（制冷及低温工程专业论文）再循环蒸发器的理论与实验研究.pdf

摘要 制冷装置的节能研究主要集中于系统中的4 个主要设备，压缩机、两器( 冷 凝器、蒸发器) 和节流机构，在两器中蒸发器的性能提高尤为重要，本文以全新 的视角强化蒸发器换热，利用热虹吸原理实现制冷剂的再循环，形成蒸发器的超 倍供液，增加了液体制冷剂和蒸发管内表面的接触，从而改善换热，增大传热系 数，提高蒸发嚣的效率。 本文建立了再循环蒸发器的传热计算模型，并利用阻力平衡关系对再循环系 统进行了两相流动分析，从而建立热负荷、供液压头、压降、循环倍率、传热系 数和传热温差的相互关系，在此基础上，参考普通蒸发器的设计方法，总结再循 环蒸发器的设计计算法。 在不同工况下，通过对自行搭建的再循环制冷系统的性能实验，初步掌握了 它的工作特性，并与使用普通蒸发器的制冷系统做相同工况下的对比实验，进一 步了解再循环与普通制冷系统的工作特性的差异。在分析实验数据的基础上，验 证所建立的数学模型的正确性，应用所建立的数学模型对低温工况下再循环蒸发 器的工作特性进行了理论计算。 研究发现，基于热虹吸原理的低温再循环蒸发器可以实现制冷剂的再循环， 在低温工况下，比普通蒸发器有更佳的传热特性与传热效率，并不增加附 i i i i 耗。 理论计算表明，在更低温度的工况下，再循环蒸发比普通蒸发器制冷量能提高 3 0 左右，传热系数提高5 0 左右。 关键词：再循环蒸发器，热虹吸原理，循环倍率，传热系数 r e s e a r c ho fr e f r i g e r a t i n gi n s t a l l a t i o n se n e r g ys a v i n gi sc o n c e n t r a t e do nt h ef o u r m a j o rc o m p o n e n t s ：c o m p r e s s o r ，t h r o t t l i n gs e t ，h e a te x c h a n g e r s i m p r o v e m e n to f e v a p o r a t o rp e r f o r m a n c ei so fm o r ei m p o r t a n c e ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dam e t h o df o r a u g m e n t a t i o no fe v a p o r a t o rh e a te x c h a n g ef r o mt h en e wv i e w ：t a k i n ga d v a n t a g eo f t h e r m a l 。s i p h o np r i n c i p l et om a k er e f r i g e r a n tr e c y c l e d a n de v a p o r a t o rg e tm u l t i p l e s u p p l i e dl i q u i d i nt h i sw a yt h ec o n t a c tb e t w e e nr e f r i g e r a n ta n di n n e rs u r f a c eo f e v a p o r a t i n gc o i lc a nb ei n c r e a s e d ，s oh e a tt r a n s f e rp e r f o r m a n c e ，t h ec o e f f i c i e n to fh e a t t r a n s f e ra n de f f i c i e n c yo fe v a p o r a t o rc a nb ei m p r o v e d i nt h i sp a p e r ，ah e a tt r a n s f e rm o d e lo fe v a p o r a t o ru s i n gt h er e c y c l er e f r i g e r a n t w a se s t a b l i s h e d ，a n dt h er e s i s t a n c ee q u i l i b r i u m a n a l y s i so ft w o p h a s ef l o wf o r r e c i r c u l a t i n gs y s t e m sw e r ed o n e ，s ot h er e l a t i o no fh e a tl o a d ，p r e s s u r eh e a do fl i q u i d s u p p i y ，p r e s s u r ed r o p ，c i r c u l a t i n gr a t e ，h e a tt r a n s f e rc o e f f i c i e n t ，a n dh e a tt r a n s f e r t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c ec a