崔朝朝，楊新葉，董兆萍，馬佳慧，鄧文華，張振迎，陳艷華（華北理工大學(xué)建工學(xué)院，河北唐山063009）

制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置流動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)分析

崔朝朝，楊新葉，董兆萍，馬佳慧，鄧文華，張振迎，陳艷華
（華北理工大學(xué)建工學(xué)院，河北唐山063009）

試驗(yàn)研究是進(jìn)行節(jié)流裝置流動(dòng)特性研究的重要手段，研制高效實(shí)用的節(jié)流裝置試驗(yàn)臺(tái)顯得非常重要。本文對傳統(tǒng)制冷循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)、液環(huán)節(jié)流裝置試驗(yàn)臺(tái)、開式制冷節(jié)流裝置試驗(yàn)臺(tái)三種制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置流動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)流程進(jìn)行了分析和比較，以期為以后節(jié)流裝置流動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)提供參考。

制冷；節(jié)流裝置；流動(dòng)特性；試驗(yàn)臺(tái)

1　引言

節(jié)流裝置是制冷系統(tǒng)中最重要的部件之一，節(jié)流裝置與系統(tǒng)其他主要部件的良好匹配是改善系統(tǒng)運(yùn)行并適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化的基礎(chǔ)。研究者多從改進(jìn)控制算法出發(fā)力求提高系統(tǒng)的匹配效果，進(jìn)而降低能耗，促進(jìn)系統(tǒng)高效運(yùn)行。試驗(yàn)研究是進(jìn)行節(jié)流裝置流動(dòng)特性研究的重要手段，研制節(jié)流裝置流動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)顯得非常重要。本文對傳統(tǒng)制冷循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)、液環(huán)節(jié)流裝置試驗(yàn)臺(tái)、開式制冷節(jié)流裝置試驗(yàn)臺(tái)三種制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置流動(dòng)特性試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了分析。

2　傳統(tǒng)制冷循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)

傳統(tǒng)制冷循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)模擬一個(gè)完整的實(shí)際制冷循環(huán)，工質(zhì)在由壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流裝置和蒸發(fā)器等構(gòu)成的閉式系統(tǒng)中連續(xù)循環(huán)流動(dòng)。為便于控制節(jié)流裝置測試段的進(jìn)出口條件，如溫度、壓力、過冷度等，加裝過冷器、電加熱器等。這種試驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)是直觀體現(xiàn)工質(zhì)在實(shí)際制冷空調(diào)系統(tǒng)中節(jié)流裝置內(nèi)的流動(dòng)特性以及節(jié)流裝置與系統(tǒng)的匹配特性，但由于壓縮機(jī)排氣參數(shù)的波動(dòng)，使得測試段進(jìn)出口工況的穩(wěn)定過渡時(shí)間較長，穩(wěn)定性差；同時(shí)由于制冷劑的特性不同，導(dǎo)致測試不同制冷劑流動(dòng)特性需要配置不同的試驗(yàn)壓縮機(jī)，造成系統(tǒng)的設(shè)備成本成倍增長；不能模擬純制冷劑（無油）的節(jié)流裝置流動(dòng)特性，同時(shí)更換制冷劑時(shí)要采用不同潤滑油來保證運(yùn)動(dòng)部件的正常運(yùn)行，這樣存在管路和換熱器清洗不便的缺點(diǎn)。

文獻(xiàn)［1，2］通過圖1所示的試驗(yàn)臺(tái)研究跨臨界二氧化碳節(jié)流短管的流動(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)臺(tái)是在CO2汽車空調(diào)系統(tǒng)性能試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上改造而成，該系統(tǒng)包含了壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和節(jié)流裝置四大部件，其實(shí)質(zhì)為一傳統(tǒng)的風(fēng)冷制冷循環(huán)系統(tǒng)，系統(tǒng)由3個(gè)回路構(gòu)成:①包括節(jié)流裝置測試段的制冷劑回路；②蒸發(fā)器室溫、濕度及風(fēng)量控制回路；③氣冷器側(cè)溫度、風(fēng)量調(diào)節(jié)回路。節(jié)流裝置的入口處設(shè)一個(gè)過濾器，用來濾除系統(tǒng)中的雜質(zhì)，防止堵塞測試段的測壓孔。為了更準(zhǔn)確的模擬實(shí)際系統(tǒng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)沒有安裝油分離器，因此系統(tǒng)中潤滑油的存在對節(jié)流元件流動(dòng)特性的影響無法進(jìn)行定量研究。測試段入口壓力通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，旁通管路設(shè)一個(gè)手動(dòng)針型調(diào)節(jié)閥，便于精確的調(diào)節(jié)試驗(yàn)段上游壓力。節(jié)流元件入口溫度通過調(diào)節(jié)氣冷器迎面風(fēng)速及溫度實(shí)現(xiàn)。節(jié)流裝置測試元件出口壓力通過調(diào)節(jié)旁通支路的手動(dòng)閥進(jìn)行粗調(diào)，當(dāng)下游壓力接近設(shè)計(jì)壓力時(shí)，調(diào)節(jié)蒸發(fā)器的風(fēng)量和溫度，直到下游壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

