回热器在制冷系统中的应用研究

回热器在制冷系统中的应用研究
摘要：回热器是制冷系统的关键零部件，特别是对于深冷冰箱、冷柜来说，
十分重要。

本文以自制冰箱、冷柜用回热器为研究对象，探究了回热器在不同制
冷剂系统及布置位置的应用效果。

结果表明，自制回热器换热效果比原贴合方式
效果好，新型回热器对R600a、R290纯工质系统无明显改善作用，但对混合工质
制冷系统作用显著，回热器能够降低混合工质排气压力，进而提升压缩机性能、
改善能效和降低系统噪声；带有回热器系统，可以采用中低背压压缩机实现深冷；回热器布置在冷凝器前，可以降低侧板发烫问题；回热器布置在冷凝器后，可以
优化制冷系统，先回热再节流，缩减回气管、毛细管长度，简化制冷系统并提高
能效。

此外，采用高效回热器可以优化制冷系统、降低成本，具有广阔的应用前景。

关键词：：回热器；制冷系统；能效；噪声
引言
回热器是制冷系统关键部件，但是在冰箱、冷柜系统里常常忽略其重要作用。

在普通家用冰箱、冷柜中，常采用毛细管接触回气管的形式代替回热器，默认系
统仅4大部件：压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器。

实际上，回热器是制冷系统
能量分配、压力调节的管理员，是关键的第5大核心部件。

目前，回热器在空调、商用制冷机组等大型制冷设备中应用较多，如套管式回热器、板式换热器，而在
冰箱、冷柜上应用较少，这与冰箱回热功率低有关。

随着冰箱容积增加、冷冻温
度降低，冰箱所需回热量增加，现有工艺是延长冰箱回气管，但导致成本增加、
预装工艺复杂、箱胆结霜风险增加。

因此，开发适用于冰箱、冷柜用回热器，是
深冷、大容积产品的迫切需求。

回热器在制冷系统中的应用效果不仅取决于回热
器本身换热性能，还与制冷剂以及安装位置相关。

向立平等采用回热对不同制冷
剂做了研究，发现回热器对R600a、R134a、R290等冷凝-蒸发温度差异大的制冷
剂有提效作用，但对R22、R32、R717等有恶化作用，且系统提效与回气过热度
有关。

回热器是将蒸发器出口的回气剩余冷量传递给冷凝器出口的两相制冷剂，
提高冷凝出过冷度增加冷量回收，进而提高制冷效率。

然而增加冷凝出过冷度也
会带来排气管路流动阻力增加，压缩机排气负担增加，压缩机性能变差，能效变差。

尽管前人对回气循环做了大量实验研究，但缺少冰箱、冷柜系统应用研究，
以及缺少对深冷冰箱、冷柜制冷剂、混合制冷剂的应用研究，而这些场景对回热
器有明确需求。

针对上述问题，本文基于自制回热器优化制冷系统，提出先回热
再节流方式，对比分析R600a、R290、混合工质应用回热器的制冷特性，此外，
本文考察回热器应用于侧冷前防止侧板发烫特性，为高效回热器、回热系统在冰箱、冷柜上的应用提供技术指导。

1实验部分
实验选用某200L立式冷柜作研究对象，首先对其作基础系统改装，安装自
制回热器及原有回热器如图1所示。

自制回热器经多次改进（已布局专利墙），
结构紧凑，适用于冰箱、冷柜系统，而原始回热器为回气管与毛细管并焊，体积
庞大、材料成本高、安装不便。

按回热器在系统中位置，制作2种制冷系统，第
一种先将回气管与冷凝器出口排气管融合，经回热后的排气再进入毛细管；第二
种安装方式将回热器接在压缩机出口，降低排气温度，以降低侧板发烫风险，试
验以R600a和R290制冷的侧冷冷凝器系统为研究对象，侧板发烫测试重点关注
冷凝器外侧板温度变化，试验选取R600a、R290、R600a混R290、R600a混R170、R600a混R1150制冷剂为研究对象，在冷凝器后置回热器样机上测试制冷特性；
选取R600a、R290制冷剂在冷凝器前置回热器上测试回热器降温特性。

