胡漢華

引言

為了降低成本，簡化制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)同時為保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行啤酒冷卻機(jī)的制冷系統(tǒng)采用毛細(xì)管進(jìn)行節(jié)流，但因毛細(xì)管屬不可調(diào)節(jié)的節(jié)流元件，為此制冷系統(tǒng)中制冷劑充注量對系統(tǒng)性能特別是制冷量影響很大.制冷劑加入量過多或過少都是不利的。制冷劑量不足使蒸發(fā)器未完全充滿，蒸發(fā)壓力降低，壓縮機(jī)吸氣過熱度增加，因此蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)和制冷量都減??；另一方面制冷劑量過多時，將導(dǎo)致冷凝器的有效傳熱面積減少，引起冷凝溫度和壓力升高，引起制冷量下降和能耗增加。對于一般的家用制冷器具每個公司都有自己的一套經(jīng)驗(yàn)做法，大多數(shù)以實(shí)驗(yàn)方法為主，但較費(fèi)時費(fèi)力。而有些文獻(xiàn)介紹的利用經(jīng)驗(yàn)公式計算，但經(jīng)驗(yàn)公式通用性不強(qiáng)，準(zhǔn)確程度差。在新產(chǎn)品開發(fā)過程中，制冷劑充注量的確定成了實(shí)驗(yàn)工作量最大的環(huán)節(jié)，約占全部實(shí)驗(yàn)工作量的40%。因此，如能以計算的方法確定充注量，以實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證，在生產(chǎn)中將有相當(dāng)大的應(yīng)用價值。

1、制冷劑充注量對系統(tǒng)性能的影響

對于毛細(xì)管內(nèi)經(jīng)和長度一定的制冷系統(tǒng)，為達(dá)到最大的能效比，制冷劑的充注量有一個最佳值。制冷劑在壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器等熱力設(shè)備中進(jìn)行壓縮，放熱、節(jié)流和吸熱四個主要過程，以完成制冷循環(huán)。圖1是理論的制冷循環(huán)壓焊圖上的表示，從圖中我們可以知道理論制冷系數(shù)為ε=（h1-h3）/（h2-h1）。當(dāng)制冷劑充注量偏多時實(shí)際循環(huán)由1-2-4-5-1變成為1-2′-4′-5′-1，如圖2所示。由于制冷劑過量造成冷凝器中存有大量制冷劑液體占據(jù)冷凝換熱面積，造成換熱效果差冷凝溫度升高、冷凝壓力升高，同時將會造成壓縮機(jī)排氣壓力（冷凝壓力）升高，壓縮機(jī)負(fù)荷及耗電量增大，壓縮機(jī)的理論功耗由Wc變?yōu)閃c′=h2′-h1>h2-h1，而制冷劑單位質(zhì)量制冷能力q0變?yōu)閝0′=h1-h5′< h1-h5，在其他條件不變的情況下，壓縮機(jī)的制冷量減少，系統(tǒng)的能效比下降。由于制冷劑過多造成壓縮機(jī)吸入大量的液態(tài)制冷劑造成液擊，極其容易引起壓縮機(jī)的損壞，影響制冷效果，系統(tǒng)運(yùn)行工況惡劣，嚴(yán)重時將有事故發(fā)生的可能！系統(tǒng)中的制冷劑充注量過少，最突出的問題是蒸發(fā)器的供液量不足，使得蒸發(fā)壓力由Pe下降倒Pe′，制冷量下降，壓縮機(jī)的壓縮比（或壓力差）增加，效率降低，排氣和運(yùn)轉(zhuǎn)溫度增高，制冷溫度下降緩慢或根本不下降，耗電量增加。循環(huán)成為1′—2′—4—5′—1′.系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作，平均制冷量很小。

圖3 制冷劑過少的制冷循環(huán)

2、制冷劑充注量的計算

圖4表示制冷劑充注量和制冷量的關(guān)系，我們從圖中發(fā)現(xiàn)當(dāng)系統(tǒng)的制冷量達(dá)到最大時，必然有一個最佳的制冷劑量和之匹配。制冷劑注入量的精確計算，迄今還沒有得到很好解決，目前歸納起來有以下幾種方法：（1）經(jīng)驗(yàn)估算法：按照制冷系統(tǒng)各容器容積乘以不同系數(shù)，相加后為系統(tǒng)內(nèi)的充注容系統(tǒng)充注質(zhì)量可根據(jù)下述公式計算：

m=νρ

式中m——系統(tǒng)內(nèi)充注制冷劑的質(zhì)量，單位為kg；

ν——系統(tǒng)內(nèi)充注的容積，單位為m3；

ρ——制冷劑在充注溫度下的密度，單位為kg/m3。

（2）觀察法：這種方法是在壓縮機(jī)運(yùn)行的情況下邊充制冷劑，邊檢查充注壓力，邊觀察蒸發(fā)器的結(jié)霜情況、冷凝器的溫度、低壓吸氣管的溫度、壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)電流等。直到蒸發(fā)器全部結(jié)霜，壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)電流不超過額定電流時，就停止充制冷劑。

