两组冷风机并联的重力再循环蒸发器运行特性实验
马燕;臧润清;张秋玉
【摘 要】针对传统重力再循环制冷系统冷量损失的问题,采用两组冷风机并联的方式,减小供液高度,将气液分离器放置在冷库内部并采用卧式的形式.实验研究了不同库温和不同冷凝温度下蒸发器的各种运行特性.结果表明:随冷凝温度的降低,传热温差上升速率加快,在冷凝温度为45℃,40℃,35℃,30℃时,上升速率分别为2.47％,4.4％,4.5％,4.9％.传热系数随库温及冷凝温度的降低有增长趋势且增长幅度减慢.当循环倍率从3增加到3.5,库温-30℃工况下传热系数增加率最为明显为7.01％,采用两组冷风机并联的重力再循环制冷系统蒸发器的运行性能得到了提高,且在低库温下性能更好.
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2018(000)005
【总页数】5页(P18-22)
【关键词】重力再循环制冷系统;循环倍率;传热系数;冷风机
【作 者】马燕;臧润清;张秋玉
【作者单位】天津商业大学 天津300134;天津市制冷技术重点实验室 天津300134;天津市制冷技术工程中心 天津300134;天津商业大学 天津300134;天津市制冷技术重点实验室 天津300134;天津市制冷技术工程中心 天津300134;天津商业大学 天津300134;天津市制冷技术重点实验室 天津300134;天津市制冷技术工程中心 天津300134
【正文语种】中 文
【中图分类】TB657;TB61
1 引 言
蒸发器是制冷设备中的重要组成部分，它的运行状况直接关系到系统性能的优劣，蒸发器的蒸发温度每升高1 ℃，制冷装置的性能系数可增大4%—6%[1-2]。通过提高制冷剂侧换热系数和空气侧换热系数强化传热是蒸发器的重点研究对象，而蒸发器空气侧换热系数不可能无限提高，当空气侧换热达到极限时，增强制冷剂侧换热系数成为强化换热的有效方法。
制冷剂侧换热系数大小主要取决于制冷剂的流速，流速高则换热系数大，重力再循环供液制冷系统则利用气液分离器与蒸发器之间的液位高度差，实现蒸发器的多倍供液，增大循环倍率，进而增大流速，提高蒸发器的传热系数[3-4]。国内外很多学者都对此进行了相关实验研究，A.Paliwoda[5-6]提出利用分相流模型计算重力再循环蒸发器中的压降问题，总结了两相流系数的计算公式和应用条件。孙志利[7]等将重力供液制冷系统与直接膨胀供液制冷系统进行比较, 得出再循环的形成可以增大蒸发器中制冷剂流速，同时充分润湿传热表面,强化换热效果显著, COP最大提高7.6%,低温工况的增幅更大。张枫[8]等利用两相流的阻力平衡关系对重力再循环蒸发器内制冷剂流动进行研究分析，得出在相同循环倍率下，传热系数随蒸发温度降低而升高，相同蒸发温度下，循环倍率增加，传热系数升高幅度减小。但目前，譬如此类对于重力再循环的研究一般采用一组冷风机，且采用立式气液分离器，放置在冷库的外部，这不仅造成冷量的流失，还造成材料浪费[9-10]。
本文在传统重力再循环制冷系统的基础上，采用两组冷风机并联的方式，将卧式气液分离器和冷风机设计成一体式放置在冷库的内部，分析研究采用两组冷风机并联的重力再循环制冷系统在不同库温和不同冷凝温度的实验工况下蒸发器的运行特性。
2 实验原理及方法
2.1 实验原理
实验搭建了一体式重力再循环制冷系统实验台，两组冷风机并联与卧式分离器设计成一体放置在冷库内部，实验原理如图1所示，冷风机实物如图2所示。液体制冷剂进入到冷风机8中与低温环境空气进行热交换，部分液体制冷剂吸热气化变成气液两相制冷剂，依靠热虹吸作用回到卧式气液分离器7，液体制冷剂由于重力作用沉到底部，再次进入到蒸发器8中，气体制冷剂聚在上部，通过回气管回到压缩机1。
