再循环重力供液制冷系统的实验研究
孙志利1臧润清2张枫黄悦
（1天津制冷技术重点实验室天津市 300134；2天津商业大学制冷与空调工程系天津市 300134）
摘要：对重力供液制冷系统形成再循环的条件和再循环时蒸发器的传热性能进行理论分析，建立相应的数学模型。将重力供液制冷系统与直接膨胀供液制冷系统进行比较，得到两种不同制冷系统工作特性上的差异。通过在焓差实验室中测定制冷系统在不同工况下的压力、风量、制冷量以及耗功等技术参数，得到重力供液制冷系统和直接膨胀供液制冷系统在室外干球温度一定的情况下传热系数、制冷量以及系统COP的变化规律。实验表明：再循环的形成可以增大制冷剂流速同时充分润湿传热表面，强化换热效果显著，理论和实验表明，在本文的工况下蒸发器的传热系数可增大近40%，COP提高9%，低温工况的增幅更大。
关键字：重力供液；循环倍率；制冷剂再循环；自然循环；强化传热；热虹吸原理
中图分类号：TB61+5；TB657.1 文献标识码：A 文章编号：N064
Experimental Study on Refrigeration System with Supply Liquid Refrigerant for the Evaporator by Gravity
Zhili Sun1 Runqing Zang2 Feng Zhang Yue Huang
(1Tianjin Key Laboratory of Refrigeration Technology, Tianjin, 300314, China; 2 Tianjin Key Laboratory of Refrigeration
Technology, Tianjin, 300314, China)
Abstract: The conditions of recirculation in the refrigeration system with supply liquid refrigerant and the heat transmission performance of the evaporator in recirculation were analyzed and the corresponding mathematical model was established in the paper. In comparison the refrigeration systems with supply liquid refrigerant for the evaporator by gravity with direct expansion, the difference of operating characteristic between two different kinds of refrigeration systems were obtained. Through determining the parameters of temperature, pressure, air volume and waste work under different operating mode in the enthalpy difference laboratory, the changing rules of the evaporating temperature, the refrigerating capacity and COP of the systems in certain outdoor dry bulb temperatures of the refrigeration systems with supply liquid refrigerant for the evaporator by gravity and direct expansion were obtained. The experiment indicated that through recirculation, heat transmission can be strengthened by increasing the velocity of the refrigerant. And it can enhan
ce the heat transfer coefficient of evaporator. Under the low temperature operating mode, the system thermal-siphon phenomenon was more obvious, and the refrigeration system with supply liquid refrigerant for the evaporator by gravity has much better heat-transfer characteristics than the direct expansion refrigeration system. The heat transfer coefficient increa nearly 40% and COP increa 9%.
Keywords: Pyrology; Supply liquid refrigerant by gravity; Circulating ration; Enhance heat transfer; Heat transfer characteristics; Thermal-siphon principle
引 言
当今社会，制冷技术在空调工程、食品工程、机械与电子工业、农业、医疗、国防工业以及现代
2008-05-30收到初稿，2008-06-15收到修改稿