（3）經(jīng)驗(yàn)公式法：這種方法是經(jīng)過長期的實(shí)踐工作得出來的，在一定條件下使用較準(zhǔn)確，一般使用以下公式計算：

m——系統(tǒng)內(nèi)充注制冷劑的質(zhì)量，單位為g；

Vn---蒸發(fā)器內(nèi)部容積，單位為cm3；

Vk---冷凝器內(nèi)部體積，單位為cm3。

（4）額定工況計算法：是根據(jù)制冷劑在制冷系統(tǒng)內(nèi)的不同狀態(tài)，查出它的密度和液體及蒸氣所占容積的比例，然后按運(yùn)行時各容器的狀態(tài)算出其質(zhì)量。

2.1啤酒冷卻機(jī)中制冷劑充注量的計算

啤酒冷卻機(jī)的負(fù)荷是不穩(wěn)定，特別是剛開始連續(xù)放啤酒的時候，需要的制冷量較大，而在低流量的情況下，則不需要太多的制冷量，因此必須在回氣管上加設(shè)了汽液分離器或在冷凝器后加設(shè)儲液筒，用來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的制冷量。如圖5所示。這樣一來既可以避免壓縮機(jī)汽缸的液擊，同時也可以保證足夠的制冷量。

圖5 啤酒制冷劑系統(tǒng)示意圖

因此不能用以前的經(jīng)驗(yàn)公式來計算方法來確定制冷劑的充注量，必須根據(jù)自身特點(diǎn)加以修正，啤酒冷卻機(jī)的加液量比一般的小型制冷裝置要大。制冷劑在系統(tǒng)中狀態(tài)不斷變化，根據(jù)其狀態(tài)可將系統(tǒng)分幾段，逐段計算出系統(tǒng)各部分的制冷劑量后即可得出充注量.以毛細(xì)管節(jié)流的制冷系統(tǒng)，冷凝器中必須存一定的制冷劑液體。為保證系統(tǒng)能在變工況條件下正常工作，當(dāng)毛細(xì)管流量最大時，冷凝器應(yīng)能保持液封.此時冷凝器中為汽液兩相；相同的蒸發(fā)器中為開始階段為液相，后隨著制冷劑的蒸發(fā)，液態(tài)全部變成氣態(tài)，因此蒸發(fā)器中液為汽液兩相；毫無疑問干燥過濾器中的制冷劑為過冷液態(tài)；在額定狀況下汽液分離器中制冷劑應(yīng)該是氣態(tài)。因此根據(jù)上面的分析我們可以計算出啤酒冷卻機(jī)中制冷劑的充注量m。蒸發(fā)器內(nèi)氣體制冷劑的量：m1；蒸發(fā)器內(nèi)液體制冷劑的量：m2；冷凝器中氣體制冷劑的量：m3冷凝器中液態(tài)制冷劑的量：m4；干燥過濾器中的液態(tài)制冷劑的量：m5；汽液分離器中的氣態(tài)制冷劑的量：m6；因此啤酒冷卻機(jī)中所需制冷劑的充注量為m=m1+m2+m3+m4+m5+m6。啤酒冷卻機(jī)的工況是：過冷度為5，過熱度為20，制冷劑為R134a。通過查壓焓圖和熱力性質(zhì)表中得到所需的參數(shù)。25時，液態(tài)制冷劑密度0.82827*10-3 m3/kg，氣態(tài)制冷劑密度為0.030723m3/kg；時，液態(tài)制冷劑密度，氣態(tài)制冷劑密度為；蒸發(fā)器入口制冷劑的干度，出口干度為1，因此蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的平均干度為。而冷凝器內(nèi)的干度取平均經(jīng)驗(yàn)值。得到制冷劑的充注量為m=m1+m2+m3+m4+m5+m6=0.7*0.01*Vn+0.3*1.3275* Vn+0.85*0.059* Vk+0.15*1.1215* Vk+0.01*Vs+1.1475*Vd=0.40525Vn+0.218375Vk+0.01Vs+1.15Vd（kg）

考慮到系統(tǒng)中必須有的連接管路和潤滑油中容有的制冷劑給上式添加一個合適的系數(shù)k，將會使計算得出的充注量更加合理和可操作性。經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)得出k=1.05，即啤酒冷卻機(jī)制冷劑的充注量為m=1.05（0.40525Vn+0.218375Vk+0.01Vs+1.15Vd）（kg）

3、驗(yàn)證與結(jié)論

應(yīng)用上述計算方法，對V-100系列啤酒冷卻機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證，得出計算誤差為3.5%，充注量優(yōu)化實(shí)驗(yàn)僅進(jìn)行2次，時間與費(fèi)用均大幅下降。由以上討論可得出如下結(jié)論：1）制冷劑充注量與制冷量之間存在最佳匹配關(guān)系，且制冷量最大時能效比最高。2）用計算的方法確定充注量，準(zhǔn)確程度高，能減少70%的實(shí)驗(yàn)工作量。

（作者單位：浙江心連心電器有限公司）