重力再循环蒸发器流路优化与性能研究

臧润清 赵 东 刘亚哲 刘建勋 张 柱 姬卫川

(天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 冷冻冷藏技术教育部工程研究中心 天津市制冷技术工程中心 天津 300134)

重力再循环蒸发器流路优化与性能研究

臧润清 赵 东 刘亚哲 刘建勋 张 柱 姬卫川

(天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学 冷冻冷藏技术教育部工程研究中心 天津市制冷技术工程中心 天津 300134)

重力供液再循环蒸发器受到工作原理的限制，其流路结构不能借鉴直接膨胀供液系统蒸发器的流路结构。本文首先阐明了重力再循环制冷系统蒸发器流路的优化原则，设计了两种蒸发器流路结构，其中第一种为重力供液系统常用的流路结构，第二种为经过优化的流路结构，在此基础上搭建了重力再循环蒸发器实验台，通过实验对优化前后的蒸发器进行性能对比与分析。研究表明，在保温体温度一定的情况下，经过优化的蒸发器因其每个支路接触空气的平均温度相同，从而能保证并联四个支路制冷剂侧有相同的循环倍率和相同的平均传热温差，经过优化的蒸发器具有更好的性质，尤其在-25 ℃和-20 ℃工况下，第二种(改进型)蒸发器比第一种(传统型)蒸发器有更高的单位面积传热量，制冷量分别增大60.3%和44.1%，性能系数分别提高16%和13.8%。

重力供液；蒸发器流路；蒸发器性能；再循环蒸发器

重力再循环制冷系统是通过热虹吸作用实现蒸发器超倍供液的制冷系统。通过蒸发器的超倍供液可以提高蒸发器制冷剂侧的“润湿度”和流速，从而改善蒸发器性能。研究表明，通过再循环作用无论是蒸发器的制冷量还是传热系数都有显著的提高[1-5]。由于重力再循环系统蒸发器内制冷剂液体形成再循环的特殊性，蒸发器必须采用下供液上回气的形式，且蒸发器内的蒸发管各个回路由进口到出口必须一直保持上升的趋势，这种限制使得直接蒸发制冷系统蒸发器的多种蒸发管流路结构不能应用，因此，需要另辟蹊径，在不违背重力再循环制冷系统形成液体制冷剂在蒸发器内再循环的原理基础之上优化流路结构，从而提高蒸发器效率。

在蒸发器蒸发管流路结构固定下来之后，重力再循环蒸发器的再循环量是决定其效率的重要因素，而再循环量则与蒸发器的供液压头、制冷剂的蒸发温度、制冷剂种类、蒸发回路阻力和蒸发管传入的热量(热虹吸动力)等有关。本文重点研究不同制冷温度对应循环倍率下蒸发器蒸发管流路结构对蒸发器蒸发管传入热量的影响，及两种流路条件下蒸发器的性能。

1 蒸发器流路的设计

本文设计了两种流路的蒸发器结构，如图1所示。第一种以一个管列为一个流路，四列并联。在使用时第一列接触的是用冷单元内温度的空气，温度最高，第二列接触的是经第一列冷却的空气，第三、四列依次类推。也就是按1～4列的前后关系第一列所接触的空气温度最高，二、三、四列依次降低，第四列所接触的空气温度最低。当认为蒸发温度相同时，第一列的温差最大，第二、三、四列依次减小，第四列的温差最小。

重力再循环蒸发器的阻力由三部分组成，分别是气液两相流的摩擦压降Δpmc、制冷剂液体蒸发所产生的加速压降Δpjs和气液两相流体的静压降Δpjy[6-9]。将这三个压降展开：

(1)

(2)

(3)

式中：fF为气液两相流的摩擦阻力系数；L1为重力再循环系统的气液分离器正常液面与蒸发器进口之间的高度差，m;n为蒸发器内制冷剂供液量与蒸发量之比(循环倍率)，D为蒸发器蒸发管内径，m;VL为平均蒸发压力下的液相比容，m3/kg;Vg为平均蒸发压力下的气相比容，m3/kg;H3为蒸发器总高度，m;g为重力加速度，m/s2;Gg为气相的质量速度，kg/(m25s);实际上它是蒸发器的蒸发量，可用下式表示：

(4)

式中：Q为蒸发器的制冷量，W;γ为制冷剂的汽化潜热，J/kg;A为蒸发管的断面积，m2;K为蒸发器的传热系数，W/(m25K);F为蒸发器空气侧换热面积，m2;Δt为传热温差，℃;在蒸发温度和送风风机风量不变的情况下，并列四路所接触的空气温度不同，传热温差Δt也就不同，第一列传热温差最大，二至四列逐渐减小，第四列温差最小。温差减小导致气相的质量流速Gg随之减小，由式(1)和式(2)可知，气液两相流的摩擦压降Δpmc和制冷剂液体蒸发所产生的加速压降Δpjs与Gg的二次方成正比，导致Δpmc和Δpjs减小，循环倍率n增大。实验表明，循环倍率增大可以提高蒸发器的K值，K的增速比较显著，Δt的减小比较缓慢，二者的乘积是逐渐增大的；当n>5时，随n的增大，K的增速比较缓慢，Δt的减小比较显著，二者的乘积是逐渐减小的。因此，对于n=5的重力再循环系统，这种蒸发器的流路设计会导致蒸发器的制冷量减少。

