近共沸混合制冷劑充灌量對冰箱性能的影響

1、文章編號:10050329(200306004404近共沸混合制冷劑充灌量對冰箱性能的影響郭航1,2劉志剛2何茂剛2張智2鞠飆2吳江濤2(11西安交通大學(xué),陜西西安710049;21北京工業(yè)大學(xué),北京100022摘要:研究了近共沸混合制冷劑充灌量與冰箱性能及運(yùn)行參數(shù)間的關(guān)系。這些參數(shù)包括冷卻速度、耗電量、冷藏室溫度、冷凍室溫度、冷凝器溫度、壓縮機(jī)吸氣溫度和排氣溫度等。為進(jìn)一步提高替代工質(zhì)冰箱性能提供了依據(jù),并為近共沸混合制冷劑充灌量優(yōu)化模型的驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞:冰箱;混合制冷劑;近共沸;替代工質(zhì)中圖分類號:T B64文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AI nfluence of N ear2azeotrop

2、ic Mixture R efrigerant Q uantity on the Perform ance of the R efrigeratorG uo HangLiu ZhigangHe MaogangZhang ZhiJu BiaoWu JiangtaoAbstract:The experimental investigation on the relations between near2azeotropic mixture refrigerant quantity and refrigerator perfor2 mance and operating parameters are

3、 presented.Those parameters included pull down speed and power consumption of the refrigerator, temperature of cold storage chamber,freezing chamber,condenser,suction and discharge pipes of compress or,etc.A g ood reference for improvement performance of refrigerator using alternative refrigerant is

4、 provided.The fundamental data for validation of refrigerant quanti2 ty optimization m odel were als o given by the experimental results.K eyw ords:refrigerator;mixture refrigerant;near2azeotropic;alternative w orking substance1引言自20世紀(jì)90年代以來,我國針對采用CFC12的替代物作制冷劑的家用冰箱開展了一系列研究工作13。對替代工質(zhì)的研究結(jié)果表明,采用單一工質(zhì)作為

5、替代物都或多或少存在著缺點(diǎn),而采用混合工質(zhì)作為制冷劑可以使不同的工質(zhì)間優(yōu)勢互補(bǔ),使得替代工質(zhì)的選擇范圍大為拓寬4?；旌瞎べ|(zhì)有共沸和非共沸之分,其中共沸混合制冷劑數(shù)量有限。在非共沸混合工質(zhì)中,近共沸混合物以其相變溫度滑移小,泄漏影響小等優(yōu)點(diǎn)引起了大家的關(guān)注5。制冷劑的充灌量對冰箱的性能有著重要的影響6。從公開發(fā)表的文獻(xiàn)來看,多年來,國內(nèi)對冰箱的非共沸混合制冷劑充灌量這一領(lǐng)域的系統(tǒng)研究成果多集中于理論分析和計算機(jī)模擬方面67,實(shí)驗(yàn)研究的公開報道并不系統(tǒng)。而在使用非共沸混合制冷劑作為替代工質(zhì)的情況下,其充灌量的優(yōu)化是環(huán)保冰箱系統(tǒng)整體優(yōu)化的一個重要組成部分。本文將針對CFC12的一種近共沸替代工質(zhì),通

6、過實(shí)驗(yàn)研究其充灌量對冰箱的主要性能參數(shù)的影響,并且將對冰箱運(yùn)行時其制冷系統(tǒng)管路的溫度分布以及冰箱內(nèi)部各個間室的溫度變化進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定。2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由恒溫測試環(huán)境,實(shí)驗(yàn)冰箱,實(shí)驗(yàn)測量儀器,數(shù)據(jù)采集與處理等部分組成,其布置如圖1所示。211恒溫測試環(huán)境實(shí)驗(yàn)在恒溫室內(nèi)進(jìn)行,測試環(huán)境符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求8。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)時,環(huán)境溫度的波動范圍±0.3;在離實(shí)驗(yàn)臺架2m高的范圍內(nèi),垂直方向的溫度梯度1.5/m。恒溫環(huán)境相對濕度保持在45%75%左右。恒溫室內(nèi)空氣流速不大于0.25m/s。收稿日期:20020920修稿日期:20021104基金項(xiàng)目:陜西省科技研究發(fā)展計劃資助項(xiàng)目(4K