图1 实验台基本原理图1.压缩机；2.油分离器；3.风冷式冷凝器；4.高压储液器；5.电磁阀；6.手动节流阀；7.卧式气液分离器；8.重力再循环双蒸发管组冷风机。Fig.1 Schematic diagram of test rig
图2 冷风机的实物图Fig.2 Pictures of air coolers
2.2 实验方法
为了测得循环倍率，实验中采用型号为TS-2的超声波流量计在蒸发器进口处测量制冷剂供液量，由公式(1)计算得出制冷剂蒸发量。循环倍率计算为蒸发器中的制冷剂供液量与制冷
剂蒸发量的比值。
(1)
式中：Gg为循环倍率;Q为制冷量，W；h1,h2为蒸发器进出口焓值，J。
实验中在冷库内部放置电加热器，并采用型号为MK-131，精度为5%FS变压器。通过调节变压器来控制电加热器的功率，根据热平衡法进行制冷量的测量，制冷量公式如(2)所示。冷风机传热系数由制冷量和传热温差的比值可得，传热系数按式(3)得出。
Q=Kk(ts-te)+Pl+Pd+Ps
(2)
(3)
式中：Kk为库体的漏冷系数，W/℃；Q为热平衡法测出的制冷量，W；Pi为冷风机风扇功率，W；Pd为电加热功率，W；Ps为电加热器风扇功率，W；A为冷风机换热面积，m2；Δtm为换热温差，℃；ts为环境温度，℃；te为库内的平均温度，℃；K为冷风机传热系数，
W/(m2·℃)。
实验在冷凝温度为25 ℃,30 ℃,35 ℃,40 ℃,45 ℃下，以及库温0 ℃，-5 ℃，-10 ℃，-15 ℃，-20 ℃，-25 ℃，-30 ℃的工况下，测量了蒸发器循环倍率、传热温差、传热系数的变化情况，以及不同的循环倍率对传热系数的影响情况。
3 蒸发器运行性能的分析
3.1 冷凝温度对蒸发器运行性能的影响
如图3所示为改变冷凝温度的工况下，采用两组冷风机并联的重力再循环制冷系统的循环倍率变化情况。
图3 不同冷凝温度下的循环倍率Fig.3 Cycling rate at different condensing temperatures
随着冷凝温度的升高，循环倍率近乎直线下降，没有出现转折情况。可知冷凝温度的改变对循环倍率的变化情况影响不大。随着冷凝温度的升高，导致节流后的制冷剂干度增大，压缩机吸气量减小，卧式气液分离器内部制冷剂压力升高，导致蒸发器中制冷剂的蒸发压力相应升高，两相流制冷剂密度和粘度增加，阻力增加，循环倍率降低。
如图4所示为改变冷凝温度的工况下，采用两组冷风机并联的重力再循环制冷系统的传热系数及传热温差的变化情况。
图4 不同冷凝温度下的传热系数及传热温差Fig.4 Heat transfer coefficient and heat transfer temperature difference at different condensing temperatures
随着冷凝温度的升高，两台冷风机并联的重力再循环制冷系统的蒸发器传热系数逐渐降低。由于冷凝温度升高，循环倍率降低，重力再循环冷风机内制冷剂的流量减少，密度和黏度增加，导致传热系数降低。当传热系数减少至29.5 W/(m2·K)后，随着冷凝温度的升高，传热系数下降速率加快。这是因为当循环倍率高于2.8时，虽然循环倍率下降，但再循环的效果较好，蒸发器中的系统阻力小，传热系数下降速率较慢。当循环倍率低于2.8之后，系统阻力升高的速度加快，再循环效果较差或不能形成再循环，逐渐接近于直接膨胀式供液制冷系统，传热系数系数下降速率开始加快。因此，由图4可以看到，在冷凝温度达到40 ℃，传热系数减少至29.5 W/(m2·K)后，传热系数的下降速度有所升高。
随着冷凝温度升高，循环倍率降低，气液分离器内制冷剂压力升高，双蒸发管组冷风机的蒸发温度升高，库温恒定为-20 ℃，所以传热温差减小，如图4所示。冷凝温度升高，传热