文獻(xiàn)［3-5］搭建了如圖2所示的試驗(yàn)臺(tái)流程來測量R134a制冷系統(tǒng)中節(jié)流短管的流動(dòng)特性。該系統(tǒng)包括三個(gè)主要的循環(huán):制冷劑循環(huán)，循環(huán)熱水和冷水循環(huán)。制冷劑循環(huán)包括壓縮機(jī)、冷凝器、短管、蒸發(fā)器四大部件和油分離器、高低壓儲(chǔ)液器、干燥過濾器、過冷器等附件。壓縮機(jī)由電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過逆變器改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速以改變制冷劑流量。油分離器用來使?jié)櫥偷挠绊懡档偷阶钚。头蛛x的效率可達(dá)99%。實(shí)驗(yàn)中使用循環(huán)熱水和循環(huán)冷水分別平衡蒸發(fā)器和冷凝器的熱量。電加熱器和制冷系統(tǒng)安裝在水箱內(nèi)以控制水溫。節(jié)流裝置測試段的上游壓力通過調(diào)整冷水的溫度來實(shí)現(xiàn)，下游壓力通過調(diào)整控制熱水的溫度和流量來實(shí)現(xiàn)。節(jié)流裝置入口制冷劑的過冷度通過調(diào)節(jié)再冷卻器的水的流量來實(shí)現(xiàn)。

圖1　傳統(tǒng)風(fēng)冷節(jié)流裝置試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

3　液環(huán)節(jié)流裝置試驗(yàn)臺(tái)

傳統(tǒng)的制冷循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)流程中制冷劑僅在冷凝器及其后一段管路范圍內(nèi)處于液相，其余設(shè)備和管路中均處于氣相，而在液環(huán)節(jié)流裝置試驗(yàn)臺(tái)中，制冷劑僅在節(jié)流裝置后至低壓換熱器內(nèi)處于氣相，其余設(shè)備和管路中的制冷劑均為液相，即試驗(yàn)臺(tái)流程中大部分制冷劑處于液態(tài)，液態(tài)制冷劑首尾相接構(gòu)成一個(gè)環(huán)路。

文獻(xiàn)［6-9］搭建了液環(huán)節(jié)流裝置流動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖如圖3所示，主要由主回路（制冷劑循環(huán)系統(tǒng)）、制冷系統(tǒng)、熱水循環(huán)系統(tǒng)、乙二醇溶液循環(huán)系統(tǒng)、操作控制臺(tái)等幾個(gè)部分組成。主回路是試驗(yàn)臺(tái)的核心系統(tǒng)，主要由磁力泵、低壓換熱器、高壓換熱器、儲(chǔ)液器、測試部分等組成。制冷劑在由變頻器控制的磁力泵作用下，改變流量和升高壓力，進(jìn)入高壓換熱器后，被來自熱水循環(huán)系統(tǒng)的熱水加熱，使換熱器出口處制冷劑的溫度達(dá)到節(jié)流裝置前的設(shè)定溫度（此溫度與實(shí)際制冷系統(tǒng)冷凝器出口的制冷劑溫度相對應(yīng)）。而后此高溫高壓制冷劑液體經(jīng)節(jié)流裝置測試段節(jié)流閃發(fā)，由于磁力泵入口要求必須是液體，因此在節(jié)流裝置測試段的后面設(shè)置了低壓換熱器來冷凝節(jié)流裝置出口制冷劑中的氣態(tài)成分。低壓換熱器一側(cè)為制冷劑，一側(cè)為低溫乙二醇液體。磁力泵入口設(shè)置儲(chǔ)液器，其作用主要有:①作氣液分離器使用，用于將冷凝后的制冷劑液滴加以分離，保證磁力泵入口為全液體；②調(diào)節(jié)主回路中制冷劑的循環(huán)量，保證主回路各組成部件的正常運(yùn)行。

液環(huán)節(jié)流裝置試驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)為:主回路中循環(huán)介質(zhì)只有制冷劑，無潤滑油，換熱器易于清洗，可進(jìn)行各種制冷劑在同一節(jié)流裝置中流動(dòng)特性的研究；循環(huán)介質(zhì)在大部分管路中處于液態(tài)，系統(tǒng)易于控制，工況易于穩(wěn)定，且測試工況較廣；節(jié)流裝置是可自由拆卸的測試部分，可進(jìn)行節(jié)流短管、毛細(xì)管、熱力膨脹閥、電子膨脹閥等各種節(jié)流裝置的研究；循環(huán)路徑短，換熱器熱負(fù)荷小，設(shè)備購置費(fèi)用與運(yùn)行費(fèi)用均大大降低。

圖2　傳統(tǒng)水冷節(jié)流裝置試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

圖3　液環(huán)節(jié)流裝置試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

4　開式制冷節(jié)流裝置試驗(yàn)臺(tái)

