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换热器试验台用制冷剂循环供应系统的研究
发布时间：2017-11-22
空调器品质要进一步提高,除了继续开发高性能压缩机以外,必须加强对空调换热器的研究,因为它们的不可逆损失要占总能量损失的30%~50%,体积和重量一般要占空调器的一半以上[1].因此,研究更加高效紧凑的空调换热器已是当务之急.
这里的空调器用换热器指的是管内工质为制冷剂,管外工质为空气的冷凝器或蒸发器.试验台将在规定的工况下,对换热器的传热性能(传热系数K和空气换热系数α等)和流体力学性能(制冷剂和空气的流动阻力,空气的流速等)进行测试.该课题的技术关键可以分为制冷剂循环供应系统、空气循环系统(空气温度-10~60℃)和自动测量控制系统三部分.由于要求供应制冷剂的状态参数等,超出了目前制冷压缩机的适用范围,因此,制冷剂循环供应系统的研制成为技术关键的重点与难点.本文将就制冷剂循环供应系统进行详细介绍.
1试验工况与技术要求
为了对空调换热器进行超前的充分研究,所以制冷循环试验工况范围之大和要求之高都超过了标准(QB/T2098-95)房间空气调节器用热交换器的规定[2],具体数据如下(括号内为标准规定值):冷凝器的冷凝温度35~65℃(54.4℃),精度±0.5℃(±1.0℃);冷凝器入口温度50~130℃(90.0℃),精度±0.5℃(±1.0℃);冷凝器出口过冷度3~10℃(8.3℃),精度±1℃(±1.0℃);蒸发器的蒸发温度-15~15℃(5.0℃),精度±0.5℃(±1.0℃);蒸发器出口过热度3~30℃(5.0℃),精度±1℃(±2.0℃).
制冷工质为R22,设计时,也要考虑可改用R134a.换热器负荷测定范围为1.2~7.0 kW.由于试验工况是在上述范围内随机设定的,所以制冷压缩机的输气量必须连续可调.为了研究含油量对传热的影响,要求输入被测换热器的制冷剂的含油量,在0~10%(质量含量)范围内可随意设定和人为控制(精度为±1%),这也是相关标准中所没有的.
2技术方案的分析与研究
根据上述试验工况和技术要求,如果采用普通制冷压缩机循环作为换热器试验台的制冷剂供应系统,是无法胜任的.主要存在三大问题:
1)现有国内外市场上的制冷压缩机都达不到试验工况的要求.五家进口压缩机的情况如表1所示.
由表可见,额定最高冷凝温度均小于65℃,额定最高蒸发温度均小于15℃.此外,为试验台专门设计制冷压缩机,也是不现实的.
2)输气量的连续调节难以实现.通过各种试验工况和最大、最小换热负荷下的热力计算,可算出最大制冷剂流量为206.6 kg/h,最小流量为16.6 kg/h,最大流量是最小流量的12.4倍.在这样大的范围内连续调节输气量,无论采用能量调节机构或节流旁通回路都是困难的.若采用变频调速的方法,在理论上是可行的.实际上,它也超出了目前变频空调压缩机的可调范围.
3)制冷压缩机排气中的含油量是无法控制的.排气中的含油量与压缩机的结构形式、加工精度、运行工况、分油器的结构与大小等多种因素有关[3].所以,对制冷剂中含油量的控制,不采取特殊措施是无法实现的.
因此,要解决本试验台的制冷剂循环供应问题,必须摆脱传统模式,探索新的制冷剂压缩方式和循环系统.作者提出了采用制冷压缩机热模拟系统的方案.主要思路是,首先把从被测换热器(例如蒸发器)来的气态制冷剂冷凝,经溶液泵升压,然后再加热气化.是一种主要通过消耗热能来完成把低压气体压缩成高压气体的过程.所以可以完全不受冷凝温度、蒸发温度、过热温度的限止.输气量连续调节的问题,可以通过溶液泵流量和气化加热量的调节来解决.热模拟系统供应的制冷剂是不含润滑油的,只要在管路中设置注油计量泵,就可按需向制冷剂中定量注油.因此,采用制冷压缩机热模拟系统可以克服机械压缩不能克服的困难.当然,要构成一个完善的制冷剂循环系统,还需配套设计和使用一些加热、冷却、节流、分油等设备,详见图1.