nb eo b t a i n e d o nt h eb a s i so fi t ，r e f e r r i n gt ot h ed e s i g n m e t h o do fe v a p o r a t o f ，t h i sp a p e rs u m m e du pt h ed e s i g nm e t h o do fe v a p o r a t o ru s i n g r e c y c l er e f r i g e r a n t b yt h em e a n so ft h ee x p e r i m e n to fr e c i r c u l a t i n gr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw h i c hw a s s e tu pb yo u r s e l v e si nt h ed i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s w e 陀o b t a i n e dp r e l i m i n a r i l y a n dc o n t r a s te x p e r i m e n t sb e t w e e nr e c i r c u l a t i n ga n d o r d i n a r yr e f r i g e r a t i o ns y s t e mw e r ec a r r i e do n ，p e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c sd i f f e r e n c e o ft h et w or e f r i g e r a t i o ns y s t e mw a sf o u n do u t t h o u g ha n a l y s i so f e x p e r i m e n t a ld a t a t h em a t h e m a t i c a lm o d e lw a sp r o v e d ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lw a sa p p l i e dt od o t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nf o rt h ee v a p o r a t o ru s i n gr e c y c l er e f r i g e r a n ti nt h el o w e r t e m p e r a t u r eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s i n v e s t i g a t i o n sp r e s e n t e di n t h i s p a p e ri n d i c a t et h a tt h el o wt e m p e r a t u r e e v a p o r a t o ru s i n gr e c y c l er e f r i g e r a n tw h i c hi sb a s e do nt h et h e r m a l s i p h o na c t i o nc a n r e c y c l et h er e f r i g e r a n t ，a n di t h a sm u c hb e t t e rh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sa n d e f f i c i e n c y , m o r e o v e r ，i td o e s n th a sm o r ea d d i t i o n a le n e r g yc o n s u m p t i o n t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o ni m p l i e st h a t ，c o m p a r et o o r d i n a r ye v a p o r a t o r , r e f r i g e r a t i n gc a p a c i t yo f e v a p o r a t o ru s i n gr e c y c l er e f r i g e r a n tc a l li n c r e a s e sb ya b o u t3 0 ，a n dt h eh e a tt r a n s f e r c o e f f i c i e n tc a ni n c r e a s e sb ya b o u t5 0 i nt h el o w e ro p e r a t i n gc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：e v a p o r a t