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Ｒ410Ａ空调器空泡系数模型适用性的实验验证点击：1916 日期：[ 2014-04-26 22:21:24 ] |
| Ｒ410Ａ空调器空泡系数模型适用性的实验验证 马小魁 丁国良 张 平 张圆明 (上海交通大学机械与动力工程学院,上海200240) 摘要:为了找到适用于Ｒ410Ａ空调器两相制冷剂质量计算的空泡系数公式,提出了一种可以方便地测量换热器中制冷剂质量的准在线液氮称重法(ＱＯＭＭ),检验了该方法的测量精度,并建立实验台测量了不同空调工况下空调器换热器中的制冷剂量.基于所测制冷剂质量,验证了11种两相流体空泡系数模型对于Ｒ410Ａ空调器的适用性.结果表明,ＱＯＭＭ具有较高的测量精度,Ｒ410Ａ空调器制冷工况下空泡系数公式宜采用Ｈｕｇｈｍａｒｋ模型,而热泵工况下宜采用Ｐｒｅｍｏｌｉ模型. 关键词:Ｒ410Ａ;空泡系数模型;液氮称重法 中图分类号:ＴＫ124 文献标识码:Ａ 制冷剂充注量与制冷装置的工作特性紧密相关,尤其对于小型压缩式制冷装置,充注量的变化明显影响系统的工作特性.目前,各生产厂家往往依靠实验手段来确定系统的最佳充注量,但这种重复工作不仅消耗财力,也会花去大量的时间和人力.制冷装置仿真的发展使充注量问题可以采用理论计算方法来解决,但是计算结果的准确性主要取决于能否正确计算两相区制冷剂质量,而这其中的关键是两相区空泡系数的确定[1]. 对于两相流体中空泡系数的研究,最初是根据水蒸气的实验结果来整理的.随着制冷工业的发展,两相制冷剂空泡系数的研究逐渐得到重视.Ｒｉｃｅ[1]对现有空泡系数公式用于制冷装置后的结果进行了定量分析;Ｋｏｙａｍａ等[2]则对Ｒ134Ａ水平光管和强化管内的气液两相流动的空泡系数进行了实验研究;Ｙａｓｈａｒ等[3]研究了Ｒ134Ａ和Ｒ410Ａ两种制冷剂在水平强化管内的空泡系数;Ｆａｒｚａｄ等[4]利用实验方法对以Ｒ22为制冷剂的8种空泡系数模型的预测值与实验值进行了对比. 由于Ｒ22对臭氧层具有破坏作用,而Ｒ410Ａ不破坏臭氧层,并且具有良好的换热特性,因此Ｒ410Ａ已逐渐成为国际上空调器的主流制冷剂.但是对于适用Ｒ410Ａ空调器中两相制冷剂计算的空泡系数公式,还缺乏完整的研究.因此,本文建立了测量换热器中制冷剂质量用的实验台,并提出了一种方便地测量制冷剂质量的方法,根据现有的11种典型空泡系数公式(均相模型、Ｒｉｇｏｔ模型、Ａｈｒｅｎ模型、Ｚｉｖｉ模型、Ｓｍｉｔｈ模型、Ｄｏｍａｎｓｋｉ Ｄｉｄｉｏｎ模型、Ｂａｒｏｃｚｙ模型、Ｔａｎｄｏｎ模型、Ｐｒｅｍｏｌｉ模型Ｈｕｇｈｍａｒｋ模型和Ｙａｓｈａｒ模型),对制冷剂质量的预测值与实验结果进行比较,提出了一种适用于Ｒ410Ａ空调器的空泡系数公式. 1 验证原理 1.1 制冷剂质量与空泡系数的关系 对于占了空调器中最主要制冷剂质量的两相区制冷剂,其质量不仅与温度和压力有关,还与空泡系数有关.两相区制冷剂质量与空泡系数的关系为 式中:ｍ为换热器两相区的制冷剂质量;ρ为两相区制冷剂密度;ρｇ和ρｌ分别为两相区的气态制冷剂密度和液态制冷剂密度;ａ为空泡系数;Ｖ为两相区体积.由于ρｇ和ρｌ可以根据测得的压力以及热力学方程得到,因此两相区制冷剂质量ｍ就主要取决于ａ.通过将不同空泡系数公式所计算的换热器内制冷剂质量与实验值进行比较,就可以选择合适的空泡系数公式. 1.2 制冷剂质量的测量方法 准确与方便地测量换热器中制冷剂质量,是本项研究中的一个关键技术.