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

制冷系統(tǒng)中冷風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%，因此亟需設計一種分流器解決上述問題。有學者采用優(yōu)化的對稱分流器結構提高了分流性能，但不適合于庫溫變化較大的工況[4-7]。也有學者采用旋轉式分流器，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，當冷風機各支路阻力略有不同時，分流器的分流效果會受到影響。所以有學者采用帶有噴嘴的分流器，利用噴嘴對氣液混合物進行加速，達到當?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]，但對變工況的適應性差。兩相流的均勻分配過程較為復雜，與流體管路的流型、氣液比、介質的性質等有關[14-15]，僅對結構進行優(yōu)化設計不能解決分流器在變工況下的適應性問題[16-17]。

為了克服上述問題，本文提出了預混噴嘴式分流器。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到臨界狀態(tài)。消除了冷風機支路流阻不一致導致的分液不均問題，同時增強了分流器對變工況的適應性。

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的每一支路經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冷風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)中的同一個冷風機下進行測試。

分流器實驗臺主要由夾套、冷庫、冷風機供冷機組、冷卻水系統(tǒng)、夾套空調機組、電氣控制室和測量采集裝置組成。圖1所示為冷風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制冷劑質量計；7電磁閥；8視液鏡；9電子膨脹閥；10分流器；11冷風機；12氣液分離器；13水泵；14水的質量流量計；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的結構特征

圖2所示為分流器A的結構。通過旋流葉片的整流作用使制冷劑氣液分相，然后均勻進入各個噴嘴。分流器B是在分流器A的基礎上去除預混段。

圖2 帶預混段和噴嘴的分流器(分流器A)的結構(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的結構。分流器C、分流器D均為分相式分流器，通過特殊的分相結構使氣液分相。分流器C中的液相制冷劑進入冷風機，氣相制冷劑通過上部管道接入冷風機出口，因此采用分流器C的冷風機各支路進口制冷劑為液態(tài)。而分流器D下部支管處設有結構相同的開口，保證進入冷風機各支路的制冷劑流量一致，因此采用分流器D的冷風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)的結構Fig.3 The structure of the gas-liquid separation shunt

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

圖5所示為分流器E的結構。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，再進入蒸發(fā)器支路管道。

圖5 文丘里分流器(分流器E)的結構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機前后溫度進行數(shù)據(jù)采集。庫房內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(內外溫差<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：空氣側熱平衡法和制冷劑側焓差法，實驗中要求兩者的誤差不超過3%。

1)空氣側熱平衡法

利用空氣側熱平衡法測量冷風機空氣側供冷量的計算公式:

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

(1)

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

2)制冷劑側焓差法

利用制冷劑側焓差法測量冷風機制冷劑側供冷量的計算公式:

Qn=qm(H2-H1)

(2)

式中：qm為制冷劑質量流量，kg/s；H1為進入冷風機液體制冷劑焓值，kJ/kg；H2為離開冷風機氣體制冷劑焓值，kJ/kg。

3)平均制冷量

冷風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，作為評價冷風機各支路分流優(yōu)劣的標準，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，分流器A的平均過熱度最小。分流器E的冷風機平均過熱度最大，說明冷風機供液不足或分流不夠均勻。當溫度低于-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，冷風機所需的制冷劑減少，制冷劑流速降低，分流器A經過旋流葉片整流后流型更加穩(wěn)定，隨著庫溫的降低，當接近設定工況時(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%，說明預混噴嘴式分流器各支路過熱度差別小，基本上已達到各支路均勻供液。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計工況導致。整體而言，分流器不均勻度從高到低為：A>B>C>D>E。在設計工況下，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?？梢钥闯龇至髌鰽和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，制冷劑的質量流量減小，導致流速降低，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 ℃范圍內具有優(yōu)異的分流效果。在-18 ℃的庫溫下(設計工況)，A和B的差值明顯，說明預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量流量大，旋流葉片的預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提高了冷風機的傳熱系數(shù)，明顯改善了冷風機傳熱性能，相比于分流器D、E，分流效果尤為突出。當庫溫為-18～-12 ℃時，采用分流器A的冷風機傳熱系數(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，導致回氣有部分制冷劑吸熱不足未完全達到飽和，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 冷風機綜合性能系數(shù)

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

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

圖10所示為冷風機性能系數(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的冷風機綜合性能系數(shù)最大。庫溫為-18～-4 ℃時，冷風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對冷風機性能均有較好的提升。因此，新型分流器對冷風機綜合性能的改善有較大幫助。

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

4 結論

本文搭建了冷風機測試實驗臺，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 ℃和設計庫溫下的對比，得到如下結論：

1)預混噴嘴式分流器(分流器A)能夠明顯改善制冷劑分流效果，使分液更均勻，提高了冷風機利用效率。在設計工況下，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在設計工況下具有較小的不均勻度，噴嘴對改善冷風機均勻度效果顯著。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)在偏離設計工況時，采用分流器A的冷風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，需采用不同結構設計的預混噴嘴式分流器，以提高冷風機及系統(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超過6 ℃。

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