o ru s i n gr e c y c l er e f r i g e r a n t , t h e r m a l - s i p h o np r i n c i p l e , e i r c o l a t i n g r a t e , h e a tw a n s f e rc o e m c i e n t 硕士期间发表论文情况 1 、 张枫，臧润清再循环冷风机的原理和传热性能分析冷藏技术，2 0 0 6 ，3 2 ， 张枫，臧润清制冷剂流量和风量对再循环蒸发器传热性能影响天津商学院学报， 关于论文使用授权的说明 本人同意授权天津商业大学将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 签名：趁抠导师躲率匪日期： 第一章绪论 1 1 选题背景 1 1 1 引言 第一章绪论 当今社会，制冷技术与人们日常生活的关系越来越密切，其在各个领域中都得到了广 泛的应用，特别是食品冷藏和空气调节，它直接关系到很多部门的工业生产和人们生活的 需要。尤其是近年来，随着国民经济和人民生活水平的不断提高，制冷和空调行业得到迅 速的发展，与此同时也造成能耗的大幅度增加，缺电、缺油、缺煤，此类信息见诸报端的 频率不断升级。资料表明，暖通空调能耗约占我国总能耗的2 2 7 5 ，并有逐渐上升的趋势 ，在我国经济保持快速增长的同时，重要能源的紧缺正逐步成为制约我国经济发展的瓶 颈。因此，开发和研制高性能、低能耗的制冷系统是制冷和空调技术领域的重要课题，也 是“可持续发展”国策的迫切要求。 改革开放以来我国食品工业的迅猛发展促使食品冷藏链得到了很快的发展。食品冷藏 链是在二十世纪随科技的进步、制冷技术的发展而建立起来的一项系统工程。它是建立在 食品冷冻工艺学的基础上，以制冷技术为手段，使易腐食品从生产者到消费者之间的所有 环节，即从原料( 采摘、捕捞、收购等环节) 、生产、加工、运输、贮藏、销售流通的整 个过程中，始终保持合适的低温条件，以保证食品的质量，减少食品损耗。这种连续的低 温环节称为冷藏链。贯穿在整个冷藏链各个环节中的各种设备、设施，主要有原料前处理 设备、预冷设备、速冻设备、冷藏库、冷藏运输设备、冷冻冷藏陈列柜、家用冰柜、电冰 箱等”1 。如图1 所示； 图1 - 1 食品冷藏链主要设备构成示意图 l 第一章绪论 从图1 - 1 不难看出，无论是预冷中的空气预冷设备，还是速冻中的鼓风式速冻设备， 抑或是冷藏库中空气冷却器，都大量的使用了冷风机。 在空调工程中也有使用很普遍冷却空气的蒸发器。在它们内部流动的是制冷剂，外部 是强迫流动的空气，在制冷中规范的名称是冷风机，在空调中称为直接蒸发表冷器。 空调中使用的直接蒸发表冷器由数排肋片管组成，肋片管一般采用圣1 0 1 8 m m 的铜 管，外套o 2 m m 的铝片，片距2 4 m m 。冷风机按冷却空气所采用的方式可分为干式( 表 面式) 、湿式( 接触式) 和干湿混合式三种。其中，制冷剂或载冷剂在排管内流动，通过 管壁冷却管外空气的称为干式冷风杌；以喷淋的载冷剂液体直接和空气进行热交换的，称 为湿式冷风机；混合式冷风机除冷却排管外，还有载冷剂的喷淋装置。 冷风机的优点是不用载冷剂，冷损失少；降温快，启动时间短；结构紧凑，易于实现 自动化控制等。但其传熟系数较低。其性能的好坏，直接影响到整个制冷系统性能的优劣。 在压缩机、冷凝器、蒸发器和节流机构中，蒸发器的性能提高尤为重要，因为蒸发温度每 升高1 1 2 ，制冷装置的性能系数可增大4 ( 冷凝温度为5 0 c 时，冷凝温度降低至3 0 时 性能系数增大8 ) 。 1 1 2 蒸发器的研究内容和趋势 对蒸发器等换热器的研究一直是制冷空调领域中一个非常活跃的研究方向。目前，国 内外对换热器研究总的趋势是：传热机理及强化传热的研究；开发高效、紧凑、重量轻、 可靠性高的新型换热器，结合计算机模拟技术、人工智能技术来革新设计方法，基于系统 目标对换热器进行优化设计。 ( 1 ) 传热机理的研究 各种制冷剂在蒸发器传热管内传热性能及阻力特性的研究是设计蒸发器的基础。因 此，各国学者己普遍采用光学等现代化的测试手段对多种传热管的蒸发换热进行研究，测 量其局部的换热系数及压降特性。总结出传热及阻力关联式及建立科研数据库等等。 目前，据大量的文献报告，各国学者研究的重点在于：各种可能的替代制冷剂在各种 不同肋管的湍流流动以及空气流过管束的流动与传热研究。如德国学者对丙烷卜丁烷n 一丁烷混合物池状沸腾的研究；日本对具有内沟槽水平管内r 2 2 及其替代物的蒸发、冷凝 传热研究等；瑞典学者对碳氢化合物的换热及压降研究“。我国学者也对国内研制的多种 高效传热管：如d a c ，d a e 等管进行了传热强化的分析及传热规律的研究并己用于实际 第一章绪论 设计中。 ( 2 ) 强化传热的研究 增大传热量可以通过提高传热系数、扩大传热而积和增大传热温差三种途径来实现。 制冷空调中制冷剂以及冷却介质大都呈强制对流换热，因此，强化的重点在于：管外单相 流体对流换热的强化、管内沸腾换热的强化。 当管内工质换热系数较大而管外工质换热系数较小时，管外的对流传热热阻将成为传 热的主要阻力。采用扩展表面，对于缩小换热器体积，提高换热器效率有很重要的作用。 