doi: 10.3969/j.issn.2095-4468.2020.06.102
杨露露U，徐洪波'张慧慧3，杰3，田长青】，2
(1-中国科学院理化技术研宄所中国科学院空间功热转换技术重点实验室，北京100190;
2-中国科学院大学，北京100049; 3-中国兵器装备集团兵器装备研宄所，北京102202)
[摘要]基于高温环境中人体散热需求，本文设计并搭建了一套空调服用蒸气压缩式微型制冷系统，并 设计实验定量测试了制冷剂充注量对系统性能的影响，分析了不同制冷剂充注量下系统水浴平衡温度、蒸 发/冷凝压力、压缩机吸/排气温度以及系统热力学完善度的差异。实验结果表明：空调服制冷系统充入过 少的制冷剂时，如20 g或30 g充注量工况下，系统性能极差，几乎不能达到稳定，而过多的制冷剂充入 也会使系统性能下降；制冷剂充注量存在一个最佳值，本系统采用制冷剂为R134a的最佳充注量为60 g，该充注量下系统的性能最好，热力学完善度最高，在制冷量为400 W时系统的热力学完善度达到0.51。[关键词]制冷剂充注量；微型制冷系统；空调服；R134a
中图分类号：TB61+1; TB61+2 文献标识码：A
Experimental Study on Effect of Refrigerant Charge on Performance of Miniature
Refrigeration System
YANG Lulu1，2,XU Hongbo*1，ZHANG Huihui3,LI Pengjie3,TIAN Changqing1，2
(1-Key Laboratory of Space Energy Conversion Technology，Technical Institute of Physics and Chemistry，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190, China; 2-University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049, China; 3-No.208 Research Institute
of China Ordnance Industries，Beijing 102202, China)
[Abstract]Based on the human body heat dissipation requirements in high temperature environment，a vapor compression miniature refrigeration system for air conditioning suit is designed and built in this paper.The experiments are designed to quantitatively test the effect of refrigerant charge on the system water bath equilibrium temperature，evaporation/condensation pressure，compressor charge/discharge temperature and system thermodynamic perfection under different refrigerant charges.The experimental results show that the system performance is extremely poor when the refrigeration system is charged with too little refrigerant，such as 20 g or 30 g，and it can hardly reach stability.Correspondingly，too much refrigerant charge will also degrade system performance.There is an optimal value for the refrigerant charge.In this system，the optimal chargin
g is 60 g of refrigerant R134a，under which condition the system has the best performance with the highest thermodynamic perfection of0.51 and the cooling capacity of400 W.
[Keywords]Refrigerant charge;Miniature refrigeration system;Air conditioning suit;R134a
〇引言消防现场，我国南方的西沙、南沙岛的边防前线
等，温度甚至高于40 °C。对于消防员、工厂工人、夏天高温季节，户外温度通常可以达到户外劳动人员和运动员等，长时间在高温环境下工36〜38 C甚至更高，一些特殊的工作环境比如工厂、作，当人体自身的温度调节机制不能满足人体的散
*徐洪波（1979—)，男，副研究员，博士。研究方向：高热流密度热管理技术、特种制冷空调系统设计、热泵新技术开发、微尺度传热。联系地址：北京市海淀区中关村东路29号，邮编100190。:。基金项目：国家重点研发计划（No. 2018YFB0105400)。
12
热需要，热积累达到某种程度后，就会出现热应激 现象，导致人体机能下降，工作效率降低，严重情 况下甚至危及人体生命[1-2]。空调服作为一种可对人 体温度进行主动调节的可穿戴设备，广泛应用于医 学、工业、军事和体育领域[3-5]。与冰水、相变等被 动冷却技术相比，蒸气压缩式制冷通过制冷剂
