(天津商業(yè)大學(xué) 冷凍冷藏技術(shù)教育部工程研究中心 天津市制冷技術(shù)工程中心 天津市制冷技術(shù)重點實驗室 天津300134)

制冷系統(tǒng)中冷風(fēng)機多采用分流器對節(jié)流后氣液兩相制冷劑等干度、等流量分配[1]。分流器分流不均會使風(fēng)機得不到充分利用，甚至回氣帶液。而實際工程多采用文丘里式分流器,其分流效果較差，分液不均大幅降低了蒸發(fā)器的傳熱性能[2]。S. Lalot等[3]實驗發(fā)現(xiàn)，制冷劑分配不均會使系統(tǒng)的COP下降約25%，因此亟需設(shè)計一種分流器解決上述問題。有學(xué)者采用優(yōu)化的對稱分流器結(jié)構(gòu)提高了分流性能，但不適合于庫溫變化較大的工況[4-7]。也有學(xué)者采用旋轉(zhuǎn)式分流器，通過離心力將兩相流整定為周向均勻分布的流型，使分流器對變工況的適應(yīng)性增強[8-9]。L. Venkatesh等[10]通過對分流器的CFD模擬發(fā)現(xiàn)，分流器的下游流動壓力變化會影響上游，當(dāng)冷風(fēng)機各支路阻力略有不同時，分流器的分流效果會受到影響。所以有學(xué)者采用帶有噴嘴的分流器，利用噴嘴對氣液混合物進(jìn)行加速，達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀俨⑿纬膳R界流動，使下游流動狀態(tài)的波動不會影響到上游[11-13]，但對變工況的適應(yīng)性差。兩相流的均勻分配過程較為復(fù)雜，與流體管路的流型、氣液比、介質(zhì)的性質(zhì)等有關(guān)[14-15]，僅對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計不能解決分流器在變工況下的適應(yīng)性問題[16-17]。

為了克服上述問題，本文提出了預(yù)混噴嘴式分流器。在分流器中安裝旋流葉片，保證各分流入口接觸氣液相的幾率相等，然后采用噴嘴使制冷劑達(dá)到臨界狀態(tài)。消除了冷風(fēng)機支路流阻不一致導(dǎo)致的分液不均問題，同時增強了分流器對變工況的適應(yīng)性。

1 實驗臺描述

1.1 實驗原理及裝置

實驗中將分流器連入制冷系統(tǒng)，測試分流器出口對應(yīng)的每一支路經(jīng)過換熱器后的過熱度，通過對比過熱度差別來評估分配均勻性。這種方法較容易實現(xiàn)，可以直觀對比分流器的性能。過熱度控制在 3～8 ℃，并將測試出每個支路的過熱度進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，保證最小程度減小實驗誤差，對比各分流器各工況下對應(yīng)冷風(fēng)機的制冷量和傳熱系數(shù)，全面反映分流器的分流性能。

實驗采用直接膨脹供液，將優(yōu)化的幾組分流器先后連接到系統(tǒng)中的同一個冷風(fēng)機下進(jìn)行測試。

分流器實驗臺主要由夾套、冷庫、冷風(fēng)機供冷機組、冷卻水系統(tǒng)、夾套空調(diào)機組、電氣控制室和測量采集裝置組成。圖1所示為冷風(fēng)機測試裝置實驗平臺。

1壓縮機；2油分離器；3水冷式冷凝器；4儲液器；5截止閥；6制冷劑質(zhì)量計；7電磁閥；8視液鏡；9電子膨脹閥；10分流器；11冷風(fēng)機；12氣液分離器；13水泵；14水的質(zhì)量流量計；15電加熱；16加濕器；17夾套的制冷控制系統(tǒng)；T溫度測點；P壓力測點。圖1 冷風(fēng)機測試裝置實驗平臺Fig.1 Experimental platform for cold fan testing device

1.2 分流器A～E的結(jié)構(gòu)特征

圖2所示為分流器A的結(jié)構(gòu)。通過旋流葉片的整流作用使制冷劑氣液分相，然后均勻進(jìn)入各個噴嘴。分流器B是在分流器A的基礎(chǔ)上去除預(yù)混段。

