重力再循環蒸發器流路優化與性能研究

臧潤清 趙 東 劉亞哲 劉建勛 張 柱 姬衛川

(天津市制冷技術重點實驗室 天津商業大學 冷凍冷藏技術教育部工程研究中心 天津市制冷技術工程中心 天津 300134)

重力再循環蒸發器流路優化與性能研究

臧潤清 趙 東 劉亞哲 劉建勛 張 柱 姬衛川

(天津市制冷技術重點實驗室 天津商業大學 冷凍冷藏技術教育部工程研究中心 天津市制冷技術工程中心 天津 300134)

重力供液再循環蒸發器受到工作原理的限制，其流路結構不能借鑒直接膨脹供液系統蒸發器的流路結構。本文首先闡明了重力再循環制冷系統蒸發器流路的優化原則，設計了兩種蒸發器流路結構，其中第一種為重力供液系統常用的流路結構，第二種為經過優化的流路結構，在此基礎上搭建了重力再循環蒸發器實驗臺，通過實驗對優化前后的蒸發器進行性能對比與分析。研究表明，在保溫體溫度一定的情況下，經過優化的蒸發器因其每個支路接觸空氣的平均溫度相同，從而能保證并聯四個支路制冷劑側有相同的循環倍率和相同的平均傳熱溫差，經過優化的蒸發器具有更好的性質，尤其在-25 ℃和-20 ℃工況下，第二種(改進型)蒸發器比第一種(傳統型)蒸發器有更高的單位面積傳熱量，制冷量分別增大60.3%和44.1%，性能系數分別提高16%和13.8%。

重力供液；蒸發器流路；蒸發器性能；再循環蒸發器

重力再循環制冷系統是通過熱虹吸作用實現蒸發器超倍供液的制冷系統。通過蒸發器的超倍供液可以提高蒸發器制冷劑側的“潤濕度”和流速，從而改善蒸發器性能。研究表明，通過再循環作用無論是蒸發器的制冷量還是傳熱系數都有顯著的提高[1-5]。由于重力再循環系統蒸發器內制冷劑液體形成再循環的特殊性，蒸發器必須采用下供液上回氣的形式，且蒸發器內的蒸發管各個回路由進口到出口必須一直保持上升的趨勢，這種限制使得直接蒸發制冷系統蒸發器的多種蒸發管流路結構不能應用，因此，需要另辟蹊徑，在不違背重力再循環制冷系統形成液體制冷劑在蒸發器內再循環的原理基礎之上優化流路結構，從而提高蒸發器效率。

在蒸發器蒸發管流路結構固定下來之后，重力再循環蒸發器的再循環量是決定其效率的重要因素，而再循環量則與蒸發器的供液壓頭、制冷劑的蒸發溫度、制冷劑種類、蒸發回路阻力和蒸發管傳入的熱量(熱虹吸動力)等有關。本文重點研究不同制冷溫度對應循環倍率下蒸發器蒸發管流路結構對蒸發器蒸發管傳入熱量的影響，及兩種流路條件下蒸發器的性能。

1 蒸發器流路的設計

本文設計了兩種流路的蒸發器結構，如圖1所示。第一種以一個管列為一個流路，四列并聯。在使用時第一列接觸的是用冷單元內溫度的空氣，溫度最高，第二列接觸的是經第一列冷卻的空氣，第三、四列依次類推。也就是按1～4列的前后關系第一列所接觸的空氣溫度最高，二、三、四列依次降低，第四列所接觸的空氣溫度最低。當認為蒸發溫度相同時，第一列的溫差最大，第二、三、四列依次減小，第四列的溫差最小。

重力再循環蒸發器的阻力由三部分組成，分別是氣液兩相流的摩擦壓降Δpmc、制冷劑液體蒸發所產生的加速壓降Δpjs和氣液兩相流體的靜壓降Δpjy[6-9]。將這三個壓降展開：

(1)

(2)

(3)

