喷液冷却在低温制冷系统中的应用及试验研究

喷液冷却在低温制冷系统中的应用 及试验 研究

卫广穹

珠海格力电器股份有限公司， 广东 珠海， 519070

【摘要】本文针对采用毛细管喷液冷却方案的低温制冷机组做了详细的试验研究，首先针对一款毛细管在全工况范围内进行试验，全面分析不同工况下毛细管喷液对机组性能和可靠性的影响，并总结出可以评价毛细管喷液效果优劣的4个参数和5个工况点，其中评价参数包括喷液开启时间，喷液周期，喷液期间吸气过热度和折算的实际制冷量。然后在选定的5个工况下，针对5款不同的毛细管喷液情况进行试验研究，从各评价参数方面比较分析，选取出最优的毛细管规格。本文所提到的试验思路和试验总结出的结论对所有高压比的制冷或热泵机组喷液方案的匹配和优化均有一定的指导意义。

【关键词】喷液冷却；毛细管匹配；排气温度

1 喷液冷却工作原理

本文所研究的低温冷凝机组，用于中低温的冷库，蒸发温度范围是-20～5℃,冷凝侧进风-7～45℃，在某些工况下，即蒸发温度较低（取决于食品所需的储存温度），冷凝进风较高的情况下，机组的排气温度会较高，超过压缩机厂家给出的排温限定值，这时就需从冷凝器后取冷凝后的液体，经过喷液电磁阀和喷液毛细管节流后，喷至压缩机吸气汽分前，与从蒸发器出来的气体混合，以降低压缩机的吸气温度，从而达到降低压缩机排气温度的目的，保障机组的可靠性运行。

为了使机组能够在大压比的工况下正常运行，需将取自冷凝器冷凝后的液体节流为低压低温制冷剂，喷入压缩机的吸气口或吸气管，通过低温冷媒的蒸发来降低压缩机的吸气温度，称为喷液冷却。目前国内外学者对制冷系统的喷液冷却进行了较多的理论和试验研究。Wang[1]等建立了预测喷液冷却对涡旋压缩机性能的影响模型。Winandy[2]等对比分析了不同喷射冷却方法对涡旋压缩机性能的影响情况。国内黄辉[3]等分析了液旁通对空气源热泵性能的影响, 并进行额定制冷和制热验证试验。盛健[4]等人针对恒温恒湿箱定频制冷压缩机进行了吸气喷液试验研究，可有效改善其排气温度，降低压缩机故障率。马麟[5]等介绍了低环境温度条件下热泵用涡旋压缩机运行特性及技术要求，分析了喷液冷却和喷气增焓对低温环境下机组运行性能的影响。

吸气喷液冷却的低温制冷机组系统，除了常规的压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器等四大件外，外加气液分离器和喷液管路。图1的1-2过程为压缩机的压缩机过程，2-3为冷凝器的冷凝过程，3-4为喷液管路上经过喷液毛细管节流的过程，4点和5点混合换热后为压缩机的吸气口1点，制冷系统以此循环。当机组检测到压缩机的排气温度高于压缩机的限值时，喷液电磁阀打开，来自冷凝器后的过冷液体经喷液毛细管节流后，喷入气液分离器的入口，蒸发吸热，降低主路上的吸气温度，从而达到降低排气温度的目的。但与此同时，由于主路上的一部分液体被引入到喷液管路而未经过蒸发器，使机组制冷量会降低一些。本文通过试验重点研究喷液毛细管对制冷性能的影响，匹配出最优的毛细管规格。

图1吸气喷液冷却的低温制冷机组系统图

2 喷液冷却试验研究

2.1 试验方案

根据压缩机厂家给定的运行范围，定排气温度118℃（排气温度检测布置点在压缩机排气管上，检测到温度比压缩机内部排气口处的温度低）时，喷液电磁阀打开，喷液开始，当排气温度降低至113℃时，喷液电磁阀关闭，喷液结束。 根据经验和理论计算，初选以下五款毛细管（按流量由大到小排列），其中φ3.6Xφ2.4X1000是指外径3.6mm、内径2.4mm、长度为1000mm的毛细管。分别是毛细管1（φ3.6Xφ2.4X1000），毛细管2（φ3.03Xφ1.8X450），毛细管3（φ3.03Xφ1.8X850），毛细管4（φ2.4Xφ1.24X400），毛细管5（φ2.4Xφ1.24X600）。