圖2 帶預(yù)混段和噴嘴的分流器(分流器A)的結(jié)構(gòu)(單位：mm)Fig.2 The structure of the shunt with the premixed segment and nozzle

圖3和圖4分別為分流器C和分流器D的結(jié)構(gòu)。分流器C、分流器D均為分相式分流器，通過特殊的分相結(jié)構(gòu)使氣液分相。分流器C中的液相制冷劑進(jìn)入冷風(fēng)機，氣相制冷劑通過上部管道接入冷風(fēng)機出口，因此采用分流器C的冷風(fēng)機各支路進(jìn)口制冷劑為液態(tài)。而分流器D下部支管處設(shè)有結(jié)構(gòu)相同的開口，保證進(jìn)入冷風(fēng)機各支路的制冷劑流量一致，因此采用分流器D的冷風(fēng)機各支路制冷劑為氣液兩相。

圖3 氣液分離式分流器(分流器C)的結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of the gas-liquid separation shunt

圖4 CAL分流器(分流器D)的結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of the CAL shunt

圖5所示為分流器E的結(jié)構(gòu)。分流器E為混相式分流器，通過在分流器入口制冷劑的降壓增速，使氣液兩相制冷劑充分混合，再進(jìn)入蒸發(fā)器支路管道。

圖5 文丘里分流器(分流器E)的結(jié)構(gòu)Fig.5 The structure of the Venturi shunt

1.3 數(shù)據(jù)采集

實驗中通過將熱電偶連接到數(shù)據(jù)采集器GP20對分流器各支路的冷風(fēng)機前后溫度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。庫房內(nèi)溫度采集是將熱電偶布置在庫房的各個庫角處，最后取平均值。測試系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)，實驗室的設(shè)備數(shù)據(jù)誤差≤0.5%。

各測量儀器精度：冷庫漏熱系數(shù)為17.6 W/℃；溫度在-25～10 ℃范圍內(nèi)(內(nèi)外溫差<28 ℃)時，冷庫的漏熱量≤500 W；溫度不均勻性<0.5 ℃；溫度波動<0.3 ℃；溫度測量誤差≤0.5 ℃；壓力測量誤差≤0.2%；質(zhì)量流量測量誤差≤0.2%。

2 實驗數(shù)據(jù)處理

2.1 制冷量處理方法

對于制冷量的處理采用兩種方法：空氣側(cè)熱平衡法和制冷劑側(cè)焓差法，實驗中要求兩者的誤差不超過3%。

1)空氣側(cè)熱平衡法

利用空氣側(cè)熱平衡法測量冷風(fēng)機空氣側(cè)供冷量的計算公式:

Qm=Kc(T3-T4)+Q1+Q2

(1)

式中：Kc為庫房內(nèi)漏熱系數(shù)，W/℃；T3為夾套內(nèi)溫度，℃；T4為庫溫，℃；Q1為庫房內(nèi)加熱器輸入熱量，W；Q2為冷風(fēng)機電機散熱量，W。

2)制冷劑側(cè)焓差法

利用制冷劑側(cè)焓差法測量冷風(fēng)機制冷劑側(cè)供冷量的計算公式:

Qn=qm(H2-H1)

(2)

式中：qm為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；H1為進(jìn)入冷風(fēng)機液體制冷劑焓值，kJ/kg；H2為離開冷風(fēng)機氣體制冷劑焓值，kJ/kg。

3)平均制冷量

冷風(fēng)機實際供冷量為上述兩種方法的平均值：

Q=0.5(Qm+Qn)

(3)

式中：Qm為熱平衡法供冷量，W；Qn為焓差法供冷量，W。

2.2 過熱度處理方法

為了更好的分析分流器A各支路分流情況，引入總過熱度偏差率的不均勻度，作為評價冷風(fēng)機各支路分流優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，此方法誤差更小，能精確地反映出分流器各支路的分流情況：

(4)

