技术：制冷剂充注量对降膜式蒸发器性能的影响

        水平管降膜蒸发器由于其较少的冷媒充注量和较高的换热性能在制冷空调领域得到广泛的应用。本文以 R134a 为工质，对冷媒充注量和两流程下管程布置方式对采用降膜式蒸发器性能的影响进行了试验研究，并与满液式蒸发器进行对比。结果表明：随着冷媒充注量的增加降膜式蒸发器换热性能逐渐提升，但提升趋势逐渐缓慢；冷冻水进出水管采用下进上出的方式机组性能优于上进下出；同等能力下，采用降膜式蒸发器机组的冷媒充注量比满液式蒸发器可减少 34% 。

1、 结构及工作原理

1.1  结构  

测试所用的降膜式蒸发器与满液式蒸发器，所采用的换热管规格、型号、数量完全一样。如图 1 所示，两台蒸发器内部管束布置及内构件有所不同，满液式布管高度较低，最高排管位置约为壳体中心，管束采用左右对称布置，冷媒进口设置在壳体底部，出气口在壳体顶部。降膜式蒸发器壳体内部上端为布液器，布液器下方为换热管束，管排跟布液器宽度保持一致，降膜区管束布置成长方形，底部满液区为圆弧形，进液口及出气口均在壳体顶部。

                           

1.2  测试系统及测试步骤  

试验样机在 600 RT 冷水机组测试台进行测试，机组系统如图 2 所示，其中降膜式进液接管在蒸发器顶部，满液式进液接管在蒸发器底部。

测试步骤：

1） 先测试满液式蒸发器，机组充注量 350 kg ，按照既定试验方案测试机组名义制冷工况及部分负荷工况下性能参数，每个工况稳定运行 2 h 后保存测试数据；

2） 满液式各工况测试完成后，回收冷媒和润滑油，将机组蒸发器更换为降膜式蒸发器，并清洗系统，重新充注冷媒和润滑油，冷媒初始充注量 230 kg ；

3） 蒸发器进出水管采用上进下出时，测试不同工况下机组的性能，每个工况稳定运行 2 h 后保存测试数据，每次增加 10 kg 冷媒，均按照先测试名义制冷工况，后测试部分负荷工况的顺序进行测试，直至冷媒增加后机组名义制冷工况下参数变化幅度明显降低，则不再增加冷媒；

4） 调换蒸发器进出水管方式，改为下进上出，测试不同工况下机组的性能，每个工况稳定运行 2 h 后保存测试数据，每次减少 10 kg 冷媒，直至冷媒减少后机组性能参数低于满液式或者发现机组满液区液位较低，换热管存在“干烧”现象，则不再减少冷媒。

1.3  测试工况及允差  

名义工况下参数设定均按照如下要求执行：蒸发器 额定 水流量（ m3/h ）按照 0.172x 名义制冷量（ kW ）设定，出水温度设定为 7  ℃；冷凝器器 额定 水流量按照 0.215x 名义制冷量设定，进水设定为 30  ℃。

参数允差应符合以下要求：

1） 机组的水温偏差 ±0.1  ℃；

2） 冷冻水流量及冷却水流量应在额定流量的 ±5% 以内；

3） 机组应在额定频率、额定电压下运行，其频率偏差值不应大于 0.5 Hz 、电压偏差在 ±5% 以内。

1.4  数据导出及不确定度分析

2、试验结果及数据分析

为对比满液式蒸发器机组和降膜式蒸发器机组的差异，选择名义制冷工况下机组制冷量、性能系数、蒸发温度进行分析。

2.1  满液式机组测试数据

满液式机组冷媒充注量 350 kg ，机组名义制冷工况下数据如表 2 所示。

2.2  降膜式机组测试数据 

将测试机组满液式蒸发器更换为降膜式蒸发器，按原满液式机组相应的测点进行布置并测试。

对于满液式机组而言，其冷媒液位较高，换热管浸泡于冷媒中进行蒸发换热，进出水管方式对换热影响较小。而降膜式蒸发器则由于布管位置较高且冷媒充注量较少，只有底部少量换热管处于冷媒液位以下，即满液区，因此蒸发器进出水管方式会对换热产生较大的影响。试验分别测试了进出水管采用上进下出和下进上出两种方式下的机组性能。