式中：fF為氣液兩相流的摩擦阻力系數；L1為重力再循環系統的氣液分離器正常液面與蒸發器進口之間的高度差，m;n為蒸發器內制冷劑供液量與蒸發量之比(循環倍率)，D為蒸發器蒸發管內徑，m;VL為平均蒸發壓力下的液相比容，m3/kg;Vg為平均蒸發壓力下的氣相比容，m3/kg;H3為蒸發器總高度，m;g為重力加速度，m/s2;Gg為氣相的質量速度，kg/(m25s);實際上它是蒸發器的蒸發量，可用下式表示：

(4)

式中：Q為蒸發器的制冷量，W;γ為制冷劑的汽化潛熱，J/kg;A為蒸發管的斷面積，m2;K為蒸發器的傳熱系數，W/(m25K);F為蒸發器空氣側換熱面積，m2;Δt為傳熱溫差，℃;在蒸發溫度和送風風機風量不變的情況下，并列四路所接觸的空氣溫度不同，傳熱溫差Δt也就不同，第一列傳熱溫差最大，二至四列逐漸減小，第四列溫差最小。溫差減小導致氣相的質量流速Gg隨之減小，由式(1)和式(2)可知，氣液兩相流的摩擦壓降Δpmc和制冷劑液體蒸發所產生的加速壓降Δpjs與Gg的二次方成正比，導致Δpmc和Δpjs減小，循環倍率n增大。實驗表明，循環倍率增大可以提高蒸發器的K值，K的增速比較顯著，Δt的減小比較緩慢，二者的乘積是逐漸增大的；當n>5時，隨n的增大，K的增速比較緩慢，Δt的減小比較顯著，二者的乘積是逐漸減小的。因此，對于n=5的重力再循環系統，這種蒸發器的流路設計會導致蒸發器的制冷量減少。

從增大蒸發器制冷量的角度出發，在保證蒸發器四個并聯支路蒸發管長度相同和各支路串聯管路保持完全上行的基礎上，使得每個支路接觸空氣的平均溫度相同，就能保證并聯四個支路制冷劑側有相同的n值和相同的Δt。這就是第二種流路蒸發器的設計原則。由第二種蒸發器流路設計圖可知，每列有8根蒸發管，每一支路保持8根管不變且在各列中都保持具有2根蒸發管，只是列上的位置不同，對每一路而言接觸空氣溫度的平均值是相同的。

2 實驗研究

2.1 實驗方法與裝置

為了驗證兩種流路重力再循環蒸發器的工作性能，搭建了空氣側熱平衡實驗裝置，實驗裝置的原理和壓力溫度測點布置如圖2所示，實驗裝置的實物照片如圖3所示。實驗裝置由保溫體、重力再循環制冷系統、制冷系統控制箱、保溫體內的電加熱、電動調壓器、數據采集儀等組成。

實驗采用空氣側熱平衡法測量蒸發器的制冷量，通過測量單位溫差下保溫體傳熱量Q1，保溫體內某溫度下平衡制冷系統制冷量的電加熱器的加熱功率Q2和蒸發器所配風機功率Q3，確定制冷系統的制冷量Q=Q1+Q2+Q3。通過檢測制冷壓縮機的工作電流與電壓確定制冷壓縮機的輸入功率。

實驗裝置的制冷系統采用泰康3 HP低回壓全封閉風冷式壓縮冷凝機組，制冷劑為R404A。兩種翅片管蒸發器(紫銅管外套鋁制平翅片)的空氣側換熱面積都是25 m2，除流路不同外，其余結構完全相同。溫度和壓力采用橫河MX100多路溫度壓力巡檢儀。保溫體外尺寸2.88 m×2.88 m×2.5 m，保溫材料是硬質聚氨酯泡沫塑料。