計算各支路的平均過熱度后，利用公式(4)計算總過熱度偏差率的不均勻度。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 平均過熱度分析

圖6所示為5種分流器的平均過熱度隨庫溫的變化。由圖6可知，過熱度隨著庫溫的降低而減小，在整個工況范圍內(nèi)，分流器A的平均過熱度最小。分流器E的冷風(fēng)機平均過熱度最大，說明冷風(fēng)機供液不足或分流不夠均勻。當(dāng)溫度低于-8 ℃時，除分流器E外，其他分流器平均過熱度都接近3 ℃，且不超過3 ℃，冷風(fēng)機的供液充分，狀況優(yōu)于-8 ℃工況。

圖6 5種分流器的平均過熱度隨庫溫的變化Fig.6 The average superheat of the five shunts with the change of the temperature of library temperature

3.2 不均勻度分析

圖7 5種分流器不均勻度隨庫溫的變化Fig.7 The variation of the unevenness of the five shunts with the temperature of the cold storage

圖7所示為5種分流器不均勻度隨庫溫的變化。由圖7可知，隨著庫溫的下降，分流器的不均勻度成下降趨勢。因為隨著庫溫的降低，冷風(fēng)機所需的制冷劑減少，制冷劑流速降低，分流器A經(jīng)過旋流葉片整流后流型更加穩(wěn)定，隨著庫溫的降低，當(dāng)接近設(shè)定工況時(蒸發(fā)溫度-25 ℃，庫溫為-18 ℃)，噴嘴的分配效果最好，不均勻度僅為0.78%，說明預(yù)混噴嘴式分流器各支路過熱度差別小，基本上已達(dá)到各支路均勻供液。在-20 ℃庫溫下，分流器A和分流器B不均勻度有所上升是因為偏離了設(shè)計工況導(dǎo)致。整體而言，分流器不均勻度從高到低為：A>B>C>D>E。在設(shè)計工況下，分流器A、B的分流效果最好，在庫溫為-20～-16 ℃時，分流器A、B具有較好的效果。可以看出分流器A和B的不均勻度隨著庫溫的降低下降較快，且分流器A的分流效果優(yōu)于分流器B。因為隨著庫溫的降低，蒸發(fā)溫度降低，制冷壓縮機的輸氣量減少，制冷劑的質(zhì)量流量減小，導(dǎo)致流速降低，噴嘴喉部制冷劑流速逐漸靠近臨界流速，分流效果顯著提高。分流器A的旋流葉片和整流器使制冷劑到達(dá)各個噴嘴入口的流型較分流器B均勻，所以分流器A的不均勻度優(yōu)于分流器B。對于分流器C、D、E，庫溫和蒸發(fā)溫度的降低對其不均勻度的影響較分流器A和B小，分流效果均較差。

3.3 制冷量與傳熱系數(shù)

圖8所示為分流器制冷量在各個庫溫下的對比。由圖8可知，制冷量隨庫溫的升高而增大。在各工況下，裝有分流器A的冷風(fēng)機比分流器B、C、D、E的制冷量大，因此分流器A在-20～0 ℃范圍內(nèi)具有優(yōu)異的分流效果。在-18 ℃的庫溫下(設(shè)計工況)，A和B的差值明顯，說明預(yù)混段的加入對分流性能有很大提升。而在較高庫溫下，A、B差值減小，這是因為在高庫溫下制冷劑質(zhì)量流量大，旋流葉片的預(yù)混效果不佳使分流效果變差，但仍優(yōu)于分流器B。

圖8 5種分流器制冷量在各個庫溫下的對比Fig.8 The comparison of five shunts refrigerating capacity under different cold storage temperatures

