雙罐式氣泵供液與直接供液制冷系統(tǒng)對(duì)比研究

1、 低溫與超導(dǎo) 第 4 2 卷 第 7 期 制 冷技 術(shù) R e f r i g e r a t i o nCr y o ． & S u p e r c o n dVo l J 4 2N o ． 7雙 罐 式氣 泵供 液 與 直 接 供 液 制冷 系統(tǒng) 對(duì) 比研 究 劉一夫 ， 張晨 陽， 臧 潤清 ( 天津商業(yè)大學(xué)天津市制冷技術(shù)重 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ， 天津 3 0 0 1 3 4 )摘要 ： 雙罐式氣泵供液是指利 用系統(tǒng)的更高等壓

2、力 能作為供 液壓 頭將制冷 劑送至 蒸發(fā)器 ， 通過 調(diào)節(jié)供 液壓頭 的開度使蒸發(fā)器 中供 液量大于蒸發(fā)量 ， 來強(qiáng)化蒸發(fā)器管 內(nèi)流體 的沸騰換熱 ， 增加管 內(nèi)制 冷劑側(cè) 系數(shù) ， 最終提 高蒸發(fā) 器傳熱效率。本文主要介紹雙罐式氣泵供液制冷系統(tǒng)運(yùn)行原理， 并采用 J ． C h a w l a 關(guān)系式數(shù)值模擬氣泵供液制冷系 統(tǒng) 中蒸發(fā)器管路制 冷劑側(cè)傳熱系數(shù) ， 分 析在不同供液 壓頭下 對(duì)制冷 系統(tǒng)性 能的影 響。最后利用 空氣側(cè)

3、 熱平衡法 ，與直接膨脹式制冷 系統(tǒng)在不同工況下進(jìn)行對(duì) 比。關(guān)鍵詞 ： 氣泵供液 ； 超倍供液 ； 傳熱 系數(shù) ； 沸騰換熱 Co mp a r a t i v es t u d yo nt h es u p p l yl i q u i db e t we e nd o u b l et a n kp u m pc o o l i n gs y s t e m a n dd i r e c te x p a n s i o nc

4、o o l i n gs y s t e m L i uYi f u， Z h a n gC h e n y a n g ， Z a n gR u n q i n g( T i a n j i nK e yL a b o r a t o r yo fR e f r i g e r a t i o nT e c h n o l o g y ， T i a n j i nU n i v e r s i t yo fC o mn l e r

5、 c e ， T i a n j i n3 0 0 1 3 4， C h i n a )Ab s t r a c t ： Do u b l et a n kp u mpf o rf l u i di sas y s t e m t h a th i g h e rp r e s s u r eo ft h es y s t e m c a nb eu s e da sr e f r i g e r a n t sf orh y d

6、r a u l i ch e a dt oe v a p o r a t o r ， t h r o u g ha a j u s t i n gt h eo p e n i n go fh y d r a u l i ch e a df o rt h el i q u i dt om a k et h ea m o u n to fl i q u i di sg r e a t e rt h a nt h ea mo u n to f

7、e v a p o r a t i o ni nt h ee v a p o r a t o r ， t os t r e n g t h e nt h eb o i l i n gh e a tt r a n s f e rf l o wi n gt h ee v a p o r a t o rp i p e ，t oi n c r e a s et u b er e f r i g -e r a n tc o e f ic i e

8、n t ，f i n a l l yi mp r o v et h ee f i c i e n c yo ft h ee v a p o r a t o rh e a tt r a n s f e r ．T h i sp a p e rma i n l yi n t r o d u c e dt h eo p e r a t i n gp r i n c i —p l eo ft h ed o u b l et a n kp u mp

9、f o rl i q u i dc o o l i n gs y s t e m，a n du s e dt h eJ ． C h a w l ae q u a t i o nn u me r i c a lt os i mu l a t et h ep i p eh e a tt r a n s —f e rc o e f i c i e n to fr e f r ig e r a n to fp u mpf o rl i q u

