重力供液与直接膨胀制冷系统运行特性的实验研究

摘 要 对给定的工况，进行重力供液与直接膨胀制冷系统的对比实验，了解重力供液与直接膨胀制冷系统工作特性的差
异；在焓差室中，可以准确地测定系统的制冷量、风量和耗功等技术数据。实验表明，以增大制冷剂流速来强化换热，
可以提高蒸发器的传热系数；并且在低温工况下，重力供液的蒸发器比直接膨胀供液的蒸发器有更佳的传热特性与传热效
图2 重力供液制冷系统的实验装置示意图 Fig.2 The experimental equipment figure of refrigeration
system with supply liquid refrigerant for the evaporator by gravity
2 重力供液制冷系统与直接膨胀供液 制冷系统的比较[3]
在相同工况下工作的制冷装置，采用重力供 液之后，经过预测，装置可节电约20%，在不节电 的情况下蒸发器的金属消耗量也将减少20%左右， 这对于节约能源，减少对环境的影响都是有益的。
1 实验装置
图1为直接膨胀供液小型制冷系统；在其上加 以改造，把蒸发器的供液管和回汽管分别与分离器 相应的管路连接组成重力供液制冷系统，如图2。
球温度25℃，室内环境干球温度10℃、8℃、6℃时
的三个工况下的重力供液蒸发器的制冷量高于在相
同室内、外环境下直接膨胀供液蒸发器的制冷量，
其增加的幅度分别为3%、10%、12%，而且随着室
内环境温度的降低，其增幅有继续增大的趋势。室
外环境干球温度30℃时，只有在室内环境干球温
度为6℃这个工况下重力供液蒸发器的制冷量高于
蒸发器相比，传热系数K都是有所增大的。在室外
环境干球温度为25℃时，与直接膨胀供液蒸发器相
比传热系数K随室内环境温度的降低增幅量为7.8％
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~19.8％；在室外环境干球温度为30℃时，其增加
量为7.6％~39.12％。但同时由于重力供液蒸发器
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测量系统主要包括焓差实验室所自带相关数 据的采集系统，以及蒸发器部分的温度测量使用的 温度采集仪器。制冷量、被测机输入功率、能效 比、蒸发器出风温、湿度，这些都可以通过焓差实 验室本身的数据采集处理系统得到；制冷系统压力 通过焓差室测控系统预留的压力测点测量；系统及 蒸发器壁温的温度测量采用经标定的铜－鏮铜热电 偶进行测量。
重力供液系统可以方便地对直接膨胀供液系 统进行改进，合理地布置供液和回汽管路，尽量减
收稿日期：2007年7月23日 39
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Vol.29,No.1 February. 2008
少阀门和弯头能够实现蒸发器的超倍供液，而又不 增加系统的附加能耗，从而提高蒸发器的利用率 [1]。由于其良好的传热性能，将会代替直接膨胀供 液方式。同时也开辟了热虹吸技术在低温领域的应 用之路。
将被测试机组的室内、外侧部分分别放到焓 差实验室的室内、外侧环境间，连接好相应的管 道、线路；蒸发器固定在室内侧的风道口部。在焓 差实验室可以改变室内、外环境温、湿度，对重力 供液制冷装置做不同工况下的性能实验及相同工况 下与直接膨胀供液制冷装置的对比实验，从而可以 得到重力供液的蒸发器与直接膨胀供液的蒸发器在 传热性能上的差异。
重力供液系统中，蒸发器是利于热虹吸原理 实现制冷剂的再循环，形成蒸发器的超倍供液， 增加了液体制冷剂和蒸发管内表面的接触，从而改 善蒸发器的换热，增大传热系数，提高蒸发器的
效率。对蒸发器采用重力供液的方式与其它强化蒸 发器换热的方法其目的是一致的，即提高蒸发器的 效率，但是其方法有着本质的不同。由于制冷系统 的制冷剂循环量已被制冷压缩机锁定，蒸发器的强 化换热多局限在扩展换热表面和增加扰动方面，而 重力供液方式是突破流量的束缚，在不增加附加能 耗的基础之上，通过增大制冷剂侧流速提高传热效 率；它与扩大传热表面、增大扰动等强化换热方法 具有叠加性，从而可以更大比例提高蒸发器的传热 效率[1-3]。
重力供液的蒸发器是靠汽液分离器与蒸发器 管组间的制冷剂密度差所提供的动力压头来克服 制冷剂流动阻力，使制冷剂能从蒸发器返回汽液 分离器从而形成再循环。实验中，在较高蒸发压 力下调整汽液分离器正常液面与蒸发器入口处的 高度差H1分别300mm、600mm和900mm；只有在 H1=900mm时，制冷剂在蒸发器与汽液分离器间能 形成循环倍率较低的再循环。在此高度下进行重力 供液制冷系统和直接膨胀供液制冷系统，在设定的 16个工况下的对比实验，结果见以下的图表。
Refrigerant by Gravity and Direct Expansion
Li Xing☆ Zang Runqing Zhang Feng Huang Yue
