并聯雙循環風冷冰箱冷凍/冷藏切換時制冷劑遷移研究

劉云,趙日晶,黃東

(西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

并聯雙循環風冷冰箱冷凍/冷藏切換時制冷劑遷移研究

劉云,趙日晶,黃東

(西安交通大學能源與動力工程學院, 710049, 西安)

針對并聯雙循環風冷冰箱在冷凍/冷藏切換時的制冷劑遷移特性進行了實驗研究,該冰箱主要由壓縮機、蒸發器、節流裝置及冷凝器組成。冷藏、冷凍空間分別擁有獨立的蒸發器、風機及主風道,冷藏、冷凍室有各自的感溫包。依據蒸發器溫度變化,冷凍向冷藏切換時的制冷劑遷移過程依次分壓力平衡、制冷劑遷出冷凍蒸發、制冷劑遷移至冷藏蒸發這3個階段。研究表明:階段1,低壓壓力由冷凍蒸發壓力向冷藏蒸發壓力攀升;階段2,冷藏蒸發器內基本無兩相段,制冷量較少;階段3,冷藏蒸發器出現穩定的兩相段,且兩相段長度不斷增大,制冷量逐漸增多;冷凍向冷藏切換的過渡過程時長約為冷藏運行的23%,耗電量為20%,獲取的冷量僅約3.4%,即存在較大的制冷劑遷移損失;冷藏向冷凍切換的過渡過程對冰箱整體性能幾乎無影響。該結果可為風冷變頻多門冰箱設計提供參考。

并聯雙循環;風冷冰箱;制冷劑遷移

1 實驗裝置及測試條件

被測機為一臺并聯雙循環風冷變頻冰箱,其主要由壓縮機、蒸發器、節流裝置及冷凝器組成。圖1為并聯雙循環風冷冰箱系統流程。冷藏、冷凍空間分別擁有獨立的蒸發器、風機及主風道,冷藏、冷凍間歇運行,冷藏室和冷凍室有各自的感溫包,共同通過三通電磁閥控制冷凍/冷藏切換。被測機主要部件參數如表1所示。

實驗工況:環境溫度為(25.0±0.8) ℃,相對濕度為65%。采用直徑為0.2 mm的銅-康銅熱電偶測量溫度,精度為±0.2 ℃。在冷凍、冷藏蒸發器的進口、中部和出口,冷凝器的進口和出口,以及壓縮機的吸氣管和排氣管上均布置有熱電偶。采用青智8775A數字電參數測試儀測量冰箱的運行功率,并通過電能累計儀測得一定時間內的耗電量,精度為0.5級。

圖1 并聯雙循環風冷冰箱系統流程

表1 被測機主要部件參數

2 實驗結果分析

2.1 制冷劑遷移動態分析

并聯雙循環系統穩定運行時無停機,冷凍蒸發溫度約為-27 ℃,冷藏蒸發溫度約為-10 ℃,二者相差較大,因此在冷凍/冷藏切換,尤其是冷凍向冷藏切換時會出現復雜的過渡過程。

圖2為單周期內冷凍和冷藏蒸發器的溫度變化,所謂單周期是指穩定運行過程中進行了一次冷藏運行和一次冷凍運行。冷凍向冷藏切換時的時間記為0,27.5min后為冷藏向冷凍切換。

圖2 單周期內冷凍和冷藏蒸發器的溫度變化

2.1.1 冷凍向冷藏切換 冷凍運行時冷藏蒸發器中的壓力與冷凍蒸發器的蒸發壓力相同,因此由冷凍向冷藏切換后系統低壓側的壓力升高。圖3為冷凍向冷藏切換時蒸發器的溫度變化。依據蒸發器溫度變化,冷凍向冷藏切換時的制冷劑遷移過程可以分為以下3個階段。

圖3 冷凍向冷藏切換時蒸發器的溫度變化

階段1在0～1.83 min期間,屬于壓力平衡階段。

從冷凍切換至冷藏時,三通電磁閥從冷凍蒸發器供液切換成冷藏蒸發器供液,由于冷藏毛細管比冷凍毛細管短,節流后壓力升高,冷藏蒸發器中的壓力升高,所以冷藏蒸發器表面溫度較高,約為4.2 ℃。受冷藏蒸發器自身熱容的影響,初始供液量主要用于冷藏蒸發器進口段降溫,所以冷藏蒸發器進口溫度在切換的瞬間由4.2 ℃急劇下降至-8.2 ℃,見圖3。此時,冷凍蒸發器中的制冷劑積存其中,使得冷藏蒸發器供液量較小,0.75min時冷藏蒸發器的進口溫度降至-19.0 ℃,中部和出口的溫度很高且制冷劑均維持在過熱狀態。