联系人：孙志利 第一作者：孙志利（1984-），男，硕士。 科学中的各个领域都得到广泛的应用。特别是食品冷藏和空气调节，直接关系到很多部门的工业生产 和人民生活。在制冷空调领域内进行节能研究，开
Received date: 2008-05-30.
Corresponding author: Zhili Sun. E-mail:***************
研究论文
发和研制高性能、低能耗的制冷系统是制冷和空调技术领域的重要课题。
重力供液制冷系统是制冷系统中的重要组成部分，对其进行节能研究有十分现实的意义。课题针对重力供液系统，设计基于热虹吸原理的再循环方式，在不增加能耗的情况下提高了系统COP和制冷量。
1 实验装置
实验采用风冷压缩冷凝压缩机组和强制通风翅片管蒸发器，主要部件包括：全封闭滚动转子式压缩机、风冷式冷凝器、高压储液器、外平衡式热力膨胀阀、手动膨胀阀、汽液分离器、强制对流式蒸发器等。为了实验对比需要，搭建了一套直接膨胀供液制冷系统和一套经过改造的重力供液制冷系统，如图1、2所示。
重力供液制冷系统与直接膨胀供液制冷系统最大的区别是增加了汽液分离器。在管路设计方面，应有利于制冷剂在蒸发器与汽液分离器形成热虹吸，使液态制冷剂在蒸发器和汽液分离器所形成的回路中循环，实现蒸发器的超倍供液。
被测试机组的室内、外侧部分分别放在焓差实验室的室内、外侧环境室，连接二者之间的管路；蒸发器固定于室内侧送风参数测量的进风口处。通过改变焓差实验室室内、外环境的温、湿度，对重力供液制冷装置进行不同工况下的性能检测，还可进行相同工况下直接膨胀供液制冷装置与重力供液制冷装置的对比实验，以得到重力供液蒸发器与直接膨胀供液蒸发器在传热性能上的差异。测量系统主要包括焓差实验室所自有的数据的采集系统，蒸发器部分的温度测量的温度采集仪器。制冷量、被测机输入功率、能效比、蒸发器出风温、湿度，可以通过焓差实验室本身的数据采集处理系统测量；制冷系统压力通过焓差室测控系统预留的压力测点测量；系统及蒸发器壁温的采集使用经过标定的铜－鏮铜热电偶测量。
2 再循环重力供液制冷系统与直接膨胀供液制冷系统的比较
与直接膨胀供液制冷系统相比，基于热虹吸原理的重力供液制冷系统有以下优点：
1. 在直接膨胀供液制冷系统的基础上增设了汽液分离器，使液体制冷剂在蒸发器与汽液分离器回路中形成再循环，实现了无泵条件下蒸发器的超倍供液。
2. 由于蒸发器的超倍供液，使得蒸发器侧制冷剂流速增大，蒸发管制冷剂侧可获得更充分的润湿，对流换热系数增大，强化了蒸发器的传热热。
3.在相同设备的情况下，由于增设了汽液分离器，增大传热系数，使得重力供液制冷系统与直接膨胀供液制冷系统相比，在低温条件下，制冷量和COP均有较大提高。
3 理论分析
基于热虹吸原理的重力供液制冷系统，形成液体制冷剂再循环的机理在文献[2][3]中已有详细介绍，在本篇文章中主要进行蒸发部分的理论分析。
3.1 蒸发器的传热系数
凝露或结霜工况下由空气向制冷剂传热的热阻包括以下几部分：空气侧对流传热热阻、污垢热阻、霜层热阻、管壁热阻、制冷剂侧污垢热阻及制冷剂侧对流传热热阻。所以，根据稳定传热原理，
Compressor
图1 直接膨胀供液制冷系统 Fig.1 Direct expansion refrigeration system
Recycle evaporator
图2 重力供液制冷系统
Fig.2 Refrigeration system with supply liquid refrigerant
以外表面积计算的传热系数可表示为：
凝露工况：
冒天下之大不韪结霜工况：
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝⎛+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++=
f f b of a e a u u i
of
甜涩爱情
i i A A A A A K ηξαξγλδλδγα111
（2）
3.2 蒸发器盘管内的压降
当制冷剂的实际流动符合下列条件之一时，就可以按均相流模型处理[5]。
100≤G
美丽的武夷山
L
ρρ，mm 80≤d ； s kg/m 2002⋅≥u ρ；
而当s Pa 01.0⋅>L μ时，则不能按均相流模型处理
[33]
。
对于制冷剂R22，蒸发温度在-14℃以上时都满足100/≤G L ρρ且其液相动力粘度远远小于0.01Pa.s，本实验蒸发器盘管管径也小于80mm，可以采用均相流模型。
制冷剂在蒸发盘管内沸腾流动，压降由四部分组成：摩擦压降、加速压降、重力压降和局部阻力压降。 (1) 摩擦压降
为求整个蒸发器摩擦压降，设λ、L υ、G υ沿管长不变，x 沿管长线性变化，再循环蒸发管入口制冷剂为饱和液体状态，出口e x x =，总管长为L
的管子任意位置l 处的干度为L l x x e /=且
()dx x L dl e /=则根据均相流模型可得[3]：
()()[]()()⎥
⎦
⎤⎢⎣⎡−+=−+⋅
=Δ∫
L
G e L
i x L
G L e
i
f
x d L u dx x x L d u P e
υυυρλυυυρλ2
2220
2 （3） (2) 加速压降
应用均相流模型加速压降计算公式可得： ()()L G e a x u P υυρ−=Δ2
（4）
(3) 重力压降
()
()L L G e L L G e m g x x g H P υυυυυυρ−+−=
=Δln gh 1
（5） (4) 盘管弯头压降[6]
蒸发器盘管180°弯头内的压降由摩擦压降和局部阻力压降组成，可以按下式计算：
()()()⎥⎦
⎤
xiaoyuan
⎢⎣⎡−++=ΔL G e L w x u n P υυυ
ρξξ2222
11 （6） 3.3 回汽管压降
