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1、制冷器具中制冷剂充注量的计算【关键词】制冷器,制冷剂【摘要】讨论了制冷器具中制冷剂充注量与制冷量的关系以及系统中各部分制冷剂的状态和数量.提出以计算的方法来确定制冷剂充注量以及单相区、两相区工质数量，并给出了计算公式.采用这一方法可减少充注量优化实验时间,已成功运用于新产品开发.0引言绝大部分制冷器具中的制冷系统采用毛细管进行节流,此类制冷系统具有结构简单、运转可靠等优点但因毛细管属不可调节的节流元件,因此，此类制冷系统中制冷剂充注量对系统性能特别是制冷量有很大影响.制冷剂充注量的确定一般以实验方法为主.有些文献介绍了利用经验公式来计算1,但经验公式通用性不强,准确程度差.随着制冷系统中各设备
2、数学模型的完善和计算机的广泛应用,制冷器具中绝大部分设备的设计和优化可在计算机上进行.在新产品开发过程中,制冷剂充注量的确定成了实验工作量最大的环节,约占全部实验工作量的40.因此,如能以计算的方法确定充注量,以实验加以验证,在生产中将有相当大的应用价值.1制冷剂充注量与制冷量的关系对于以毛细管节流的制冷系统,制冷量与能效比呈正相关关系,因此仅需讨论充注量与制冷量的关系.这类系统的制冷循环在lgph图上的表示如图1.如系统中的制冷剂充注量过少,则不能在毛细管进口处保持液封,冷凝压力上升后,循环成为1235671.此时毛细管流阻急剧上升,流量下降,制冷剂又开始在冷凝器聚集,使循环恢复至12345
3、671.但恢复后流阻下降,液封又被破坏.如此反复振荡,系统不能稳定工作,平均制冷量很小.图1制冷循环在保证毛细管进口液封的条件下,系统中压缩机制冷循环的特性为2Q0=f1(tk,t0)Q0sNt=f2(tk,t0)Nts对于给定的压缩机，以上两式可表述为3Q0=a0t2k+a0tk+a3tkt0+a4t20+a5t0+a6Nt=b1t2k+b2tk+b3tkt0+b4t20+b5t0+b6当tk越低、t0越高时,Q0越大.同时，Nt越小,能效比越高.制冷剂在冷凝器中沿管长的热流密度与温差分布见图2.其换热由3段组成，即Qk=2(K1c1cl1c+Kkklk+K3c3cl3c)ri图2冷凝器换热
4、示意冷凝器管长是恒定的，即lc=l1c+lk+l3c=const虽然K1c较小,但基本不变,而1c较大,且有K1c1cKkkQk基本恒定,对换热影响也较小.随着制冷剂充注量的增大,液体占用冷凝管内容积增加,l3c增大,则必有lk减小,k增大,于是tk上升,Q0下降.制冷剂在蒸发器中沿管长的换热密度与温差分布如图3所示它也由两段组成，即Q0=(K00l0+K7e7el7e)fie图3蒸发器换热示意蒸发器换热管长也是恒定的，即le=l0+l7e=const当制冷剂充注不足时,0增大,Q0减小；当充注量过多时,由于流阻的增大,虽l7e减小,0仍将增大,t0下降,Q0仍下降.在一台KF25空调器上用不
5、同的充注量进行实验,相对充注量G/Gopt与相对制冷量Q0/Q0max存在图4所示关系,与上述分析一致.图4充注量与制冷量的关系2单相段工质量的计算制冷剂在系统中状态不断变化,根据其状态可将系统分几段，逐段计算出系统各部分的制冷剂量后即可得出充注量.毛细管的变工况特性与压缩机相反,以毛细管节流的制冷系统,冷凝器中必须存一定的制冷剂液体.为保证系统能在变工况条件下正常工作,当毛细管流量最大时,冷凝器应能保持液封.此时制冷剂为过冷液体,温度、比容变化不大,可选取出口处参数进行计算.于是冷凝器至毛细管的管路中制冷剂量为G4=fi4l4/v3细管内部容积很小,容纳的制冷剂可忽略不计.制冷剂在毛细管至蒸
6、发器的管路中处于湿蒸气区,其干度基本维持节流后初始干度不变,可作为单相处理，即G5=fi5l5(1-xb)/v1b为保证变工况时压缩机不吸入湿蒸气,蒸发器内必须有一段过热长度,但因制冷剂蒸气的比容为饱和液体的近百倍,这部分制冷剂与蒸发器至压缩机的管路、压缩机至冷凝器的管路以及压缩机内部的蒸气之和不足15g,在计算时可忽略不计.3两相段工质量的计算制冷剂在冷凝器与蒸发器中均是管内流动,稳定工作时可视为无相间滑移的定常流动,两相区干度近似呈线性变化x=(1-xb)lx/l+xb由干度的定义，有对于一个长度微元,则dG=dVv/vv+dV1/v1fidlx=dVv+dV1故于是如图1和图3,冷凝器和
7、蒸发器的两相段管长分别为4润滑油中的制冷剂制冷器具均采用夹带回油,制冷剂与润滑油完全或部分互溶.制冷剂气体在油中的溶解度与压力和温度有关,可表示为y=c1p3+c2p2+c3p+c4t3+c5t2+c6t+c7通常,溶解度随压力上升而增大,随温度上升而减小.当溶解度求出后,根据压缩机的注油量,可得出溶解于油中的制冷剂量G6=my/(1-y)5验证与结论应用上述计算方法,对一台经多次实验仍未达到适当充注量的KFR35型空调器进行计算,将充注量由1.30kg减小为1.10kg,系统各部分制冷剂量见表1.表1系统各部分制冷剂量表组成部分代号GkGkGkGkGkGk合计数量/g343.62295.12
8、37.29141.3751.84100.051100.98经实验验证后,将充注量调整到1.14kg,制冷量由3240W上升到3480W,能效比由2.63提高到2.76,达到优级标准.计算误差为3.5,充注量优化实验仅进行2次,时间与费用均大幅下降.由以上讨论可得出如下结论:1)制冷剂充注量与制冷量之间存在最佳匹配关系,且制冷量最大时能效比最高.2)用计算的方法确定充注量,准确程度高,能减少70%的实验工作量.作者简介：时阳男，44岁，副教授作者单位：郑州轻工业学院机电科学与工程系郑州450002周国峰工作单位为华北水利水电学院参考文献1徐传宙,时阳,湛清平.制冷器具原理与技术.北京:中国轻工业出版社,1996.36382雅柯勃松 著.小型制冷机.王士华译.北京:机械工业出版社,1982.88903谭国芳,刘剑峰.空调器模拟设计中的压缩机性能拟合.制冷,1997(1):4650符号说明a,b,c系数C比热容f流通截面g质量流量G充注量h焓K传热系数l长度m注油量N功率p压力q热流密度Q热量r传热管半径t温度v比容积V容积x干度y溶解度温差下标b初始的c冷凝器d低温的e蒸发器h高温的i内部的k凝结l液体的o蒸发s名义的v蒸气的x局部的max最大的opt