開式制冷節(jié)流裝置試驗(yàn)系統(tǒng)又稱單流通過型，此種系統(tǒng)只模擬并控制節(jié)流裝置的進(jìn)出口工況。一般在節(jié)流裝置上游設(shè)一高壓儲(chǔ)液罐，下游設(shè)一低壓儲(chǔ)液罐，通過加熱、冷卻裝置分別控制兩個(gè)罐內(nèi)工質(zhì)的溫度和壓力，達(dá)到所要求的節(jié)流裝置進(jìn)出口工況后，工質(zhì)從高壓罐流出，經(jīng)過節(jié)流裝置節(jié)流降壓后，進(jìn)入低壓罐，這樣就完成了一個(gè)測試工況。當(dāng)大部分工質(zhì)流入低壓罐后，再通過工質(zhì)泵或其他方式將工質(zhì)返回到高壓罐，重新建立工況，準(zhǔn)備下一輪測試。這種試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)是機(jī)械部件少，易于在大范圍內(nèi)控制節(jié)流裝置的入、出口工況，快速達(dá)到并保持穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，可避免油污染。缺點(diǎn)是需要較多的制冷劑充注量以獲得穩(wěn)定的運(yùn)行時(shí)間，成本較高。

文獻(xiàn)［10］搭建了一開式制冷節(jié)流裝置試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖4所示。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)主要包括制冷劑提供罐、控制閥、節(jié)流裝置測試部分、流量計(jì)、回收罐、變壓器、電加熱器、窺鏡、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)等部件構(gòu)成。制冷劑提供罐設(shè)置自耦變壓器和電阻加熱器來使得制冷劑保持在要求的壓力或溫度下，液態(tài)制冷劑通過提供罐底部的管路進(jìn)入測試環(huán)路。將制冷劑回收罐放在室溫或冰水中，使之維持在設(shè)定的低壓水平，節(jié)流裝置的下游壓力通過控制閥來調(diào)節(jié)。節(jié)流裝置入口的制冷劑過冷度通過纏繞在測試段前端管路的加熱器功率來控制。在測試部分前安裝了質(zhì)量流量計(jì)來測量流量，測試部分的壓力表和流量計(jì)可以記錄所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖4　開式節(jié)流裝置試驗(yàn)系統(tǒng)流程圖

5　結(jié)語

本文對節(jié)流短管內(nèi)制冷劑的流動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，比較了傳統(tǒng)制冷循環(huán)試驗(yàn)臺(tái)、液環(huán)節(jié)流裝置試驗(yàn)臺(tái)、開式節(jié)流裝置試驗(yàn)臺(tái)三種制冷系統(tǒng)節(jié)流裝置流動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)的流程及其優(yōu)缺點(diǎn)。傳統(tǒng)制冷循環(huán)試驗(yàn)系統(tǒng)能直觀體現(xiàn)工質(zhì)在實(shí)際制冷系統(tǒng)中節(jié)流裝置內(nèi)的流動(dòng)特性以及節(jié)流裝置與系統(tǒng)的匹配特性，但存在穩(wěn)定性差、流量范圍有限、管路和換熱器清洗不便等缺點(diǎn)；液環(huán)法節(jié)流裝置試驗(yàn)系統(tǒng)制冷劑和流量適用范圍較廣，測試工況易于穩(wěn)定，管路和換熱器清洗方便，運(yùn)行費(fèi)用較低，但為了實(shí)現(xiàn)其循環(huán)還需另外設(shè)一臺(tái)制冷循環(huán)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)較復(fù)雜而且工況調(diào)節(jié)與匹配過程較難；開式節(jié)流裝置試驗(yàn)系統(tǒng)機(jī)械部件少，易于在大范圍內(nèi)控制節(jié)流裝置的入、出口工況，快速達(dá)到并保持穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，可避免油污染，但存在制冷劑充注量高、回收困難等缺點(diǎn)。本文將為以后節(jié)流裝置流動(dòng)特性試驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)和搭建提供參考。

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Experimental systems of Throttling Device Flow Characteristics in Refrigeration System

CUIZhaozhao，YANG Xinye，DONG Zhaoping，MA Jiahui，DENGWenhua，ZHNAG Zhenying，CHEN Yanhua
（School of Civil and Architecture Engineering，North China University of science and technology，Tangshan 063009）

The experimentalstudy is an importantmeans of investigating throttling device flow characteristics.It is of significance to develop an efficientand practical throttling device experimental system.In this paper，three throttling device experimental systems，such as the traditional refrigeration cycle experimental system，liguid-ring throttling device experimental system and open uniflow throttling device experimental system are analyzed.It is expected to be illuminating for the developmentof the throttle device flow characteristic experimental system in the future.

Refrigeration；Throttling device；Flow characteristic；Experimental system

TB61

A

10.3696/J.ISSN.1005-9180.2016.02.015

ISSN1005-9180（2016）02-077-04

2016-1-22

華北理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（X2015130）；華北理工大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目

崔朝朝（1991-），男，本科生。

張振迎。Email:zhangzhenying@ncst.edu.cn