3热模拟系统的工作过程及特点
3.1工作过程
参照制冷压缩机热模拟系统流程图,分别介绍被测换热器为冷凝器和蒸发器时的工作过程如下:
1)被测换热器为冷凝器,截止阀V1, V3, V5,关闭,其他截止阀开启,使制冷剂按冷凝器试验管线运行.高压稳压器产生的制冷剂饱和气体,经过加热器加热,注油泵注油后,以过热蒸气状态P1,T1进入冷凝器,并被冷凝成P4,T5状态的过冷液体出冷凝器,再经流量计G1、电子膨胀阀S2、电热气化器和分油器后进入低压稳压器,并被另一独立的制冷系统冷凝,再经溶液泵升压后,送入高压稳压器,完成一个循环. P1,T1,T5为冷凝器试验工况的设定参数,P1由高压稳压器内的电加热器H4控制,T1由电热过热器H5控制,T5由电子膨胀阀S2通过调节节流量来控制.为保证系统工作的稳定,还有T9,P5和液位L1需要控制,除高压稳压器内液位L1由溶液泵的变频调速器控制外,T9和P5分别由电热气化器H7和电热平衡器H8来控制.
2)被测换热器为蒸发器,截止阀V2, V4, V6关闭,其他截止阀开启,使制冷剂按蒸发器试验管线运行.高压稳压器产生的饱和液体,经过冷器过冷(被冷冻水冷却),恒温器加热(精调过冷度)后,再经流量计G2,注油泵注油后,以P2,T2过冷液体状态通过电子膨胀阀S1进入蒸发器,被气化成P4,T5状态的过热蒸气出蒸发器,经分油器分油后,进入低压稳压器冷凝为液体,再经溶液泵升压后送入高压稳压器,完成一个循环.对蒸发器试验,T2,P4,T5为工况设定参数. T2由恒温器H6控制,P4由平衡器H8控制,T5由电子膨胀阀S1通过调节节流量来控制.其余如液位L1的控制与冷凝器试验相同,而P2则由H4来控制.
3.2特点
1)除被测换热器出口制冷剂的温度T5由电子膨胀阀间接控制外,其他温度和压力的控制,都采用调节电加热量的方式进行,达到了既快捷又精确.
2)高压稳压器供应的制冷剂不带润滑油.若要做带油制冷剂试验,只要启动注油计量泵,并按行程―――注油量曲线调整好行程,即可均匀地定量注入润滑油(精度≥±1%).同时启用换热器后的高效分油器(气流速度<0.05 m/s),并可把分离出的油放回油箱,循环使用.
3)溶液泵为隔膜式计量泵,既无泄漏之嫌,又有很高的精度.并通过高压稳压器内的液位传感器自动变频调速,使高压稳压器保持一定的液位L1,再加上H4加热量的可调性,实现了制冷剂流量的连续可调.
4)适用性大于制冷压缩机.本系统虽然按R22设计,同时考虑了改用R134a的因素,实际上只要在压力、温度容许的范围内,也适用于其他制冷剂的试验.
4结论
1)制冷压缩机热模拟系统解决了现在制冷压缩机在高要求下无法解决的问题.理论上,它可以提供任何压力、任何温度、任何流量及任何含油量的制冷剂.
2)用调节电加热量的方法来控制系统的压力与温度,是一种可靠、快捷和精确的调节方法.
3)本系统除了能供测试蒸发器和冷凝器的综合性能试验台应用外,还可延伸到供测量除制冷压缩机以外的任何设备和管路特性的试验台应用.为制冷系统的仿真研究提供了有利条件.
摘自：中国计量测控网
