臥式冷柜啟停過程中制冷劑遷移的動態特性

冷永強， 張振亞， 黃 東

(西安交通大學 能源與動力工程學院， 西安 710049)

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臥式冷柜啟停過程中制冷劑遷移的動態特性

冷永強， 張振亞， 黃 東

(西安交通大學 能源與動力工程學院， 西安 710049)

針對制冷系統啟停過程存在制冷劑的遷移和再分配問題，以單溫臥式冷柜BC/BD-379HBN為載體，研究系統內制冷劑遷移的動態特性及其對系統性能的影響.以蒸發器內制冷劑沿程變化，啟動階段依次分為蒸發器制冷劑遷出、蒸發器兩相區增長、蒸發器兩相區穩定3個階段.結果表明：階段1，壓縮機流量大于毛細管供液量，高壓壓力迅速升高；階段2，隨毛細管供液量增大，冷凝器出口溫度趨于穩定，系統高低壓差重建完成；階段3，蒸發器兩相段到達出口，制冷量達到最大.啟動階段的制冷劑再分配用時3.5 min，占開機時長的32%，而期間制冷量很小，存在較大的遷移損失.

制冷劑；分布；遷移；壓縮機；氣液兩相流

頻繁啟停的冰箱冷柜等制冷裝置，制冷劑遷移帶來的能量損失會增加運行能耗.目前對制冷系統中制冷劑分布與遷移的研究主要包括兩個方面：穩態運行時制冷劑分布特性；啟、停機狀態時制冷劑分布特性及對系統性能的影響.由于空調熱泵系統負荷大，制冷劑充注量多，制冷劑遷移研究相對較易，故大多數文獻研究[1-7]集中在該方面.

冰箱制冷系統啟停過程也存在制冷劑的遷移和再分配，但制冷劑的充注量相對較少，研究難度增加且準確性略差，已有一些學者對其進行了研究.謝旭明等[8]指出，開停機過程中的制冷劑遷移是引起制冷系統能量損失的重要因素；王琪等[9]提出采用變頻技術和節能閥來減小甚至消除啟停損失；劉云等[10]實驗表明，并聯雙循環風冷冰箱在冷凍向冷藏切換的過程時長占冷藏運行的23%，耗電量為20%，獲取冷量僅3.4%；姬長發等[11]及Mulroy等[12]通過稱重法對穩定運行的制冷系統中制冷劑的再分配進行了研究；Shi等[13]實驗結果表明，減少停機后的制冷劑遷移和壓縮機停機時間可改善系統的動態特性；Johan[14]實驗研究了直冷冰箱在壓縮機啟動時制冷劑流出蒸發器的再分配過程，并提出可采用大容積蒸發器和兩級氣液分離器防止壓縮機啟動時蒸發器缺液，縮短制冷劑再分配時間；Erik等[15]實驗結果表明，直冷冰箱在啟停過程中的制冷劑遷移和再分配會使制冷量和能效分別降低約11%和9%；Cemil等[16]實驗結果表明，氣液分離器的排水小孔可以防止啟動時液態制冷劑流向壓縮機；Won等[17]實驗研究了不同控制策略下制冷劑遷移對冰箱耗電量的影響；Rubas等[18]指出，在單循環風冷冰箱停機階段制冷劑遷移會使冷凍室熱負荷增加4%～7%，再次啟動時制冷劑再分配會使制冷量損失2.3%.

已有文獻對冷柜制冷劑遷移的相關研究[19-20]較少，制冷劑遷移帶來的問題對頻繁啟停的冷柜影響更為突出.作為初步研究，本文以單溫臥式冷柜BC/BD-379HBN為載體，對冷柜啟停機過程的制冷劑遷移特性進行實驗研究，并探究系統內制冷劑遷移的出現、發展與消失的動態變化及其對系統性能的影響，進而為減少制冷系統的制冷劑遷移提供參考.后續工作將繼續研究不同制冷系統裝置的制冷劑遷移特性，并加入壓力、流量等測量手段，以尋找更普適的模型,能準確評價、對比制冷劑遷移及其對系統影響.

1 實驗裝置和測試系統

實驗對象為一臺單溫臥式冷柜，其制冷系統示意圖如圖1所示，蒸發器為管板式換熱器，布置方式為纏繞方式，沿冷柜高度方向下進上出；制冷劑在蒸發器內與箱體內空氣進行換熱后經由定速活塞式壓縮機壓縮，再排入冷凝器中與環境空氣換熱；冷凝器為絲管式換熱器，制冷劑流向為上進下出，與周圍空氣的換熱方式為自然對流換熱.被測機的主要技術參數如表1所示.