从增大蒸发器制冷量的角度出发，在保证蒸发器四个并联支路蒸发管长度相同和各支路串联管路保持完全上行的基础上，使得每个支路接触空气的平均温度相同，就能保证并联四个支路制冷剂侧有相同的n值和相同的Δt。这就是第二种流路蒸发器的设计原则。由第二种蒸发器流路设计图可知，每列有8根蒸发管，每一支路保持8根管不变且在各列中都保持具有2根蒸发管，只是列上的位置不同，对每一路而言接触空气温度的平均值是相同的。

2 实验研究

2.1 实验方法与装置

为了验证两种流路重力再循环蒸发器的工作性能，搭建了空气侧热平衡实验装置，实验装置的原理和压力温度测点布置如图2所示，实验装置的实物照片如图3所示。实验装置由保温体、重力再循环制冷系统、制冷系统控制箱、保温体内的电加热、电动调压器、数据采集仪等组成。

实验采用空气侧热平衡法测量蒸发器的制冷量，通过测量单位温差下保温体传热量Q1，保温体内某温度下平衡制冷系统制冷量的电加热器的加热功率Q2和蒸发器所配风机功率Q3，确定制冷系统的制冷量Q=Q1+Q2+Q3。通过检测制冷压缩机的工作电流与电压确定制冷压缩机的输入功率。

实验装置的制冷系统采用泰康3 HP低回压全封闭风冷式压缩冷凝机组，制冷剂为R404A。两种翅片管蒸发器(紫铜管外套铝制平翅片)的空气侧换热面积都是25 m2，除流路不同外，其余结构完全相同。温度和压力采用横河MX100多路温度压力巡检仪。保温体外尺寸2.88 m×2.88 m×2.5 m，保温材料是硬质聚氨酯泡沫塑料。

实验分为五个工况，分别是保温体内空气温度为-5 ℃、-10 ℃、-15 ℃、-20 ℃、-25 ℃，任何工况下风冷式冷凝器的进风温度相同。实验过程：运行制冷压缩机待保温体内空气温度降至工况温度时开启电加热器，并改变加热器电压直到保温体内空气温度恒定1 h，记录温度、压力、电压、电流等数据，记录时间为30 min。

2.2 实验数据分析

对两种流路的蒸发器以相同的工况进行了实验，实验装置运行期间以肉眼观察压缩机吸气口没有出现回霜现象，且裸露的吸气阀(没有保温)外表有相同的结霜状态，各测点的温度、压力和电流、电压均处于正常范围，温度为各测点紫铜管表面的温度。

2.2.1 温度

图4是两种蒸发器蒸发温度的变化，基本规律是低蒸发温度条件下二者相差较大，高蒸发温度下二者相差较小。第二种蒸发器能够提高蒸发温度主要在于蒸发器4个回路具有相同的传热温差，进而保证4个回路具有一致的循环倍率。论述这个问题可以参考图5给予说明。例如，当保温体温度等于-20 ℃、蒸发器送风量相同时，第二种蒸发器进出风温差如图5所示，对于第一种蒸发器这个参数也应该是相同的，假设这个温差为(t1-t2)，第一种蒸发器四列管组分配到的温差分别为(t1-t0)、3(t1-t2)/4-t01、2(t1-t2)/4-t01、(t1-t2)/4-t01，平均传热温差为(10t1-6t2-7t01)，第二种蒸发器四列管所得到的温差是相同的都是(t1-t2)/4-t02，将第一种蒸发器传热温差△t1与第二种蒸发器传热温差△t2相比，显然比值是大于1的，也就是第一种蒸发器的蒸发温度低于第二种。

2.2.2 压力

图6和图7两种蒸发器吸、排气压力的对比图。由图可见，吸气压力与蒸发温度的规律有很好的配合，第二种蒸发器的压缩机排气压力都高于第一种，且随制冷温度的降低，二者的差距逐渐减小，当制冷温度降至-25 ℃时二者的压力相同。制冷温度降低将引起制冷剂液体的密度增大，在重力再循环系统供液高度不变的情况下，供液压头得到提高，蒸发器内的制冷剂循环倍率增大，循环倍率增大导致蒸发温度升高。由图4可知，自保温体内温度为-15 ℃，低于这个值二者之间的差距缩小，其原因是第一种蒸发器和第二种蒸发器循环倍率的增大幅度是前者大于后者且蒸发温度越低差别越小。