目前,国内外主要流行两种测量方法:直接称重法和液氮称重法(ＬＮＭ). 直接称重法是一种最简单方便的测量方法.即将换热器置于秤上,记录下不同时刻的质量,并减去换热器本身的质量,从而得到制冷剂的质量.但由于换热器本身的质量在数量级上大于制冷剂的质量,这样测得的制冷剂量很不准确,因此不适合本研究. ＬＮＭ是比较准确的测量方法.它是将换热器与一个抽真空的采样容器相连,将采样容器置于液氮中,利用低温效应将换热器中的制冷剂抽到采样容器中,然后进行测量.测得的质量减去采样容器本身的质量,即得制冷剂质量.由于采样容器的质量远小于换热器质量,这种方法的精度比较高. ＬＮＭ在每次测量时,均需要将采样容器抽真空.由于本研究需要大量地测量,这样就有2个问题:①每次要将采集到的制冷剂放空,会浪费大量的制冷剂;②制冷装置每次抽取制冷剂后,为了保证工作特性,均需要再充一些,这样会浪费大量的时间.而且,对于非共沸混合制冷剂来讲,少量的补充,可能造成空调器中制冷剂组成浓度的变化. 为了能够比较准确又方便地测量换热器中制冷剂的质量,需要在ＬＮＭ的基础上改进测量方法,每次可以回充制冷剂.为此提出准在线液氮称重法(ＱＯＭＭ). 2 实验装置与过程 2.1 实验装置实验装置结构如图1所示. 制冷装置的室内机和室外机被分别放置在两个封闭的房间内,房间都使用保温层保温,每个房间均安装了温湿度调节装置,对房间内的温湿度进行调节,热泵工况下室内机房间和室外机房间的空气温度分别调节为20和7℃,制冷工况下室内机房间和室外机房间的空气温度分别调节为27和35℃.房间温度的调节精度控制在±1℃.实验对象为一台ＲＺＹＰ80ＨＴ型Ｒ410Ａ分体式热泵空调,压缩机为涡旋式变频压缩机(750ｍＬＰＯＥ油).在室内换热器、室外换热器两端分别安装了电磁阀和球阀,为了最大限度减小压降,选择阀门的管径与连接管路的管径相同.将一个电磁流量计安装在压缩机的排气口用于测量制冷剂的流量.2个Ｓｗａｇｅｌｏｋ304Ｌ ＨＤＦ4 2250采样容器用来收集室内外换热器中的制冷剂,1个高精度大量程的电子天平(量程10ｋｇ,分辨率0.1ｇ)用来测量采样容器的质量.测量得到的换热器中制冷剂质量的误差为±0.16%～±0.50%.室内机换热器和室外机换热器管路上布置了热电偶,用来测量换热器管壁温度,从而确定过热区、两相区和过冷区的长度.换热器上的热电偶布置如图2所示. 2.2 制冷剂质量测量步骤 实验台换热器中的制冷剂质量测量采用ＱＯＭＭ,需要用到的元件及其连接方式如图3所示,换热器通过采样口与制冷剂抽取装置相连. 操作步骤如下: (1)测试空罐质量.使用真空泵对采样容器抽真空,然后将电子天平置于采样容器下面,测得真空状态采样容器的质量,记为ｍ1. (2)连通换热器和采样容器.当制冷系统达到测试工况时,关闭压缩机,同时关闭所有电磁阀和球阀,然后打开截止阀1和调节阀.此时换热器中的制冷剂开始流向采样容器,直至两者的压力平衡. (3)抽取换热器中的制冷剂.待换热器中的压力表指示稳定时,将采样容器放到液氮罐中,使换热器中剩余的制冷剂流入采样容器.达到平衡时,换热器中只有压力极低的气体制冷剂,其质量可以忽略. (4)再次测量采样容器的质量.关闭截止阀1和采样容器进口调节阀,移走液氮罐,使用电子天平再次测量采样容器的质量,记为ｍ2.则所需要测量的换热器中制冷剂的质量ｍ3=ｍ2-ｍ1. (5)回充制冷剂.打开截止阀1和采样容器进口调节阀,将采样容器置于沸水中,使采样容器里面的制冷剂不断流回换热器.