圖1 單溫臥式冷柜的制冷系統示意

Fig.1 Schematic diagram of a single temperature horizontal freezer

測試工況：環境溫度為(25.0±0.8) ℃，相對濕度為65%；恒溫恒濕環境由焓差試驗室提供.溫度測試系統由測量精度為±0.2 ℃的銅-康銅熱電偶和Agilent34970A型號的數據采集器組成，用于測量并記錄實驗中各測點的溫度值.在冷凝器和蒸發器的進口、中部以及出口，壓縮機的吸、排氣管及冷柜內均布置有溫度測點，其中冷柜內測點位置如圖2所示，圖中測點與實際位置為1∶1對應關系.采用青智8775A數字電參數測量儀測量冷柜的運行功率，并通過電能累計儀測得一定時間內的耗電量，精度為0.5級.

表1 被測機的主要技術參數

圖2 冷柜內部溫度測點位置的示意

2 制冷劑遷移動態特性分析

文獻研究表明：制冷系統穩定運行時，蒸發器內儲存的制冷劑占總充灌量的10%～35%，冷凝器占30%～46%[11-12]；而停機穩定后，約20%的制冷劑在冷凝器內，56%的制冷劑分布在蒸發器內[12].由此可見，在單溫臥式冷柜停機、啟動兩個階段，蒸發器和冷凝器內會出現復雜的制冷劑遷移和再分配過程.

基于上述分析，本文實驗研究冷柜啟停過程的遷移特性，探究系統內制冷劑遷移的出現、發展及消失的動態變化.圖3～5通過壓縮機功率的變化標示了一個完整的開、停機單周期：第0 min時停機，第13.75 min時開機，到第24.67 min瞬間再次停機.需要說明的是，一個單周期包括一個開機階段和一個停機階段.

2.1 停機階段

0～2.5 min期間，制冷劑在高低壓差的驅動下從冷凝器遷入蒸發器.該期間冷凝壓力下降，制冷劑的飽和溫度降低.由圖3可見，進口從停機時的39 ℃降至2.5 min的27.38 ℃；中部、出口分別從31.02、29.57 ℃均勻下降至25.54、25.58 ℃，基本與環境溫度一致.隨著制冷劑遷入蒸發器，其壓力升高，溫度升高.如圖4所示，蒸發器溫度由停機時的-25.79 ℃上升到第2.5 min的-23.10 ℃.系統高低壓平衡后，蒸發器內儲存大部分的制冷劑，且處于低溫低壓的飽和狀態.

圖3 單周期內冷凝器溫度隨時間的變化曲線

圖4 單周期內蒸發器溫度隨時間的變化曲線

圖5 單周期內壓機吸、排氣溫度隨時間的變化曲線

Fig.5 Variation in compressor suction and exhaust temperature during a single period

2.50～7.25 min期間，蒸發器內少量制冷劑在溫差導致的微壓差作用下回遷至冷凝器.冷凝器進口溫度從第2.5 min的27.38 ℃降至第5.0 min的25.57 ℃，滯后中部2.5 min進入穩定階段.進口和中部降溫幅度小、時間長，而且溫度降低也可能是向環境散熱所致，故冷凝器前半段的制冷劑遷移已基本結束.如圖3所示，冷凝器出口溫度從第2.5 min的25.58 ℃先慢后快地降至環境溫度以下，最低達第7.25 min的18.93 ℃.原因在于：系統高低壓平衡后，蒸發器不斷被柜內空氣加熱，溫度從-23.10 ℃升至-19.05 ℃，故蒸發器內壓力會略微升高，而冷凝器繼續向環境散熱，壓力小幅降低；遷移慣性的作用使制冷劑越過壓力平衡點，繼續向蒸發器微弱遷移，故蒸發器內有少量的制冷劑液體在微壓差作用下向冷凝器出口回遷.

7.25～13.75 min期間，環境空氣的加熱導致冷凝器出口溫度回升.第7.25 min后，回遷已十分微弱，冷凝器出口和環境溫度的最大溫差僅6 ℃，因此溫升過程時間長、速度慢：從第7.25 min的18.93 ℃均勻升高至下次開機時的23.38 ℃.該期間蒸發器各處溫度同步升高：第13.75 min時，進口、中部和出口分別升至-16.18、-16.59和-16.10 ℃，均高于柜內溫度.此時，蒸發器加熱柜內空氣，會加快柜溫回升、增加熱負荷，具體影響在能耗分析部分詳述.