2.2.1  蒸发器进出水管采用上进下出的方式 

    降膜式机组初始冷媒充注量 230 kg ，在机组稳定运行 2 h 后保存机组数据。后续每次增加 10 kg 冷媒，运行稳定 2 h 后保存数据，机组制冷量增加幅度明显降低时不再增加冷媒。不同冷媒充注量下的名义制冷工况下制冷量、性能系数以及蒸发温度变化如图 3 所示。 以图 3 中满液式数据均表示冷媒充注量为 350 kg 时的测试数据。

    由图 3 可知，随着冷媒充注量增加，降膜式机组制冷量升高，但增长趋势逐渐缓慢，且在充注量 280 kg 以后制冷量不再显著增加。机组制冷量在冷媒充注量 250 kg 时开始超过满液式，此时机组性能系数略低于满液式（见图 4 ），若不考虑蒸发温度，在机组制冷量与性能系数与满液式相当时，降膜式采用上进可减少约 100 kg 冷媒，相比满液式冷媒充注量可降低 28.6% 。由图 4 可以看出，性能系数趋势与制冷量相同，且在冷媒充注量 260 kg 时，降膜式性能系数开始超过满液式。

    由图 5 可以看出，随着充注量增加，蒸发温度呈阶段性增加，降膜式蒸发温度由 5.2  ℃升高到 5.6  ℃，在冷媒充注量 280 kg 前降膜式蒸发温度低于满液式机组，但在 280 kg 后蒸发温度与满液式持平。

2.2.2 蒸发器进出水管采用下进上出的方式

更换进出水管方式前机组冷媒充注量为 300 kg ，更换进出水管后先测试 300 kg 充注量下机组性能，后续每次减少 10 kg ，机组稳定运行 2 h 后保存数据，测试结果如图 4~ 图 8 所示。

结合图 4 、 5 、 6 、 7 ，降膜式机组进出水管采用下进上出与采用上进下出规律相似，充注量越多，机组制冷量以及性能系数均提高，但增加趋势逐渐缓慢（在冷媒达到 270 kg 时，制冷量及性能系数提高幅度较小）。由图 6 、 7 可以看出，在采用下进上出方式，充注量 230 kg 时，降膜式机组制冷量超过满液式，且此时机组性能系数与满液式相当，此时机组相比于满液式机组冷媒可减少约 34% 充注量。由图 8 可以看出，随着冷媒的增加，蒸发温度呈现阶段性增加，蒸发温度由 5.2  ℃逐渐提升到 5.9  ℃。在充注量 250 kg 时，机组蒸发温度与满液式机组的蒸发温度 5.6  ℃持平，且在充注量为 300 kg 时，蒸发温度达到 5.9  ℃。

2.2.3  两种进出水方式数据对比及分析

由图 9 可知，降膜式机组在相同充注量下，进出水管采用下进上出的方式时，机组制冷量均高出采用上进下出时 20 kW 左右。图 10 对比不同冷媒充注量下换热系数及蒸发温度的变化图 9 、 10 表明采用下进时蒸发器的整体换热性能较好。

3、结论

对降膜式蒸发器机组和满液式蒸发器机组分别进行测试，通过数据及分析可得到如下结论：

1 ）降膜式机组性能与冷媒充注量有关，随着冷媒充注量增加，降膜式蒸发器机组的制冷量、性能系数及蒸发温度逐渐提升，但提升趋势逐渐缓慢，其中蒸发温度只有在冷媒充注量增大到一定量时才变化；

2 ）降膜式蒸发器机组性能与蒸发器冷冻水进出接管方式有关，冷冻水进出水管采用下进上出的方式机组性能优于上进下出；

3 ）与满液式机组相比，同等能力下，降膜式蒸发器机组冷媒充注量较少；在蒸发器冷冻水上进时，冷媒充注量可减少 28% ；冷冻水下进时，冷媒充注量可减少 34% 。

 

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