在换 热管道内蒸发循环带走人体多余热量，具有控温能 力强、稳定性好和效率高的优点[6]。同时空调服对 其所占空间、设备质量都有一定的要求，这就需要 系统尽量小型化和轻量化。
制冷剂充注量对制冷系统的性能有至关重要 的影响[7_9]，即使同一系统，由于制冷剂的性质不同，采用不同的制冷剂对充注量的要求也不同[10-11]，同一制冷剂在制热和制冷工况下最佳充注量也不相 同[12-13]。充注量过少时，冷凝器的出口往往会出现 两相的情况，系统的制冷能力得不到充分发挥，充 注量过量时，多余的制冷剂会滞留在冷凝器中从而 使得过冷区增大，冷凝压力提高，系统的功耗也会 因此提高，影响系统的性能，特别是无储液器的微 小型系统[14-15]。刘刚等[6]对一套用于电子冷却的微 型蒸气压缩制冷系统进行了实验研宄，结果表明增 加制冷剂充注量或减短毛细管长度都会导致蒸发 压力升高，压缩机功耗增大，系统性能系数下降。戴国民等[16]的研宄也表明空调器毛细管长度与制 冷剂充注量间存在最佳匹配关系。A LM O LI等[17]研宄了 R134a、R1234y f和R404a等不同种类充注 量变化对系统性能的影响，结果表明过少和过高充 注量都会降低整个系统的性能，并且不同制冷剂的 最佳充注量存在差异。
本文设计并搭建了空调服用蒸气压缩式微型 制冷系统，采用电加热棒水浴加热来模拟人体散热 制冷负荷。通过实验研宄了不同制冷负荷下制冷剂 充注量对蒸发盘管控温效果和系统整体性能的影 响，分析确定空调服制冷系统的最佳充注量，为相 关研宄提供参考。
1实验系统原理
图1和图2所示分别是设计搭建的空调服用微 型制冷系统原理和实验台。系统工质为R134a，采 用全封闭滚动转子式直流调速压缩机，该压缩机 结构紧凑、性能优越。系统管道均为铜管，蒸发器采用铜盘管浸没于水箱中，采用电加热棒水浴 加热以模拟人体所需散热量，另外为保证水温均 匀，在水箱中设置有循环水泵。冷凝器采用微通 道换热器，与传统翅片管换热器相比，微通道换 热器具有体积小、重量轻、换热效率高、结构紧 凑和制冷剂充注量小等优点[18]。系统中节流装置 采用毛细管。
1-微通道换热器，2-压缩机，3-毛细管，4-水箱，5-循环水 泵，6-蒸发盘管，7-电加热棒
图1微型制冷系统原理
1-微通道换热器，2-压缩机，3-毛细管，4-水箱
图2微型制冷系统实验台
2实验流程及误差分析
对系统在不同制冷剂充注量下进行稳定性实 验，充注量的调节范围为20〜80 g，每次增加10g 进行实验。实验时，在每一个充注量下调节水浴 加热功率以模拟不同的人体散热所需制冷负荷，加热功率的调节范围为200〜400 W，每次调节量为 50 W，当系统达到稳定后进行下一次调节。压缩 机运行转速可调，范围为2,700〜6,300 r/min，实验 中压缩机以最大转速6,300 r/min定频运行，压缩机 输入电压
和电流采用智能电表测出。
实验中在系统各部件的进出口管路以及水箱 中布置温度测点，其中，水温采用铂电阻温度计 测量，测温精度为±0.2°C；其余温度采用铜-康铜 T型热电偶测量，测温精度为±0.5 °C。在蒸发器出
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2
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充注量/g
(a )蒸发压力
10
管水浴加热平衡温度随制冷剂充注量的变化
30
250 W
300 W
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充注量/g
图3水温随制冷剂充注量的变化
3.1制冷剂充注量对水浴平衡温度的影响
对系统在制冷剂充注量为20 g 、30 g 时的性能 进行测试发现，在未给定加热量的情况下，系统 平衡耗时较长，水温较高，能达到25 °C 以上，故 后续未进行加载加热量模拟实验。图3所示为系统 在不同制冷剂充注量情况下达到平衡时，蒸发盘由图3可知，不同制冷负荷下，水温随制冷剂 充注量的变化趋势相同，均随充注量的增加先下 降后升高，同一充注量下，水温随制冷负荷的增 加而升高。当制冷剂充注量较少时，进入蒸发盘 管的制冷剂流量较小，蒸发盘管面积一定，水与 盘管中制冷剂之间的换热不足，系统制冷量小， 所以水温较高。这一现象在40 g 充注量时有非常 明显的体现，当热负荷仅仅升高到250 W 时，该工 况下水温迅速升高，达到27.4 C 。随着制冷剂充 注量增加，进入蒸发盘管的制冷剂流量增大，系 统制冷量随之增大，但由于系统中控制制冷负荷 不变，故水温随之降低，在充注量为60 g 时系统 制冷量达到最大，水温达到最低。但当制冷剂充 注量继续增加，制冷剂流量己不是制约换热量的7
30
40 50 60
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充注量/g
(b )冷凝压力
图4系统蒸发压力和冷凝压力随制冷剂充注量的变化
由图4(a )可知，系统蒸发压力整体趋势是随着 充注量的增加而升高，在制冷剂充注量为60 g 时 略有下降，主要是因为当充注量增加时，吸热蒸 发的制冷剂来不及被压缩机吸走而导致蒸发压力 升高。而蒸发盘管与水箱中水换热，蒸发温度受 平衡状态时水温影响而表现出同水温相同的趋 势。对比图3可以发现，随着水温的升高，冷凝压 力和蒸发压力同时升高，但蒸发压力的波动大于 冷凝压力，这是由水箱中水浴温度变化引起的。
图4(b )可知，制冷剂充注量增加时，冷凝压力
3实验结果与分析
6