綜上所述，停機前期制冷劑在高低壓差的驅動下由冷凝器遷入蒸發器，壓力平衡后蒸發器儲存大部分的制冷劑，并處于低溫低壓狀態；之后有少量制冷劑從蒸發器回遷至冷凝器，使冷凝器出口溫度繼續下降，最低達18.9 ℃；后期蒸發器溫度高于柜溫，會加快柜溫回升、增大啟動熱負荷.

2.2 啟動階段

啟動后，由于壓縮機強烈的抽吸作用，且毛細管流量較小，蒸發器內滯留的制冷劑不斷向冷凝器遷移.由圖3可以看出，冷凝器進口從啟動時的23.38 ℃升至第15.75 min的30.16 ℃，冷凝器中部從啟動時的25.30 ℃升至第15.92 min的31.61 ℃，先后達到穩定值；出口溫度在第16.08 min時升至39.67 ℃后也趨于穩定，此時系統高低壓差重新建立.原因在于：啟動初期，吸氣密度、壓力均較大，故壓縮機的流量大；而毛細管壓差小、進口缺液，故毛細管的供液量小.壓縮機的流量大于毛細管的流量，高壓迅速升高，冷凝器中逐漸積存液態制冷劑，制冷劑飽和溫度和出口溫度的差值增大，即過冷度增大.

由于蒸發器“下進上出”布置，啟動前，進口積存純液相制冷劑，而出口幾何位置在上部，為制冷劑氣體.啟動后，出口的氣態制冷劑首先被抽出，壓力迅速下降，進口處的液態制冷劑閃發，并不斷往中后部轉移.由圖4可知，13.75～16.08 min內，蒸發器的進口、中部和出口同步大幅降溫.原因在于：壓縮機的抽吸作用使蒸發器內制冷劑閃發，產生制冷效應；該期間高低壓差尚未建立，毛細管流量較小，故蒸發器內制冷劑流出量大于流入量，低壓側壓力迅速降低，制冷劑飽和溫度降低；兩者共同作用使蒸發器溫度快速下降.

第16.08 min后，蒸發器內兩相制冷劑發展至中部，高低壓差基本建立，蒸發器開始能夠有效制冷.在16.08～16.42 min內，毛細管流量小于壓縮機吸氣量，兩相段尚未延伸至蒸發器出口，此處氣態制冷劑過熱度略微增大，其溫度由第16.08 min的-18.99 ℃小幅升至第16.42 min的-18.82 ℃；在16.42～17.5 min內，毛細管供液量與壓縮機吸氣量趨于一致，蒸發器出口溫度小幅降低0.17 ℃，并在第17.5 min后開始大幅度降溫，表明兩相段已經覆蓋到出口，此后蒸發器的制冷量達到最大.

吸氣管的幾何位置靠下，管內積存有少量液態制冷劑.壓縮機啟動后，氣態制冷劑先被抽出，壓力驟降，制冷劑液體“閃發”，快速變成過熱狀態.由圖5可知，吸氣溫度從第13.75 min的24.02 ℃速降至第14.83 min的-19.16 ℃，降溫速度達39.98 ℃/min.之后，由于吸氣管表面溫度與環境空氣的溫差達44 ℃，熱交換加劇，管內氣態制冷劑的溫度快速升至第17.5 min的20.11 ℃，并進入穩定狀態.

綜上所述，啟動后制冷劑在壓縮機抽吸作用下從蒸發器向冷凝器遷移；初期，壓縮機流量大于毛細管供液量，冷凝器內滯留的制冷劑增多，其壓力和溫度迅速升高；啟動2.33 min后冷凝器出口溫度趨于穩定，系統高低壓差重建；啟動3.75 min后兩相段發展至出口，制冷量達到最大.

3 啟停過程中的能耗分析

為了評估制冷劑遷移對系統的性能影響，根據吸氣溫度變化將開機過程劃分為兩個階段：階段1(13.75～17.25 min)：蒸發器內滯留的制冷劑遷至冷凝器的過渡階段，吸氣溫度迅速上升，壓縮機能耗主要用于制冷劑重新分配；階段2(17.25～24.67 min)：兩器內制冷劑量再分配完成，吸氣溫度基本恒定，系統開始穩定制冷運行.

停機后制冷劑從冷凝器向蒸發器遷移，會加速箱溫回升，增大下次啟動時的熱負荷.圖6為停機階段蒸發器與近壁面空氣的溫差隨時間的變化，其中該圖中0時刻為停機初始點.停機初期，隨著制冷劑遷入蒸發器，其壓力爬升，溫度隨之升高，蒸發器與柜內空氣的溫差不斷減小.