由于冷藏、冷凍蒸發器的出口處相通,所以冷凍蒸發器壓力必然會隨冷藏蒸發壓力的升高而升高,其中的制冷劑飽和溫度相應上升。由圖3可見,冷凍蒸發器進口、中部和出口的溫度在0 min時分別為-27.8、-27.3、-27.8 ℃,在0.75min時分別上升為-23.3、-23.2、-23.5℃。

冷藏蒸發器進口降溫后出現短暫的氣液兩相段,冷藏蒸發壓力逐漸穩定。由圖3還可知:0.75～1.83 min期間,冷藏蒸發器進口溫度基本維持在-19.3 ℃附近,中部和出口溫度仍然很高;冷凍蒸發器進口、中部、出口溫度基本重合,且與冷藏溫度同步趨于穩定,65s內進口、中部和出口溫度分別上升了0.5、0.9、1.2 ℃,變化很小。

由上述可見,階段1中低壓側壓力由冷凍蒸發壓力向冷藏壓力攀升,由于該階段冷藏蒸發器的供液量較小,所以低壓側壓力暫時介于冷凍、冷藏蒸發壓力之間。

階段2在1.83～4 min期間,屬于制冷劑遷出冷凍蒸發器的階段。

壓力平衡之后,壓縮機對蒸發器的抽吸作用開始顯現。1.83 min時冷凍、冷藏蒸發器內的制冷劑同時受到了壓縮機抽吸的作用,蒸發器內壓力下降,冷凍蒸發器中的氣態制冷劑被抽出,但仍然存在大量的液態制冷劑,因此冷藏蒸發器供液量較小,進口段的氣液兩相制冷劑狀態很快轉變成過熱狀態;1.83～2.33 min時冷藏蒸發器進口溫度由-19.0 ℃快速下降至-23.7 ℃;2.33 min時冷藏蒸發器內充滿了過熱氣體,冷藏蒸發器表面溫度較低,與回風之間的溫差較大,換熱加速,氣態制冷劑溫度快速上升;2.33～4 min時冷藏蒸發器進口溫度由-23.7 ℃快速回升到-4.1 ℃。該階段冷藏蒸發器中部和出口溫度很高,制冷劑處于過熱狀態。

由上述分析可知,階段2中蒸發器內壓力不斷降低,冷凍蒸發器中制冷劑的飽和溫度不斷下降(見圖3),1.83～4 min時冷凍蒸發器進口、中部和出口溫度均迅速下降。在此期間,即冷藏運行期間,冷凍蒸發器并無供液,隨著壓縮機的不斷抽吸,冷凍蒸發器中的液態制冷劑開始閃發,3.5min時冷凍蒸發器溫度急劇下降。

3.5min時冷凍蒸發器出口溫度由-27.7 ℃急劇下降,至3.92 min時降至最低點-35.3 ℃;冷凍蒸發器中部溫度由-27.8 ℃急劇下降,由于中部位置在蒸發器的上部,所以兩相態制冷劑較少,閃發較快完成,3.83 min時中部溫度降至最低點-31.7 ℃;冷凍蒸發器為三排管結構,管道較長,其進口位置在蒸發器的上部,所以4 min時進口處制冷劑開始閃發,5s內溫度降至最低-30.7 ℃。至此,冷凍蒸發器中大部分制冷劑被遷出。

由上述可見,階段2中冷凍蒸發器的制冷劑不斷遷出,低壓側壓力降低,由于冷藏蒸發器的供液量較少,所以隨著壓力的降低,冷凍蒸發器內制冷劑在約80%的時間里為過熱氣體,幾乎無兩相段,制冷量也很少。