10、i dc o o l i n gs y s t e m i nt h ee v a p o r a t o r ，a n da n a l y s e dt h ei n f l u e n c eo ft h ep e r f o r ma n c eo ft h er e f r i g e r a t i o ns y s t e m u n d e rt h ed i f f e r e n tf orh y d r a u

11、 l i ch e a d ．Us i n gt h ea i rs i d eh e a tb a l a n c eme t h o d ，t h ed i r e c te x p a n s i o nr e —f r i g e r a t i o ns y s t e m u n d e rt h ed i f f e r e n tc o n d i t i o n swa sc o mp a r e d ．Ke y w

12、o r d s ： L i q u i dp u mpr e c i r c u l a t i o n，S u p e rt i me sf o rl i q u i d，He a tt r a n s f e rc o e f i c i e n t ，Bo i l i n gh e a tt r a n s f e r1引言 近年來制冷方式眾多 ， 發(fā)展較快 ， 同一種制冷 方式 ， 不同的冷媒和制冷結(jié)構(gòu)帶來不同的制冷效 果 。在

13、蒸汽壓縮制冷系統(tǒng) 中， 供液方 式是整個(gè) 系統(tǒng) 的重要組成部分 ， 無論工業(yè)還是民用 ， 目前我國對(duì)于制冷系統(tǒng)供液方式的選擇 比較單一 ， 很少對(duì) 其節(jié)能和高效進(jìn)行研究和開發(fā)。目前， 制冷系統(tǒng)中向蒸發(fā)器提供制冷劑的方式 主要有膨脹供液 、 重力供液和泵供液 ， 而泵供液又 分為液泵供液和氣泵供液。直接膨脹供 液系統(tǒng)利 用了高壓液體能量不僅減少無 功損耗 ， 而且設(shè)備 少 、 系統(tǒng)簡單。 目 前主要用于復(fù)合穩(wěn)定的小型裝置 之中。重力供液在

14、較低蒸發(fā)溫度下優(yōu)于直接膨脹 供液 ， 且有更好的傳熱特性與傳熱效率。液泵供液 提供較大流量的制冷劑， 明顯優(yōu)于重力供液及膨脹 供液。但液泵在工作 中消耗電能 ， 當(dāng)長期運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)增 加了整個(gè)系統(tǒng) 的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用。氣泵供液利用 高壓氣體的壓力作為動(dòng)力源輸送制冷劑至蒸發(fā)器 ，基本可以達(dá)到與液泵供液相當(dāng)?shù)男Ч?， 又不至于耗 費(fèi)更多電能。對(duì)于多變負(fù)荷的系統(tǒng) ， 氣泵供液方式 易于調(diào)節(jié)制冷系統(tǒng)中的制冷劑循環(huán)量， 從而控制蒸 發(fā)器中制冷劑的循環(huán)倍率

15、¨。國內(nèi)學(xué)者對(duì)單罐式氣泵供液系統(tǒng)的研究較多。他們主要是先確定單罐氣泵供液系統(tǒng)的容量、 尺寸 等結(jié)構(gòu)參數(shù) ， 然后計(jì)算 回液過程中的供液周期， 通 過氣體均壓時(shí)間、 液體 自流時(shí)間和制冷劑的壓液時(shí) 間三個(gè)階段來設(shè)計(jì)系統(tǒng)， 尤其對(duì)于加壓罐和低壓循 投稿 日期 ： 2 0 1 4 ～ 0 5 — 0 9作者簡 介 ： 劉一夫 ( 1 9 8 9一 ) ， 男 ， 碩士生 ， 主要從事制冷系統(tǒng)節(jié)能及優(yōu)化 的研究 。第 7 期 制冷技

