小型制冷系統(tǒng)中吸氣管-毛細(xì)管回?zé)崞魈匦詫?shí)驗(yàn)研究

盛 偉　劉桂信　李 飛　李偉釗（河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院　焦作　454003；2河南新飛電器有限公司新技術(shù)研發(fā)中心　新鄉(xiāng)　453000）

小型制冷系統(tǒng)中吸氣管-毛細(xì)管回?zé)崞魈匦詫?shí)驗(yàn)研究

盛 偉1，2劉桂信1李 飛1李偉釗1
（1河南理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院焦作454003；2河南新飛電器有限公司新技術(shù)研發(fā)中心新鄉(xiāng)453000）

由吸氣管與毛細(xì)管熱交換形成的回?zé)崞鲗π⌒椭评溲b置的制冷性能有著重要影響。目前，回?zé)崞髦饕幸韵滤姆N類型：毛細(xì)管外穿式、鋁箔覆蓋式、銅錫焊式、毛細(xì)管內(nèi)穿式。結(jié)合理論分析，實(shí)驗(yàn)研究了制冷裝置采用不同類型回?zé)崞鲿r(shí)毛細(xì)管進(jìn)出口溫度、吸氣管進(jìn)出口溫度、蒸發(fā)器溫度以及壓縮機(jī)吸排氣溫度對其工作性能的影響。結(jié)果表明，從換熱性能上看，毛細(xì)管內(nèi)穿式回?zé)崞髋c銅錫焊式回?zé)崞鞯男阅芑鞠嗤瑥闹评溲b置總體制冷性能上看，毛細(xì)管內(nèi)穿式回?zé)崞鲀?yōu)于銅錫焊式，且比毛細(xì)管外穿式及鋁箔覆蓋式回?zé)崞魍葪l件下單位容積制冷量提高17.4％，采用毛細(xì)管內(nèi)穿式回?zé)崞饔欣谔岣呦到y(tǒng)的制冷性能。

回?zé)崞鳎恍阅軠y試；毛細(xì)管；小型制冷裝置

在冰箱、展示柜等小型制冷裝置中，往往把毛細(xì)管與吸氣管纏繞一起進(jìn)行熱交換（以下簡稱回?zé)崞鳎康氖瞧鸬嚼錈峤粨Q作用、提高過冷度，減輕因制冷劑略多或者設(shè)定溫度低而引起的吸氣管結(jié)霜的作用，使吸氣管溫度升高，提高壓縮機(jī)效率及安全。回?zé)崞餍阅艿暮脡闹苯佑绊懙叫⌒椭评溲b置的性能，回?zé)崞髯龅貌磺‘?dāng)，會產(chǎn)生以下問題：1）制冷劑不能充分過冷，在液態(tài)制冷劑管路中出現(xiàn)閃發(fā)氣體；2）吸氣溫度降低，使吸氣管結(jié)霜；3）壓縮機(jī)的壓比增大，降低壓縮機(jī)熱效率；4）變工況時(shí)調(diào)節(jié)能力變?nèi)酰档拖到y(tǒng)制冷系數(shù)。

學(xué)者對毛細(xì)管計(jì)算模型［1-2］、內(nèi)部流動特性［3］及相關(guān)實(shí)驗(yàn)［4-5］已有較深入的研究；對于毛細(xì)管與吸氣管組成的回?zé)崞餍阅埽瑒⒁娌诺龋?-7］給出了回?zé)崞髅?xì)管的計(jì)算模型及內(nèi)部流動特性；吳曉敏等［8］、陳燕燕等［9］、夏宇棟等［10］、向立平等［11］、陳曦等［12］分別給出了回?zé)崞餍阅艿挠绊懸蛩丶皵?shù)值計(jì)算。國外學(xué)者［13-17］對回?zé)崞髅?xì)管及回?zé)崞餍阅苓M(jìn)行了深入研究。上述文獻(xiàn)表明：關(guān)于單獨(dú)毛細(xì)管以及回?zé)崞髅?xì)管內(nèi)部流動計(jì)算、特性以及相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)進(jìn)行得非常深入，對回?zé)崞餍阅艿挠绊懠皵?shù)值分析也做了很多工作。但是對于毛細(xì)管與吸氣管組成的不同類型回?zé)崞餍阅軐Ρ鹊难芯坎]有相關(guān)報(bào)導(dǎo)。