階段3在4～6.33 min期間,屬于制冷劑遷移到冷藏蒸發器的階段。

隨著冷凍蒸發器中制冷劑被遷出,制冷劑遷移過程進入階段3。因供液量增多,冷藏蒸發器進口的制冷劑再次變為氣液兩相態,其中液態制冷劑閃發,故進口溫度急劇降低(見圖3),在4～4.17 min時溫度由-4.1 ℃迅速下降至-24.0 ℃。此時,盡管冷藏蒸發器的供液量可以使進口的制冷劑暫時保持氣液兩相態,但卻不足以使冷藏蒸發壓力升高。因此,在4.17 min時,冷藏蒸發器進口溫度降至最低點-24.0 ℃后略有回升,在4.25～4.42 min的15s內保持-23.2 ℃不變,而后隨著冷藏蒸發器供液量的增多,蒸發壓力迅速升高并最終穩定;在4.42 min后,冷藏蒸發器進口溫度迅速升高,至6.33 min時基本穩定在-8.0 ℃,此時系統進入冷藏運行的穩定階段。雖然冷藏蒸發器中部和出口溫度在進口溫度的影響下小幅波動下降,但制冷劑仍為過熱狀態。

在制冷劑大部分遷至冷凝器后,冷凍蒸發器的表面溫度主要受回風加熱的作用。開始時冷凍蒸發器表面溫度較低,與冷凍回風溫差較大,4～4.58 min時溫度上升較快,隨著與冷凍回風溫差的不斷減小,溫升速度減慢,4.58 min后冷凍蒸發器溫度回升非常平緩,該過程一直持續到下一個冷凍運行周期。

由上述可見,在階段3,冷藏蒸發器的供液量不斷增多,可以維持穩定的兩相段,制冷能力慢慢增強,系統逐漸進入穩定階段。

2.1.2 冷藏向冷凍切換 冷藏向冷凍切換時蒸發器溫度變化如圖4所示。由圖4可見:27.5min時冷藏向冷凍切換,冷凍蒸發器內壓力降低,冷藏蒸發器進口和中部的氣液兩相制冷劑閃發;27.5min時冷藏蒸發器進口和中部溫度分別為-10.8、-11.8 ℃,27.75min時分別下降至最低點-15.2、-13.4 ℃,此時冷藏蒸發器中制冷劑為過熱氣體。開始切換時,冷凍毛細管背壓為冷藏時的蒸發壓力,相對較高,故開始切換時冷凍蒸發器供液量很小;切換后冷凍風機啟動,冷凍蒸發器側的換熱方式由自然對流變成強制對流,故在切換后的一小段時間內冷凍蒸發器溫度小幅上升。

27.75min之后,冷藏蒸發器中的表面溫度在冷藏回風加熱下慢慢回升;隨著冷凍蒸發器中供液量的不斷增多,其中的制冷劑變為氣液兩相態;隨著壓力的降低,制冷劑飽和溫度不斷降低,直至冷凍運行結束。

圖4 冷藏向冷凍切換時蒸發器的溫度變化

2.2 制冷劑遷移對冰箱整體性能的影響

在冷凍/冷藏切換過程中,制冷劑遷移對功率具有一定的影響。冰箱門體附近存在防止凝露的電加熱器,風道內存在防結霜的電加熱器,這些電加熱器間歇運行,使圖2～4中的功率曲線不太平滑。冷凍向冷藏切換時,雖然蒸發溫度由冷凍蒸發溫度開始上升,但由于制冷劑遷移的存在使得質量流量減小,功率降低,所以在4 min時階段2的結束點功率降至最低點;冷藏向冷凍切換時,制冷劑遷移時間較為短暫,功率隨著蒸發溫度的降低而下降。

為了評估制冷劑遷移造成的影響,冷凍向冷藏切換時,將冷藏蒸發器進口溫度的啟穩點作為制冷劑遷移的結束點(6.33 min時);冷藏向冷凍切換時,將冷凍蒸發器進口溫度開始下降點作為制冷劑遷移的結束點(27.75min時)。

Rubas曾指出[2],用蒸發器制冷量的衰減可以評估啟動初期制冷劑的再分配對系統性能的影響。本文采用類似的方法,用箱體得到的冷量和耗電量來評價制冷劑遷移對冰箱整體性能的影響。

風機轉速一定,空氣的體積流量qv幾乎不變,由于空氣溫度變化不大,在10 ℃以內,所以空氣密度ρ可為定值。一定時間內箱體得到的冷量

(1)

