蒸发盘管内制冷剂喷射蒸发的制冷系统研究

刘 斌　许玉龙　王清伟　段爱鹏

(天津市制冷技术重点实验室　天津商业大学　300134)



蒸发盘管内制冷剂喷射蒸发的制冷系统研究

刘 斌许玉龙王清伟段爱鹏

(天津市制冷技术重点实验室天津商业大学300134)

制冷剂高压能的利用对改善制冷系统运行有重要意义。基于场协同理论，提出了一种利用制冷剂在蒸发管内进行喷射的新型制冷系统，理论上分析了协同角随毛细管管径和喷射孔直径的变化规律，并进行了相关的可视化实验。理论分析结果表明：协同角随着喷射孔直径的增大而增大；随着毛细管管径的减小而减小，但是随之减小的速率降低。实验结果表明：和传统的毛细管节流制冷系统相比，开孔实验的制冷剂的充注量减少70%以上，COP提高了9%，系统达到稳定的时间减少了70%。

毛细管管径；喷射孔径；场协同

制冷系统的效率提高有很多途径，目前的研究热点在于利用高压工质的射流冲击[1]和提高蒸发器和冷凝器的换热效率[2]。刘斌等[3]分析了制冷系统中高压能利用的可能性，认为有效利用高压能可以提高效率60%以上；Lucas C等[4]实验研究了CO2膨胀系统采用喷嘴提高效率的情况，最大效率可以达到22%；Hassanain M等[5]认为R134a制冷系统采用喷嘴可以提高效率4.7%；Mo S K等[6]研究了CO2的高压喷射系统；Sag N B等[7]利用熵研究了采用高压喷嘴对制冷效率的影响。在换热器的效率提高方面，更多的是利用场协同理论分析[8]。Li M J等[9]分析了4种不同换热器协同角的变化；Hamid M O A等[10]分析了两种不同形式换热器的协同角的变化； Saha P等[11]用场协同理论分析了平板换热器的涡流；Wu J M等[12]用场协同理论分析了带涡流产生气的管翅式换热器的强化机理；Habchi C等[13]用场协同理论分析了涡流中的熵产；He Y L等[14]用场协同理论分析了换热器的换热特性；过增元等[15-17]重新审视了对流换热的物理机制，提出了强化换热的场协同原则；国内外很多学者研究表明[18-20]，冲击射流的影响因素主要有射流工质物性和流动特性以及喷射孔特性。可以发现，射流冲击的利用和提高换热器的效率这两项工作是分开的。在本研究中，就是将高压喷射的利用和协同角的降低结合在一起，从而提高制冷系统的效率。

1 系统结构及模拟

1.1 系统结构图

图1为系统结构及蒸发盘管内结构。

1压缩机 2冷凝器 3干燥过滤器 4手动截止阀 5毛细管 6蒸发盘管 ○T温度传感器 ○P压力传感器 θ协同角图1 系统结构示意图Fig.1 System diagram

与传统制冷系统相比，新系统是将毛细管直接插入蒸发盘管，通过毛细管上的喷射孔直接将制冷剂高速喷射在盘管上，吸收通过盘管直接传递的热量气化。其最大的特点就是将在毛细管中损失的高压能转化为速度，直接喷射在蒸发盘管壁面上，形成扰流，增强换热。并且由于毛细管可以与蒸发盘管等长，毛细管上的开孔数量较多时，可以在蒸发盘管壁面上形成一个均匀的温度场。

1.2 协同角的模拟及分析

根据场协同理论，对流换热过程中，Nu数可以用式(1)进行表达:

(1)

从上式可以看出，速度流动方向和热流流动方向的夹角越小越有利于强化传热。

利用COMSOL软件平台，数值模拟了毛细管管径和毛细管上开孔直径对协同角的影响，图2为毛细管上第2个开孔处协同角沿蒸发盘管半径的发展过程。图2(a)的模拟条件：毛细管的直径为2 mm，毛细管的入口速度为2 m/s，喷射角为90°；图2(b)的模拟条件：毛细管的开孔孔径为0.5 mm，毛细管的入口速度为2 m/s，喷射角为90°。前后两孔之间的距离为100 mm。