同时，在管外采用各种不同形式的租糙表面和肋化表面都可以达到扩大传热面积和增强近 壁区流体紊流程度的效果，从而提高了对流换热系数。例如使用轧槽管、针肋、螺旋肋、 重复肋和沟槽等粗糙表面；使用针状翅片、波纹翅片、百叶窗翅片、三角形翅片、单面开 槽条形片等肋化表面。各国学者都在研究如何选取不同的肋片参数来实现最佳传热效果。 例如玻尔豪森( p o h l h a n s e n ) 曾对百叶窗式换热器的换热系数与百叶窗间距及开口角度的关 系进行了研究，并总结出了换热系数的计算公式；日本学者注意到直接蒸发表冷器会在表 面形成凝结水膜并影响换热性能，提出了w 型肋片形状，减少凝结水膜的形成，以提高换 热系数。此外各国学者还在研究针对不同的应用场合的肋片分别进行憎水及亲水涂层处 理。例如憎水处理使凝结水不易形成水膜，减少传热热阻。亲水处理可以在肋片表面形成 一层薄膜防止液滴“搭桥”现象。这两种化学涂层方法制冷空调都有应用。美国的l a h a y e 及s o l a n d 分别提出了换热器表面性能的比较方法来综合考虑各种翅片形状及翅片参数对 热力性能和流体动力性能的综合影响。 管内沸腾换热强化主要是利用人工方法制造各种高效沸腾换热表面，在加热面上形成 一层多孔表面，从而形成汽化核心。目前，已经有很多商品化的高效蒸发管，如美国的h i g h h ) 【，日本的t h e r m o e x c e l - - e ，德国的g e w a - - t 等等，这三种管子传热强化效果非 常明显。此外，还有一些其它类型的高效传热管，如t u r b o - - p 管、e c r 4 0 管、b e v a c 管、c s b s 管等“1 。 1 1 3 本课题强化蒸发器换热的途径及方法 从以上的表述可以看出想要提高蒸发器单位面积传热量，一是增大低温环境空气与蒸 发温度所形成的传热温差；一是想办法提高蒸发器的传热系数。 靠提高传热温差来增大传热量和减少设备的重量及尺寸，在经济上是不合理的，因为 第一章绪论 制冷系统的外部不可逆损失( 传热) 大约为整个制冷系统所有损失( 包括节流和非等熵压 缩的外部不可逆损失) 的一半。温差的加大将使整个系统运行不经济“。而传热温差中低 温环境的温度是根据制冷装置的用途所决定的，不能随便改变；对于蒸发温度，显然为了 制冷系统经济性是希望提高的。另外，在食品冷藏中传热温差的增大会增加无包装食品的 干耗，导致食品质量下降。基于以上几点原因，希望通过增大传热温差提高传热量是徒劳 无益的。 对于传热系数的提高，前人的研究工作多着眼于增大对传热介质的扰动，效果是显著 的。但是，增加扰动都会增大工质的流动阻力，对蒸发器而言，增大流动阻力意味进出口 间有更大的压力差，出口的制冷剂压力和温度会更低，平均的蒸发温度必然降低，这一点 说明，在蒸发器中的制冷剂侧采用扩大面积和增大扰动的强化换热手段，对整个制冷装置 而言，其效果并不十分显著。但采用蒸发器的再循环技术，提高蒸发器的传热系数，可以 提高整个制冷装置的性能和效率，并尽可能的减少了负面影响。 蒸发器的传热系数可用下面的公式表示： n p 艺妾+ 丢) 由此公式可知，增大传热系数可以通过增大空气侧换热系数口。和制冷剂侧换热系数q 获得。从表面来看加大风量、增加扰动是提高空气侧换热系数吼、增大传热系数的有效方 法。但是，受到工艺要求的限制，在实际装置中无法采有，因为风量过大会带来不舒适、 食品干耗、能耗增加、附加热负荷增大等不良影响。等号右边括号内的中阃一项是蒸发管 内外表面的污垢、霜层、油膜及壁厚对传热所形成的热阻，这一项与内外表面由于制冷剂 和空气的换热作用所形成的热阻相比是很小的，在实际工程设计中可以将其忽略，为了分 析问题的方便我们同样将其忽略，那么k 值的计算公式可简化为： “p 毒) - | 者懈。一希懈一 上式中，嚷如；+ 8 。) 和口。k 。+ 喂) 都是小于1 的数，说明k 呸和k 吒，或者 说k 值一定小于口。和a ；中较小的一个，因此增大k 值最有效的方法是增大q 和口。中较小 那个。冷风机的工程实际传热系数不超过1 5 w m 2 ，直接蒸发表冷器工程实际传热系 数不超过3 5 w m 2 。空气侧的换热系数在5 0 w m 2 以上，而制冷剂侧的换热系数是空 气侧的6 1 0 倍，比较蒸发器的传热系数和空气侧的换热系数可以发现，两者相差3 倍左 第一章绪论 右，但如果采取有效的方法，突破制冷剂侧换热系数的限制( 该限制来源于制冷系统中对 制冷剂循环量的限制) ，增大制冷剂流量，提高制冷剂流速，就可以使传热系数逼近空气 侧换热系数。 制冷剂侧放热系数的大小主要取决于制冷剂的流速，流速高则放热系数大。但提高流 速并非易事，制冷系统是一个闭环的系统，其中的制冷剂流量是由组成系统的各个设备相 互匹配及运转工况决定的，不可能随意增大或减小。但若采用蒸发器的再循环技术，就可 以提高制冷剂流量，提高蒸发器的传热系数。 1 2 常见的再循环系统及工作过程 再循环系统在大型制冷装置早有应用，它是用制冷剂泵驱动液体制冷剂在蒸发回路中 再循环，蒸发器的制冷剂供给量大于蒸发量3 - 6 倍，也就是说有2 0 0 - 5 0 0 具有蒸发压 力和温度的液体制冷剂在蒸发器中不蒸发只是随同等于蒸发量的制冷剂流动，所以也叫超 倍供液系统，这种系统的主要优点有以下几个方面： a ) 制冷剂蒸发回路并联蒸发器组数多、蒸发器规格不一和高度不同时，各组蒸发器 的液体供给充足。 