7、132G I圖1冰箱性能測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)俯視圖212實(shí)驗(yàn)用冰箱實(shí)驗(yàn)用冰箱型號為BC D218、雙門雙溫、三星級、亞熱帶型(ST、總有效容積為218L(其中冷凍室有效容積95L、使用額定電壓220V、額定頻率為50H z。213實(shí)驗(yàn)測量元件及分布實(shí)驗(yàn)中的溫度測量元件采用銅2康銅熱電偶,經(jīng)標(biāo)定,在-50150的范圍內(nèi),誤差為±0. 1。主要的溫度測點(diǎn)有20個,分別分布在壓縮機(jī)進(jìn)、出口;壓縮機(jī)外殼;冷凝器進(jìn)、出口及沿途數(shù)點(diǎn);蒸發(fā)器進(jìn)、出口及沿途數(shù)點(diǎn);冷凍室室溫;冷藏室室溫等。濕度測量儀器采用干濕球溫度計。耗電量測量儀器采用分度值為0.001kWh的電度表。214數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理

8、系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換板、35954A微機(jī)接口板、C OMPAQ微型計算機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸電纜等部分組成。該系統(tǒng)的測量精度高、抗干擾性強(qiáng)、可靠性好,速度最快時每0.22s即可對全部20個測試通道掃描采集1次。作者通過自行開發(fā)的計算機(jī)軟件能方便地對采集過程進(jìn)行監(jiān)控。215實(shí)驗(yàn)用制冷劑本文實(shí)驗(yàn)中所用的近共沸混合制冷劑為HFC152a/HCFC22。作為家用冰箱制冷劑CFC12的替代物之一,HFC152a/HCFC22不僅有著較好的環(huán)保性能,而且在制冷能力、能耗、制冷劑成本等方面都較為接近CFC12。在實(shí)驗(yàn)中,采用液體充注方式進(jìn)行混合制冷劑的充灌,液態(tài)HFC152a 與HCFC22的質(zhì)量百分比分別為85%與1

9、5%。在改變充灌量時,冰箱本身的設(shè)備、部件(如毛細(xì)管等均不做變動。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論311冰箱的冷卻速度按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求,將實(shí)驗(yàn)冰箱在32的恒溫環(huán)境中至少放置6h,冰箱內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度達(dá)到平衡(溫差18。關(guān)閉箱門,使冰箱連續(xù)運(yùn)行,測定在不同的充灌量下冷藏室平均溫度降到7(0各測點(diǎn)溫度12,冷凍室溫度-18時所需要的時間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示 。圖2充灌量對冰箱冷卻所需時間的影響從圖2中可以看到,隨著混合工質(zhì)充灌量的改變,冰箱的冷卻速度也不斷變化。事實(shí)上,當(dāng)制冷劑充灌量過小(80g時,進(jìn)入蒸發(fā)器的液體制冷劑不足,在蒸發(fā)器中很快變成氣態(tài),導(dǎo)致蒸發(fā)器管道有相當(dāng)長的一段處于氣態(tài)單相換熱,換熱能力不足,從

10、而導(dǎo)致冷卻速度偏慢。而當(dāng)制冷劑充灌量過大時(100g,進(jìn)入蒸發(fā)器的液體制冷劑過多,蒸發(fā)器管道有相當(dāng)一部分換熱面積處于液態(tài)單相換熱,換熱系數(shù)偏低,也造成冷卻速度偏慢。在適當(dāng)?shù)某涔嗔肯?冷卻速度有一個最佳值。312冰箱的耗電量按照國家標(biāo)準(zhǔn)要求,在25的恒溫環(huán)境中,測定冰箱在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)期間,冷藏室平均溫度保持在t m=5時,冰箱連續(xù)運(yùn)行24h的實(shí)際耗電量8。由于在耗電量實(shí)驗(yàn)中,冷藏室溫度呈波動變化,因而實(shí)驗(yàn)采用兩點(diǎn)內(nèi)插法求耗電量8,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看到,如果僅考慮冰箱的節(jié)能效果的話,最佳充灌量應(yīng)為91g。從圖2、3中還可以看出,隨著混合工質(zhì)充灌量的改變,冰箱的耗電量雖然也有一個最佳

