探究不同制冷劑在重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用

肖鵬 吳建偉 王洪宇

摘要：重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)加快蒸發(fā)器內(nèi)工質(zhì)流動以優(yōu)化換熱效果，在實際生產(chǎn)生活中得到廣泛應(yīng)用。本文介紹重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)制冷劑研究現(xiàn)狀，研究不同制冷劑對重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)制冷效果的影響，以找出最佳的制冷劑類型，在確保系統(tǒng)制冷效果的同時實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。

關(guān)鍵詞：重力再循環(huán)制冷系統(tǒng);制冷劑;制冷效果

引言：重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)借助熱虹吸原理實現(xiàn)工質(zhì)循環(huán)過程，始終保持管壁的濕潤狀態(tài)，提高蒸發(fā)器工質(zhì)的換熱效果。相較于其他類型的制冷系統(tǒng)，重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)可提高蒸發(fā)器工質(zhì)換熱系數(shù)，同時有助于內(nèi)部油料排出，確保蒸發(fā)器供液穩(wěn)定。制冷劑類型與系統(tǒng)制冷效果發(fā)揮密切相關(guān)，為充分發(fā)揮重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢，需要對不同制冷劑在系統(tǒng)中的應(yīng)用情況做具體分析。

一、制冷劑研究現(xiàn)狀

制冷劑為制冷系統(tǒng)循環(huán)蒸發(fā)器的能量傳輸介質(zhì)，有學(xué)者研究R1234yf、R717、R32、R22四種制冷劑在物理特性、兼容性、熱工性等方面的差異，發(fā)現(xiàn)R1234yf制冷劑的表現(xiàn)更優(yōu)，可用以取代R22、R717制冷劑。另有學(xué)者分析R32、R410A、R290對R22的代替效果，發(fā)現(xiàn)R32更具發(fā)展前景。國外學(xué)者對比分析汽車制冷系統(tǒng)中R123yf與R124a兩種制冷器的作用表現(xiàn)，總結(jié)環(huán)保性、安全性、經(jīng)濟性、制冷效果等，發(fā)現(xiàn)兩種制冷劑的性能差異不大[1]。

在可持續(xù)發(fā)展背景下，制冷劑的選擇除了要考慮系統(tǒng)制冷效果和運行經(jīng)濟性，還需兼顧安全環(huán)保的特點。因此本文從常見制冷劑中選擇R22、R717、R410A和R407C四種制冷器，找到適用于重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)的制冷劑類型。

二、制冷劑對重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)制冷效果的影響

（一）變量選擇

本文以蒸發(fā)器傳熱系數(shù)和氣液分離器供液高度，衡量不同類型制冷劑在重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用效果。其中，重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)蒸發(fā)器的換熱系數(shù)計算基于肋側(cè)表面積進行，計算公式為。其中，αi表示制冷劑側(cè)的換熱系數(shù);αof表示空氣側(cè)的換熱系數(shù);γi表示制冷劑側(cè)污垢熱阻;γof表示空氣側(cè)污垢熱阻;δ表示蒸發(fā)管壁壁厚;λ表示蒸發(fā)管導(dǎo)熱系數(shù);ηf表示翅片效率;Aof表示肋側(cè)表面積;Ar表示肋片間根部表面積，Af表示肋片表面積。氣液分離器則負責(zé)制冷劑氣體中液體的過濾，避免壓縮機液擊，同時為蒸發(fā)器中工質(zhì)循環(huán)提供動力。

（二）模型構(gòu)建

借助MATLAB軟件及NIST軟件，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，模擬四種制冷劑在重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，分析不同制冷劑的應(yīng)用效果。模型中變量包括蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、壓縮機理論輸氣量、蒸發(fā)管管徑和循環(huán)倍率，分析不同工況條件下蒸發(fā)器傳熱系數(shù)及氣液分離器供液高度變化情況，實驗條件設(shè)置如表1。

（三）結(jié)果分析

1.蒸發(fā)溫度

1.1傳熱系數(shù)

蒸發(fā)器傳熱系數(shù)與蒸發(fā)溫度正相關(guān)，隨蒸發(fā)溫度提升，傳熱系數(shù)增幅逐漸降低。引發(fā)該結(jié)果的原因為蒸發(fā)溫度上升帶動蒸發(fā)壓力增加，因冷凝壓力不變，壓縮機壓縮比降低、輸氣系數(shù)增加，進氣與排氣量上升，蒸發(fā)管內(nèi)制冷劑流量增大，因制冷劑側(cè)傳熱系數(shù)上升，導(dǎo)致蒸發(fā)器傳熱系數(shù)上升[2]。實驗發(fā)現(xiàn)，在相同蒸發(fā)溫度下，四種制冷劑對應(yīng)傳熱系數(shù)最高的為R717，然后為R410A、R22和R407C。