排气压力决定于制冷压缩机工作的背压(冷凝压力)和吸气压力，虽然实验是在冷凝器相同进风温度下进行的，在制冷系统工作期间冷凝压力仍然会有变化，并与吸气压力共同影响排气压力。在制冷温度高于-15 ℃时，排气压力随制冷温度的升高第二种和第一种的差值逐渐拉大，而吸气压力二者的平均差值是相当的，说明第二种蒸发器随着制冷温度的升高，循环倍率的减小幅度远大于第一种蒸发器，供液压头不足以满足蒸发器充足的供液，蒸发器内部制冷剂的保有量减少，高压端制冷剂的保有量增大，导致冷凝压力升高，排气压力随之升高(这种现象亦说明第二种蒸发器制冷系统的制冷剂量在较高制冷温度下是显得过多的)。在制冷温度-20～-15 ℃的范围内二者的排气压力持平，低于-20 ℃时第二种低于第一种，此时，吸气压力的变化起了关键的作用。

2.2.3 制冷量和COP

需要说明的是，本实验是在固定蒸发器供液压头下进行的，供液压头是根据蒸发温度-25 ℃、循环倍率n=5计算得到的，蒸发器在蒸发温度-25 ℃上下单位面积传热量K△t较大，偏离这个范围越远，n越小，甚至有小于1的可能，才会引起制冷量在高制冷温度下增幅不够理想。对于第二种蒸发器而言，在高制冷温度下系统制冷剂显多，引起冷凝/排气压力升高造成制冷量减少和功耗增加。如果能够根据蒸发温度增大供液压头，并调整制冷剂充注量，高制冷温度下的情况将得到大幅改善。

3 结论

1)再循环蒸发器是泵供液系统和重力再循环系统具有的特殊结构的蒸发器，本文所研究的内容以均衡各列蒸发管组传热温差为目标，提高蒸发器性能的思路是正确的，对于改善再循环蒸发器的性能具有显著的效果。

2)以蒸发温度-25 ℃、制冷剂为R404a、循环倍率n=5计算确定的重力再循环系统供液高度，在制冷温度-25 ℃和-20 ℃条件下，第二种(改进型)蒸发器比第一种(传统型)蒸发器有更高的单位面积传热量，制冷量分别增大60.3%和44.1%，说明这个供液高度更适用于-25 ℃的制冷温度。

3)在COP方面，对于低制冷温度的研究工作具有意义，理论和实验都能够证明COP是有显著增大的。在高制冷温度下通过调高蒸发器供液压头也应该具有COP增大的效果，只是受供液液柱提高蒸发温度作用的影响，导致传热温差△t缩小，制冷量的增加幅度减小，COP的增幅也会减小。

4)第一种蒸发器所组成的重力再循环制冷系统与直接供液膨胀供液制冷系统在参考文献[10]中做过实验对比，第一种蒸发器的制冷量比直接膨胀供液在-20 ℃制冷温度下增大了30%。照此推算，第二种蒸发器所组成的重力再循环制冷系统将比直接膨胀制冷系统提高74%左右。

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[10] 李星. 冷库重力供液制冷系统的理论与实验研究[D].天津: 天津商业大学, 2008.

About the corresponding author

Zhao Dong,male,master candidate,Key Laboratory of Refrigeration Technology in Tianjin University of Commerce,+86 13302060515,E-mail:qiufo0902@163.com. Research fields:refrigeration system energy conservation and optimization．

Flow Path Optimization and Performance Study on Gravity Recirculation Evaporator

Zang Runqing Zhao Dong Liu Yazhe Liu Jianxun Zhang Zhu Ji Weichuan

(Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin University of Commerce, Refrigeration Engineering Research Center of Ministry of Education, Tianjin Refrigeration Engineering Technology Center, Tianjin, 300134, China)

As gravity-fed recirculation evaporator is restricted by its principles, the structure of its flow path couldn’t be the same as that of the direct expansion cooling system. Firstly, in this paper, the flow path optimal principles of gravity-fed recirculation evaporator have been clarified, and two forms of flow path structures have been designed. The first is a flow path structure which is commonly used in the gravity-fed cooling system, and the second is an optimized flow path structure. A gravity-fed recirculation evaporator experiment platform is built based on the above. The evaporator performances before and after the optimization have been compared and analyzed. Results shows that, when the temperature of the insulation body keeps constant, the same circulation ratio and mean temperature difference can be guaranteed at the refrigerant-side of the four branches in parallel since the mean temperature of the air which contacts each of the branches of the optimized evaporator is the same.It is also shown that the optimized evaporation has a better performance, especially under the low-temperature condition. The second (ie. the optimized) evaporator has a greater heat transfer than the first (ie. the common) one based on per unit area, and the cooling capacity increased 60.3% and 44.1% respectively, and the COP increased 16% and 13.87% respectively for the condition of -25 ℃ and -20 ℃.

gravity-fed recirculation evaporator; flow path; air evaporator performance; recirculation evaporator

0253- 4339(2015) 01- 0101- 06

10.3969/j.issn.0253- 4339.2015.01.101

2014年6月30日

TB657.5; TB61+1

A

赵东，男，硕士在读，天津市制冷技术重点实验室，13302060515，E-mail: qiufo0902@163.com。研究方向：制冷系统节能及优化。