11、值,但是該最佳值對應(yīng)的充灌量與最佳冷卻速度所對應(yīng)的充灌量并不一致。出現(xiàn)這一現(xiàn)象主要是由于冰箱的這兩項(xiàng)性能指標(biāo)所反映的內(nèi)在參數(shù)是不同的。冰箱的冷卻速度主要反映的是其制冷能力,而耗電量則更多地與冰箱制冷系統(tǒng)的能效比有關(guān),因此 它們各自的最佳值所對應(yīng)的最佳充灌量一般是不同的。 圖3充灌量對冰箱耗電量的影響313冷藏室溫度另外還對在冷卻速度實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到120min 時(此時各運(yùn)行參數(shù)開始趨于穩(wěn)定,制冷劑充灌量對冰箱的冷藏室平均溫度、冷凍室溫度、冷凝器平均溫度、壓縮機(jī)吸氣和排氣溫度等參數(shù)的影響進(jìn)行了研究。圖4反映了隨著充灌量的改變,冷藏室平均溫度的變化規(guī)律,可以看到它與冷卻速度的變化規(guī)律類似。 圖4充灌量

12、對冰箱冷藏室平均溫度的影響314冷凍室溫度冷凍室溫度隨充灌量的變化規(guī)律(見圖5與冷藏室溫度變化規(guī)律有很大不同。 圖5充灌量對冰箱冷凍室溫度的影響從圖5中可以發(fā)現(xiàn),盡管冷凍室溫度最低的情況出現(xiàn)在我們預(yù)期的充灌量范圍內(nèi),但是在小充灌量(80g 的情況下,冷凍室溫度并未升高,基本上與充灌量為86g 時的相當(dāng)。該現(xiàn)象在多次嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)中均得到了很好的復(fù)現(xiàn)。通過對冰箱結(jié)構(gòu)及其它實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析認(rèn)為,冷凍室溫度變化規(guī)律之所以表現(xiàn)出與冷藏室不同,主要與實(shí)驗(yàn)冰箱的冷藏室、冷凍室蒸發(fā)器盤管的布置有關(guān)。該冰箱是冷凍室在下部的雙門冰箱,當(dāng)制冷劑充灌量不足時,來自毛細(xì)管的液態(tài)制冷劑大部分先在下部的冷凍室蒸發(fā)器盤管內(nèi)蒸

13、發(fā),產(chǎn)生冷量,此時雖然冰箱總的充灌量不足,但仍足以滿足冷凍室蒸發(fā)器有效換熱所需的液態(tài)制冷劑的量,此時冷凍室蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)制冷過程與充灌量稍大時基本相同,從而使充灌量為80g 時的冷凍室溫度與充灌量為86g 時的基本相當(dāng)。而在充灌量不足時,到達(dá)冰箱上部冷藏室蒸發(fā)器的液態(tài)制冷劑偏少,與充灌量稍大時相比,此時的冷藏室蒸發(fā)器的兩相換熱面積減少,氣態(tài)單相換熱面積增加,由于單相換熱的換熱系數(shù)遠(yuǎn)小于兩相換熱的,致使在充灌量為80g 時的冷藏室溫度較高。另外,從圖4、5還可以看出,如果冰箱的原始充灌量在91g 左右,當(dāng)制冷劑泄露約12%時(由于該制冷劑的近共沸特性,這樣的泄露量對其配比影響很小,泄漏對冷凍室溫