1.2供液高度

氣液分離器供液高度與蒸發(fā)溫度正相關(guān)，隨蒸發(fā)溫度提升，供液高度增幅逐漸增大。引發(fā)該現(xiàn)象的原因為，蒸發(fā)溫度上升導(dǎo)致壓縮機輸氣系數(shù)上升，管內(nèi)制冷劑流速加快，帶來更大的壓降，需要更大的供液高度。同一蒸發(fā)溫度下，四種制冷劑對應(yīng)供液高度最高的為R410A，然后為R22、R407C和R717。

2.蒸發(fā)管管徑

2.1傳熱系數(shù)

實驗發(fā)現(xiàn)，隨蒸發(fā)管管徑增大，蒸發(fā)器傳熱系數(shù)表現(xiàn)為先增后減的趨勢，四種制冷劑對應(yīng)傳熱系數(shù)的變化規(guī)律相同，但蒸發(fā)系數(shù)達到最大值所對應(yīng)的管徑不同。在同一管徑下，R410A對應(yīng)的蒸發(fā)器傳熱系數(shù)最高，其次為R717。當(dāng)蒸發(fā)管管徑為0.02m時，R410A對應(yīng)的傳熱系數(shù)達到最大值，R717傳熱系數(shù)則在0.017m的管徑下達到最大值。

2.2供液高度

氣液分離器供液高度與蒸發(fā)管管徑之間負相關(guān)，主要是由于管徑增加會間接降低制冷劑流速，壓降縮小導(dǎo)致供液高度下降。實驗還發(fā)現(xiàn)，供液高度降低幅度隨蒸發(fā)管管徑上升而呈指數(shù)型變化，當(dāng)蒸發(fā)管管徑達到0.028m時，不同制冷劑對應(yīng)供液高度趨近于0。當(dāng)蒸發(fā)管管徑相同時，R410A的供液高度需求最大，R717的供液高度需求最小。

2.3循環(huán)倍率

2.3.1傳熱系數(shù)

蒸發(fā)器傳熱系數(shù)與循環(huán)倍率正相關(guān)，主要是由于循環(huán)倍率增加會加快制冷劑流速，提高制冷劑側(cè)的濕潤程度，因該側(cè)的換熱系數(shù)增大導(dǎo)致蒸發(fā)器傳熱系數(shù)上升。相同傳熱系數(shù)下，四種制冷劑對應(yīng)傳熱系數(shù)最高的為R410A，其次為R717、R22和R407C。

2.3.2供液高度

氣液分離器供液高度與循環(huán)倍率正相關(guān)，主要是由于循環(huán)倍率增加會加快制冷劑流速，系統(tǒng)壓降上升，蒸發(fā)器的供液需求上升。當(dāng)傳熱系數(shù)相同時，四種制冷劑對應(yīng)供液高度最高的為R410A，最低的為R717。

綜上，在重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)中，若蒸發(fā)溫度相同，R717對應(yīng)的傳熱系數(shù)最高，且供液高度需求最低;若蒸發(fā)管管徑相同，R717的供液高度需求最低，且傳熱系數(shù)僅次于R410A;若循環(huán)倍率相同，R717的供液高度需求最低，且傳熱系數(shù)僅次于R410A。因此有理由認(rèn)為，在本文研究的四種制冷劑中，R717與重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)的適應(yīng)性最高，可在保證系統(tǒng)制冷效果的同時，降低系統(tǒng)能耗。

結(jié)論：蒸發(fā)器傳熱系數(shù)及氣液分離器供液高度可分別衡量重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)的輸出和能耗情況，由此得出的不同制冷劑使用效果結(jié)論可靠性較強，在制冷劑選擇中，可參考實驗結(jié)果，提高制冷系統(tǒng)運行綜合效益。

參考文獻：

[1]王赫，臧潤清.重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)與直接膨脹制冷系統(tǒng)的對比研究[J].流體機械，2018，46（08）：66-70.

[2]張秋玉，臧潤清，阮建文，等.不同制冷劑在重力再循環(huán)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].低溫與超導(dǎo)，2018，46（02）：70-74+80.

作者簡介：

肖鵬（1993.8-），男，漢族，遼寧省丹東市人，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：制冷設(shè)備研發(fā)。