小型地源熱泵并聯(lián)毛細管節(jié)流研究

河北科技大學機械工程學院　季文軍

小型地源熱泵并聯(lián)毛細管節(jié)流研究

河北科技大學機械工程學院季文軍

研究了不同長度毛細管并聯(lián)節(jié)流的特性，實現(xiàn)了小型地源熱泵采用并聯(lián)毛細管節(jié)流流量可調(diào)，確定了并聯(lián)毛細管的尺寸。實驗對比表明，采用并聯(lián)毛細管節(jié)流的小型地源熱泵效率可提高13%。

并聯(lián)毛細管；非設計工況；節(jié)流；效率

目前，全國很多農(nóng)村地區(qū)仍然采用燃煤的方式取暖，造成嚴重的環(huán)境污染，各地政府鼓勵人們?nèi)∠济翰膳?，采用新的采暖方式，發(fā)展適用于農(nóng)村采暖的小型地源熱泵系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的空調(diào)節(jié)流毛細管開始應用于小型地源熱泵［1］。

小型制冷裝置的節(jié)流毛細管在設計后毛細管是不可變的，因此熱泵在非設計工況下工作時，機組效率將受到影響［2］。小型地源熱泵工作工況相對穩(wěn)定，非常適合毛細管節(jié)流，不同地區(qū)土壤溫度又是不同的，這就造成了一些地區(qū)的機組會在非設計工況下工作，這會嚴重影響機組的工作效率。

本文研究一種毛細管并聯(lián)的節(jié)流方式，使小型地源熱泵在確定安裝地點后毛細管具有可調(diào)性。

1并聯(lián)毛細管結(jié)構(gòu)及工作原理

采用毛細管并聯(lián)節(jié)流的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，并聯(lián)毛細管是由兩段不同長度的毛細管組成的，工作原理是通過測量地下土壤的溫度，確定機組的工作工況，確定毛細管的長度，對符合這一工況的并聯(lián)毛細管的支路進行選擇，使之與機組工作的工況相匹配，從而提高機組的工作效率。

圖1　毛細管并聯(lián)結(jié)構(gòu)

2并聯(lián)毛細管理論分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1數(shù)學模型

制冷劑在毛細管內(nèi)流動的基本控制方程建立如下［3-4］：

將制冷劑在絕熱毛細管中的流動劃分為若干單元，對上述方程進行離散求解。

沿程摩擦阻力系數(shù)采用churchill關聯(lián)式，在制冷劑熱力飽和壓力和飽和溫度之間的計算，采用Antoine的方程形式：對兩相區(qū)的黏度計算采用cicdhitti經(jīng)驗公式，R22的熱力學性質(zhì)采用Cleland擬合公式，編寫毛細管長度計算程序，對毛細管長度進行計算。

2.2設計工況及計算結(jié)果

我國大部分地區(qū)的土壤溫度在7℃～20℃［5-6］，室內(nèi)舒適溫度為22℃，通過優(yōu)化組合來確定并聯(lián)毛細管的尺寸，制冷劑為R22，小型地源熱泵壓縮機的排氣量為31.4ml/rev，確定該熱泵在不同工況下毛細管的總流量G，假設通過毛細管1的制冷劑流量為G1，則流過毛細管2的制冷劑流量為G-G1，通過不斷假設毛細管1的流量，計算并聯(lián)毛細管1和毛細管2的長度，根據(jù)土壤溫度的約束，最后確定毛細管1和毛細管2的長度分別為640mm、810mm，當?shù)卦礈囟葹?℃、10℃、16℃時分別對應的制冷劑只流過毛細管1、只流過毛細管2、同時流過毛細管1和毛細管2三種情況。

當小型地源熱泵銷售到某農(nóng)村用戶家中后，對地下土壤溫度測量，選擇適合于這一工況的并聯(lián)毛細管通路，其他的通路則堵死，通過這種方式使毛細管具有階梯可調(diào)性提高機組的性能。

3實驗對比

搭建測試試驗臺，對小型地源熱泵采用并聯(lián)毛細管和采用單根毛細管在不同工況下的性能進行對比，實驗采用的單根毛細管的尺寸為直徑2mm，長度650mm，并聯(lián)毛細管的尺寸為上一節(jié)確定的尺寸，單根毛細管是固定不可變的，并聯(lián)毛細管可根據(jù)工況采用人工堵死某支路毛細管的方法進行調(diào)節(jié)，實驗工況分別為地源溫度為7℃、10℃、13℃、16℃、20℃的情況，對機組的制冷量進行測試，測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　不同工況下的機組制冷量變化規(guī)律

圖4　不同工況下的機組COP化規(guī)律

在實驗給定的工況下，對比小型地源熱泵采用（

）并聯(lián)毛細管和單根毛細管節(jié)流時機組的制冷量和COP，實驗結(jié)果表明在某些工況下采用并聯(lián)毛細管的機組，節(jié)能效果明顯。

4結(jié)論

編制并聯(lián)毛細管的計算程序，確定了并聯(lián)毛細管的結(jié)構(gòu)尺寸。搭建實驗臺進行對比實驗，實驗結(jié)果表明：采用并聯(lián)毛細管結(jié)構(gòu)比采用單根毛細管的機組效率最高可提高13%，有效地提高了小型地源熱泵機組的效率，研究結(jié)果對小型地源熱泵節(jié)流毛細管的選擇具有一定的指導意義。

［1］孫濤，郭憲民，楊明.毛細管長度對熱泵熱水器系統(tǒng)動態(tài)性能的影響［J］.流體機械，2009，37（8）：58-62.

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