制冷性能
测试在25℃环温85%湿度的标准性能实验室（GB/T8059-2016家用和类似用途制
冷器具标准）内开展。

实验所需分析的温度信息由T型热电偶采集，由数字采集
仪记录，样机温度点布置满足国标GB/T8059-2016要求，采集间隔为0.5min。

此外，在压缩机排气、回热器进出口排气管处安装压力传感器，记录压力信息。

试
验对比测试了回热器样机与不带回热器样机的排气及回热器进出口压力、回热器
进出口温度、样机能效。

噪声在半消音实验室测试，布点满足国标GB/T4214.14-2021，结果以声功率形式给出。

噪声测试时仅选最优压缩机结果，压缩机仓未做
消音处理。

回热器在不同冰箱产品上应用的部分系统数据，原有回热是通过回气
管与毛细管换热来实现，表中回热器进出口数据为排气进出回热器温度。

采用回
热循环后，R600a制冷循环无明显改善，反而蒸发温度升高，能效变差，这可能
与强化回热后，制冷剂过冷度增加，液态制冷剂流动阻力增加有关；R290制冷循
环的能效略微改善，但同样冷柜平均温度和蒸发温度升高。

对制冷循环来说，回
热器强化回热，增加液态R600a/R290进入毛细管的过冷度，对制冷效率有益，
但同时增加制冷剂流动的阻力，增加压缩机排气负担，对能效是不利的。

因此，
采用回热器提升R600a或R290能效需深入探究合适过冷度、回气温度对系统能
效影响，寻求最佳工况。

2回热器的关键问题及优化
2.1回热器的分类及比较
根据上述文献的比较和分析，可以发现回热器填料主要有三类不同的填充方式，第一类是径向填充，主要包括层叠金属丝网式回热器(包括丝网烧结块式和
交错层叠格栅式)、堆叠金属珠式回热器、金属丝网和金属珠混合填充式回热器；第二类是轴向填充，主要包括平行金属丝式回热器、平行金属片式回热器(包括
蚀刻薄片卷裹式)；第三类是随机丝填充。

径向填充式的优点是填充方式简单易控，蓄冷能力强，回热器内的工质流动比较均匀，轴向导热损失小；缺点是流动
阻力损失大，一般空隙率较大，空容积损失大。

轴向填充式的优点是填料流道与
工质流动方向相一致，流动阻力损失小，空隙率较小，空容积损失小，缺点是轴
向导热损失较大，回热器内工质流动的均匀性差，在大温差冲击下易变形。

随机
丝填充式的填料采用无规则结构，填料空隙率高，流动阻力和轴向导热损失较大，在一般情况下使用较少。

2.2回热器性能评价指标
在低温制冷机实际运行过程中，回热器内存在三大主要损失，按损失值大小
依次为回热损失、轴向流动阻力损失、轴向导热损失，对回热器性能的评价主要
基于如何反映这三种损失值上，由此，可以采取以下几个评价指标对回热器进行
较为全面的评价：1)回热器的回热效率η回热器回热效率的物理意义是回热器
实际换热量与最大可能换热量之比，是衡量回热器性能的重要指标，h、c分别是
热吹期和冷吹期流经回热器的工质平均质量流量，kg/s；cph、cpc分别为热吹期
和冷吹期工质的平均定压比热容，J/(kg.k)；T1、T2分别为热吹期热流体进、出
口温度，T3、T4分别为冷吹期冷流体进、出口温度，K；(cp)min为hcph和ccpc
中的较小者。

回热器中填料轴向导热损失与工质流动阻力损失均与回热器长度L
的大小密切相关，对于阀切换式回热器，压比一般较大，对流动阻力损失的限制
不严，回热器长度往往设计得较长(50mm~125mm)，以增强换热，提高效率；对于
无阀式回热器，压比一般较小，对流动阻力和空容积的限制较严，回热器的长度
通常都设计得较短(40mm~70mm)。

填料填充腔容积由回热器直径D、长度L决定，
对于相同体积的回热器，其长径比L/D的不同会导致制冷机中损失大小的差异，
因此，为保证在回热器具有较高回热效率的同时使回热器中总损失降到最低，需
要选取合适的长径比L/D，比如脉管制冷机用回热器最佳长径比为6~8[53]。

在
以上各个评价指标中，回热器回热效率η、比表面积a、流动不均匀性Fm都与
填料和工质间换热性能密切相关；流动阻力系数f、填料几何因数Γ、填料轴向
导热系数Ck分别与工质流动、回热与流阻间关系、填料轴向导热相关；长径比
L/D反映了流动阻力、填料轴向导热与填料回热性能间的平衡关系。

由此可知，
这七个评价指标在全面评定回热器的性能上具有较好的实用性。

2.3回热器结构优化
基于所述的回热器性能评价指标，可以通过优化回热器填充方式来减少总的
不可逆损失，主要包括以下几个方面：当填料材料的种类一定时，可通过减少回
热器的空隙率ε以增大回热器内填料的比表面积a、减小流动不均匀性指数Fm
以增强工质与填料间换热的充分性等方式来提高回热器效率。