如圖6所示，蒸發器進口、中部、出口溫度分別在第0.50、2.17、2.67 min后高于其近壁面空氣的溫度；這說明在停機總時13.75 min內，僅在剛停機的前2.67 min內蒸發器有少量制冷量輸出.之后，蒸發器會加熱柜體空氣，加快柜溫回升的速度和幅度，縮短停機時間，增大開停比，進而增加耗電量；而且會增大啟動初期熱負荷，額外增加下次開機所需要的制冷量.

圖6 停機階段蒸發器與近壁面空氣溫差變化

Fig.6 Temperature differences between evaporator and air inner surface during a shut-down

開機階段的階段1占開機時長的32%，平均功率比穩定運行時的大14.2%，卻幾乎不制冷，可見存在較大的制冷劑遷移損失.表2為啟動后柜內5個空氣測點的溫度變化.對穩定運行多個啟停周期的能耗數據求取平均值，結果如表3所示.由表2及表3可知，高低壓重建的過渡過程時長為3.5 min，占總開機時間的32.05%，耗電量占總能耗的35.57%，而期間制冷量很小，柜內溫度不降反升0.5 ℃.由此可見，開機后制冷劑重新分配的階段1，蒸發器冷量輸出非常小，而該階段壓縮機能耗占比較大，主要用于將蒸發器中額外的制冷劑搬運至冷凝器中，重新建立高低壓差，存在較大的啟動損失.

表2 開機階段柜內5個測點的溫度變化

Tab.2 Temperature variations of five measuring points during a start-up

測點編號測點位置階段1內溫度降幅/℃階段2內溫度降幅/℃1中間上部0．172．862中間中部0．504．223中間下部0．504．114臺階面上部-0．022．675臺階面下部0．214．16

表3 開機階段的能耗計算結果

綜上所述，停機后制冷劑從冷凝器向蒸發器遷移，會加速柜溫回升，增大下次啟動時的熱負荷；開機階段的階段1功率大但冷量小，可見存在較大的制冷劑遷移損失.

4 結 論

1)停機初期制冷劑在高低壓差的驅動下由冷凝器遷入蒸發器，壓力平衡后蒸發器儲存大部分的制冷劑，并處于低溫低壓狀態；之后有少量制冷劑從蒸發器回遷至冷凝器，使冷凝器出口溫度繼續下降，最低達18.9 ℃；后期蒸發器溫度高于柜溫，會加快柜溫回升、增大啟動熱負荷.

2)啟動后蒸發器制冷劑遷出段，制冷劑在壓縮機抽吸作用下從蒸發器向冷凝器遷移，此時壓縮機流量大于毛細管供液量，冷凝器內滯留的制冷劑增多，其壓力迅速升高，出口過冷度隨之增大；啟動2.33 min后，處于蒸發器兩相區增長段，冷凝器出口溫度趨于穩定，系統高低壓差重建完成；啟動3.75 min后，處于蒸發器兩相區穩定段，兩相段到達出口，制冷量達到最大.

3)啟動階段制冷劑遷移用時3.5 min，占開機時長的32%，期間制冷量很小，耗電量占比卻高達35%.開機后制冷劑重新分配的過渡過程功耗大但冷量小，存在較大的制冷劑遷移損失.

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(編輯 楊 波)

Dynamic characteristics of the refrigerant migration during the on-off processes of a horizontal freezer

LENG Yongqiang, ZHANG Zhenya, HUANG Dong

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Refrigerant migration and redistribution will occur during the on-off processes of a refrigerating system.Based on a horizontal freezer BC/BD-379HBN, dynamic characteristics of the refrigerant migration and its effects on the freezer performance were studied experimentally.Results show that the process of the start-up can be divided into three stages, i.e., refrigerant emigrating from evaporator, evaporator two-phase section increasing stage, and evaporator two-phase section stabilized stage.In the first stage, the refrigerant flowrate through the compressor was larger than that through the capillary tube, resulting in an increase in the condensing pressure.In the second stage, condenser outlet temperature stabilized gradually with the increase in the refrigerant flowrate through the capillary tube, indicating the end of the pressure-difference rebuilt process.In the third stage, a maximum cooling capacity was obtained due to the fact that the two-phase section covered the whole evaporator tube pass.The refrigerant redistribution process occupied 3.50 minutes which was about 32% of a single compressor-on period.However, the cooling capacity during this process was small.In conclusion, a large migrating loss was introduced by the start-up refrigerant migration process of the freezer.

refrigerant； distributions；migration；compressor；gas-liquid flow

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.01.023

2016-01-20

冷永強(1991—)，男，碩士研究生； 黃 東(1975—)，男，副教授，博士生導師

黃 東，d_huang@mail.xjtu.edu.cn

TB657.4

A

0367-6234(2017)01-0155-05