蒸發盤管內制冷劑噴射蒸發的制冷系統研究

劉 斌　許玉龍　王清偉　段愛鵬

(天津市制冷技術重點實驗室　天津商業大學　300134)

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蒸發盤管內制冷劑噴射蒸發的制冷系統研究

劉 斌許玉龍王清偉段愛鵬

(天津市制冷技術重點實驗室天津商業大學300134)

制冷劑高壓能的利用對改善制冷系統運行有重要意義。基于場協同理論，提出了一種利用制冷劑在蒸發管內進行噴射的新型制冷系統，理論上分析了協同角隨毛細管管徑和噴射孔直徑的變化規律，并進行了相關的可視化實驗。理論分析結果表明：協同角隨著噴射孔直徑的增大而增大；隨著毛細管管徑的減小而減小，但是隨之減小的速率降低。實驗結果表明：和傳統的毛細管節流制冷系統相比，開孔實驗的制冷劑的充注量減少70%以上，COP提高了9%，系統達到穩定的時間減少了70%。

毛細管管徑；噴射孔徑；場協同

制冷系統的效率提高有很多途徑，目前的研究熱點在于利用高壓工質的射流沖擊[1]和提高蒸發器和冷凝器的換熱效率[2]。劉斌等[3]分析了制冷系統中高壓能利用的可能性，認為有效利用高壓能可以提高效率60%以上；Lucas C等[4]實驗研究了CO2膨脹系統采用噴嘴提高效率的情況，最大效率可以達到22%；Hassanain M等[5]認為R134a制冷系統采用噴嘴可以提高效率4.7%；Mo S K等[6]研究了CO2的高壓噴射系統；Sag N B等[7]利用熵研究了采用高壓噴嘴對制冷效率的影響。在換熱器的效率提高方面，更多的是利用場協同理論分析[8]。Li M J等[9]分析了4種不同換熱器協同角的變化；Hamid M O A等[10]分析了兩種不同形式換熱器的協同角的變化； Saha P等[11]用場協同理論分析了平板換熱器的渦流；Wu J M等[12]用場協同理論分析了帶渦流產生氣的管翅式換熱器的強化機理；Habchi C等[13]用場協同理論分析了渦流中的熵產；He Y L等[14]用場協同理論分析了換熱器的換熱特性；過增元等[15-17]重新審視了對流換熱的物理機制，提出了強化換熱的場協同原則；國內外很多學者研究表明[18-20]，沖擊射流的影響因素主要有射流工質物性和流動特性以及噴射孔特性。可以發現，射流沖擊的利用和提高換熱器的效率這兩項工作是分開的。在本研究中，就是將高壓噴射的利用和協同角的降低結合在一起，從而提高制冷系統的效率。

1 系統結構及模擬

1.1 系統結構圖

圖1為系統結構及蒸發盤管內結構。

1壓縮機 2冷凝器 3干燥過濾器 4手動截止閥 5毛細管 6蒸發盤管 ○T溫度傳感器 ○P壓力傳感器 θ協同角圖1 系統結構示意圖Fig.1 System diagram

與傳統制冷系統相比，新系統是將毛細管直接插入蒸發盤管，通過毛細管上的噴射孔直接將制冷劑高速噴射在盤管上，吸收通過盤管直接傳遞的熱量氣化。其最大的特點就是將在毛細管中損失的高壓能轉化為速度，直接噴射在蒸發盤管壁面上，形成擾流，增強換熱。并且由于毛細管可以與蒸發盤管等長，毛細管上的開孔數量較多時，可以在蒸發盤管壁面上形成一個均勻的溫度場。

1.2 協同角的模擬及分析

根據場協同理論，對流換熱過程中，Nu數可以用式(1)進行表達:

(1)

從上式可以看出，速度流動方向和熱流流動方向的夾角越小越有利于強化傳熱。

利用COMSOL軟件平臺，數值模擬了毛細管管徑和毛細管上開孔直徑對協同角的影響，圖2為毛細管上第2個開孔處協同角沿蒸發盤管半徑的發展過程。圖2(a)的模擬條件：毛細管的直徑為2 mm，毛細管的入口速度為2 m/s，噴射角為90°；圖2(b)的模擬條件：毛細管的開孔孔徑為0.5 mm，毛細管的入口速度為2 m/s，噴射角為90°。前后兩孔之間的距離為100 mm。

圖2 協同角沿蒸發盤管半徑的發展趨勢Fig.2 Synergy angle development along the diameter of evaporator coil

