呂凱萍 曹 雪 杜鵬飛 王德昌 李立順

（1、青島大學(xué)能源工程研究所，山東 青島266071 2、江蘇中科君達物聯(lián)網(wǎng)股份有限公司，江蘇 宿遷223800）

兩相流熱交換器廣泛地應(yīng)用在各個行業(yè)中，為了減少能源損耗，換熱器的高效利用尤為重要。換熱器在制冷系統(tǒng)中是必不可少的重要設(shè)備，其換熱性能必然會影響整個制冷系統(tǒng)的性能，對制冷設(shè)備的節(jié)能降耗具有重要的作用。

通常提高換熱器性能的主要措施是在保證壓降允許的前提下提高換熱系數(shù)，而換熱器換熱系數(shù)在制冷系統(tǒng)運行過程中受飽和溫度、質(zhì)量流量、蒸氣干度、熱流密度、雷諾數(shù)等各種因素影響，導(dǎo)致?lián)Q熱器性能相差較大。

同時，熱交換器的幾何形狀和表面結(jié)構(gòu)[1-2]、熱交換器的材質(zhì)[3]和制冷劑的種類[4-5]等也會影響其換熱性能。通過研究不同影響因素對熱交換器換熱性能的影響，可以實現(xiàn)高性能熱交換器的設(shè)計。

目前，許多研究人員建立了換熱器測試平臺并對換熱器性能進行了研究，但是現(xiàn)研究對象多集中于單根管，且實驗中制冷劑流量較大，這與冰箱換熱器的實際情況相差較大，為盡可能接近冰箱實際運行條件，開發(fā)一套小流量調(diào)節(jié)精確的換熱器性能測試系統(tǒng)尤為重要，通過此測試系統(tǒng)，可對不同實驗條件，不同結(jié)構(gòu)形式的換熱器性能及制冷劑流動情況進行測試。

1 實驗系統(tǒng)及方法

1.1 實驗系統(tǒng)

圖1 為原測試系統(tǒng)圖，包括測試回路、板式換熱器控溫回路和儲液器B 控溫回路。測試回路制冷劑采用齒輪泵提供循環(huán)動力，回路主要包括齒輪泵、質(zhì)量流量計、蒸發(fā)電加熱器5、過冷器、直流電加熱器6、視液鏡、測試換熱器、板式換熱器、儲液器A 和儲液器B。測試回路壓力通過儲液器A 中制冷劑溫度控制，為保證齒輪泵入口制冷劑為純液態(tài)，通過儲液器B 對回路制冷劑進一步過冷?？販鼗芈分饕▔嚎s機、冷凝器、儲液器、干燥過濾器、膨脹閥、控溫電加熱器及位于測試回路中的部分。為防止制冷劑液滴進入壓縮機，在控溫壓縮機前設(shè)置電加熱器，保證壓縮機入口制冷劑有一定過熱度。

圖1 原測試系統(tǒng)圖

測試回路和控溫回路中電加熱器，為將電加熱器放于盲管內(nèi)，再將盲管放置于制冷劑管路中，制冷劑走環(huán)形空間。

圖2 改造測試系統(tǒng)圖

圖3 實驗系統(tǒng)穩(wěn)定性及重復(fù)性驗證

測試蒸發(fā)器時，測試回路和兩個控溫回路同時運行，測試蒸發(fā)器出口的制冷劑蒸氣在板式換熱器內(nèi)冷凝，直流電加熱器6 用以控制蒸發(fā)器入口制冷劑干度；測試冷凝器時，測試回路和儲液器B 控溫回路同時運行，板式換熱器控溫回路根據(jù)需要開啟，測試冷凝器前制冷劑在蒸發(fā)電加熱器5 中蒸發(fā)并過熱。

對該實驗系統(tǒng)進行穩(wěn)定性和重復(fù)性驗證，結(jié)果顯示該實驗系統(tǒng)穩(wěn)定性和重復(fù)性良好，且制冷劑流量可通過泵轉(zhuǎn)速準確調(diào)節(jié)。但是在實驗過程中發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)所用加熱方式，在控制系統(tǒng)故障時容易出現(xiàn)局部加熱溫度過高導(dǎo)致制冷劑管破裂，甚至有引發(fā)火災(zāi)的危險，且因為未對換熱器外側(cè)空氣狀態(tài)進行控制，導(dǎo)致測試對天氣和時間要求較高，實驗效率低。