b ) 循环桶提供了充分的汽、液分离条件，虽然进汽管有大量的二次液体进入，压缩 机仍能够吸入干饱和蒸汽，在确保循环桶正常工作液面的情况下不会出现湿压缩。 c ) 制冷剂数倍于蒸发量，制冷剂流速高，蒸发管内壁获得充分湿润，使换热表面得 到有效利用，蒸发器有较高的传热系数。 m 及时冲刷管内壁，避免润滑油和杂质的附着，油膜和杂质热阻减小。 可是这种系统设备多、操作繁琐并有制冷剂泵的能耗和制冷剂泵带来的附加能耗，一 座万吨冷库的制冷系统，氨泵的年耗电量就达5 6 2 ，2 8 9 度，那么对于像我国这样一个拥有 7 0 0 万吨食品冷库的国家来说，泵的总耗电量是惊人的。计算和实践都表明泵供液系统只 有在大型装置中应用才有优势。 目前所应用的超倍供液系统主要有液泵式、气泵式、热虹吸式、喷射式。在气泵式中 分为气体加压式和液体加压式，按加压罐数量可分为单罐加压式和双罐加压式，对单罐加 压式又分为有恒压罐式和无恒压罐式m 。 ( 1 ) 液泵供液系统 第一章绪论 1 压缩机；2 节流阀；3 循环桶；4 液泵 图1 - 2 液泵供液系统 液泵供液系统的工作原理见图1 2 。工作过程是：自循环桶出液管有n g 的饱和液体进 入液泵内，通过机械泵加压后由液泵出液管输送至蒸发器。在蒸发器内有g 的饱和液体吸 热变为饱和汽体与b 一1 ) g 的未蒸发液体通过回汽管返回循环桶内，液体靠重力沉积于循 环桶下部。为保持循环桶正常液面恒定，通过节流阀向循环桶补充供液 g + x g 0 一x ) ，其中g 为节流后的饱和液体，而石g ( 1 一工) 是节流后的闪发汽体， j g ( 1 一工) 的闪发汽体与回汽管进来的汽体g 一同被压缩机吸去。这种系统的循环倍率 n 的大小是由机械泵的流量决定的。 ( 2 ) 气泵供液系统 利用高压气体或高压液体的压力输送制冷剂液体至蒸发器，并达到和泵供液同样效果 的系统称为气泵供液系统。同液泵供液系统一样，低压的制冷剂液体由气泵输送至蒸发器， 它的供液量大于蒸发量，可以达到与液泵供液相同的效果。气泵供液系统可分为气体加压 和液体加压两种，按加压罐的数量又可分为双罐式和单罐式，在单罐式中又有恒压罐式和 交替式之分。 1 ) 双罐高压气体加压系统 第一章绪论 1 压缩机；2 加压罐；3 循环桶 图1 3 双罐高压气体加压系统 图1 3 是双罐高压气体加压系统，其工作过程是：a 、b 罐交替工作，起到与机械泵 相同的作用。当加压罐a 中的液位处于下限位时，其均压管、进液管便与循环桶接通：切 断高压气体加压管、制冷剂出液管，再位差的作用下低压的饱和液体制冷剂由循环桶流入 a 罐中。与此同时b 罐的液位则处于上限，其均压管和迸液管与循环桶切断，与高压气体 管和出液管接通，在高压汽体的作用下b 罐中的液体被送入蒸发器中，如此交替工作。在 此系统中向蒸发器的输液量和由蒸发器返回至循环桶的制冷剂量与液泵供液系统相同。循 环桶补充供液增加了由于高温高压的汽体g ，进入加压罐时内部低温低压液体蒸发的液体 量g ：及在节流阀出口处获得g ，的低温液体，在节流过程中所产生的闪发气体 x g ：0 一工) 。制冷压缩机吸入的汽体增加了用于加压罐加压的高压汽体量g 。和 g ：+ x g ：( 1 一x ) 。压缩机排气送入冷凝器的高压汽体量增加了 g 2 + x g2 ( 1 一石) 。 2 ) 单罐高压气体加压系统 第一章绪论 一g + i x 同n gg + g ：+ 五x g + 五x g 2 1 压缩机；2 加压罐；3 循环桶 图1 4 单罐高压气体加压系统 图1 4 是单罐高压气体加压系统，其工作过程是：当加压罐的液体处于下限位时，其 均压管、进液管与循环桶接通。出液管、加压管被切断，循环桶内的液体靠位差的作用进 入加压罐，与此同时高压液体通过输液管直接膨胀向蒸发器供液。当加压罐的液位升至上 限位时直接膨胀供液结束，加压罐的均压管、进液管与循环桶断开，出液管、加压管与加 压罐接通，其内部的饱和液体在高压气体作用下通过输液管送入蒸发器，如此不断交替工 作以保证制冷剂的不断循环。在此系统中向蒸发器的输液量比液泵供液系统增加了直接膨 胀供液阶段节流过程所产生的闪发汽体量x n g 6 ( 1 一x ) ，进出该系统的制冷剂量和通过压 缩机的制冷剂量与双罐加压式系统相同。 3 ) 恒压罐高压液体加压系统 第一章绪论 1 压缩机；2 加压罐；3 循环桶；4 恒压罐 图1 - 5 恒压高压液体加压系统 图1 5 是恒压罐高压液体加压系统，其工作过程与上述两种有所不同：当加压罐的液 位处于下限位时同样接通与循环桶之间的均压管和进液管，切断高压液体的加压管和出液 管，循环桶内的饱和制冷剂在位差的作用下进入加压罐内，同时高压液体进入恒压罐，并 保持恒压罐的压力恒定。恒压罐的出液管将恒定压力的液体制冷剂送入蒸发器。当加压罐 内的液位升至上限时，切断其均压管、进液管与循环桶问的联系，接通加压管和出液管， 高压液体进入加压罐将其中的液体送入恒压罐内，经恒压液罐液体被送往蒸发器。这种系 统由于增加了恒压装置液体输送比较平稳，并可以同过调节恒压罐内的压力控制循环倍率 n 的大小。