14、度的影響不大,冷藏室溫度雖然升高了近1,但仍然低于7,符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。315壓縮機(jī)吸氣溫度從圖6可以看到,當(dāng)充灌量較小時(80g ,制冷劑在進(jìn)入壓縮機(jī)前已經(jīng)是溫度很高的過熱蒸氣。當(dāng)充灌量增加到100g 時,壓縮機(jī)吸氣溫度已經(jīng)降至0以下,此時可以觀察到壓縮機(jī)的吸氣管外表面結(jié)霜現(xiàn)象嚴(yán)重,表明此時的充灌量過大。圖6充灌量對壓縮機(jī)吸氣溫度的影響316壓縮機(jī)排氣溫度壓縮機(jī)排氣溫度如圖7所示,從圖中可以看到,在混合工質(zhì)充灌量為91g 或95g 時,均可得到較低的排氣溫度。這有利于防止混合制冷劑在高溫下變質(zhì)或潤滑油結(jié)焦。 圖7充灌量對壓縮機(jī)排氣溫度的影響317冷凝器平均溫度實(shí)驗(yàn)中,我們沿冰箱冷凝器管路的沿

15、程布置了5個溫度測點(diǎn),實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),第1點(diǎn)和第5點(diǎn)的溫度受單相換熱的影響較大,與中間3個測點(diǎn)的溫度相差較大。于是對中間3個溫度相近的測點(diǎn)取其溫度的平均值,以期盡可能準(zhǔn)確地反映兩相換熱情況下的冷凝溫度,我們將該值稱為冷凝器平均溫度。該溫度隨混合工質(zhì)充灌量變化的規(guī)律如圖8所示。由圖8可以看到,隨著充灌量的增加,冷凝器平均溫度隨之上升。 圖8充灌量對冷凝器平均溫度的影響4結(jié)論(1最佳冷卻速度對應(yīng)的充灌量與最佳耗電量對應(yīng)的充灌量并不一致。優(yōu)化充灌量不能單看某個指標(biāo),應(yīng)該綜合考慮。(2本實(shí)驗(yàn)冰箱最佳充灌量為91g 95g ,更著重冰箱的節(jié)能效果,最佳充灌量應(yīng)為91g 。(3當(dāng)該非共沸混合制冷劑泄漏約12%

16、時,泄漏對冷凍室溫度的影響不大,但對冷藏室溫度、冷卻速度等參數(shù)有明顯的不利影響。(4本實(shí)驗(yàn)結(jié)果為非共沸混合制冷劑充灌量優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),并為進(jìn)一步提高替代工質(zhì)冰箱性能提供了依據(jù)。參考文獻(xiàn)1郭航等.替代工質(zhì)冰箱溫度變化規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究J .流體機(jī)械,2001,29(10:464912郭航等.替代工質(zhì)HFC152a/HCFC22冰箱壓縮機(jī)閥片厚度的優(yōu)化J .制冷學(xué)報,1998,(3:364013劉咸定等.近共沸混合工質(zhì)HFC 2152a/HCFC 222冰箱的研究J .制冷學(xué)報,1991,(3:19414陰建民等.共沸與近共沸混合工質(zhì)CFCs 替代物的熱力學(xué)分析J .工程熱物理學(xué)報,1994,15(2:13714015鞠飆,劉志剛.二元混合工質(zhì)灌注式替代的冰箱性能實(shí)驗(yàn)研究J .制冷學(xué)報,1996,(2:61216王康迪,王懷信.系統(tǒng)仿真確定制冷劑充灌量J .制冷學(xué)報,2001,(4:354017黃紅華,蔣能照.非共沸混合制冷劑充注過程的理論分析J .流體機(jī)械,1996,24(1:525518G B/T 8059.13-1995,家用電器具:電冰箱S.北京:中國標(biāo)程出版社.作者簡介:郭航,講師,在職博士生。通訊地址:100022北京市朝陽區(qū)平樂園100號北京工業(yè)大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)