目前，毛細(xì)管與吸氣管回?zé)崞髦饕兴姆N方式：毛細(xì)管外穿式回?zé)崞鳎╟apillary wear type）、鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳎╝luminum foil cover type）、銅錫焊式回?zé)崞鳎╟opper and tin welding type）和毛細(xì)管內(nèi)穿式回?zé)崞鳎╟apillary inside pipe type）。很多小型制冷裝置生產(chǎn)廠家對回?zé)崞鞯纳a(chǎn)僅憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行加工，對回?zé)崞鞯男阅軟]有從理論上并結(jié)合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行精確驗(yàn)證，從而導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行精度不高、增加系統(tǒng)損耗等問題。針對目前市場上現(xiàn)有的四種回?zé)崞黝愋停Y(jié)合實(shí)驗(yàn)對其性能進(jìn)行驗(yàn)證分析，指出各自性能的優(yōu)缺點(diǎn)，為生產(chǎn)企業(yè)使用這類回?zé)崞骷捌湓谛⌒椭评溲b置中的應(yīng)用提供參考。

1　理論分析

裝有回?zé)崞鞯睦碚撝评溲h(huán)之T-S圖如圖1所示。其中循環(huán)1-1′-2′-3-3′-4′-1為裝有回?zé)崞鞯闹评溲h(huán)，1-1′和3-3′表示回?zé)徇^程。

圖1　具有回?zé)嵫h(huán)的制冷循環(huán)T-S圖和p-h圖Fig.1 T-S diagram and p-h diagram of refrigeration cycle with regenerative cycle

1）在無熱量損失的條件下，回?zé)徇^程熱平衡關(guān)系為：

式中：Δq0為回?zé)嵫h(huán)單制冷量的增加量，kW；h3-h3′為液體放出的過冷熱量，kW，在T-S圖上以面積4-4′-5′-5-4表示；h1′-h1為蒸氣吸收的過熱量，kW，在T-S圖上以面積1′-1-6-6′-1′表示；Δqh為回?zé)釤崃浚琸W。

2）單位制冷量（單位質(zhì)量制冷量）q0′：

式中：cp為定壓比熱容，J/（kg.℃）；hw為汽化潛熱，J/mol。根據(jù)滑遜方程得：

式中：n=0.38；對比溫度Tr=T3/Tc；標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)下的對比溫度Tb，r=Tb/Tc；Tc為臨界溫度，℃；hb為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的汽化潛熱，J/mol。hb可由特魯頓定律［18］得：

式中：k為過程指數(shù)，假設(shè)制冷劑為理想氣體，則k稱為絕熱指數(shù)，Z1=1。

3）單位容積制冷量qv′：

式中：v1′為單位體積，m3；R為氣體常數(shù)，J/（mol.K）。

2　設(shè)備系統(tǒng)及過程

該實(shí)驗(yàn)裝置由蒸氣壓縮式制冷循環(huán)裝置、測量裝置組成，如圖2所示。制冷系統(tǒng)中的制冷劑經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮成高溫高壓的過熱蒸氣后，輸送至冷凝器，通過冷凝器冷凝散熱后形成的制冷劑液體經(jīng)毛細(xì)管限流降壓進(jìn)入蒸發(fā)器。來自毛細(xì)管的兩相混合物在蒸發(fā)器內(nèi)蒸發(fā)，從被冷卻介質(zhì)中吸收所需的汽化熱，達(dá)到制取冷量的目的。該制冷系統(tǒng)在毛細(xì)管進(jìn)口、出口及吸氣管進(jìn)口、出口處，安裝了截止閥以方便更換不同種類的回?zé)崞鳌囟韧ㄟ^標(biāo)定好的銅鏮銅熱電偶測量。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.2 Scheme of experiment equipment

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器

制冷機(jī)組（型號JZAE9430，功率497 W），蒸發(fā)器（型號LZG01-4A，翅片式換熱器，尺寸：1000 mm× 300 mm×300 mm），電子天平（JM5002，精度0.01 g），溫度測試模塊ADAM6018一個(gè)，測溫?zé)犭娕迹ㄐ吞枺篧RC，顯示精度：0.01℃），PC機(jī)一臺。

2.2實(shí)驗(yàn)工況

通過測試軟件，在環(huán)境溫度為20±0.8℃條件下，對四種回?zé)崞鳟a(chǎn)品在同一制冷裝置中的性能進(jìn)行測試。分別測得安裝四種不同回?zé)崞鳟a(chǎn)品后制冷裝置的毛細(xì)管進(jìn)出口溫度（T1，T2）、吸氣管進(jìn)出口溫度（T4，T5）、蒸發(fā)器進(jìn)口溫度（T3）、壓縮機(jī)吸、排氣溫度（T7，T8）及冷柜內(nèi)部溫度（T6）。監(jiān)測記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比、計(jì)算和分析。

