探究不同制冷剂在重力再循环制冷系统中的应用

肖鹏 吴建伟 王洪宇

摘要：重力再循环制冷系统加快蒸发器内工质流动以优化换热效果，在实际生产生活中得到广泛应用。本文介绍重力再循环制冷系统制冷剂研究现状，研究不同制冷剂对重力再循环制冷系统制冷效果的影响，以找出最佳的制冷剂类型，在确保系统制冷效果的同时实现节能环保。

关键词：重力再循环制冷系统;制冷剂;制冷效果

引言：重力再循环制冷系统借助热虹吸原理实现工质循环过程，始终保持管壁的湿润状态，提高蒸发器工质的换热效果。相较于其他类型的制冷系统，重力再循环制冷系统可提高蒸发器工质换热系数，同时有助于内部油料排出，确保蒸发器供液稳定。制冷剂类型与系统制冷效果发挥密切相关，为充分发挥重力再循环制冷系统技术优势，需要对不同制冷剂在系统中的应用情况做具体分析。

一、制冷剂研究现状

制冷剂为制冷系统循环蒸发器的能量传输介质，有学者研究R1234yf、R717、R32、R22四种制冷剂在物理特性、兼容性、热工性等方面的差异，发现R1234yf制冷剂的表现更优，可用以取代R22、R717制冷剂。另有学者分析R32、R410A、R290对R22的代替效果，发现R32更具发展前景。国外学者对比分析汽车制冷系统中R123yf与R124a两种制冷器的作用表现，总结环保性、安全性、经济性、制冷效果等，发现两种制冷剂的性能差异不大[1]。

在可持续发展背景下，制冷剂的选择除了要考虑系统制冷效果和运行经济性，还需兼顾安全环保的特点。因此本文从常见制冷剂中选择R22、R717、R410A和R407C四种制冷器，找到适用于重力再循环制冷系统的制冷剂类型。

二、制冷剂对重力再循环制冷系统制冷效果的影响

（一）变量选择

本文以蒸发器传热系数和气液分离器供液高度，衡量不同类型制冷剂在重力再循环制冷系统中的应用效果。其中，重力再循环制冷系统蒸发器的换热系数计算基于肋侧表面积进行，计算公式为。其中，αi表示制冷剂侧的换热系数;αof表示空气侧的换热系数;γi表示制冷剂侧污垢热阻;γof表示空气侧污垢热阻;δ表示蒸发管壁壁厚;λ表示蒸发管导热系数;ηf表示翅片效率;Aof表示肋侧表面积;Ar表示肋片间根部表面积，Af表示肋片表面积。气液分离器则负责制冷剂气体中液体的过滤，避免压缩机液击，同时为蒸发器中工质循环提供动力。

（二）模型构建

借助MATLAB软件及NIST软件，构建数学模型，模拟四种制冷剂在重力再循环制冷系统中的应用情况，分析不同制冷剂的应用效果。模型中变量包括蒸发温度、冷凝温度、压缩机理论输气量、蒸发管管径和循环倍率，分析不同工况条件下蒸发器传热系数及气液分离器供液高度变化情况，实验条件设置如表1。

（三）结果分析

1.蒸发温度

1.1传热系数

蒸发器传热系数与蒸发温度正相关，随蒸发温度提升，传热系数增幅逐渐降低。引发该结果的原因为蒸发温度上升带动蒸发压力增加，因冷凝压力不变，压缩机压缩比降低、输气系数增加，进气与排气量上升，蒸发管内制冷剂流量增大，因制冷剂侧传热系数上升，导致蒸发器传热系数上升[2]。实验发现，在相同蒸发温度下，四种制冷剂对应传热系数最高的为R717，然后为R410A、R22和R407C。

1.2供液高度

气液分离器供液高度与蒸发温度正相关，随蒸发温度提升，供液高度增幅逐渐增大。引发该现象的原因为，蒸发温度上升导致压缩机输气系数上升，管内制冷剂流速加快，带来更大的压降，需要更大的供液高度。同一蒸发温度下，四种制冷剂对应供液高度最高的为R410A，然后为R22、R407C和R717。

2.蒸发管管径

2.1传热系数

实验发现，随蒸发管管径增大，蒸发器传热系数表现为先增后减的趋势，四种制冷剂对应传热系数的变化规律相同，但蒸发系数达到最大值所对应的管径不同。在同一管径下，R410A对应的蒸发器传热系数最高，其次為R717。当蒸发管管径为0.02m时，R410A对应的传热系数达到最大值，R717传热系数则在0.017m的管径下达到最大值。

2.2供液高度

气液分离器供液高度与蒸发管管径之间负相关，主要是由于管径增加会间接降低制冷剂流速，压降缩小导致供液高度下降。实验还发现，供液高度降低幅度随蒸发管管径上升而呈指数型变化，当蒸发管管径达到0.028m时，不同制冷剂对应供液高度趋近于0。当蒸发管管径相同时，R410A的供液高度需求最大，R717的供液高度需求最小。

2.3循环倍率

2.3.1传热系数

蒸发器传热系数与循环倍率正相关，主要是由于循环倍率增加会加快制冷剂流速，提高制冷剂侧的湿润程度，因该侧的换热系数增大导致蒸发器传热系数上升。相同传热系数下，四种制冷剂对应传热系数最高的为R410A，其次为R717、R22和R407C。

2.3.2供液高度

气液分离器供液高度与循环倍率正相关，主要是由于循环倍率增加会加快制冷剂流速，系统压降上升，蒸发器的供液需求上升。当传热系数相同时，四种制冷剂对应供液高度最高的为R410A，最低的为R717。

综上，在重力再循环制冷系统中，若蒸发温度相同，R717对应的传热系数最高，且供液高度需求最低;若蒸发管管径相同，R717的供液高度需求最低，且传热系数仅次于R410A;若循环倍率相同，R717的供液高度需求最低，且传热系数仅次于R410A。因此有理由认为，在本文研究的四种制冷剂中，R717与重力再循环制冷系统的适应性最高，可在保证系统制冷效果的同时，降低系统能耗。

结论：蒸发器传热系数及气液分离器供液高度可分别衡量重力再循环制冷系统的输出和能耗情况，由此得出的不同制冷剂使用效果结论可靠性较强，在制冷剂选择中，可参考实验结果，提高制冷系统运行综合效益。

参考文献：

[1]王赫，臧润清.重力再循环制冷系统与直接膨胀制冷系统的对比研究[J].流体机械，2018，46（08）：66-70.

[2]张秋玉，臧润清，阮建文，等.不同制冷剂在重力再循环制冷系统中的应用研究[J].低温与超导，2018，46（02）：70-74+80.

作者简介：

肖鹏（1993.8-），男，汉族，辽宁省丹东市人，本科学历，助理工程师，研究方向：制冷设备研发。