预混喷嘴式分流器性能实验研究

(天津商业大学 冷冻冷藏技术教育部工程研究中心 天津市制冷技术工程中心 天津市制冷技术重点实验室 天津300134)

制冷系统中冷风机多采用分流器对节流后气液两相制冷剂等干度、等流量分配[1]。分流器分流不均会使风机得不到充分利用，甚至回气带液。而实际工程多采用文丘里式分流器,其分流效果较差，分液不均大幅降低了蒸发器的传热性能[2]。S. Lalot等[3]实验发现，制冷剂分配不均会使系统的COP下降约25%，因此亟需设计一种分流器解决上述问题。有学者采用优化的对称分流器结构提高了分流性能，但不适合于库温变化较大的工况[4-7]。也有学者采用旋转式分流器，通过离心力将两相流整定为周向均匀分布的流型，使分流器对变工况的适应性增强[8-9]。L. Venkatesh等[10]通过对分流器的CFD模拟发现，分流器的下游流动压力变化会影响上游，当冷风机各支路阻力略有不同时，分流器的分流效果会受到影响。所以有学者采用带有喷嘴的分流器，利用喷嘴对气液混合物进行加速，达到当地声速并形成临界流动，使下游流动状态的波动不会影响到上游[11-13]，但对变工况的适应性差。两相流的均匀分配过程较为复杂，与流体管路的流型、气液比、介质的性质等有关[14-15]，仅对结构进行优化设计不能解决分流器在变工况下的适应性问题[16-17]。

为了克服上述问题，本文提出了预混喷嘴式分流器。在分流器中安装旋流叶片，保证各分流入口接触气液相的几率相等，然后采用喷嘴使制冷剂达到临界状态。消除了冷风机支路流阻不一致导致的分液不均问题，同时增强了分流器对变工况的适应性。

1 实验台描述

1.1 实验原理及装置

实验中将分流器连入制冷系统，测试分流器出口对应的每一支路经过换热器后的过热度，通过对比过热度差别来评估分配均匀性。这种方法较容易实现，可以直观对比分流器的性能。过热度控制在 3～8 ℃，并将测试出每个支路的过热度进行数据处理，保证最小程度减小实验误差，对比各分流器各工况下对应冷风机的制冷量和传热系数，全面反映分流器的分流性能。

实验采用直接膨胀供液，将优化的几组分流器先后连接到系统中的同一个冷风机下进行测试。

分流器实验台主要由夹套、冷库、冷风机供冷机组、冷却水系统、夹套空调机组、电气控制室和测量采集装置组成。图1所示为冷风机测试装置实验平台。

1压缩机；2油分离器；3水冷式冷凝器；4储液器；5截止阀；6制冷剂质量计；7电磁阀；8视液镜；9电子膨胀阀；10分流器；11冷风机；12气液分离器；13水泵；14水的质量流量计；15电加热；16加湿器；17夹套的制冷控制系统；T温度测点；P压力测点。图1 冷风机测试装置实验平台Fig.1 Experimental platform for cold fan testing device

1.2 分流器A～E的结构特征

图2所示为分流器A的结构。通过旋流叶片的整流作用使制冷剂气液分相，然后均匀进入各个喷嘴。分流器B是在分流器A的基础上去除预混段。

图2 带预混段和喷嘴的分流器(分流器A)的结构(单位：mm)Fig.2 The structure of the shunt with the premixed segment and nozzle

图3和图4分别为分流器C和分流器D的结构。分流器C、分流器D均为分相式分流器，通过特殊的分相结构使气液分相。分流器C中的液相制冷剂进入冷风机，气相制冷剂通过上部管道接入冷风机出口，因此采用分流器C的冷风机各支路进口制冷剂为液态。而分流器D下部支管处设有结构相同的开口，保证进入冷风机各支路的制冷剂流量一致，因此采用分流器D的冷风机各支路制冷剂为气液两相。

图3 气液分离式分流器(分流器C)的结构Fig.3 The structure of the gas-liquid separation shunt

图4 CAL分流器(分流器D)的结构Fig.4 The structure of the CAL shunt

图5所示为分流器E的结构。分流器E为混相式分流器，通过在分流器入口制冷剂的降压增速，使气液两相制冷剂充分混合，再进入蒸发器支路管道。

图5 文丘里分流器(分流器E)的结构Fig.5 The structure of the Venturi shunt

1.3 数据采集

实验中通过将热电偶连接到数据采集器GP20对分流器各支路的冷风机前后温度进行数据采集。库房内温度采集是将热电偶布置在库房的各个库角处，最后取平均值。测试系统包括数据采集系统和记录系统，实验室的设备数据误差≤0.5%。