圖2中，橫坐標r/R表示為從蒸發盤管的中心毛細管開孔位置到壁面的距離。

在噴射過程中，遠離壁面的工質流動和傳熱取決于壁面處的對流換熱，因此只考察在壁面處的cosθ的變化。從圖2(a)中可以發現，隨著開孔孔徑的減小，壁面處cosθ在增大，意味著具有更好的換熱效果。主要原因是，當其他條件一致時，孔徑變小，制冷劑噴出的速度就越大，在壁面造成更大擾動，破環壁面層流邊界層，形成更好的混合，所以協同角越小。從圖2(b)中可以發現，隨著毛細管管徑的減小，壁面處cosθ增大，意味著具有更好的換熱效果，但是增加速率在減小，這說明毛細管管徑對協同角的影響存在著一定限制。主要原因是，當其他條件一致時，毛細管管徑變小，制冷劑噴出的速度就越大，在壁面造成更大的擾動，破環壁面的層流邊界層，形成好的混合，所以協同角越小；但是毛細管管徑變小時，制冷劑的流動阻力就越大，所消耗的高壓能就越多，噴射出去的制冷劑的速度就會降低，從而減弱壁面的擾動效應，相應協同效應減小。

2 實驗研究及結果分析

2.1 實驗裝置

根據協同角的模擬，設計了一套可視化制冷系統來分析蒸發盤管內制冷劑噴射蒸發對制冷系統性能的影響，如圖3所示。實驗裝置主要包括壓縮機NL7.3MF，額定功率500 W；常規管翅式冷凝器，外殼尺寸為300 mm×90 mm×230 mm；可視化實驗采用Φ46 mm×1.8 mm的單管作蒸發器，管道長為1200 mm，換熱面積為0.173 m2；干燥過濾器為EK-053；制冷工質為R134a，回氣壓力控制在0.08 MPa(蒸發溫度-12.6 ℃)，冷凝溫度為28 ℃。儀器有MX100數據采集器、FLIR紅外熱像儀、MK-131壓力變送器和K型熱電偶。開孔方式：從200 mm處開始沿管軸向環繞開孔，11個孔均勻分布，相鄰兩孔在圓周方向錯開90°，間距為100 mm，開孔大小為Φ0.5 mm。

2.2 實驗結果及分析

1)蒸發盤管表面溫度

圖4為蒸發盤管內毛細管噴液和傳統毛細管供液蒸發盤管的表面溫度分布圖。

圖4 蒸發盤管表面溫度隨時間變化Fig.4 The development of the surface temperature of the evaporator coil vs. time

如圖4(a)所示，內置毛細管實驗中蒸發管的表面各點溫度變化趨勢一致，開機前分布在19.5～21 ℃，開機后開始降溫，在300 s時各點溫度保持穩定，并分布在-10～-8.5 ℃之間，溫度分布區間寬度為1.5 ℃；如圖4(b)所示，傳統方式供液實驗中蒸發盤管各測點溫度變化也較為統一，先從開機前的18～21 ℃降至最低溫度-8.3～-9 ℃，接著先升溫再緩慢降溫，在800 s時開始維持穩定，表面溫度分布在-10～-8 ℃之間，溫度分布區間寬度為2 ℃，與開孔實驗的分布寬度相差0.5 ℃。

從圖4中可以看出以下3點：

(1)系統達到穩定所需要的時間分析，內置毛細管噴液的系統需要的時間為300 s，而傳統系統則需要800 s，主要原因在于這兩種系統的供液方式不同。對于內置毛細管噴液的系統而言，在毛細管上開有12個噴液孔，制冷系統開啟時，制冷劑通過毛細管的噴液幾乎可以同時布滿蒸發盤管的表面，同時氣化吸熱，實現制冷效應。而對于傳統供液方式的制冷系統，制冷劑從毛細管節流進入到蒸發盤管后，需要一定的時間流過蒸發盤管，因此系統穩定的時間要更長。

(2)系統的穩定性不同。內置毛細管噴液的系統穩定性很好，溫度的波動性很小，沒有出現波動。而傳統供液方式的制冷系統在180 s時出現了一個低峰，然后再回升，逐漸平衡，波動值達到2.7 ℃。主要原因在于傳統供液方式制冷劑在蒸發盤管內是從毛細管供液端向出口慢慢流動的。在初始階段，蒸發盤管內的制冷劑量較少，在壓縮機的抽氣作用下，蒸發盤管內壓力下降，導致溫度下降。隨著蒸發盤管內制冷劑越來越多，壓力回升，逐漸走向平衡。

(3)蒸發盤管表面溫度均勻性不一樣。系統穩定后，內置毛細管噴液制冷系統的蒸發盤管表面溫度最大差值為1.5 ℃，而傳統供液制冷系統的蒸發盤管表面溫度最大差值為2 ℃。這是與制冷劑在盤管內的流動方式有關。圖5顯示了高速相機拍攝的兩種制冷系統蒸發盤管內的制冷劑流態。