改造測試系統(tǒng)，包括制冷劑供應(yīng)系統(tǒng)、恒溫循環(huán)風(fēng)道、控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。制冷劑供應(yīng)系統(tǒng)如圖2 所示，包括測試回路和控溫回路。

控溫回路分別為冷凝器、過冷器和預(yù)熱器提供冷量，測試回路制冷劑壓力通過冷凝器控制。冷凝器、過冷器、預(yù)熱器、再熱器和壓縮機回氣加熱器為充注有R141b 制冷劑的銅罐，內(nèi)部設(shè)有蒸發(fā)、冷凝盤管和電加熱器，通過PID 調(diào)節(jié)加熱溫度，電加熱器始終處于液態(tài)制冷劑中，與傳統(tǒng)的加熱器通過盲管直接放置于被加熱管路中的加熱方式相比，避免了控制系統(tǒng)故障時電加熱器持續(xù)加熱使銅管局部破損導(dǎo)致制冷劑泄露甚至引發(fā)火災(zāi)的危險。

恒溫循環(huán)風(fēng)道由有機玻璃制成，放置于恒溫室中。內(nèi)部風(fēng)量通過離心風(fēng)機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)， 并根據(jù)國家標準《GB/T1236-2017》，利用流量噴嘴測量。風(fēng)道內(nèi)安裝有喉部直徑分別為15mm、20mm、25mm、25mm 的四個噴嘴，根據(jù)風(fēng)量的不同選擇開啟不同的噴嘴，為均勻氣流保證測量的準確性，在噴嘴前后安裝導(dǎo)流柵。

1.2 實驗方法

對于改造后系統(tǒng)，測試蒸發(fā)器時，先打恒溫室內(nèi)制冷系統(tǒng)，根據(jù)需要設(shè)定內(nèi)部溫度并通過PID 控制設(shè)定空氣流量，選擇開啟流量噴嘴，待風(fēng)道內(nèi)部條件接近設(shè)定值時，關(guān)閉MV1、MV5，打開MV2、MV3，開啟測試回路和控溫回路，根據(jù)測試換熱器大小調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)系統(tǒng)制冷劑流量，根據(jù)測試條件通過PID 控制調(diào)節(jié)各換熱罐中加熱器功率。測試冷凝器時，閥門MV2、MV3 關(guān)閉，MV1、MV5 開啟，預(yù)熱器調(diào)節(jié)測試冷凝器入口制冷劑狀態(tài)，測試回路中再熱器相當(dāng)于蒸發(fā)器，冷凝器出口的液態(tài)制冷劑在再熱器內(nèi)吸熱蒸發(fā)，以制冷劑蒸氣狀態(tài)進入壓縮機回氣加熱器內(nèi)再次加熱，達到要求的吸氣溫度。

2 改造后系統(tǒng)穩(wěn)定性、重復(fù)性及準確性驗證

對某一工況進行三次重復(fù)性實驗，對系統(tǒng)制冷劑流量、測試蒸發(fā)器入口制冷劑溫度及測試蒸發(fā)器入口制冷劑壓力進行觀測，結(jié)果如圖3 所示，可以看出三次實驗中制冷劑流量及測試蒸發(fā)器入口制冷劑溫度、壓力穩(wěn)定性良好，且具有很好的重復(fù)性。

為確保實驗系統(tǒng)所測結(jié)果的準確性，根據(jù)測試蒸發(fā)器生產(chǎn)商提供的實驗條件，利用該實驗系統(tǒng)在相同的實驗條件下對測試蒸發(fā)器的換熱量及換熱系數(shù)進行測試，結(jié)果如表。由于儀表誤差、實驗人員操作及系統(tǒng)內(nèi)潤滑油含量等因素，實驗條件無法達到與要求條件完全一致，但是偏差均在8%以內(nèi)，處于可接受范圍，測試蒸發(fā)器換熱量偏差為0.9%，進一步驗證了該實驗系統(tǒng)的準確性。

蒸發(fā)器實驗數(shù)據(jù)與生產(chǎn)商提供數(shù)據(jù)比較

3 結(jié)論

建立了冰箱換熱器性能測試實驗系統(tǒng)并進行了優(yōu)化改造，經(jīng)過系統(tǒng)穩(wěn)定性、重復(fù)性及驗證，驗證了測試系統(tǒng)的可靠性，并通過對蒸發(fā)器樣品的測試，驗證了實驗系統(tǒng)的準確性。