16、 術(shù) R e f r i g e r a t i o n· 7 7·閥⑤ ( 壓出 A桶 中的制冷劑 ) ； 當(dāng) B桶制冷劑液位 達(dá)到上限時(shí) ， 電控關(guān)閉電磁閥②、 ④( 停止給 B桶 充制冷劑 ) ， 處于準(zhǔn)備階段 ， 準(zhǔn)備進(jìn)行下一次供液 交替運(yùn)行 。3氣泵供液制冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法 3 ． 1 氣泵供液實(shí)驗(yàn)設(shè)備 氣泵供液制冷系統(tǒng)中的風(fēng)冷式冷凝機(jī)組采用 法 國泰 康 T F H 2 5 1 1 Z—F 1型全 封

17、閉式 活塞壓 縮 機(jī) ， 制冷量 3 H P ， 制 冷劑 R 4 0 4 A ， 排氣 量 7 4 ． 3 c c 。冷凝機(jī)組風(fēng)量 2 2 5 0 m／ h ， 功率 2 ． 4 k W。自行設(shè)計(jì) 的蒸發(fā)器 由天津 亞通制冷 設(shè)備有 限公司制造 安 裝 ， 冷風(fēng)機(jī)采用頓力異步外轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)機(jī) Y WF 4 S一 2 5 0 S ， 輸 入 功 率 5 0 W， 風(fēng) 量 8 6 0i n／ h ， 轉(zhuǎn) 速 1 4 0 0 r ／ m i

18、n 。系統(tǒng) 中小 型 換 熱 器 由管 徑 分別 為 1 9 m m 和 1 2 m m 的 黃 銅 管 相 互 套 接 ， 長 度 約 4 0 0 m m。實(shí)驗(yàn)冷 庫 的長和 寬均為 2 8 8 0 m m， 高 為 2 5 0 0 m m， 冷庫壁采用兩層鐵皮包裹硬質(zhì)聚氨酯保 溫材料 。氣泵供液裝置為裕豐制冷有限公 司制造 的雙罐加壓裝置 ， 加壓罐為 q C ) 5 m m， 高為 4 5 0 m m的柱形無縫鋼制罐體 ， 上下限

19、液位間有效 高度為 3 5 0 m m； 制冷劑 自 流 沖液管路為 q b l 6 m m銅管 ， 其 余管路直徑為 q ~ 1 2 m m， 加壓罐的供液 出口低于蒸 發(fā)器入 口約 1 ． 7 m。3 ． 2 氣泵供液測量設(shè)備 其 中各點(diǎn)溫度 的采集采用銅 一 康銅 熱 電偶 ，利用 錫紙 貼 附于管路 外壁 ， 測 量范 圍為 一3 5—1 0 0 o C。壓力測量采用壓 力傳感器 ， 范 圍為 一 0 ． 1— 4 M P a

20、， 輸 出信 號(hào) 為 4—2 0 m A， 供 電 電 壓 為 D C 2 4 V 。壓縮機(jī)冷凝機(jī)組中高壓表量程為 4 M P a ，精度為 0 ． 1 M P a ； 低 壓表量程 為 1 ． 8 M P a ， 精 度為 0 ． 0 5 M P a 。氣泵供液中氣 泵壓力與供液壓力表 的測定采用精度為 0 ． 4級(jí) 的標(biāo)準(zhǔn)壓 力表 ， 量程 為 0～ 2 5 k g f ／ c m。質(zhì)量流量測量位 于蒸發(fā)器 入 口前 的制冷劑供液管

21、路 ， 采用首科實(shí)華質(zhì)量流量計(jì) ， 壓 力測試量程 為 0～ 2 5 M P a ， 最大流量 為 5 0 0 k g ／ h ，精度為 0 ． 2 ％ ， 輸 出信 號(hào)為 4m A ～ 2 0 m A 。實(shí)驗(yàn) 數(shù)據(jù) 的采集器采用 日本 Y O K O G A WA橫河 G P 2 0多通道獨(dú)立手提式數(shù)據(jù)采集器 ， 最大支持 1 0 0個(gè) 數(shù)據(jù)通道 ， 測量范 圍為 一 2 0 0 ~ C～1 3 2 0 q C ， 測量精 度 為 0