式中:Q0為箱體有效制冷量,kW;Cp為空氣的定壓比熱容,kJ/(kg· ℃);m為空氣的質量流量,kg/s;ΔT為送風、回風溫差, ℃。

ΔT的函數關系式不易獲得,所以可采用近似法處理,即將時間步長盡可能縮短,在一定時間步長下將直角梯形面積之和近似作為冷藏運行期間冷藏室送風、回風溫差曲線(見圖5)下對應的面積,即

(2)

式中:Δt為時間步長。

圖5 冷藏運行期間冷藏室送風、回風溫差曲線

根據式(2),冷藏期間制冷劑遷移段箱體獲得的冷量占總冷量的比率為3.4%,遷移期間耗電量(0.006 kW·h)占冷藏運行總耗電量(0.03 kW·h)的比率為20%,可見切換過程中受制冷劑遷移的影響耗電量很大,制冷量很小,所以存在遷移損失。

冷藏向冷凍切換時,制冷劑遷移時間僅有15s,占冷凍運行總時長的0.7%,該時間內送風、回風溫差和耗電量幾乎沒有變化,所以制冷劑遷移對切換過程的影響可以忽略。

3 結 論

(1)冷凍向冷藏的切換時間占冷藏運行總時長的23%,耗電量占冷藏運行總耗電量的20%,箱體得到的冷量僅占總冷量的3.4%。該過程耗時較長,冷藏蒸發器始終處于缺液狀態,冷量輸出較少,由此造成遷移損失。

(2)對于并聯雙循環風冷冰箱,冷凍向冷藏切換后,低壓側壓力升高,該過渡過程可分為3個階段:①壓力平衡階段,此階段中低壓側壓力由冷凍蒸發壓力向冷藏蒸發壓力攀升,但維持在兩壓力之間;②制冷劑遷出冷凍蒸發器階段,此階段中約80%的時間里冷藏蒸發器中制冷劑幾乎無兩相態,制冷量很小;③制冷劑遷移至冷藏蒸發器階段,此階段中冷藏蒸發器的供液量不斷增多,制冷量慢慢增多。

(3)冷藏向冷凍切換時,低壓側壓力沿冷藏蒸發壓力向冷凍蒸發壓力逐漸降低,該過渡過程僅有15s,對冰箱整體性能幾乎無影響。

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[5] 盧智利, 丁國良.蒸發器并聯雙循環冰箱的溫度與分時運行控制策略Ⅱ: 實驗驗證 [J].上海交通大學學報, 2006, 40(2): 272-281.LU Zhili, DING Guoliang.Temperature and time-sharing running combination control strategy of two-circuit cycle refrigerator-freezer with parallel evaporatorsⅡ: experimental verification [J].Journal of Shanghai Jiaotong University, 2006, 40(2): 272-281.

(編輯 苗凌)

RefrigerantMigrationDuringSwitchingofaParallelCycleFrost-FreeRefrigerator-Freezer

LIU Yun,ZHAO Rijing,HUANG Dong

(School of Energy and Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

The refrigerant migration during the operation switching of a parallel cycle frost-free refrigerator-freezer was experimentally studied.The refrigerator-freezer mainly consists of a compressor, two evaporators, two capillary tubes and a condenser.The refrigeration zone and the freezing zone have separate evaporators, fans, wind tunnels, and temperature wraps.The results show that the process of the freezing operation switching to the refrigeration operation can be divided into three stages according to the temperature of two evaporators, i.e., pressure equilibrium, refrigerant emigrating from the F-evaporator, and refrigerant immigrating to the R-evaporator.In the first stage, the pressure of the low side begins to rise from the freezing evaporating pressure to the refrigeration evaporating pressure.In the second stage, the two-phase state of the refrigerant occurs slightly in the R-evaporator most of the time and the capacity is very small.In the third stage, the refrigerant in the R-evaporator begins to keep the stable two-phase state and the capacity increases with the extending of the two-phase.The switching from the freezing operation to the refrigeration operation possesses 23% of the whole refrigeration operation time while the energy consumption and the capacity in this process are 20% and 3.4% of the total, respectively, indicating that the process has great migrating loss.In addition, the effect of the refrigerant migration switching from the refrigeration operation to the freezing operation on the system performance can be ignored.

parallel cycle; frost-free refrigerator-freezer; refrigerant migration

10.7652/xjtuxb201403004

2013-07-06。

劉云(1989—),女,碩士生;黃東(通信作者),男,副教授。

國家自然科學基金資助項目(51006079)。

TB 657.4

:A

:0253-987X(2014)03-0017-05