此系统的流量平衡与液泵供液系统相同。 ( 3 ) 喷射式制冷循环 图1 _ 6 喷射制冷的原理图图1 7 喷射器 喷射循环中，两相流喷射器取代了普通制冷循环的膨胀阀。冷凝过程获得的高压制冷 第一章绪论 剂液体进入两相流喷射器，在其中，因喉部的高速引起静压降低，吸引来自蒸发器的制冷 剂汽、液混合物。被吸引的制冷剂汽、液混合物和高速两相流在混合段混合后，到达扩压 段被减速加压，通过这一过程，两相流的运动能转换成压力能。两相流喷射器出口的制冷 剂汽、液混合物引入汽液分离器并被汽、液分离，等于蒸发量的汽体和通过两相流喷射器 产生的闪发汽体被压缩机吸入，数倍于蒸发量的液体制冷剂进入蒸发器，并吸热蒸发。由 于两相流喷射器出口压高于蒸发压力，所以，压缩机耗功比普通循环小，即喷射器回收了 使用膨胀阀时浪费的能量0 1 。 d e n s o 公司已成功开发了此喷射制冷循环装置，并于2 0 0 3 年开始用于大中型冷藏货 运车。 1 3 课题研究的内容及意义 1 3 1 基于热虹吸原理的再循环蒸发器 h 、p 1 8 图1 - 8 再循环蒸发器原理图 回汽 供液 基于热虹吸原理的再循环蒸发器原理如图1 - 8 所示。高压的液体制冷剂经热力膨胀阀 节流降压进入分离器，节流所产生的闪发汽体向上，经回汽管被压缩机吸入，低压液体在 重力作用下，沉积在分离器下部并保持相对恒定的液面，在重力的作用下液体制冷剂进入 蒸发器，由于吸收环境的热量液体制冷剂逐渐汽化，从进口开始，一直到出口气体量逐渐 第一章绪论 增多，出口处干度最大。当房问负荷q 增大时蒸发器内的气体量多于负荷较小时的气体量。 设液体制冷剂的密度为n ，供液压头为毛，蒸发器内汽液两相混合物的平均密度为p - | - 汽 液混合物与汽相界面的高度为| 1 1 2 ，压力的平衡关系为n j i l l p k i l ：，由于n ，p k ，则 tc h ：， b 一如) 越大，如- h 。) 也就越大。q 增大a ：亦增大，此时汽液混合物与汽相的界面会远 远高于分离器的进汽1 3 ，汽液混合物便可进入分离器，并进行汽液分离，汽体由回汽管排 出，液体靠重力作用重新进入蒸发器。再循环量的数额决定于_ j 1 1 、管道和蒸发器的阻力之 和以及q 的大小。 1 3 2 课题的研究内容 ( 1 ) 建立再循环蒸发器相关的数学模型，获得热负荷、供液压头、压降、循环倍率、 传热系数和传热温差之间的相互关系。 ( 2 ) 搭建再循环制冷系统的实验装置，在焓差实验室测试其运行特性，并在相同工况 下与普通制冷系统对比。 ( 3 ) 将理论计算结果与实验数据进行比较分析，验证理论的精确性，解释实验数据的 变化规律，寻找今后有待解决的问题。 ( 4 ) 在传热和水力计算的基础上，参考冷风机的设计计算方法，总结一体式再循环蒸 发器基本设计计算方法。 1 3 3 本课题研究的意义价值 再循环蒸发器的研究与其它强化换热的方法之目的是一致的，即提高蒸发器的效率， 但是其方法有本质的不同。由于制冷系统的制冷剂循环量已被制冷压缩锁定，蒸发器的强 化换热多局限在扩展换热表面和增加扰动方面，而再循环是突破流量的束缚，在不增加附 加能耗的基础之上，通过增大制冷剂侧流速提高传热效率，它与扩大传热表面、增大扰动 等方法具有叠加性，从而可以更大比例提高传热效率。 再循环技术应用于高温蒸发器已比较普遍。在制冷系统中是依靠外加动力给与实现， 使得它在多蒸发回路的大、中型制冷装置中才有良好的效率。无附加能耗的重力供液系统， 受到压缩机流量和湿行程的限制再循环过程一直被抑制。本课题的创新点在于，研究无附 第一章绪论 加能耗的再循环低温蒸发器，探索相关参数问的关系，建立再循环蒸发器的一般理论。 蒸发器是制冷空调装置中的关键设备，其性能对整个制冷装置的成本和效率有非常大 的影响，它是提高整体性能和效率必须重视的环节。再循环蒸发器的研究是面对实际的应 用基础研究，该研究一旦获得成果，便可应用其理论和完整的设计计算方法，对普通蒸发 器进行改进，由于其良好的传热性能，将会代替普通蒸发器。同时也开辟了热虹吸技术在 低温领域的应用之路。 在相同工况下工作的制冷装置，采用再循环蒸发器之后，经过预测，装置可节电约2 0 ， 在不节电的情况下蒸发器的金属消耗量也将减少2 0 左右，这对于节约能源，减少对环境 的影响都是有益的。 第二章再循环蒸发器的实验研究 第二章再循环蒸发器的实验研究 2 1 实验装置及测试仪器 为了深入了解再循环蒸发器的运行特性，掌握第一手资料，我们搭建了一个使用普通 翅片管式蒸发器的小型制冷装置，而其又可以方便的改造成使用再循环蒸发器的制冷装 置。在焓差实验室可以改变室内、外环境温、湿度，对再循环制冷装置做不同工况下的性 能实验及相同工况下与普通制冷装置的对比实验，我们可以得到再循环蒸发器在不同工况 下的运行特性及再循环蒸发器与普通翅片管蒸发器在传热性能上的差异。实验使用的普通 蒸发器为强制对流式空气冷却器，而再循环蒸发器其有效换热部分也为强制对流式空气冷 却器。测量系统主要包括焓差实验室所自带相关数据的采集系统，以及蒸发器部分的温度 测量使用的温度采集仪器。 