各测量仪器精度：冷库漏热系数为17.6 W/℃；温度在-25～10 ℃范围内(内外温差<28 ℃)时，冷库的漏热量≤500 W；温度不均匀性<0.5 ℃；温度波动<0.3 ℃；温度测量误差≤0.5 ℃；压力测量误差≤0.2%；质量流量测量误差≤0.2%。

2 实验数据处理

2.1 制冷量处理方法

对于制冷量的处理采用两种方法：空气侧热平衡法和制冷剂侧焓差法，实验中要求两者的误差不超过3%。

1)空气侧热平衡法

利用空气侧热平衡法测量冷风机空气侧供冷量的计算公式:

Qm=Kc(T3-T4)+Q1+Q2

(1)

式中：Kc为库房内漏热系数，W/℃；T3为夹套内温度，℃；T4为库温，℃；Q1为库房内加热器输入热量，W；Q2为冷风机电机散热量，W。

2)制冷剂侧焓差法

利用制冷剂侧焓差法测量冷风机制冷剂侧供冷量的计算公式:

Qn=qm(H2-H1)

(2)

式中：qm为制冷剂质量流量，kg/s；H1为进入冷风机液体制冷剂焓值，kJ/kg；H2为离开冷风机气体制冷剂焓值，kJ/kg。

3)平均制冷量

冷风机实际供冷量为上述两种方法的平均值：

Q=0.5(Qm+Qn)

(3)

式中：Qm为热平衡法供冷量，W；Qn为焓差法供冷量，W。

2.2 过热度处理方法

为了更好的分析分流器A各支路分流情况，引入总过热度偏差率的不均匀度，作为评价冷风机各支路分流优劣的标准，此方法误差更小，能精确地反映出分流器各支路的分流情况：

(4)

计算各支路的平均过热度后，利用公式(4)计算总过热度偏差率的不均匀度。

3 实验结果分析

3.1 平均过热度分析

图6所示为5种分流器的平均过热度随库温的变化。由图6可知，过热度随着库温的降低而减小，在整个工况范围内，分流器A的平均过热度最小。分流器E的冷风机平均过热度最大，说明冷风机供液不足或分流不够均匀。当温度低于-8 ℃时，除分流器E外，其他分流器平均过热度都接近3 ℃，且不超过3 ℃，冷风机的供液充分，状况优于-8 ℃工况。

图6 5种分流器的平均过热度随库温的变化Fig.6 The average superheat of the five shunts with the change of the temperature of library temperature

3.2 不均匀度分析

图7 5种分流器不均匀度随库温的变化Fig.7 The variation of the unevenness of the five shunts with the temperature of the cold storage

图7所示为5种分流器不均匀度随库温的变化。由图7可知，随着库温的下降，分流器的不均匀度成下降趋势。因为随着库温的降低，冷风机所需的制冷剂减少，制冷剂流速降低，分流器A经过旋流叶片整流后流型更加稳定，随着库温的降低，当接近设定工况时(蒸发温度-25 ℃，库温为-18 ℃)，喷嘴的分配效果最好，不均匀度仅为0.78%，说明预混喷嘴式分流器各支路过热度差别小，基本上已达到各支路均匀供液。在-20 ℃库温下，分流器A和分流器B不均匀度有所上升是因为偏离了设计工况导致。整体而言，分流器不均匀度从高到低为：A>B>C>D>E。在设计工况下，分流器A、B的分流效果最好，在库温为-20～-16 ℃时，分流器A、B具有较好的效果。可以看出分流器A和B的不均匀度随着库温的降低下降较快，且分流器A的分流效果优于分流器B。因为随着库温的降低，蒸发温度降低，制冷压缩机的输气量减少，制冷剂的质量流量减小，导致流速降低，喷嘴喉部制冷剂流速逐渐靠近临界流速，分流效果显著提高。分流器A的旋流叶片和整流器使制冷剂到达各个喷嘴入口的流型较分流器B均匀，所以分流器A的不均匀度优于分流器B。对于分流器C、D、E，库温和蒸发温度的降低对其不均匀度的影响较分流器A和B小，分流效果均较差。