圖9所示為分流器傳熱系數(shù)在各個庫溫下的對比。由圖9可知，采用新型優(yōu)化的分流器A提高了冷風(fēng)機的傳熱系數(shù)，明顯改善了冷風(fēng)機傳熱性能，相比于分流器D、E，分流效果尤為突出。當(dāng)庫溫為-18～-12 ℃時，采用分流器A的冷風(fēng)機傳熱系數(shù)變化較少，甚至有所降低。這是因為此時分流器A的不均勻度迅速增大，導(dǎo)致回氣有部分制冷劑吸熱不足未完全達(dá)到飽和，而在-8 ℃以后分流器A、B的不均勻度逐漸靠近?？梢钥吹椒至髌鰽、B的變化趨勢一致：庫溫為-20～-18 ℃時，冷風(fēng)機傳熱系數(shù)增大；庫溫為-18～-12 ℃時，傳熱系數(shù)變化較??；庫溫為-12～0 ℃時，傳熱系數(shù)繼續(xù)增大；分流器C、D、E變化趨勢一致：庫溫為-20～-12 ℃時，傳熱系數(shù)緩慢上升；庫溫為-12～0 ℃時，傳熱系數(shù)迅速上升；因此，采用預(yù)混噴嘴的分流器A在6 ℃左右的庫溫變化下，仍具有較好的分流效果。

圖9 5種分流器傳熱系數(shù)在各個庫溫下的對比Fig.9 The comparison of five shunts heat transfer coefficient under different cold storage temperatures

3.4 冷風(fēng)機綜合性能系數(shù)

為了更直觀的表現(xiàn)冷風(fēng)機的性能改善效果，以制冷量和傳熱系數(shù)的平方和的根作為冷風(fēng)機的綜合性能表現(xiàn)，即冷風(fēng)機綜合性能系數(shù)P：

式中：Q為冷風(fēng)機的供冷量，W；k為冷風(fēng)機的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)。

圖10所示為冷風(fēng)機性能系數(shù)隨庫溫的變化。由圖10可知，性能系數(shù)(半徑)越大，表明性能越好。各工況下，采用分流器A的冷風(fēng)機綜合性能系數(shù)最大。庫溫為-18～-4 ℃時，冷風(fēng)機綜合性能提高顯著，-4 ℃時性能最好，分流器A在較大的庫溫工況內(nèi)對冷風(fēng)機性能均有較好的提升。因此，新型分流器對冷風(fēng)機綜合性能的改善有較大幫助。

圖10 冷風(fēng)機綜合性能系數(shù)隨庫溫的變化Fig.10 Comprehensive coefficient of performance of air cooler changes with the cold storage temperature

4 結(jié)論

本文搭建了冷風(fēng)機測試實驗臺，采用熱平衡法和焓差法，并在-20～0 ℃庫溫下測量了冷風(fēng)機的制冷量、傳熱系數(shù)和出口過熱度，得到了5種分流器的不均勻度。通過分流器在-20、-16、-12、-8、-4、0 ℃和設(shè)計庫溫下的對比，得到如下結(jié)論：

1)預(yù)混噴嘴式分流器(分流器A)能夠明顯改善制冷劑分流效果，使分液更均勻，提高了冷風(fēng)機利用效率。在設(shè)計工況下，相對于分流器B、C、D、E，不均勻度減小了66.1%、87.8%、88.5%、89.6%，冷風(fēng)機綜合性能提高了5.6%、10.8%、16.5%、17.5%。

2)采用噴嘴的分流器A、B在設(shè)計工況下具有較小的不均勻度，噴嘴對改善冷風(fēng)機均勻度效果顯著。采用噴嘴的分流器性能還受入口制冷劑流動狀態(tài)的影響，分流器A通過添加旋流葉片整流使不均勻度由2.305降至0.781。因此，對噴嘴入口制冷劑的流型整定是必要的。

3)在偏離設(shè)計工況時，采用分流器A的冷風(fēng)機不均勻度隨偏離程度逐漸增大，因此對于不同的工作工況，需采用不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的預(yù)混噴嘴式分流器，以提高冷風(fēng)機及系統(tǒng)的性能。本實驗采用的噴嘴在大約6 ℃的庫溫變化下，仍然具有較好的分流性能，所以為了保證工作效率，采用分流器A、B的冷庫溫度波動不應(yīng)超過6 ℃。

本文受天津市自然科學(xué)基金(16JCQNJC06600)項目資助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Tianjin (No.16JCQNJC06600).)