2.3實(shí)驗(yàn)過程

保證四種回?zé)崞鞯拿?xì)管長度、吸氣管長度、管徑、環(huán)境溫度相同的條件下，在實(shí)驗(yàn)裝置的相應(yīng)位置布置溫度測點(diǎn)以監(jiān)測溫度變化的情況；為了實(shí)驗(yàn)過程中分析問題的方便，分別對上述回?zé)崞鬟M(jìn)行編號，如圖3所示。其中，毛細(xì)管外穿式回?zé)崞鳎╟apillary wear type），編號為1；鋁箔覆蓋式回?zé)崞鳎╝luminum foil cover type），編號為2；銅錫焊式回?zé)崞鳎╟opper and tin welding type），編號為3；毛細(xì)管內(nèi)穿式回?zé)崞鳎╟apillary inside pipe type），編號為4。對應(yīng)實(shí)驗(yàn)次序?yàn)榈谝唤M、第二組、第三組、第四組；對每組回?zé)崞鬟M(jìn)行性能測試。啟動制冷裝置，每2 min采集毛細(xì)管進(jìn)出口溫度、吸氣管進(jìn)出口溫度、蒸發(fā)器進(jìn)口溫度、壓縮機(jī)吸氣溫度和排氣溫度，觀察記錄實(shí)驗(yàn)過程現(xiàn)象。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1毛細(xì)管進(jìn)、出口溫度

圖4和圖5分別為每種回?zé)崞髟趯?shí)驗(yàn)裝置中毛細(xì)管進(jìn)、出口溫度隨時(shí)間的變化情況。

由圖4可知，毛細(xì)管進(jìn)口溫度隨時(shí)間的變化趨勢由大到小依次為T2＞T1=T3＞T4。

由圖5可知，毛細(xì)管出口溫度隨時(shí)間的變化趨于穩(wěn)定的過程中，溫度由高到低依次為T2＞T1＞T4＞T3。毛細(xì)管出口溫度的高低決定蒸發(fā)器進(jìn)口溫度大小，進(jìn)而決定冷柜內(nèi)溫度的大小，溫度越低，其效率越高。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，第三組和第四組毛細(xì)管的出口溫度低于第一組和第二組的出口溫度。

3.2吸氣管進(jìn)、出口溫度

圖6～圖8所示分別為實(shí)驗(yàn)裝置中吸氣管進(jìn)、出口溫度隨時(shí)間的變化情況。

由圖6可知，吸氣管進(jìn)口溫度隨時(shí)間的變化趨于穩(wěn)定的過程中，溫度由高到低依次為T1＞T2＞T3＞T4。吸氣管進(jìn)口溫度與柜內(nèi)溫度成正比，如圖9所示，柜內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化趨于穩(wěn)定的過程中，溫度由高到低依次為T1＞T2＞T3＞T4。

圖3　四種回?zé)崞鲗?shí)物圖Fig.3 Four type actual object of regenerator

由圖7可知，吸氣管出口溫度隨時(shí)間的變化近似為T1=T2=T3=T4。在同一出口溫度下，進(jìn)口溫度越小說明其換熱性能越好，溫差可以反映換熱情況。

由圖8可知，吸氣管進(jìn)、出口溫差隨時(shí)間的變化趨于穩(wěn)定的過程中，溫度由高到低依次為T4＞T3＞T2＞T1。即在吸氣管換熱性能方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗(yàn)椋好?xì)管內(nèi)穿式回?zé)崞鳌~錫焊式回?zé)崞鳌X箔覆蓋式回?zé)崞鳌⒚?xì)管外穿式回?zé)崞鳌Ｔ诶涔駜?nèi)制冷效果方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗(yàn)椋好?xì)管內(nèi)穿式回?zé)崞鳌~錫焊式回?zé)崞鳌X箔覆蓋式回?zé)崞鳌⒚?xì)管外穿式回?zé)崞鳌?/p>

圖4　毛細(xì)管進(jìn)口溫度Fig.4 Capillary inlet temperature

圖5　毛細(xì)管出口溫度Fig.5 Capillary outlet temperature

圖6　吸氣管進(jìn)口溫度Fig.6 Inlet temperature of suction pipe

圖7　吸氣管出口溫度Fig.7 Outlet temperature of suction pipe

圖8　吸氣管進(jìn)出口溫差Fig.8 Import and export temperature difference of suction pipe

圖9　冷柜內(nèi)部溫度Fig.9 Internal temperature of the air-conditioner

3.3壓縮機(jī)吸、排氣溫度

圖10和圖11所示分別為實(shí)驗(yàn)裝置中壓縮機(jī)吸、排氣溫度隨時(shí)間的變化情況。

從圖中可以看出，各組實(shí)驗(yàn)的吸排氣溫度雖然有所不同，但變化幅度并不大，說明裝有不同回?zé)崞鲿r(shí)制冷系統(tǒng)均運(yùn)行穩(wěn)定，無管道堵塞現(xiàn)象，冷凝器溫度及壓縮機(jī)消耗功率基本相同。