圖5 制冷劑在蒸發盤管內的流態Fig.5 The flow state of the refrigerant in the evaporator coil

從圖5中可以看出，內置毛細管噴液制冷系統在盤管內所有的內壁面都形成了環狀液膜，而傳統供液制冷系統在盤管內壁面中形成了氣液面，在盤管下部是制冷劑液體，而在盤管上部是制冷劑蒸氣，因此溫度的均勻性更差。

從實驗的制冷劑充注量分析，傳統供液方式需要充入R134a共計665 g；而內置毛細管噴液制冷方式的制冷劑充注量為160 g，減少制冷劑70%以上。

2)壓縮機功耗

圖6為兩種制冷方式的壓縮機功耗隨時間的變化過程。由圖6可知，毛細管噴液系統開機運行70 s后，壓縮機功率即開始穩定，維持在400 W左右；而傳統供液系統的壓縮機功率則一直波動，130 s時達到一個低谷值450 W，接著增加到將近490 W，隨后緩慢降低，800 s穩定后在436 W左右變動。制冷系統穩定工作后，開孔實驗的壓縮機功率為400 W，而毛細實驗中的壓縮機功率為436 W，毛細實驗較開孔實驗高出9.1%。工況穩定后，開孔實驗的蒸發管平均溫度比毛細實驗的略低，由于蒸發器的換熱面積一樣，對流換熱條件也一樣，可以認為開孔實驗的蒸發器制冷量比毛細實驗的大。由以上所述，開孔實驗與毛細實驗相比，制冷量較大而耗功較小，即開孔實驗的制冷效率更高。

圖6 壓縮機功耗曲線Fig.6 The power curve of the compressor vs. time

3 結論

利用毛細管上的開孔來向蒸發盤管供液改善了蒸發盤管內制冷劑的協同角，提高了制冷系統效率。通過協同角的模擬分析和實驗研究，可得出以下結論：

1)通過模擬對比2 mm毛細管管徑時不同孔徑和0.5 mm孔徑時不同毛細管管徑，可以得出協同角隨著毛細管上的開孔直徑和毛細管的直徑減小而變小，但是毛細管的影響較小。

2)相同實驗條件下，毛細管開孔供液比傳統供液的制冷系統的蒸發盤管的溫度更均勻，波動性更小。

3)相同實驗條件下，和傳統供液的制冷系統相比，毛細管開孔供液制冷系統所需要的制冷劑更少，可以減少70%以上；達到系統穩定的時間更短，系統COP提高9%。

本文受天津市科技支撐(2015N20071)；天津市教委重點(2014ZD01)；天津市科委基金(15JCTPJC64300)項目資助。(The project was supported by the Science and Technology of Tianjin of China (No.2015N20071), the Tianjin Municipal Education Commission (No.2014ZD01) and the Tianjin Municipal Science and Technology Fund Project (No.142CZDNC00016).)

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About the corresponding author

Liu Bin,male, professor, Tianjin University of Commerce, Department of Refrigeration Technology, +86 22-26667502,E-mail: lbtju@tjcu.edu.cn. Research fields: cold chain and related research work.

Performance of the Refrigeration System with Refrigerant Injection from Holes on the Capillary in Evaporator Coils

Liu BinXu YulongWang QingweiDuan Aipeng

(Tianjin Key Lab of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce,Tianjin, 300134,China)

It is interesting to improve the performance of the refrigeration system by the utilization of the high pressure refrigerant. Based on the field synergy theory, a new type of refrigeration system was provided, in which the high pressure refrigerant was injected into the evaporator coil from the hole opened on the capillary inserted in the evaporator coil. The change law of the synergy angle between the flow and heat flow along the hole diameter and the capillary diameter was analyzed theoretically. And the visual experiments were carried out. The theoretical results show that the synergy angle is reduced with the decrease of the hole diameter and the capillary diameter, but the effect of synergy angle is also reduced with the decreasing of the capillary diameter. The experimental results show that compared with the conventional refrigeration system, the refrigerant mass charge is reduced more than 70%, COP is improved about 9% and the time needed to be stable is reduced 70% in the hole opening system.

capillary cube diameter; injection hole diameter; field synergy

0253- 4339(2016) 04- 0076- 05

10.3969/j.issn.0253- 4339.2016.04.076

2016年1月7日

TB657.5;TB61+1

A

簡介

劉斌，男，教授，天津商業大學制冷與空調工程系，(022)26667502,E-mail: lbtju@tjcu.edu.cn。 研究方向：低溫物流技術及相關研究工作。