图2 协同角沿蒸发盘管半径的发展趋势Fig.2 Synergy angle development along the diameter of evaporator coil

图2中，横坐标r/R表示为从蒸发盘管的中心毛细管开孔位置到壁面的距离。

在喷射过程中，远离壁面的工质流动和传热取决于壁面处的对流换热，因此只考察在壁面处的cosθ的变化。从图2(a)中可以发现，随着开孔孔径的减小，壁面处cosθ在增大，意味着具有更好的换热效果。主要原因是，当其他条件一致时，孔径变小，制冷剂喷出的速度就越大，在壁面造成更大扰动，破环壁面层流边界层，形成更好的混合，所以协同角越小。从图2(b)中可以发现，随着毛细管管径的减小，壁面处cosθ增大，意味着具有更好的换热效果，但是增加速率在减小，这说明毛细管管径对协同角的影响存在着一定限制。主要原因是，当其他条件一致时，毛细管管径变小，制冷剂喷出的速度就越大，在壁面造成更大的扰动，破环壁面的层流边界层，形成好的混合，所以协同角越小；但是毛细管管径变小时，制冷剂的流动阻力就越大，所消耗的高压能就越多，喷射出去的制冷剂的速度就会降低，从而减弱壁面的扰动效应，相应协同效应减小。

2 实验研究及结果分析

2.1 实验装置

根据协同角的模拟，设计了一套可视化制冷系统来分析蒸发盘管内制冷剂喷射蒸发对制冷系统性能的影响，如图3所示。实验装置主要包括压缩机NL7.3MF，额定功率500 W；常规管翅式冷凝器，外壳尺寸为300 mm×90 mm×230 mm；可视化实验采用Φ46 mm×1.8 mm的单管作蒸发器，管道长为1200 mm，换热面积为0.173 m2；干燥过滤器为EK-053；制冷工质为R134a，回气压力控制在0.08 MPa(蒸发温度-12.6 ℃)，冷凝温度为28 ℃。仪器有MX100数据采集器、FLIR红外热像仪、MK-131压力变送器和K型热电偶。开孔方式：从200 mm处开始沿管轴向环绕开孔，11个孔均匀分布，相邻两孔在圆周方向错开90°，间距为100 mm，开孔大小为Φ0.5 mm。

2.2 实验结果及分析

1)蒸发盘管表面温度

图4为蒸发盘管内毛细管喷液和传统毛细管供液蒸发盘管的表面温度分布图。

图4 蒸发盘管表面温度随时间变化Fig.4 The development of the surface temperature of the evaporator coil vs. time

如图4(a)所示，内置毛细管实验中蒸发管的表面各点温度变化趋势一致，开机前分布在19.5～21 ℃，开机后开始降温，在300 s时各点温度保持稳定，并分布在-10～-8.5 ℃之间，温度分布区间宽度为1.5 ℃；如图4(b)所示，传统方式供液实验中蒸发盘管各测点温度变化也较为统一，先从开机前的18～21 ℃降至最低温度-8.3～-9 ℃，接着先升温再缓慢降温，在800 s时开始维持稳定，表面温度分布在-10～-8 ℃之间，温度分布区间宽度为2 ℃，与开孔实验的分布宽度相差0.5 ℃。

从图4中可以看出以下3点：

(1)系统达到稳定所需要的时间分析，内置毛细管喷液的系统需要的时间为300 s，而传统系统则需要800 s，主要原因在于这两种系统的供液方式不同。对于内置毛细管喷液的系统而言，在毛细管上开有12个喷液孔，制冷系统开启时，制冷剂通过毛细管的喷液几乎可以同时布满蒸发盘管的表面，同时气化吸热，实现制冷效应。而对于传统供液方式的制冷系统，制冷剂从毛细管节流进入到蒸发盘管后，需要一定的时间流过蒸发盘管，因此系统稳定的时间要更长。

