探究不同制冷劑在重力再循環制冷系統中的應用

肖鵬 吳建偉 王洪宇

摘要：重力再循環制冷系統加快蒸發器內工質流動以優化換熱效果，在實際生產生活中得到廣泛應用。本文介紹重力再循環制冷系統制冷劑研究現狀，研究不同制冷劑對重力再循環制冷系統制冷效果的影響，以找出最佳的制冷劑類型，在確保系統制冷效果的同時實現節能環保。

關鍵詞：重力再循環制冷系統;制冷劑;制冷效果

引言：重力再循環制冷系統借助熱虹吸原理實現工質循環過程，始終保持管壁的濕潤狀態，提高蒸發器工質的換熱效果。相較于其他類型的制冷系統，重力再循環制冷系統可提高蒸發器工質換熱系數，同時有助于內部油料排出，確保蒸發器供液穩定。制冷劑類型與系統制冷效果發揮密切相關，為充分發揮重力再循環制冷系統技術優勢，需要對不同制冷劑在系統中的應用情況做具體分析。

一、制冷劑研究現狀

制冷劑為制冷系統循環蒸發器的能量傳輸介質，有學者研究R1234yf、R717、R32、R22四種制冷劑在物理特性、兼容性、熱工性等方面的差異，發現R1234yf制冷劑的表現更優，可用以取代R22、R717制冷劑。另有學者分析R32、R410A、R290對R22的代替效果，發現R32更具發展前景。國外學者對比分析汽車制冷系統中R123yf與R124a兩種制冷器的作用表現，總結環保性、安全性、經濟性、制冷效果等，發現兩種制冷劑的性能差異不大[1]。

在可持續發展背景下，制冷劑的選擇除了要考慮系統制冷效果和運行經濟性，還需兼顧安全環保的特點。因此本文從常見制冷劑中選擇R22、R717、R410A和R407C四種制冷器，找到適用于重力再循環制冷系統的制冷劑類型。

二、制冷劑對重力再循環制冷系統制冷效果的影響

（一）變量選擇

本文以蒸發器傳熱系數和氣液分離器供液高度，衡量不同類型制冷劑在重力再循環制冷系統中的應用效果。其中，重力再循環制冷系統蒸發器的換熱系數計算基于肋側表面積進行，計算公式為。其中，αi表示制冷劑側的換熱系數;αof表示空氣側的換熱系數;γi表示制冷劑側污垢熱阻;γof表示空氣側污垢熱阻;δ表示蒸發管壁壁厚;λ表示蒸發管導熱系數;ηf表示翅片效率;Aof表示肋側表面積;Ar表示肋片間根部表面積，Af表示肋片表面積。氣液分離器則負責制冷劑氣體中液體的過濾，避免壓縮機液擊，同時為蒸發器中工質循環提供動力。

（二）模型構建

借助MATLAB軟件及NIST軟件，構建數學模型，模擬四種制冷劑在重力再循環制冷系統中的應用情況，分析不同制冷劑的應用效果。模型中變量包括蒸發溫度、冷凝溫度、壓縮機理論輸氣量、蒸發管管徑和循環倍率，分析不同工況條件下蒸發器傳熱系數及氣液分離器供液高度變化情況，實驗條件設置如表1。

（三）結果分析

1.蒸發溫度

1.1傳熱系數

蒸發器傳熱系數與蒸發溫度正相關，隨蒸發溫度提升，傳熱系數增幅逐漸降低。引發該結果的原因為蒸發溫度上升帶動蒸發壓力增加，因冷凝壓力不變，壓縮機壓縮比降低、輸氣系數增加，進氣與排氣量上升，蒸發管內制冷劑流量增大，因制冷劑側傳熱系數上升，導致蒸發器傳熱系數上升[2]。實驗發現，在相同蒸發溫度下，四種制冷劑對應傳熱系數最高的為R717，然后為R410A、R22和R407C。

1.2供液高度

氣液分離器供液高度與蒸發溫度正相關，隨蒸發溫度提升，供液高度增幅逐漸增大。引發該現象的原因為，蒸發溫度上升導致壓縮機輸氣系數上升，管內制冷劑流速加快，帶來更大的壓降，需要更大的供液高度。同一蒸發溫度下，四種制冷劑對應供液高度最高的為R410A，然后為R22、R407C和R717。

2.蒸發管管徑

2.1傳熱系數

實驗發現，隨蒸發管管徑增大，蒸發器傳熱系數表現為先增后減的趨勢，四種制冷劑對應傳熱系數的變化規律相同，但蒸發系數達到最大值所對應的管徑不同。在同一管徑下，R410A對應的蒸發器傳熱系數最高，其次為R717。當蒸發管管徑為0.02m時，R410A對應的傳熱系數達到最大值，R717傳熱系數則在0.017m的管徑下達到最大值。

2.2供液高度

氣液分離器供液高度與蒸發管管徑之間負相關，主要是由于管徑增加會間接降低制冷劑流速，壓降縮小導致供液高度下降。實驗還發現，供液高度降低幅度隨蒸發管管徑上升而呈指數型變化，當蒸發管管徑達到0.028m時，不同制冷劑對應供液高度趨近于0。當蒸發管管徑相同時，R410A的供液高度需求最大，R717的供液高度需求最小。

2.3循環倍率

2.3.1傳熱系數

蒸發器傳熱系數與循環倍率正相關，主要是由于循環倍率增加會加快制冷劑流速，提高制冷劑側的濕潤程度，因該側的換熱系數增大導致蒸發器傳熱系數上升。相同傳熱系數下，四種制冷劑對應傳熱系數最高的為R410A，其次為R717、R22和R407C。

2.3.2供液高度

氣液分離器供液高度與循環倍率正相關，主要是由于循環倍率增加會加快制冷劑流速，系統壓降上升，蒸發器的供液需求上升。當傳熱系數相同時，四種制冷劑對應供液高度最高的為R410A，最低的為R717。

綜上，在重力再循環制冷系統中，若蒸發溫度相同，R717對應的傳熱系數最高，且供液高度需求最低;若蒸發管管徑相同，R717的供液高度需求最低，且傳熱系數僅次于R410A;若循環倍率相同，R717的供液高度需求最低，且傳熱系數僅次于R410A。因此有理由認為，在本文研究的四種制冷劑中，R717與重力再循環制冷系統的適應性最高，可在保證系統制冷效果的同時，降低系統能耗。

結論：蒸發器傳熱系數及氣液分離器供液高度可分別衡量重力再循環制冷系統的輸出和能耗情況，由此得出的不同制冷劑使用效果結論可靠性較強，在制冷劑選擇中，可參考實驗結果，提高制冷系統運行綜合效益。

參考文獻：

[1]王赫，臧潤清.重力再循環制冷系統與直接膨脹制冷系統的對比研究[J].流體機械，2018，46（08）：66-70.

[2]張秋玉，臧潤清，阮建文，等.不同制冷劑在重力再循環制冷系統中的應用研究[J].低溫與超導，2018，46（02）：70-74+80.

作者簡介：

肖鵬（1993.8-），男，漢族，遼寧省丹東市人，本科學歷，助理工程師，研究方向：制冷設備研發。