實驗分為五個工況，分別是保溫體內空氣溫度為-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃，任何工況下風冷式冷凝器的進風溫度相同。實驗過程：運行制冷壓縮機待保溫體內空氣溫度降至工況溫度時開啟電加熱器，并改變加熱器電壓直到保溫體內空氣溫度恒定1 h，記錄溫度、壓力、電壓、電流等數據，記錄時間為30 min。

2.2 實驗數據分析

對兩種流路的蒸發器以相同的工況進行了實驗，實驗裝置運行期間以肉眼觀察壓縮機吸氣口沒有出現回霜現象，且裸露的吸氣閥(沒有保溫)外表有相同的結霜狀態，各測點的溫度、壓力和電流、電壓均處于正常范圍，溫度為各測點紫銅管表面的溫度。

2.2.1 溫度

圖4是兩種蒸發器蒸發溫度的變化，基本規律是低蒸發溫度條件下二者相差較大，高蒸發溫度下二者相差較小。第二種蒸發器能夠提高蒸發溫度主要在于蒸發器4個回路具有相同的傳熱溫差，進而保證4個回路具有一致的循環倍率。論述這個問題可以參考圖5給予說明。例如，當保溫體溫度等于-20 ℃、蒸發器送風量相同時，第二種蒸發器進出風溫差如圖5所示，對于第一種蒸發器這個參數也應該是相同的，假設這個溫差為(t1-t2)，第一種蒸發器四列管組分配到的溫差分別為(t1-t0)、3(t1-t2)/4-t01、2(t1-t2)/4-t01、(t1-t2)/4-t01，平均傳熱溫差為(10t1-6t2-7t01)，第二種蒸發器四列管所得到的溫差是相同的都是(t1-t2)/4-t02，將第一種蒸發器傳熱溫差△t1與第二種蒸發器傳熱溫差△t2相比，顯然比值是大于1的，也就是第一種蒸發器的蒸發溫度低于第二種。

2.2.2 壓力

圖6和圖7兩種蒸發器吸、排氣壓力的對比圖。由圖可見，吸氣壓力與蒸發溫度的規律有很好的配合，第二種蒸發器的壓縮機排氣壓力都高于第一種，且隨制冷溫度的降低，二者的差距逐漸減小，當制冷溫度降至-25 ℃時二者的壓力相同。制冷溫度降低將引起制冷劑液體的密度增大，在重力再循環系統供液高度不變的情況下，供液壓頭得到提高，蒸發器內的制冷劑循環倍率增大，循環倍率增大導致蒸發溫度升高。由圖4可知，自保溫體內溫度為-15 ℃，低于這個值二者之間的差距縮小，其原因是第一種蒸發器和第二種蒸發器循環倍率的增大幅度是前者大于后者且蒸發溫度越低差別越小。

排氣壓力決定于制冷壓縮機工作的背壓(冷凝壓力)和吸氣壓力，雖然實驗是在冷凝器相同進風溫度下進行的，在制冷系統工作期間冷凝壓力仍然會有變化，并與吸氣壓力共同影響排氣壓力。在制冷溫度高于-15 ℃時，排氣壓力隨制冷溫度的升高第二種和第一種的差值逐漸拉大，而吸氣壓力二者的平均差值是相當的，說明第二種蒸發器隨著制冷溫度的升高，循環倍率的減小幅度遠大于第一種蒸發器，供液壓頭不足以滿足蒸發器充足的供液，蒸發器內部制冷劑的保有量減少，高壓端制冷劑的保有量增大，導致冷凝壓力升高，排氣壓力隨之升高(這種現象亦說明第二種蒸發器制冷系統的制冷劑量在較高制冷溫度下是顯得過多的)。在制冷溫度-20～-15 ℃的范圍內二者的排氣壓力持平，低于-20 ℃時第二種低于第一種，此時，吸氣壓力的變化起了關鍵的作用。