2 1 1 再循环制冷系统 本实验使用的是自行组装的风冷冷凝压缩机组和天津亚通制冷空调设备公司制造的 翅片管蒸发器，主要部件包括：全封闭滚动转子式压缩机、风冷式冷凝器、高压储液器、 外平衡式热力膨胀阀、手动膨胀阀、汽液分离器、强制对流式蒸发器。 利用这些部件可以搭建一个使用普通翅片管式蒸发器的制冷装置，其系统原理如图2 - 1 所示。 图2 - 1 普通制冷装置系统原理图 第二章再循环蒸发器的实验研究 图2 2 实验埘制冷装置实物照片 在原来的普通翅片管蒸发器上加以改造，把蒸发器的供液和回汽管分别与分离器相应 的管路连接组成再循环蒸发器。本次实验的再循环式制冷系统的原理如图2 - 3 。 厂 i 一 再循环蒸发器 图2 - 3 再循环式制冷系统原理图 图2 _ 4 再循环蒸发器实物照片 第二章再循环蒸发器的实验研究 2 1 2 焓差实验室 焓差室由室内、室外侧测试问组成。分别系统配置了一套空气处理机组，通过降温除 湿( 由压缩冷凝机组提供冷源) 、加热( 由电加热管提供热源) 和加湿( 电加湿器提供蒸汽) 等手 段共同实现对测试问温、湿度的调节和控制，达到实验所需要的温湿度条件。焓差室系统 示意图如图2 - 5 所示。 ! 到砷崭4 5 1 2 鱼j 趣。且l ，= j 9 摩矿 一c 0 7 t _ 6 室外侧、汐1 0 图2 - 5 焓差实验室系统示意图 l 、2 空气处理机组 3 喷嘴 4 接受室 5 、6 机组进、出口 参数取样装置 7 ，8 被测机换热器 9 ，节流机构 1 0 , 压缩梳 1 1 接收室压力计 1 2 喷嘴动压计 1 3 喷嘴静压计 图2 - 6 焓差实验台控制柜与数据采集系统 将实验被测试机组的室内、外侧部分分别放到焓差实验室的室内、外侧环境间，连接 好相应的管道、线路。蒸发器要固定在室内侧的风道口部，四周要用保温材料粘牢，防止 室内侧的风不从蒸发器流过而从侧边的缝隙流过，导致测试的风量不准确。 第二章再循环蒸发器的实验研究 2 1 3 测试仪器 本次实验所需要得到的数据包括：制冷量、被测机输入功率、能效比、蒸发器出风温、 湿度，这些都可以通过焓差实验室本身的数据采集处理系统得到。 制冷系统压力通过焓差室测控系统预留的压力测点测量，只要将压力变送器安装在制 冷系统相应的测点上就能从焓差室的数据采集系统读取制冷剂的表压。4 个压力测点分别 布置在压缩机吸、排气和蒸发器进、出口处。压力变送器选用中美合资麦克传感器有限公 司生产的压阻式压力变送器，产品型号为：m p m 4 8 0 ，测量范围：0 5 m p a ，测量精度： 0 2 5 f s 。 蒸发器壁温采用敷设在换热器管端弯头上的热电偶进行测量。蒸发器集液管将管路分 成六路，本文只测量了中间的两路，测点布置如图2 7 所示。热电偶选用铜一鲸铜热电偶， 均经过标定。 前 排 后后 排排 前 排 图2 - 7 蒸发器热电偶布置图 壁温的采集选用美国a g i l e n tt e c h n o l o g i e s 公司生产的a g i l e n t3 4 9 7 0 a 型温度巡检仪对 所测的温度进行自动检测与记录，该装置的最大分辨率为0 i c ，可以保证本次实验测量 精度。 2 2 实验工况 为了得到再循环蒸发器在不同工况下的运行的特性，本次实验设计了以下几种工况： 第二章再循环蒸发器的实验研究 表2 - 1 工况列表 室外侧环境室内侧环境 干球温度( )湿球温度( )干球温度( )湿球温度( ) 62 9 9 8 4 7 4 1 0 6 4 8 1 28 2 2 2 5 3 01 9 4 7 2 3 8 1 1 49 9 5 1 61 1 6 8 1 81 3 4 1 2 01 5 1 4 表2 - 1 中2 个室外环境分别与8 个室内环境组合，共组成了1 6 个工况。实验过程中由 于种种原因，实际的实验工况与设计实验工况存在一定的偏差，主要是室内外环境的湿球 温度不易控制，就需要重复实验直至室内、外侧环境干球温度波动 1 、湿球温度波动 1 。 通过调节焓差实验室室内侧环境间的风洞引风机的功率，使通过蒸发器的风量在蒸发 器配用风机的流量范围内，本实验所使用的蒸发器配用风机的风量控制在1 0 7 0m 3 h 。被试 机室内换热器机外余压波动 3 p a 开始采集数据。尤其在做相同工况下普通蒸发器和再循环 蒸发器的对比实验时，要特别注意保证对比实验的风量一致，最大偏差不能超过3 0 m 3 h 。 当要求的室内、外干球和湿球温度达到其精度范围，且室内侧出风静压也在其波动范 围内时，就可以认为此时焓差实验室所控制的室内、外环境工况为实验设计工况。 2 3 系统调试 按照实验系统图2 - 1 、2 - 3 连接起来的装置，需要进一步调试才能运行。根据工作流程， 在系统调试前需要依次进行下面的工作：检漏、抽真空，制冷剂充灌和布置测量点。 2 3 1 调试的准备工作 ( 1 ) 检漏 系统最高压力在压缩机的出口处，压力约为十几个大气压，最低压力在蒸发器出口处， 压力约为几个大气压。本系统部件连接采用机械压紧或人工焊接，难免存在连接点不严密 第二章再循环蒸发器的实验研究 的情况，若直接冲灌制冷剂会造成制冷剂泄漏，影响系统的正常工作。所以在系统安装完 毕或局部改动后，需要进行检漏工作。具体过程如下：通过预留的用于充灌制冷剂的阀门 向系统充注氮气至表压1 2 1 5 m p a 左右，在各焊接点、连接头处用肥皂水湿润，若有气泡 产生，则该处密封不严密需要重新焊接或压紧。