蒸发器回汽至汽液分离器部分管段压降由摩擦压降、重力压降及局部阻力压降组成。由于没有局部部件，因此不作局部阻力压降计算。 (1) 摩擦压降
由于回汽管中汽液两相流的干度x 不再变化，即蒸发器出口干度为e x ，可得：
()()[]L G e L h
mh ih
h
h
fh x u d L P υυυρλ−+=Δ22 （7） (2) 重力压降
回汽管内汽液两相流的平均密度相同
()[]11−−+=L e G e mh x x υυρ，代入均相流模型重
力压降计算公式得：装饰的眼泪
()
L G e L gh x g
H P υυυ−+=
Δ2 （8）
3.4 蒸发器的供液压头
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝⎛+⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛++=
f
f b of a a e i of i i A A A A A K ηγξαξλδγα111
（1）
汽液分离器与蒸发器最底部盘管高差3H 所形成的动力压头要克服上述两部分管路（蒸发器盘管、蒸发器回汽至汽液分离器）内所有压降，包括突扩、突缩、集管、分液管等的局部阻力压降，才能使得蒸发器内的液体由回气管进入汽液分离器。fnlock
即：g
P H L ρΔ=
3，当3L P
H g ρΔ>时，会随着3H 的增大由回气管进入汽液分离器的液体制冷剂增多，蒸发器内制冷剂液体的再循环量增加，制冷剂流速增加，蒸发管可得到更好的“润湿”。
4 实验数据及其分析
4.1重力供液蒸发器与普通蒸发器传热系数的比较
经过对实验数据的处理可得到各个工况下重力供液蒸发器与普通蒸发器传热系数的对比如图3，可以看出随着室内干球温度的降低，重力供液蒸发器的传热系数K 比普通蒸发器的K 差值逐渐增大，在室外干球温度为30℃时，增幅可达40%。也就是说在低温工况下再循环重力供液蒸发器更
能充分发挥蒸发器的传热表面，传热过程更强烈，传热性能更好。
4.2 重力供液蒸发器与普通蒸发器制冷量的比较
图4为室外侧环境干球温度为30℃时，室内侧环境下各个工况的重力供液蒸发器与普通蒸发
器的制冷量的比较图线。该图表明，普通制冷系统
在高的室内环境温度下制冷量大于重力供液制冷
系统，而在低的室内环境温度下低于再循环重力供液制冷系统。出现这种现象的主要原因是，在较低
的室内干球温度下，普通蒸发器传热系数迅速降
图4 室外干球温度30℃
Fig.4 Outdoor dry-temperature 30℃
R e f r i g e r a t i n g o u t p u t (W )
Indoor dry-bulb temperature (o
C )
图3 室外干球温度30℃
Fig.3 Outdoor dry-temperature 30℃
C o e f f i c i e n t o f h e a t t r a n s f e r (W /m 2
·K )
Indoor dry-bulb temperature (o
C )
Indoor dry-bulb temperature (o
C )
c o p
图 5 室外干球温度30℃ Fig5. Outdoor dry-temperature 30℃
低，而重力供液蒸发器降低幅度要小得多。另外，还可以发现，重力供液蒸发器的制冷量变化曲线与直接膨胀供液制冷系统的制冷量变化曲线有一重合点，我们称之为“转折点”。蒸发温度高于“转折点”，再循环蒸发器的性能逊色于普通蒸发器，反之优于普通蒸发器。
4.3 重力供液制冷系统与普通制冷系统COP的比较
图5为各个工况下再循环重力供液制冷系统与普通制冷系统COP变化趋势图，与制冷量的变化规律近似，在较低的室内环境温度下，再循环重力供液制冷系统比普通制冷系统有更高的COP，而且随着室内温度的降低，重力供液制冷系统的COP 比普通制冷系统COP增加的幅度会增大。说明在低温工况下，重力供液制冷系统会有更高的性能系数。紫菜怎么洗
5 结论
根据热虹吸原理改造设计的重力供液制冷系统，在不增加能耗的前提下，实现了液体制冷剂的再循环，再循环作用使得制冷剂侧换热系数增大，进而导致传热系数更加接近空气侧放热系数。本文在完成再循环重力供液制冷系统实验台搭建的工作后，进行了再循环重力供液蒸发器的性能实验，并与普
通蒸发器作了对比实验研究，得到以下结论：
（1）对重力供液制冷系统基于热虹吸原理进行改造，使液态制冷剂在汽液分离器与蒸发器之间的再循环，可以实现蒸发器超倍供液。
（2）实验证明再循环重力供液蒸发器并不是在所有工况都有优势。经普通蒸发器与再循环蒸发
器的对比证明，在冷凝温度不变，蒸发温度改变的情况下，制冷量和COP的变化曲线分别存在一个重合点，称其为“转折点”。蒸发温度高于“转折点”，再循环重力供液蒸发器的性能不如普通蒸发器，反之优于普通蒸发器。
（3）由于实现了对蒸发器的超倍供液，蒸发器侧制冷剂流速增大，对流换热系数增大近40%，强化蒸发器的换热，使重力供液制冷系统与直接膨胀供液制冷系统相比，在低温条件下，制冷量和COP 有很大提高。
符号说明
i
α——管内制冷剂放热系数，W·(m2·K)-1
关闭电脑
a
α——空气侧放热系数，W·(m2·K)-1
i
γ——管内表面的污垢系数
a
γ——翅片侧污垢系数
b
f
of
A
A
A,
,——分别为管外的总表面积、翅片表面积和
铜管表面积,m2
ξ——析湿系数
e
ξ——因下降引入的修正系数，取
e
ξ=0.88
u
λ
λ,——管壁导热率和霜导热率，取λ=203.5 W·(m·K)-1，u
λ=1.2 W·(m·K)-1
u
δ
δ,——分别为管子壁厚和一个融霜周期的平均霜厚
度,m
uρ——蒸发器每路管内质量流速，kg·(m2·s)-1
L
υ——平均蒸发压力下的液相比容，m3·kg-1