☆Tianjin University of Commerce, Tianjin, 300134, China
Abstract The comparison experiments under the given operating conditions were conducted to determine the performance difference of refrigeration systems with supply liquid refrigerant for the evaporator by gravity and direct expansion. Some system technical data were measured in the Psychometric Rooms, including refrigerating capacity, airflow volume and energy consumption. The results indicate that increasing the refrigerant flow rate can enhance the coefficient of heat transfer of the evaporator. The gravityflooded evaporator has much better heat transfer characteristics and efficiency without additional energy consumption under the low temperature condition. In addition, the resistance equilibrium to meet the liquid refrigerant recirculation was established, and the variation of the circulating rate under different conditions was analyzed. Keywords Pyrology; Supply liquid refrigerant by gravity; Circulating rate; Augmentation heat transfer; Heat transfer characteristics; Heat transfer efficiency
图3 室外干球温度25oC Fig.3 Outdoor dry bulb temperature 25oC
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图4 室外干球温度30oC Fig.4 Outdoor dry bulb temperature 30oC
2.1 重力供液蒸发器和直接膨胀供液蒸发器 运行特性的比较
图1 直接膨胀供液制冷系统的实验装置示意图 Fig.1 The experimental equipment figure of refrigeration
system with supply liquid direct expansion
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文章编号：0253-4339(2008)01-0039-06
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重力供液与直接膨胀制冷系统运行特性的实验研究
李 星 臧润清 张 枫 黄 悦
(天津商业大学 天津 300134)
图5、6分别为室外侧环境干球温度为25℃、 30℃时各个室内侧环境下重力供液蒸发器与直接膨 胀供液蒸发器的制冷量的比较图线。在室外环境干
图5 室外干球温度25oC Fig.5 Outdoor dry bulb temperature 25oC
图6 室外干球温度30oC Fig.6 Outdoor dry bulb temperature 30oC
在相同室内、外环境下直接膨胀供液蒸发器的制冷
量，增幅为9%。该图表明，直接膨胀供液系统在
高的室内环境温度下制冷量大于重力供液系统，而
在低的室内环境温度下低于重力供液系统，两条曲
线有一交汇点，此交汇点随室外干球温度的降低向
室内干球温度较高的方向移动。重力供液蒸发器形
成再循环的程度与制冷压缩机的输气量大小有关，
输气量增大循环倍率将下降。冷凝温度降低等同于
增大了制冷压缩机的实际输气量。由此可以认为重
力供液蒸发器的制冷能力受蒸发温度的影响不如直
接膨胀供液蒸发器那么显著，且相同的蒸发面积在
较低蒸发温度下有更大的制冷量，温度越低优势越
明显。
由传热计算公式
对各个工况下制
冷量的数据进行处理，可以得到蒸发器的平均传热
系数K图线。(见图7、8) 图7、8表明重力供液蒸发器与直接膨胀供液
率，并不增加附加能耗。同时，建立了满足重力供液系统形成液体再循环的阻力平衡关系,分析循环倍率在不同工况下的变