制冷剂不足时小型空调制冷循环系统实验研究

第３２卷第１期

东北电力大学学报

Ｖ０ｌ＿３２．Ｎｏ．１

２０１２年２月

Ｊｏｕｒｎａｌ Ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｄｉａｎｌｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

Ｆｅｂ．．２０１２

文章编号：１００５—２９９２（２０１２）０１—００１５—０４

制冷剂不足时小型空调制冷循环系统实验研究

钱铮，孙斌，许明飞

（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林吉林１３２０１２）

摘 要：对以Ｒ４１０Ａ为制冷剂的小型空冷空调器在多功能环境实验室中完成了变换环境、制冷剂

不足工况下制冷循环实验。在温度为２５—４０℃的实验环境下，分别采集了制冷剂流量、吸排气温度、蒸

发温度和压力等波动信号，同时利用高速摄影仪对实验段流动图像进行了拍摄。最后，将这些数据与正

常制冷循环时进行了对比分析。结果表明：在高温环境下流量和压力变化平缓；随着环境温度的升高，

排气温度降低，蒸发温度和吸气温度升高，过热度增大。同时，实验段出现液一气分层流，泡一气分层流

两种主要流型变化。

关键词：Ｒ４１０；制冷循环；气液两相流；可视化

中图分类号：ＴＫ １２４ 文献标识码：Ａ

由于安装工艺、设计工艺的原因，制冷剂循环系统在实际运行的过程中会发生缓慢泄漏。另外在制

冷剂充注时也会存在一定的误差。无论是那个原因都会导致制冷循环系统中制冷剂不足，从而影响系

统内部阻力特性和换热特性，最终影响制冷循环性能。最近几年制冷系统中的两相流研究越来越多，其

中很多研究给出了制冷循环性能与流型之间的关系 Ｉ２ 。本实验在多功能环境实验室中变换环境的工

况下研究了制冷剂不足时，节流后与蒸发器之前的制冷剂气液两相流流型与制冷循环性能之间的关系。

同时研究了流量，压力，温度和实验段流体流动的图像随环境工况变化的关系。实验过程中显示，制冷

剂不足时制冷循环中的各个参数都发生了改变，影响了整个制冷循环的性能。通过对实验结果的分析

获得了制冷剂不足时制冷循环中参数的变化规律，并与正常时的参数进行了比较。实验结果对产品设

计、实际工程都具有很好的参考价值。

１ 实验装置及实验方法

实验装置是一个制冷剂为Ｒ４１０Ａ，最大制冷量

三基色灯① 磨砂玻璃

为２．６ ｋＷ的直流变频空冷空调器，实验时制冷剂充

注量是正常时候的２／３。该实验装置主要包括两个

部分，即制冷剂循环系统和数据采集系统，见图１。

制冷剂循环系统主要包括压缩机，冷凝器，膨胀阀，

和蒸发器四个部分，压缩机选用直流变频压缩机，气

缸容积２０．８ ｅｍ ，运行频率为３０ Ｈｚ一１２０ Ｈｚ，蒸发温

度７．２ ｏＣ，冷凝温度５４．４℃，工作时压缩机根据环境

工况的变化自动调节频率，从而调节制冷剂流量；蒸

图１实验系统图

收稿日期：２０１１—１１—１４

作者简介：钱铮（１９８７一），男，浙江省金华市人，东北电力大学能源与动力工程学院在读硕士研究生，主要研究方向：制冷系统流

动特性与传热特性研究．

ｌ６ 东北电力大学学报 第３２卷

发器和冷凝器为翅片铜管式，冷凝器为风冷结构；膨胀阀与压缩机协调工作，提高控制精度，实现柔性控

制。工作时制冷剂在压缩机内压缩成高温高压后流人冷凝器，随后在膨胀阀节流后进入蒸发器，最后回

到压缩机，如此往复循环。

在膨胀阀与蒸发器之间设计了一段用透明的玻 —— ————

璃管连接的水平实验段，透明玻璃管内径６ Ｂｉｎ，长为 Ｉ三 皇三兰三三三三三兰三茎茎茎 皂ｌ

５００ ｍｌｎ，管两端与铜管同心连接，连接处平滑，见图２。 嘲。

数据采集包括图像、温度、压力、流量采集。图

像采集系统主要包括照明系统和高速摄影系统。高速摄影机对光线的亮度有较高的要求，通常情况下，

选用大功率的碘钨灯、荧光灯甚至激光光源当作照明光源，可以采集到较高质量的流型图像。本实验照

明系统的光源使用６ ４００ Ｋ色温的三基色光管，光线明亮无闪烁。由于两相流流型变化复杂，高速摄影

系统采用瑞士Ｗｅｉｎｂｅｒｇｅｒ公司研发的ＳｐｅｅｄＣａｍＶｉｓａｒｉｏ系统，其最大分辨率为１ ５３６×１ ０２４，最大帧频达

到１０ ０００帧／秒，能够清晰的抓拍各种流型的瞬变图像。在图像摄取过程中由于液体和气体均是透明

的，可采用逆光照明 Ｊ，拍摄各种流态的阴影。为了使光线分布均匀，在玻璃管的后侧放置一片磨砂玻

璃，如此可获得满意的拍摄图像。温度、压力、流量由另一数据采集系统采集，采集系统包括ＰＣＩ４７１２系

列采集卡和ＤａｓＶｉｅｗ２．０控制分析软件，温度传感器，温度变送器，整体压力变送器和整体流量变送器。

温度传感器分别在压缩机出口、实验段前端、蒸发器出口三处紧贴管道外壁保温安装，温度传感器采集

的温度信号通过温度变送器与计算机上的采集系统连接，最终把温度信号变为电压信号并输出。测试

仪表的型号、量程及精度见表１。 ．

表１ 数据采集设备参数表

２实验结果分析