ε、Fm均由填料填
充方式决定，堆叠球式回热器的空隙率ε小于其他填充类型的回热器，另一方面，层叠丝网式、堆叠球式回热器的工质流动均匀性优于平行丝式、蚀刻片式回
热器，因此，在选取回热器结构时应兼顾减小ε、Fm值。

当制冷机运行交变频率、工作压力一定时，工质流动阻力系数f由填料填充方式决定，平行丝式、平
行金属片式回热器的流动阻力系数f明显小于层叠丝网式、堆叠球式回热器，在
优化回热器结构时为减小流动阻力应积极选用流动阻力系数f较小的填充方式。

填料几何因数Γ反映了回热器内工质与填料间换热量与工质流动阻力间的比重
情况，在回热器高温区，填料比热容较大，回热效果较好，填料几何因数Γ较大，流动阻力损失对回热器性能影响较小；在回热器低温区，气体工质黏性虽有
所下降，流动阻力系数f有所减小，但填料比热容大大减小，回热效果急速恶化，
致使填料几何因数Γ急剧减小。

因此，在回热器低温区，除采用低温回热材料外，应重视回热器低温端的填料结构优化，可采用填充高目数金属丝网或小粒径
金属颗粒的方式来提高回热器低温端的填充率。

填料轴向导热指数Ck反映了填
料填充方式对填料轴向导热损失的影响情况，由于没有接触热阻的存在，平行丝
式回热器的填料轴向导热指数Ck要远大于层叠丝式、堆叠金属珠式回热器。

对
平行丝式回热器，可采用分段填充的方式来降低填料轴向导热指数Ck。

在设计回
热器结构尺寸时，长径比L/D是一项需要重点考虑的参数，在直径D确定的情况下，回热器太长会增大流动阻力，回热器太短会导致填料填充量不足，同时又会
增大填料轴向导热指数Ck。

因此，在设计回热器尺寸时应根据制冷机类型、填料
填充方式的不同选取合适的长径比。

由上述分析可以看出，各国对采用不同填充
方式的回热器进行了一些理论和实验研究，传统的径向填充式回热器得到了较快
发展。

近些年来，轴向填充回热器由于具有流阻小的优势，也得到不断的发展和
越来越多的重视。

在同一个回热器中，一般只采用一种填料结构，因而总是不能
满足对回热器的苛刻要求，这不可避免地降低了回热器的总体效率。

考虑到径、
轴向填充这两种填充方式的优缺点是互补的，因此可以把二者结合起来，设计一
种综合径向填充和轴向填充的径轴向混合填充式回热器结构，通过径向填充层叠
丝网或金属珠来减小轴向导热损失、改善流动不均匀性；通过轴向填充平行金属
丝或卷裹式丝网(或蚀刻金属片)来降低流动阻力损失、减小回热器内的空容积。

这种径轴向混合填充式回热器可以在回热效率和流动阻力间实现有效的平衡，同时，轴向导热损失和空容积较小，具有提高回热式低温制冷机的性能的潜力。

结语
本文基于自制高效回热器，提出先集中回热再节流的冰箱、冷柜循环，探究
了该循环对不同制冷剂提效、噪声降低以及改善侧板发烫的作用。

结果表明，回
热器能够从制冷系统上改善能效，特别是对于混合工质改善效果明显；毛细管节
流前的降温、降压对制冷循环有利；制冷剂过冷前的降温对系统有益，制冷剂过
冷前因降温导致的降压对系统有益；但对于R600a、R290常温冷凝液化的制冷剂，节流前增加过冷度也会导致流动阻力增加，制冷剂节流前的流动压降不利于能效
改善；回热器能够降低混合制冷剂系统压力，进而改善整机噪声；将回热器应用
于冷凝器前可以降低侧板发烫风险。

综上所述，本研究制备高效回热器、提出先回热再节流循环，为制冷系统成本降低、能效改善、系统简易化提供指导。

参考文献
［1］范皓霆，肖刚，赖华盛，彭浩，倪明江.斯特林回热器震荡流换热特性模拟研究［J］.工程热物理学报，2019，40：2595-2602.
［2］赵玲华，张东伟，秦翔，杨凌晓，魏新利.带回热器的跨临界CO2空气源热泵系统性能实验研究［J］.工程热物理学报，2019，40：2473-2477.。