经过检测，若各易漏处没有气泡产生，可 以记录下此时的表压，保持压力4 8 小时后再检查压力是否降低。若压力只有微小的变化， 可以认为此差别是由环境温度差异造成的，系统密封完好。否则，需要重新检漏。 ( 2 ) 抽真空 为了检查系统在真空状态下的密封性并除去系统中残余的气体和水蒸汽，为充灌制冷 剂作前期准备，系统检漏结束后需要抽真空。本系统采用旋片式真空泵将系统抽真空至 l o k l a 左右，并保证8 小时内的压力回升不超过l k p a 。在抽真空的过程中，为了防止压力 表损坏，应当在系统压力为负压时及时关上三通压力表的阀门。 ( 3 ) 充灌制冷剂 制冷剂的充注量是根据系统各部件( 主要是蒸发器和冷凝器) 的大小和系统的设计来确 定的。制冷剂充注量的精确计算，迄今还没得到很好的解决，本装置采用翅片管式蒸发器 和风冷式冷凝器，内部空间相对较小，充注量一般由经验确定。 ( 4 ) 布置测量点 根据实验的需要，按照图2 8 和图2 - 9 所示布置温度和压力测量点，其中方框表示压 力测点，圆圈表示温度测点，蒸发器上的温度测点布置见图2 7 。 图2 - 8 普通制冷系统压力、温度测点示意图 第二章再循环蒸发器的实验研究 再循环蒸发嚣 图2 - 9 再循环制冷系统压力、温度测点示意图 2 3 2 实验系统的调试 系统调试是实验台搭建的重要环节，是保障实验安全、系统运行稳定、实验结果可靠 的前提条件，它直接关系到实验的成败。系统调试工作是在完成上述准备工作之后进行的， 主要是在运行状态下，检查系统是否能够正常工作，观察各点参数是否处于正常的工作范 围内，并根据需要对系统作相应的调节。制冷系统的运行参数主要有蒸发温度、蒸发压力、 冷凝温度、冷凝压力、压缩机的吸、排气温度、压缩机壁温、蒸发器的出口过热度及冷凝 器出口过冷度等。系统调试的最终目的是当系统稳定运行时，上述参数的读数合理并且稳 定。 对于使用再循环蒸发器的制冷系统的调试还特别要注意以下几个问题： ( 1 ) 节流机构 由于热力膨胀阀的启动特性及其本身的特点，使用外平衡式热力膨胀阀对再循环蒸发 器供液导致汽液分离器内液面无法稳定，压缩机回液过多，甚至制冷剂液体无法在蒸发器 盘管中形成再循环。所以本次实验使用手动膨胀阀调节蒸发器供液量。而使用手动膨胀阀 调节时，要注意压缩机吸气过热度，一般控制在1 5 。c 左右，待每一个工况室内、外环境控 制住了，就要反复调节阀的开度，直到压缩机回气温度达到最佳温度。 ( 2 ) 压缩机回油 对于干式蒸发器而言，制冷剂是在管内沿程蒸发的，压缩机回油靠制冷剂气流裹挟油 滴回油。本次实验所使用的r 2 2 ，其与润滑油在较高温度范围内可形成均匀的溶液，因此 润滑油会和制冷剂液体一起进入再循环蒸发器，并在蒸发器盘管内随着制冷剂蒸发而被分 离出来，由于再循环的作用润滑油被带入汽液分离器中，而在分离器中制冷剂与润滑油处 于低温低压下，此时液体制冷剂与润滑油处于部分溶解状态，且润滑油密度小，在分离器 第二章再循环蒸发器的实验研究 液面处形成富油层。而本次实验中并没有使用抽油管，所以运行一段时间就会导致压缩机 缺油，壁温升高引起压缩机过热保护，严重时可能使压缩机“抱缸”损坏。所以在本次实 验中要定期给压缩机补充润滑油以及排出汽液分离器中积存的润滑油。 ( 3 ) 汽液分离器液面的控制 再循环蒸发器中的汽液分离器共连接有4 根管道，其中供液管和制冷剂从蒸发器返回 汽液分离器的管子的位置决定了汽液分离器内制冷剂液面的位置，为了保证汽液分离的效 果，本次实验控制分离器液面在距器底部三分之一高度的位置上，调试中通过观察分离器 表面结霜来判断其内制冷剂液面高度。 ( 4 ) 供液高差 再循环蒸发器是靠汽液分离器与蒸发器管组间的制冷剂密度差所提供的动力压头来 克服制冷剂流动阻力，使制冷剂能从蒸发器返回汽液分离器从而形成再循环。在调试系统 中发现，供液高差为3 0 0 r a m 时，蒸发器盘管只有底部的两排管子结霜，说明供液压头所 产生的动力不足以克服制冷剂从蒸发器返回汽液分离的阻力；再调整供液高差为6 d o m m 时，霜就结到了蒸发器盘管的底郝四排；最后又增加供液高差为9 0 0 l i 啪左右时，整个蒸 发器盘管都结霜，此时制冷剂在蒸发器与汽液分离之间真正形成了再循环，蒸发器传热表 面得到充分的利用。在本次实验中，在较高蒸发压力下调整汽液分离器与蒸发器的高差使 能形成循环倍率较低的再循环，在此高度下进行不同工况下的实验。 2 0 第三章再循环蒸发器的设计计算 第三章再循环蒸发器的设计计算 3 1 再循环蒸发器的传热分析及数学模型 再循环蒸发器所使用的有效换热部分是翅片管蒸发器，设计计算思路与普通蒸发器基 本一致。不同之处在于制冷剂再循环部分的计算，以下做系统的介绍。 再循环蒸发器内制冷剂在管中流动，进口处制冷剂处于饱和液体状态，由于再循环作 用出口处的制冷剂为两相流状态。如果在结霜工况下，空气中的水分在肋片表面不断结霜， 厚度增长，传热计算更具复杂。 为了简化计算，特作如下基本假定： ( 1 ) 不考虑霜层不均匀性影响； ( 2 ) 假定管内、外侧制冷剂、空气分布均匀； ( 3 ) 管内制冷剂和管外空气均作一维、稳态流动； ( 4 ) 换热管内、