实验是在两个全封闭隔热的模拟室内完成的。模拟室内的环境工况由一个多功能的热泵系统来控

制。控制温度范围为２０—４５℃，湿度范围为２０％一７０％。实验中模拟出实际的空调工作的环境，所得

到的数据非常有实际意义。系统从２５—４０ ｃ【＝环境温度工况范围内，每升高一度采集一次数据，采集频

率为２５６ Ｈｚ，时间为８ ｓ。

２．１ 流 量

图３是实验工况下得到的流量变化情况。结果表明，实验中流量总体随环境温度升高而变大。在

２５—３０℃的区间内变化比３０—３５℃区间内的变化

相对较平缓，３５—４０℃后流量基本保持一致。这是

由于刚开始时换热量不大，随着温度的升高，换热量

变大，制冷剂流量变大且流速加快。由于系统制冷

剂不足，所以就不能满足当需要更多的制冷剂来参瑶

与热量交换的工况。从热力学计算角度可以知道质

量流量的不足会影响系统的局部换热 Ｊ，管内壁

面液膜变薄或消失，会出现恶劣换热过程。

２５ ３Ｏ ３５ ４０

模拟环境温度／￣Ｃ

２．２压力和温度

图４是实验工况下蒸发压力、冷凝压力的变化

图３流量随环境温度的变化

第１期 钱铮等：制冷剂不足时小型空调制冷循环系统实验研究 １７

情况。从图中的结果可见，无论是冷凝压力还是蒸

发压力都比不缺制冷剂时候的压力低。随着环境温

度的升高，压力有上升趋势，但在３５—４０ ｃ（＝区间内变

化梯度趋于零，压力几乎不变。

图５是实验工况下吸排气温度、蒸发温度的变

化情况。实验数据显示，随着实验工况变化排气温

度逐渐降低；吸气温度逐渐增高，吸气口端管内温度

高于环境露点温度；蒸发温度高于设计温度值，并逐

渐增高。从现场观察到的现象如下：

（１）回气管没有结露，用手触摸管壁没有明显

凉的感觉。

２５ ３Ｏ ３５ ４Ｏ

模拟工况温度／℃

图４压力随环境温度的变化

（２）压缩机排气管结霜严重。

（３）蒸发器只有小部分结露或结霜。

（４）室外机排风没有热感。

通过分析得出，系统制冷剂不足时会导致压缩

∞∞鲫 ∞∞∞∞ ｍ ０

赠

机出口端管内压力下降，沸点降低，使管温低于冰

点，冷凝温度降低；制冷剂在蒸发器内不能很好的完

成蒸发过程，换热面积相应减少，致使蒸发温度和回

气温度升高，过热度增大。

２．３流动图像分析

从实验的流动图像表明，随着环境工况的变化

实验段出现的流型主要有液一气分层流，泡一气分

层流 Ｊ，见图６。采集的图像像素大小为１ ５３６×

１ ０２４，帧频为１ ０００帧／秒。由于实验系统制冷剂不

制制制正正正

冷冷冷常常常

剂剂莉制制制

２５ ３０ ３５ ４０

不不不冷冷冷

足足足循循捌

时时时环环循

捧嚷蒸时时环

气气发蒸吸时

图５系统温度随环境温度的变化

温温温发气捧

度度度温温气

度度温

三｝｛｛

模拟环境温Ｊ度－／℃

液－气分层流（１）

足，导致节流后制冷剂气相增大。图像中黑色部分

是气液两相界面，在模拟环境温度较低时，压缩机工

泡．气分层流（１） 泡．气分层流（２）

图６流型图

作频率较低，膨胀阀的开度较小，管内主要是液一气

分层流，随着环境温度的升高，界面波动越来越剧烈，流体流速迅速增大。此时压缩机工作频率较高，膨

胀阀的开度较大，节流作用比较弱，制冷剂均相节流气化慢，残留一部分小气泡未能分离，而形成泡一气

分相流。实际上在这两种流型转变的瞬间，由于制冷剂流速急剧增高，液体被高速的气体冲到管内壁，

形成中间气体四周液体的液环一气芯流。

通过得到流量，压力，温度等数据，可以计算出制冷量的大小。计算公式为：

Ｑ＝Ｇ（ｈ 一ｈ ）， （１）

式中，Ｑ为制冷量，ｋＷ；Ｇ为质量流量，ｍ。／ｈ；ｈ 为制

冷剂吸气状态时的焓值，ｋＪ／ｋｇ；ｈ 为节流后的焓值，

ｋＪ／ｋｇ。分析计算结果，可以得出最大制冷量只有额

莹

定制冷量的１／３，可见制冷剂不足对系统制冷能力影

关系。

＼

响非常大。图７反映了各流型区域与制冷量的对应

纂

３ 结 论

２５ ３０ ３５ ４０

模拟工况温度／℃

图７各流型区域与制冷量的对应关系

实验表明，制冷循环在制冷剂不足时，流量，压

东北电力大学学报 第３２卷

力，温度都发生了很大的变化，影响了管内换热，导致制冷量严重下降，在实验设定值下制冷量最大只有

额定制冷量的３０％左右。流型图直观的反映了制冷剂在管内气液两相的流动特性，实验中主要出现了

液一气分层流，泡一气分层流两种主要流型。实际上制冷剂在制冷循环管道中流动时流速非常快，气液

两相变化很难准确的拍摄到，实验过程中在液一气分层流，泡一气分层流两种流型的过渡区域出现变化

很快的液环一气芯流，而在气芯里面也会存在着小液滴。制冷循环是一个封闭的循环系统，单质制冷剂

在管内由于环境工况的变化会形成两相流动的现象，准确得到流动时的流型变化能够更好的分析出制

冷循环系统的流动特性，对实际生产、工程具有指导意义。