22、 ． 0 5 ％ 。3 ． 3 實(shí)驗(yàn) 方法 本實(shí)驗(yàn)主要采用空氣側(cè)熱平衡法來測定 ， 將 電加熱器置于裝有蒸發(fā)器 的實(shí)驗(yàn)冷庫 內(nèi)， 通過調(diào) 節(jié)變壓器電壓控制加熱器的負(fù)荷 ， 使其平衡蒸發(fā) 器所 制造 的冷量 ， 使 冷庫 內(nèi)的溫度保 持恒 定于 2 7 ~ C， 溫度波動(dòng)在 ±1o C以內(nèi)， 由此來確定制冷劑 的制冷量。此實(shí)驗(yàn)的原理是使蒸發(fā)器所帶來的冷 量與加熱器的發(fā)熱量 、 冷庫漏熱量和風(fēng)機(jī)輸出功 率相平衡 。在實(shí)驗(yàn)過程中，

23、根據(jù)美國 A S H R A E7 5～ 7 7標(biāo)準(zhǔn) _ 5J ， 實(shí)驗(yàn)應(yīng)在蒸發(fā)器表面無霜的工況下 進(jìn)行測量和計(jì)算 。為了方便實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與對(duì) 比， 本實(shí)驗(yàn) 中的氣泵供液系統(tǒng)是并聯(lián)于原有直接膨脹供液系統(tǒng) 上的 ， 通過手動(dòng)截止閥的開 閉來控制供液系統(tǒng)的 切換。因此 需要共用壓縮 機(jī)組和蒸發(fā)器冷 風(fēng)機(jī) 組 ， 直接膨脹供液 系統(tǒng) 的節(jié)流裝 置為艾默生 T I E— S W 外平衡式 熱力膨脹 閥， 安裝于蒸發(fā)器的制 冷劑人 口段 ， 通

24、過蒸發(fā)器 出口的制冷劑過熱度變 化 ， 調(diào)節(jié)蒸發(fā)器中制冷劑的流量 。實(shí)驗(yàn) 目的在于體現(xiàn)氣泵供液系統(tǒng)相對(duì)于直接 膨脹供 液 系統(tǒng)性能 上 的優(yōu) 勢 ， 因此在冷 庫 內(nèi)從 0 ~ C～一 2 5 ％分別挑選六個(gè)溫度進(jìn)行對(duì) 比試驗(yàn) ， 分 別 為： 0 ℃、一5 ~ C、 一l 0 ℃、一1 5c 【 = 、一2 O ℃、一2 5 ℃ 。通過對(duì)這五個(gè)實(shí)驗(yàn)工況的性 能測試 ， 研究 氣泵供液在供液壓頭高于加壓罐 內(nèi)蒸發(fā)壓力 Ap= 0 ． 4

25、 k g f ／ c m時(shí)的運(yùn)行特性。在實(shí)驗(yàn)過程 中， 由于人為原 因和儀器精度約束等原 因， 會(huì)給實(shí)驗(yàn) 的溫度調(diào)節(jié)和控制帶來誤差 ， 因此利用 電加熱器來 實(shí)現(xiàn)熱平衡 ， 冷庫 內(nèi)的溫度波動(dòng)控制在 0 ． 5 ℃以下 ， 即視為系統(tǒng)熱平衡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài) ， 直接膨脹供 液在 同工況下進(jìn)行 。4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 4 ． 1 模擬與實(shí)驗(yàn)對(duì) 比經(jīng)過數(shù)據(jù)處理， 得到氣泵供液制冷系統(tǒng)傳熱系數(shù)和制冷量 的實(shí)驗(yàn)值與數(shù)值計(jì)算值的對(duì)比圖。由圖 3 可以看出