待压力平衡后根据采样容器中的压力、温度以及采样容器的容积计算得到采样容器中制冷剂质量,记为ｍ4.关闭截止阀1和采样容器进口调节阀,打开所有电磁阀和球阀. 第1次测量室内换热器和室外换热器的制冷剂质量时,按以上5个步骤操作;以后再测试其他工况下换热器中制冷剂质量时,重复步骤(2)～(5)并在第(4)步减去采样容器中过热气体制冷剂质量ｍ4即可,此时的制冷剂质量应为ｍ3-ｍ4.采用以上方法,制冷剂基本上均回充到制冷系统中,这样可以避免制冷剂的浪费,而且不需要每次在系统中新增制冷剂,加快了实验过程. 为了确定该方法的测量精度,本文对冷凝器中的制冷剂质量分别采用ＱＯＭＭ和ＬＮＭ进行了5次实验,测量结果如表1所示.表中,η为ＱＯＭＭ相对ＬＮＭ的偏差,5次平均偏差为5.43%.结果表明,ＱＯＭＭ的测量精度可以满足工程要求. 2.3 制冷剂质量测量工况 实验共完成了热泵和制冷工况各9个工况点的测量.室内机风量均控制在18ｍ3/ｍｉｎ;制冷与热泵工况的室外机风量和压缩机频率如表2所示.表中:Ｑ为室外机风量;ｆ为压缩机频率;ｎ为工况点. 3 结果与分析为 了验证空泡系数公式的适用性,将采用各种不同形式空泡系数后计算得到的换热器内制冷剂质量与实验测得的制冷剂质量进行比较.图4所示为制冷工况下换热器中制冷剂质量ｍ的计算与实验值比较.图5所示为热泵工况下换热器中制冷剂质量ｍ的计算与实验值比较,图中标识与图4相同.制冷工况和热泵工况下蒸发器、冷凝器两相区空泡系数模型预测值的详细偏差如表3所示. 由图4可见:①目前所开发的11种空泡系数模型在制冷工况下蒸发器两相区Ｈｕｇｈｍａｒｋ模型的预测值与实验值吻合最好,平均偏差为2.5%.Ｂａｒｏｃｚｙ模型的预测值偏高,平均偏差达到27.7%.其余9个空泡系数模型的预测值偏小,最大平均偏差为-52.7%.②制冷工况下冷凝器两相区空泡系数模型的验证与蒸发器有类似的结果.Ｈｕｇｈｍａｒｋ模型的预测值与实验值吻合最好,平均偏差为0.8%.Ｂａｒｏｃｚｙ模型的预测值偏高,平均偏差达到7.7%.其余9个空泡系数模型的预测值偏小,最大平均偏差为-23.0%. 由图5可见:①目前所开发的11种空泡系数模型在热泵工况下蒸发器两相区Ｐｒｅｍｏｌｉ模型的预测值与实验值吻合最好.平均偏差为-0.6%.Ｂａｒｏｃｚｙ模型和Ｈｕｇｈｍａｒｋ模型的预测值偏高,最大平均偏差为43.0%.其余8个空泡系数模型的预测值偏小,最大平均偏差为-51.3%.②热泵工况下冷凝器两相区空泡系数模型的验证与蒸发器同样有类似的结果.Ｐｒｅｍｏｌｉ模型的预测值与实验值吻合最好,平均偏差为0.4%.Ｂａｒｏｃｚｙ模型和Ｈｕｇｈ ｍａｒｋ模型的预测值偏高,最大平均偏差为22.4%.其余8个空泡系数模型的预测值偏小,最大平均偏差为-25.0%. 4 结 论 (1)本文利用ＱＯＭＭ对换热器中的制冷剂质量进行测量,大大减少了传统液氮称重法制冷剂的消耗,提高了测量速度,而且与传统液氮称重法的平均误差只有5%. (2)制冷工况下,Ｈｕｇｈｍａｒｋ模型对蒸发器和冷凝器两相区Ｒ410Ａ制冷剂质量的预测值与实验值吻合最好.蒸发器和冷凝器两相区预测值的平均偏差分别为2.5%和0.8%. (3)热泵工况下,Ｐｒｅｍｏｌｉ模型对蒸发器和冷凝器两相区Ｒ410Ａ制冷剂质量的预测值与实验值吻合最好.蒸发器和冷凝器两相区预测值的平均偏差分别为-0.6%和0.4%. |
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