(2)系统的稳定性不同。内置毛细管喷液的系统稳定性很好，温度的波动性很小，没有出现波动。而传统供液方式的制冷系统在180 s时出现了一个低峰，然后再回升，逐渐平衡，波动值达到2.7 ℃。主要原因在于传统供液方式制冷剂在蒸发盘管内是从毛细管供液端向出口慢慢流动的。在初始阶段，蒸发盘管内的制冷剂量较少，在压缩机的抽气作用下，蒸发盘管内压力下降，导致温度下降。随着蒸发盘管内制冷剂越来越多，压力回升，逐渐走向平衡。

(3)蒸发盘管表面温度均匀性不一样。系统稳定后，内置毛细管喷液制冷系统的蒸发盘管表面温度最大差值为1.5 ℃，而传统供液制冷系统的蒸发盘管表面温度最大差值为2 ℃。这是与制冷剂在盘管内的流动方式有关。图5显示了高速相机拍摄的两种制冷系统蒸发盘管内的制冷剂流态。

图5 制冷剂在蒸发盘管内的流态Fig.5 The flow state of the refrigerant in the evaporator coil

从图5中可以看出，内置毛细管喷液制冷系统在盘管内所有的内壁面都形成了环状液膜，而传统供液制冷系统在盘管内壁面中形成了气液面，在盘管下部是制冷剂液体，而在盘管上部是制冷剂蒸气，因此温度的均匀性更差。

从实验的制冷剂充注量分析，传统供液方式需要充入R134a共计665 g；而内置毛细管喷液制冷方式的制冷剂充注量为160 g，减少制冷剂70%以上。

2)压缩机功耗

图6为两种制冷方式的压缩机功耗随时间的变化过程。由图6可知，毛细管喷液系统开机运行70 s后，压缩机功率即开始稳定，维持在400 W左右；而传统供液系统的压缩机功率则一直波动，130 s时达到一个低谷值450 W，接着增加到将近490 W，随后缓慢降低，800 s稳定后在436 W左右变动。制冷系统稳定工作后，开孔实验的压缩机功率为400 W，而毛细实验中的压缩机功率为436 W，毛细实验较开孔实验高出9.1%。工况稳定后，开孔实验的蒸发管平均温度比毛细实验的略低，由于蒸发器的换热面积一样，对流换热条件也一样，可以认为开孔实验的蒸发器制冷量比毛细实验的大。由以上所述，开孔实验与毛细实验相比，制冷量较大而耗功较小，即开孔实验的制冷效率更高。

图6 压缩机功耗曲线Fig.6 The power curve of the compressor vs. time

3 结论

利用毛细管上的开孔来向蒸发盘管供液改善了蒸发盘管内制冷剂的协同角，提高了制冷系统效率。通过协同角的模拟分析和实验研究，可得出以下结论：

1)通过模拟对比2 mm毛细管管径时不同孔径和0.5 mm孔径时不同毛细管管径，可以得出协同角随着毛细管上的开孔直径和毛细管的直径减小而变小，但是毛细管的影响较小。

2)相同实验条件下，毛细管开孔供液比传统供液的制冷系统的蒸发盘管的温度更均匀，波动性更小。

3)相同实验条件下，和传统供液的制冷系统相比，毛细管开孔供液制冷系统所需要的制冷剂更少，可以减少70%以上；达到系统稳定的时间更短，系统COP提高9%。

本文受天津市科技支撑(2015N20071)；天津市教委重点(2014ZD01)；天津市科委基金(15JCTPJC64300)项目资助。(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

简介

刘斌，男，教授，天津商业大学制冷与空调工程系，(022)26667502,E-mail: lbtju@tjcu.edu.cn。 研究方向：低温物流技术及相关研究工作。