2.2.3 制冷量和COP

需要說明的是，本實驗是在固定蒸發器供液壓頭下進行的，供液壓頭是根據蒸發溫度-25 ℃、循環倍率n=5計算得到的，蒸發器在蒸發溫度-25 ℃上下單位面積傳熱量K△t較大，偏離這個范圍越遠，n越小，甚至有小于1的可能，才會引起制冷量在高制冷溫度下增幅不夠理想。對于第二種蒸發器而言，在高制冷溫度下系統制冷劑顯多，引起冷凝/排氣壓力升高造成制冷量減少和功耗增加。如果能夠根據蒸發溫度增大供液壓頭，并調整制冷劑充注量，高制冷溫度下的情況將得到大幅改善。

3 結論

1)再循環蒸發器是泵供液系統和重力再循環系統具有的特殊結構的蒸發器，本文所研究的內容以均衡各列蒸發管組傳熱溫差為目標，提高蒸發器性能的思路是正確的，對于改善再循環蒸發器的性能具有顯著的效果。

2)以蒸發溫度-25 ℃、制冷劑為R404a、循環倍率n=5計算確定的重力再循環系統供液高度，在制冷溫度-25 ℃和-20 ℃條件下，第二種(改進型)蒸發器比第一種(傳統型)蒸發器有更高的單位面積傳熱量，制冷量分別增大60.3%和44.1%，說明這個供液高度更適用于-25 ℃的制冷溫度。

3)在COP方面，對于低制冷溫度的研究工作具有意義，理論和實驗都能夠證明COP是有顯著增大的。在高制冷溫度下通過調高蒸發器供液壓頭也應該具有COP增大的效果，只是受供液液柱提高蒸發溫度作用的影響，導致傳熱溫差△t縮小，制冷量的增加幅度減小，COP的增幅也會減小。

4)第一種蒸發器所組成的重力再循環制冷系統與直接供液膨脹供液制冷系統在參考文獻[10]中做過實驗對比，第一種蒸發器的制冷量比直接膨脹供液在-20 ℃制冷溫度下增大了30%。照此推算，第二種蒸發器所組成的重力再循環制冷系統將比直接膨脹制冷系統提高74%左右。

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About the corresponding author

Zhao Dong,male,master candidate,Key Laboratory of Refrigeration Technology in Tianjin University of Commerce,+86 13302060515,E-mail:qiufo0902@163.com. Research fields:refrigeration system energy conservation and optimization．

Flow Path Optimization and Performance Study on Gravity Recirculation Evaporator

Zang Runqing Zhao Dong Liu Yazhe Liu Jianxun Zhang Zhu Ji Weichuan

(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)

As gravity-fed recirculation evaporator is restricted by its principles, the structure of its flow path couldn’t be the same as that of the direct expansion cooling system. Firstly, in this paper, the flow path optimal principles of gravity-fed recirculation evaporator have been clarified, and two forms of flow path structures have been designed. The first is a flow path structure which is commonly used in the gravity-fed cooling system, and the second is an optimized flow path structure. A gravity-fed recirculation evaporator experiment platform is built based on the above. The evaporator performances before and after the optimization have been compared and analyzed. Results shows that, when the temperature of the insulation body keeps constant, the same circulation ratio and mean temperature difference can be guaranteed at the refrigerant-side of the four branches in parallel since the mean temperature of the air which contacts each of the branches of the optimized evaporator is the same.It is also shown that the optimized evaporation has a better performance, especially under the low-temperature condition. The second (ie. the optimized) evaporator has a greater heat transfer than the first (ie. the common) one based on per unit area, and the cooling capacity increased 60.3% and 44.1% respectively, and the COP increased 16% and 13.87% respectively for the condition of -25 ℃ and -20 ℃.

gravity-fed recirculation evaporator; flow path; air evaporator performance; recirculation evaporator

0253- 4339(2015) 01- 0101- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.101

2014年6月30日

TB657.5; TB61+1

A

趙東，男，碩士在讀，天津市制冷技術重點實驗室，13302060515，E-mail: qiufo0902@163.com。研究方向：制冷系統節能及優化。