3.3 制冷量与传热系数

图8所示为分流器制冷量在各个库温下的对比。由图8可知，制冷量随库温的升高而增大。在各工况下，装有分流器A的冷风机比分流器B、C、D、E的制冷量大，因此分流器A在-20～0 ℃范围内具有优异的分流效果。在-18 ℃的库温下(设计工况)，A和B的差值明显，说明预混段的加入对分流性能有很大提升。而在较高库温下，A、B差值减小，这是因为在高库温下制冷剂质量流量大，旋流叶片的预混效果不佳使分流效果变差，但仍优于分流器B。

图8 5种分流器制冷量在各个库温下的对比Fig.8 The comparison of five shunts refrigerating capacity under different cold storage temperatures

图9所示为分流器传热系数在各个库温下的对比。由图9可知，采用新型优化的分流器A提高了冷风机的传热系数，明显改善了冷风机传热性能，相比于分流器D、E，分流效果尤为突出。当库温为-18～-12 ℃时，采用分流器A的冷风机传热系数变化较少，甚至有所降低。这是因为此时分流器A的不均匀度迅速增大，导致回气有部分制冷剂吸热不足未完全达到饱和，而在-8 ℃以后分流器A、B的不均匀度逐渐靠近。可以看到分流器A、B的变化趋势一致：库温为-20～-18 ℃时，冷风机传热系数增大；库温为-18～-12 ℃时，传热系数变化较小；库温为-12～0 ℃时，传热系数继续增大；分流器C、D、E变化趋势一致：库温为-20～-12 ℃时，传热系数缓慢上升；库温为-12～0 ℃时，传热系数迅速上升；因此，采用预混喷嘴的分流器A在6 ℃左右的库温变化下，仍具有较好的分流效果。

图9 5种分流器传热系数在各个库温下的对比Fig.9 The comparison of five shunts heat transfer coefficient under different cold storage temperatures

3.4 冷风机综合性能系数

为了更直观的表现冷风机的性能改善效果，以制冷量和传热系数的平方和的根作为冷风机的综合性能表现，即冷风机综合性能系数P：

式中：Q为冷风机的供冷量，W；k为冷风机的传热系数，W/(m2·K)。

图10所示为冷风机性能系数随库温的变化。由图10可知，性能系数(半径)越大，表明性能越好。各工况下，采用分流器A的冷风机综合性能系数最大。库温为-18～-4 ℃时，冷风机综合性能提高显著，-4 ℃时性能最好，分流器A在较大的库温工况内对冷风机性能均有较好的提升。因此，新型分流器对冷风机综合性能的改善有较大帮助。

图10 冷风机综合性能系数随库温的变化Fig.10 Comprehensive coefficient of performance of air cooler changes with the cold storage temperature

4 结论

本文搭建了冷风机测试实验台，采用热平衡法和焓差法，并在-20～0 ℃库温下测量了冷风机的制冷量、传热系数和出口过热度，得到了5种分流器的不均匀度。通过分流器在-20、-16、-12、-8、-4、0 ℃和设计库温下的对比，得到如下结论：

1)预混喷嘴式分流器(分流器A)能够明显改善制冷剂分流效果，使分液更均匀，提高了冷风机利用效率。在设计工况下，相对于分流器B、C、D、E，不均匀度减小了66.1%、87.8%、88.5%、89.6%，冷风机综合性能提高了5.6%、10.8%、16.5%、17.5%。

2)采用喷嘴的分流器A、B在设计工况下具有较小的不均匀度，喷嘴对改善冷风机均匀度效果显著。采用喷嘴的分流器性能还受入口制冷剂流动状态的影响，分流器A通过添加旋流叶片整流使不均匀度由2.305降至0.781。因此，对喷嘴入口制冷剂的流型整定是必要的。

3)在偏离设计工况时，采用分流器A的冷风机不均匀度随偏离程度逐渐增大，因此对于不同的工作工况，需采用不同结构设计的预混喷嘴式分流器，以提高冷风机及系统的性能。本实验采用的喷嘴在大约6 ℃的库温变化下，仍然具有较好的分流性能，所以为了保证工作效率，采用分流器A、B的冷库温度波动不应超过6 ℃。

本文受天津市自然科学基金(16JCQNJC06600)项目资助。(The project was supported by the Natural Science Foundation of Tianjin (No.16JCQNJC06600).)