圖10　壓縮機(jī)吸氣溫度Fig.10 Suction temperature of compressor

圖11　壓縮機(jī)排氣溫度Fig.11 Exhaust temperature of compressor

圖12　單位容積制冷量Fig.12 Volumetric refrigeration capacities

3.4單位容積制冷量

圖12所示為裝有不同回?zé)崞鲿r(shí)單位容積制冷量隨時(shí)間變化的情況，由圖可以看出：單位容積制冷量隨著時(shí)間的增長趨于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，單位容積制冷量由大到小進(jìn)行比較依次為q4＞q3＞q1＞q2，單位容積制冷量即指總制冷量，在保證具有相同制冷量的條件下，其大小反映出壓縮機(jī)的尺寸大小，單位容積制冷量越小，購置設(shè)備的費(fèi)用越大。在同一臺壓縮機(jī)提供制冷量時(shí)，會隨著蒸發(fā)溫度的降低而下降，從所測得的蒸發(fā)溫度來看，4種回?zé)崞鞯恼舭l(fā)溫度變化幅度不大，故制冷量越大，表明制冷效果越好。

4　結(jié)論

通過對四種回?zé)崞鳟a(chǎn)品的性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比分析研究，可以得出以下結(jié)論：

1）在毛細(xì)管換熱性能方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗(yàn)椋恒~錫焊式回?zé)崞鳌⒚?xì)管內(nèi)穿式回?zé)崞鳌⒚?xì)管外穿式回?zé)崞鳌X箔覆蓋式回?zé)崞鳌?/p>

2）在吸氣管換熱性能方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗(yàn)椋好?xì)管內(nèi)穿式回?zé)崞鳌~錫焊式回?zé)崞鳌X箔覆蓋式回?zé)崞鳌⒚?xì)管外穿式回?zé)崞鳌?/p>

3）在冷柜內(nèi)制冷效果方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗(yàn)椋好?xì)管內(nèi)穿式回?zé)崞鳌~錫焊式回?zé)崞鳌X箔覆蓋式回?zé)崞鳌⒚?xì)管外穿式回?zé)崞鳌?/p>

4）在單位容積制冷量方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判驗(yàn)椋好?xì)管內(nèi)穿式回?zé)崞鳌~錫焊式回?zé)崞鳌⒚?xì)管外穿式回?zé)崞鳌X箔覆蓋式回?zé)崞鳌?/p>

綜上所述：在同一實(shí)驗(yàn)條件下，在換熱性能方面，毛細(xì)管內(nèi)穿式回?zé)崞髋c銅錫焊式回?zé)崞鞯男阅芑鞠嗤X箔覆蓋式回?zé)崞髋c毛細(xì)管外穿式回?zé)崞餍阅芑鞠嗤仪皟烧咭糜诤髢烧摺Ｔ谥评溲b置總體制冷性能方面，回?zé)崞餍阅苡筛叩降团判蛞来螢椋好?xì)管內(nèi)穿式回?zé)崞鳌~錫焊式回?zé)崞鳌X箔覆蓋式回?zé)崞鳌⒚?xì)管外穿式回?zé)崞鳌?/p>

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Performance Analysis of Small Refrigerating Regenerators

Sheng Wei1，2Liu Guixin1Li Fei1Li Weizhao1
（1.College of Mechanical and Power Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，454003，China；2.New Technology Research Center，Henan Frestech Electrical Co.，Ltd.，Xinxiang，453000，China）

Heat regenerator formed by capillary and suction pipe has an important influence on the performance of small refrigeration equipment.At present，there are four main types of regenerator：capillary wear type，aluminum foil cover type，copper and tin welding type，capillary inside pipe type.Combining with theoretical analysis，the refrigeration performance of regenerator was experimentally studied by capillary inlet and outlet temperature，suction pipe inlet and outlet temperature，evaporator temperature and discharge temperature of compressor suction.The results show that，wear inside the capillary regenerator and copper tin welding type regenerator have the same performance in heat transfer performance.However，the refrigerating capacity per unit of swept volume of capillary inside pipe type regenerator was 17.4％higher than that of capillary wear type and aluminum foil cover type regenerator under the same conditions.The performance of refrigerator can be improved by using capillary inside pipe type regenerator.

heat regenerator；performance test；capillary；small refrigeration device

TB657；TQ051.5

A

0253-4339（2015）05-0081-06

10.3969/j.issn.0253-4339.2015.05.081

2015年11月10日

簡介

盛偉，男，博士，副教授，河南理工大學(xué)，（0391）3987546，E-mail：weisean@163.com。研究方向：制冷新技術(shù)理論與應(yīng)用。About the corresponding author

Sheng Wei，male，Ph.D./associate professor，Hennan Polytechnic University，+86 391-3987546，E-mail：weisean@163.com. Research fields：the new refrigeration technology theory and application.