口和冷凝器入口分别布置压力传感器以测量系统 的蒸发压力和冷凝压力，其中高压侧压力传感器 测量范围为0〜2.5 MPa ，测压精度为0.5%FS ；低压 侧压力传感器测量范围为0〜1.0 MPa ，测压精度为0.5%FS 。所有测量数据通过Agilent 34970A 数据采 集仪采集后传送到电脑。
主要因素，此时，多余的制冷剂积聚在冷凝器 中，使得系统制冷量下降，水温随之升高。3.2制冷剂充注量对系统蒸发压力和冷凝压力的影响
充注量对压缩机的影响主要体现在对压缩比 的影响。图4所示为系统蒸发压力和冷凝压力随制 冷剂充注量的变化。
K d /s o l x 'R
w
蘧愈
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2530
40
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充注量/g
(b )排气温度
图5系统吸气温度和排气温度随制冷剂充注量的变化
由图5(a )可知，压缩机吸气温度随着制冷剂充 注量的增加而呈现先下降后升高的趋势，同一充 注量下，
吸气温度随制冷负荷增加而升高。这是 因为压缩机吸气温度与系统蒸发温度的变化有关 系，在本实验中，由于控制加热量变化，水箱中 水浴平衡温度随制冷剂充注量和制冷负荷的改变 而变化，导致蒸发温度不是固定值。由于蒸发器
030
40 50 60
70 80 90
充注量/g
(a )吸气温度
60 55
也表现出增加的趋势，这是由于增加的制冷剂占 据了冷凝器内部分容积而使冷凝压力增高，进入 蒸发器的液体随之增多，但同样的制冷负荷下蒸 发器中液体不能完全气化，使得压缩机吸入的不 完全是制冷剂蒸气，回气管道的温度下降，过热 度减小。
3.3制冷剂充注量对压缩机吸气和排气温度的影响
图5所示为系统吸气温度和排气温度随制冷剂 充注量的变化。
30
出口过热度变化不大，压缩机吸气温度变化规律 同水温相似，在充注量为60 g 时水温最低，同时 吸气温度最低。
由图5(b )可知，与吸气温度随制冷剂充注量的 变化趋势不同，排气温度总体随制冷剂充注量的 增加先升高后降低。原因是可将制冷剂压缩过程 看作绝热过程，则72m = (p2/pi )(1-1气由于吸气温 度乃和压缩比P2少1变化，而绝热指数[几乎不 变，所以排气温度随吸气温度的变化而变化[19]。3.4制冷剂充注量对系统性能的影响
热力学完善度V 是蒸气压缩式制冷循环中实际 循环制冷系数与考虑了传热温差的理想制冷循环 的制冷系数的比值，用热力学完善度可以评价一 个制冷循环与工作温度完全相同的理想制冷循环 的接近程度，实际中V 的值总是小于1[20]。在本研 宄中，由于不同工况下蒸发温度随水温改变，相 比能效比（Energy Efficiency Ratio ，EER )，采用 热力学完善度可更准确衡量系统的性能。
实际制冷循环能效比：
EER = Q (1)
P
式中，EER 为系统实际能效比；Q 为系统制冷量， W ; P 为压缩机功耗，W 。
理想制冷循环性能系数：
T k - T 0
(2)
式中，^为与实际循环工作温度完全相同的理想制 冷循环性能系数；T 。为系统蒸发温度，K ; Tk 为系 统冷凝温度，K 。
热力学完善度：
EER
(3)
式中，V 为系统热力学完善度。
在每一个恒定的制冷负荷下，虽然系统达到 稳定时的制冷量不随制冷剂充注量变化，但由于 压缩机功耗以及系统蒸发/冷凝温度变化，系统的 热力学完善度会有不同。图6所示为系统热力学完 善度随制冷剂充注量的变化。由图6可知，系统的 热力学完善度随着充注量的增加先增大后减小， 在制冷剂充注量为60 g 时达到最大值，这种优势
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5 4 4 3o c l r ^
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2 11p i s
15
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充注量/g
图6系统热力学完善度随制冷剂充注量的变化
4结论
本文基于一套空调服用蒸气压缩式微型制冷 系统，利用电加热棒水浴加热模拟人体散热量， 研宄了系统制冷剂充注量对系统性能的影响，得 到如下结论：
1)
当系统充注量过少时，由于制冷剂流量
小，系统很难达到平衡；当系统中制冷剂充注量 过多（80 g )时，系统性能变差，热力学完善度在 制冷量为200 W 时仅为0.24;
2)
制冷剂充注量的增加，会影响系统水浴平
衡温度、蒸发/冷凝压力、压缩机吸/排气温度以及 系统热力学完善度；当增加制冷剂充注量，水温先 下降后升高，在充注量为60 g 时达到最低值；系 统蒸发/冷凝压力呈升高趋势，并受水温影响；压 缩机吸气温度受蒸发温度影响与水温呈现相同趋 势，而排气温度则相反；系统的热力学完善度先 升高后降低，在充注量为60 g 时达到最大值；
3)
制冷剂充注量过多或过少都会使系统性能
变差，尤其是充注量过少时，系统性能极差，不 足以支持人体散热需求；制冷剂充注量存在一个最 佳值，本系统中最佳充注量为60 g ，该充注量下系 统达到平衡时水温最低，系统热力学完善度最 高，在制冷量为400 W 时达到0.51。尤其在制冷负荷较大时更明显，如制冷量为400 W 时，系统的热力学完善度为0.51，比充注量为50 g 和70 g 时分别提高了 0.05和0.04。在不同的制冷 负荷下，当系统继续增大充注量，系统性能下 降，热力学完善度明显减小。
0.6
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16
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