冰箱用換熱器性能測試系統研究

呂凱萍 曹 雪 杜鵬飛 王德昌 李立順

（1、青島大學能源工程研究所，山東 青島266071 2、江蘇中科君達物聯網股份有限公司，江蘇 宿遷223800）

兩相流熱交換器廣泛地應用在各個行業中，為了減少能源損耗，換熱器的高效利用尤為重要。換熱器在制冷系統中是必不可少的重要設備，其換熱性能必然會影響整個制冷系統的性能，對制冷設備的節能降耗具有重要的作用。

通常提高換熱器性能的主要措施是在保證壓降允許的前提下提高換熱系數，而換熱器換熱系數在制冷系統運行過程中受飽和溫度、質量流量、蒸氣干度、熱流密度、雷諾數等各種因素影響，導致換熱器性能相差較大。

同時，熱交換器的幾何形狀和表面結構[1-2]、熱交換器的材質[3]和制冷劑的種類[4-5]等也會影響其換熱性能。通過研究不同影響因素對熱交換器換熱性能的影響，可以實現高性能熱交換器的設計。

目前，許多研究人員建立了換熱器測試平臺并對換熱器性能進行了研究，但是現研究對象多集中于單根管，且實驗中制冷劑流量較大，這與冰箱換熱器的實際情況相差較大，為盡可能接近冰箱實際運行條件，開發一套小流量調節精確的換熱器性能測試系統尤為重要，通過此測試系統，可對不同實驗條件，不同結構形式的換熱器性能及制冷劑流動情況進行測試。

1 實驗系統及方法

1.1 實驗系統

圖1 為原測試系統圖，包括測試回路、板式換熱器控溫回路和儲液器B 控溫回路。測試回路制冷劑采用齒輪泵提供循環動力，回路主要包括齒輪泵、質量流量計、蒸發電加熱器5、過冷器、直流電加熱器6、視液鏡、測試換熱器、板式換熱器、儲液器A 和儲液器B。測試回路壓力通過儲液器A 中制冷劑溫度控制，為保證齒輪泵入口制冷劑為純液態，通過儲液器B 對回路制冷劑進一步過冷。控溫回路主要包括壓縮機、冷凝器、儲液器、干燥過濾器、膨脹閥、控溫電加熱器及位于測試回路中的部分。為防止制冷劑液滴進入壓縮機，在控溫壓縮機前設置電加熱器，保證壓縮機入口制冷劑有一定過熱度。

圖1 原測試系統圖

測試回路和控溫回路中電加熱器，為將電加熱器放于盲管內，再將盲管放置于制冷劑管路中，制冷劑走環形空間。

圖2 改造測試系統圖

圖3 實驗系統穩定性及重復性驗證

測試蒸發器時，測試回路和兩個控溫回路同時運行，測試蒸發器出口的制冷劑蒸氣在板式換熱器內冷凝，直流電加熱器6 用以控制蒸發器入口制冷劑干度；測試冷凝器時，測試回路和儲液器B 控溫回路同時運行，板式換熱器控溫回路根據需要開啟，測試冷凝器前制冷劑在蒸發電加熱器5 中蒸發并過熱。

對該實驗系統進行穩定性和重復性驗證，結果顯示該實驗系統穩定性和重復性良好，且制冷劑流量可通過泵轉速準確調節。但是在實驗過程中發現，系統所用加熱方式，在控制系統故障時容易出現局部加熱溫度過高導致制冷劑管破裂，甚至有引發火災的危險，且因為未對換熱器外側空氣狀態進行控制，導致測試對天氣和時間要求較高，實驗效率低。

改造測試系統，包括制冷劑供應系統、恒溫循環風道、控制系統及數據采集系統。制冷劑供應系統如圖2 所示，包括測試回路和控溫回路。

控溫回路分別為冷凝器、過冷器和預熱器提供冷量，測試回路制冷劑壓力通過冷凝器控制。冷凝器、過冷器、預熱器、再熱器和壓縮機回氣加熱器為充注有R141b 制冷劑的銅罐，內部設有蒸發、冷凝盤管和電加熱器，通過PID 調節加熱溫度，電加熱器始終處于液態制冷劑中，與傳統的加熱器通過盲管直接放置于被加熱管路中的加熱方式相比，避免了控制系統故障時電加熱器持續加熱使銅管局部破損導致制冷劑泄露甚至引發火災的危險。

恒溫循環風道由有機玻璃制成，放置于恒溫室中。內部風量通過離心風機的轉速調節， 并根據國家標準《GB/T1236-2017》，利用流量噴嘴測量。風道內安裝有喉部直徑分別為15mm、20mm、25mm、25mm 的四個噴嘴，根據風量的不同選擇開啟不同的噴嘴，為均勻氣流保證測量的準確性，在噴嘴前后安裝導流柵。

1.2 實驗方法

對于改造后系統，測試蒸發器時，先打恒溫室內制冷系統，根據需要設定內部溫度并通過PID 控制設定空氣流量，選擇開啟流量噴嘴，待風道內部條件接近設定值時，關閉MV1、MV5，打開MV2、MV3，開啟測試回路和控溫回路，根據測試換熱器大小調節調節系統制冷劑流量，根據測試條件通過PID 控制調節各換熱罐中加熱器功率。測試冷凝器時，閥門MV2、MV3 關閉，MV1、MV5 開啟，預熱器調節測試冷凝器入口制冷劑狀態，測試回路中再熱器相當于蒸發器，冷凝器出口的液態制冷劑在再熱器內吸熱蒸發，以制冷劑蒸氣狀態進入壓縮機回氣加熱器內再次加熱，達到要求的吸氣溫度。

2 改造后系統穩定性、重復性及準確性驗證

對某一工況進行三次重復性實驗，對系統制冷劑流量、測試蒸發器入口制冷劑溫度及測試蒸發器入口制冷劑壓力進行觀測，結果如圖3 所示，可以看出三次實驗中制冷劑流量及測試蒸發器入口制冷劑溫度、壓力穩定性良好，且具有很好的重復性。

為確保實驗系統所測結果的準確性，根據測試蒸發器生產商提供的實驗條件，利用該實驗系統在相同的實驗條件下對測試蒸發器的換熱量及換熱系數進行測試，結果如表。由于儀表誤差、實驗人員操作及系統內潤滑油含量等因素，實驗條件無法達到與要求條件完全一致，但是偏差均在8%以內，處于可接受范圍，測試蒸發器換熱量偏差為0.9%，進一步驗證了該實驗系統的準確性。

蒸發器實驗數據與生產商提供數據比較

3 結論

建立了冰箱換熱器性能測試實驗系統并進行了優化改造，經過系統穩定性、重復性及驗證，驗證了測試系統的可靠性，并通過對蒸發器樣品的測試，驗證了實驗系統的準確性。