试验目的是研究喷液冷却的特性及对机组性能影响的规律，匹配出最优的毛细管规格。具体试验思路是选第一款毛细管，在进风32～45℃，过热度10～25℃之间找出喷液量最大和最小的工况，在最大和最小之间再取2～3个工况，合起来作为匹配后面4款毛细管的试验工况点和所有毛细管喷液效果的对比工况点。试验过程中依次更换毛细管，记录各个工况点下的试验数据，若出现某款毛细管喷液效果极差，则停止此款毛细管的试验。

表1 各工况点毛细管1喷液情况及对性能参数的影响

（-表示喷液未开启，√表示喷液开启）

2.2 所有毛细管试验结果对比分析

对所有毛细管在选定的5个对比工况下进行试验，从喷液开启时间、喷液周期、喷液期间吸气过热度和平均制冷量等四个参数进行对比研究，选取最合适的喷液毛细管规格。其中平均制冷量定于为：平均制冷量=（一个周期内未喷时间*未喷制冷量 + 一个周期内喷液时间*喷间制冷量）/喷液周期。

图2为不同毛细管在各工况下的喷液开启时间对比图，图3为不同毛细管在各工况下的喷液周期对比图。由图2和4可知，毛细管1、2和3的喷液开启时间远小于喷液周期。这说明毛细管1、2和3是“预存”液体型喷液，即喷液电磁阀打开后短时间内先把液体喷进气分中，然后慢慢蒸发吸热来延缓排气温度的升高，其中毛细管3大部分工况的喷液时间与排气温度的温升时间近似对半。而毛细管4和5喷液开启时间很接近喷液周期，这说明毛细管4和5是“持续”型喷液，即喷液一直在低流量慢慢喷，基本刚好能维持排气温度在设定值范围内，喷液周期越长，喷液电磁阀开关次数越少，所以从喷液电磁阀的开关次数（影响电磁阀寿命）来看，喷液毛细管5占据优势。

图4为不同毛细管在各工况下的喷液期间吸气过热度对比图。为防止液滴被吸入压缩机对其带来湿压缩的危害，一般需要有5℃左右的安全过热度，有图4可知，毛细管3所对应的过热度在4—6℃

图2 不同毛细管在各工况下的喷液开启时间对比图

图3 不同毛细管在各工况下的喷液周期对比图

图4不同毛细管在各工况下的喷液期间吸气过热度对比图

范围内，其他毛细管在喷液期间的过热度只有0.5——2.5℃，远低于安全过热度，毛细管4和5在某些工况下的过热度又偏高。所以从压缩机安全运行这方面来看，毛细管3比较有优势。

综上，从喷液周期来看，喷液毛细管5占据优势。但在机组的实际使用过程中，如果冷凝器翅片脏堵或者遇到比较恶劣的运行条件，毛细管5的喷液量可能会不足，会出现一直喷但排气温度降不下来的情况。从喷液期间吸气过热度和平均制冷量两个参数看，毛细管3占据优势，更有利于机组运行可靠性和性能。而且毛细管3的内径是1.8mm，相比毛细管4和5（1.24mm），毛细管更不容易涨堵和冰堵。另，看毛细管的喷液周期（25--45min）和喷液开启时间（2-15min）也比较合适。所以综合考虑，机组选配毛细管3。

3 结论

笔者针对采用喷液毛细管的喷液冷却方案做了详细的试验研究，并针对现象和参数进行了深入研究，从冷量降比，喷液周期和喷液期间过热度情况等几个方面进行分析比较，得出最优的毛细管规格。本文所提到的试验思路和试验总结出的结论对所有高压比的制冷或热泵机组喷液方案的匹配和优化均有一定的指导意义。

参考文献：

[1] B Wang, Wenxing Shia, Xianting Li, et al. Numerical research on the scroll compressor with refrigeration injection[J]. Applied thermal engineering, 2008,28(5,6):440-449.

[2] E L Winandy, J Lebrun. Scroll compressors using gas and liquid injection: experimental analysis and

modeling[J]. International Journal of Refrigeration, 2002,25(8):1143-1156.

3. 黄辉,邵英.喷液旁通对空气源热泵性能影响的试验研究[J].制冷与空调,2008,8(1):59-63.

4. 盛健,向振之.恒温恒湿箱定频制冷压缩机吸气喷液试验研究[J].制冷技术,2018,47(2):74-78.

5. 马麟，姚文虎，钱坤． 喷液冷却和喷气增焓低温热泵涡旋压缩机的对比分析［J］． 制冷技术， 2018， 38( 1) 55 － 59．

*卫广穹（1985-），男，中级工程师，学士，研究方向：冷冻冷藏制冷机组设计，联系地址：珠海格力电器金鸡西路789号，邮编：519070。