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Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｓｍａｌｌ Ａｉｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｗｈｅｎ Ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ

ＱＩＡＮ Ｚｈｅｎｇ，ＳＵＮ Ｂｉｎ，ＸＵ Ｍｉｎｇ－ｆｅｉ

（Ｅｎｅｒｇｙ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｄｉａｎｌｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉｌｉｎ Ｊｉｌｉｎ １３２０１２）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ ａｉｒ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ Ｒ４１０Ａ ａｓ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ

ｍｕｌｔｉ—ｐｕｒｐｏｓｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ．Ｔｈｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ｒｅｆｉｇｅｒｒａｎｔ ｆｌｏｗ，ｓｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｔｅｍ—

ｐｅｒａｔｕｒｅ，ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ａｔ ２５ ｔｏ ４０￣Ｃ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ ｔｈｅ ｌｆｏｗ ｉｍａｇｅｓ ｏｆ

ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ａｒｅ ｃａｐｔｕｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｙ．Ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ，ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａ—

ｎａｌｙｓｉｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅｓｅ ｄａｔａ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｓｕｆｉｆｃｉｅｎｔ ｒｅｆｉｇｅｒｒａｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ

ｒｅｆｒｉｇｅｒａｎｔ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｈａｎｇｅ ｓｌｏｗｌｙ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｅ—

ｃｒｅａｓｅｓ，ｔｈｅ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｃｔｉｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｌｅｖａｔｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｐｅｒｈｅａｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ａｓ ｔｈｅ ａｍ—

ｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｅｌｅｖａｔｅｓ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｓｅｅｎ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｔｗｏ ｒｅｇｉｍｅｓ ｏｆ ｖａｐｏｒ－ｌｉｑｕｉｄ ｔｗｏ—

ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ ｐａｔｔｅｒｎ ａｔ ｔｈｅ ｏｕｔ—ｌｅｔ ｏｆ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｖａｌｖｅ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｒ４１０Ａ；Ｒｅｆｉｇｅｒａｔｉｒｏｎ ｃｙｃｌｅ；Ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ ｆｌｏｗ；Ｆｌｏｗ ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