温差减小速率越来越低，在冷凝温度为30 ℃,35 ℃,40 ℃,45 ℃时，传热温差减小速率分别为4.9%，4.5%，4.4%，2.47%。这是因为冷凝温度升高，循环倍率降低，蒸发温度上升，循环倍率越低，再循环效果越差，对蒸发温度的影响越明显，蒸发温度的增长幅度随之变缓，而库温每次均匀下降5 ℃，致使传热温差降低速率减慢。
3.2 冷库温度对蒸发器运行性能的影响
如图5所示为改变冷库温度的工况下，采用两组冷风机并联的重力再循环制冷系统的循环倍率变化情况。
图5 不同库温下的循环倍率Fig.5 Circulation factor at different cold storage temperatures
由图5可知，随着库温降低，重力再循环制冷系统的循环倍率增加，库温低于-15 ℃时，重力再循环供液制冷系统的循环倍率大于2，库温-30 ℃时的循环倍率为5。这和实验台设计存在一定关系，实验所用卧式气液分离器尺寸和供液高度是在冷凝温度45 ℃，蒸发温度-30 ℃下重力再循环供液制冷系统循环倍率为5的条件下进行设计，随着库温升高，制冷系统蒸发温度升高，重力再循环冷风机中的两相制冷剂密度和粘度增加，系统阻力相应增
大，压缩机吸气量增加，而供液压头不变，所以循环倍率减小，库温比较高时，不能形成再循环。
而循环倍率在库温-15 ℃之后增长迅速。由于供液压头几乎不变，在-15 ℃之后气液分离器里制冷剂的供液量增长相比-15 ℃之前变快，在蒸发温度低于-22.6 ℃之后，制冷剂的密度和粘度随蒸发温度的降低而减小的速度加快，导致冷风机供液阻力减小，供液量增加，由公式(1)可知，循环倍率升高速度加快。
如图6所示为改变冷库温度的工况下，采用两组冷风机并联的重力再循环制冷系统的传热系数、传热温差的变化情况。
图6 不同库温下的传热系数及传热温差Fig.6 Heat transfer coefficient and heat transfer temperature difference at different cold storage temperatures
由图6可知，传热系数随着冷库温度降低而增大。这是因为库温降低，循环倍率增加，制冷剂的流量增加，系统的阻力减小，重力再循环冷风机的传热系数增大。传热系数在库温-5 ℃到-20 ℃过程中的增长速度高于在-20 ℃后的增长速度。因为库温在-5 ℃到-20 ℃的范围
内，循环倍率由1.5增长到3.5，再循环效果显著增强，冷风机蒸发管内的润湿度提高，传热系数逐渐加大。而在库温低于-20 ℃后，循环效率高于3.5，此时再循环的效果已接近最佳，冷风机蒸发管内大体充分润湿，此时循环倍率的进一步提高对传热系数的增长速率影响不大。
由图6可知，传热温差随着库温的降低而减小，这是因为随着循环倍率的增加，此时的传热系数增高，而根据热平衡法计算可得，随着库温降低，此时制冷量减少，由公式(3)知，此时的冷风机传热温差减小。
传热温差为冷库温度与蒸发温度的差值，而实验中所选用的库温每次变化幅度为5 ℃，因此传热温差的降低会导致蒸发温度的降低。制冷系统的蒸发温度降低，压缩机压比增加，造成压缩机容积系数减小直至为0。对于一般的直接膨胀供液制冷系统的蒸发温度下降到最低，即容积系数为0，但此时重力再循环供液制冷系统还可以制冷，所以两组冷风机并联的重力再循环供液制冷系统在低温下更有优势。
图7 不同循环倍率下的传热系数Fig.7 Heat transfer coefficient at different circulation factor
不同库温下，采用两组冷风机并联的重力再循环制冷系统的传热系数随循环倍率的变化如图7所示。
由图7可知，相同冷库温度下，随着循环倍率增加，重力再循环冷风机的传热系数逐渐增加，增加幅度逐渐减小。相同循环倍率下，库温越低传热系数越小，各循环倍率区间重力再循环传热系数的增加率见表1。

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