻壓縮機，氣缸容積20.8 cm3，運行頻率為30 Hz-120 Hz，蒸發溫度7.2℃，冷凝溫度54.4℃，工作時壓縮機根據環境工況的變化自動調節頻率，從而調節制冷劑流量;蒸發器和冷凝器為翅片銅管式，冷凝器為風冷結構;膨脹閥與壓縮機協調工作，提高控制精度，實現柔性控制。工作時制冷劑在壓縮機內壓縮成高溫高壓后流入冷凝器，隨后在膨脹閥節流后進入蒸發器，最后回到壓縮機，如此往復循環。

在膨脹閥與蒸發器之間設計了一段用透明的玻璃管連接的水平實驗段，透明玻璃管內徑6 mm，長為500 mm，管兩端與銅管同心連接，連接處平滑，見圖2。

圖2 實驗段

數據采集包括圖像、溫度、壓力、流量采集。圖像采集系統主要包括照明系統和高速攝影系統。高速攝影機對光線的亮度有較高的要求，通常情況下，選用大功率的碘鎢燈、熒光燈甚至激光光源當作照明光源，可以采集到較高質量的流型圖像。本實驗照明系統的光源使用6 400 K色溫的三基色光管，光線明亮無閃爍。由于兩相流流型變化復雜，高速攝影系統采用瑞士Weinberger公司研發的SpeedCamVisario系統，其最大分辨率為1 536×1 024，最大幀頻達到10 000幀/秒，能夠清晰的抓拍各種流型的瞬變圖像。在圖像攝取過程中由于液體和氣體均是透明的，可采用逆光照明［3］，拍攝各種流態的陰影。為了使光線分布均勻，在玻璃管的后側放置一片磨砂玻璃，如此可獲得滿意的拍攝圖像。溫度、壓力、流量由另一數據采集系統采集，采集系統包括PCI4712系列采集卡和DasView2.0控制分析軟件，溫度傳感器，溫度變送器，整體壓力變送器和整體流量變送器。溫度傳感器分別在壓縮機出口、實驗段前端、蒸發器出口三處緊貼管道外壁保溫安裝，溫度傳感器采集的溫度信號通過溫度變送器與計算機上的采集系統連接，最終把溫度信號變為電壓信號并輸出。測試儀表的型號、量程及精度見表1。

表1 數據采集設備參數表

2 實驗結果分析

實驗是在兩個全封閉隔熱的模擬室內完成的。模擬室內的環境工況由一個多功能的熱泵系統來控制。控制溫度范圍為20-45℃，濕度范圍為20%-70%。實驗中模擬出實際的空調工作的環境，所得到的數據非常有實際意義。系統從25-40℃環境溫度工況范圍內，每升高一度采集一次數據，采集頻率為 256 Hz，時間為 8 s。

2.1 流 量

圖3是實驗工況下得到的流量變化情況。結果表明，實驗中流量總體隨環境溫度升高而變大。在25-30℃的區間內變化比30-35℃區間內的變化相對較平緩，35-40℃后流量基本保持一致。這是由于剛開始時換熱量不大，隨著溫度的升高，換熱量變大，制冷劑流量變大且流速加快。由于系統制冷劑不足，所以就不能滿足當需要更多的制冷劑來參與熱量交換的工況。從熱力學計算角度可以知道質量流量的不足會影響系統的局部換熱［4-5］，管內壁面液膜變薄或消失，會出現惡劣換熱過程。

2.2 壓力和溫度

圖3 流量隨環境溫度的變化

圖4是實驗工況下蒸發壓力、冷凝壓力的變化情況。從圖中的結果可見，無論是冷凝壓力還是蒸發壓力都比不缺制冷劑時候的壓力低。隨著環境溫度的升高，壓力有上升趨勢，但在35-40℃區間內變化梯度趨于零，壓力幾乎不變。

圖5是實驗工況下吸排氣溫度、蒸發溫度的變化情況。實驗數據顯示，隨著實驗工況變化排氣溫度逐漸降低;吸氣溫度逐漸增高，吸氣口端管內溫度高于環境露點溫度;蒸發溫度高于設計溫度值，并逐漸增高。從現場觀察到的現象如下:

圖4 壓力隨環境溫度的變化

(1)回氣管沒有結露，用手觸摸管壁沒有明顯涼的感覺。

(2)壓縮機排氣管結霜嚴重。

(3)蒸發器只有小部分結露或結霜。

(4)室外機排風沒有熱感。

通過分析得出，系統制冷劑不足時會導致壓縮機出口端管內壓力下降，沸點降低，使管溫低于冰點，冷凝溫度降低;制冷劑在蒸發器內不能很好的完成蒸發過程，換熱面積相應減少，致使蒸發溫度和回氣溫度升高，過熱度增大。

圖5 系統溫度隨環境溫度的變化

2.3 流動圖像分析

圖6 流型圖

從實驗的流動圖像表明，隨著環境工況的變化實驗段出現的流型主要有液-氣分層流，泡-氣分層流［6-8］，見圖6。采集的圖像像素大小為1 536×1 024，幀頻為1 000幀/秒。由于實驗系統制冷劑不足，導致節流后制冷劑氣相增大。圖像中黑色部分是氣液兩相界面，在模擬環境溫度較低時，壓縮機工作頻率較低，膨脹閥的開度較小，管內主要是液-氣分層流，隨著環境溫度的升高，界面波動越來越劇烈，流體流速迅速增大。此時壓縮機工作頻率較高，膨脹閥的開度較大，節流作用比較弱，制冷劑均相節流氣化慢，殘留一部分小氣泡未能分離，而形成泡-氣分相流。實際上在這兩種流型轉變的瞬間，由于制冷劑流速急劇增高，液體被高速的氣體沖到管內壁，形成中間氣體四周液體的液環-氣芯流。

通過得到流量，壓力，溫度等數據，可以計算出制冷量的大小。計算公式為:

式中，Q為制冷量，kW;G為質量流量，m3/h;h1為制冷劑吸氣狀態時的焓值，kJ/kg;h4為節流后的焓值，kJ/kg。分析計算結果，可以得出最大制冷量只有額定制冷量的1/3，可見制冷劑不足對系統制冷能力影響非常大。圖7反映了各流型區域與制冷量的對應關系。

圖7 各流型區域與制冷量的對應關系

3 結 論

實驗表明，制冷循環在制冷劑不足時，流量，壓力，溫度都發生了很大的變化，影響了管內換熱，導致制冷量嚴重下降，在實驗設定值下制冷量最大只有額定制冷量的30%左右。流型圖直觀的反映了制冷劑在管內氣液兩相的流動特性，實驗中主要出現了液-氣分層流，泡-氣分層流兩種主要流型。實際上制冷劑在制冷循環管道中流動時流速非常快，氣液兩相變化很難準確的拍攝到，實驗過程中在液-氣分層流，泡-氣分層流兩種流型的過渡區域出現變化很快的液環-氣芯流，而在氣芯里面也會存在著小液滴。制冷循環是一個封閉的循環系統，單質制冷劑在管內由于環境工況的變化會形成兩相流動的現象，準確得到流動時的流型變化能夠更好的分析出制冷循環系統的流動特性，對實際生產、工程具有指導意義。

［1］陶宏，陶樂仁，鄭志皋，等.變制冷劑流量制冷循環性能與氣液兩相流流型的研究［J］.上海理工大學學報，2009，31(6):521-524.

［2］曾艷，高原.氣液兩相流在制冷機械中的應用［J］.制冷與空調，2001，1(6):45-49.

［3］阮秋琦.數字圖像處理［M］.北京:電子工業出版社，2001.

［4］段雪濤，馬虎根.R410A的流動沸騰換熱性能［J］.化工學報，2006，57(10):2289-2292.

［5］胡海濤，丁國良，王凱建.R410A-油混合物在7 mm強化管內流動沸騰的換熱特性［J］.化工學報，2008，59(1):32-37.

［6］張華俊，蒲亮.毛細管內制冷劑氣液兩相流動研究現狀與發展［J］.制冷與空調，2003，3(5):12-17.

［7］李俊明，吳業正，李新中.一種判別制冷劑水平管內兩相流型的新方法［J］.制冷學報，1995(1):18-23.

［8］陶宏，陶樂仁，鄭志皋，等.氣液兩相流流型振蕩誘發制冷循環不穩定性的實驗研究［J］.制冷學報，2009，30(2):18-23.