階梯可調(diào)毛細(xì)管組件的應(yīng)用研究

王振輝，季文軍，孫曉婷，杜夢(mèng)軒

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

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階梯可調(diào)毛細(xì)管組件的應(yīng)用研究

王振輝，季文軍，孫曉婷，杜夢(mèng)軒

(河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

為實(shí)現(xiàn)設(shè)備出廠后毛細(xì)管組件可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況階梯調(diào)節(jié)，保證每臺(tái)空調(diào)器工作性能達(dá)到最優(yōu)，開發(fā)一種新型階梯可調(diào)毛細(xì)管組件。對(duì)毛細(xì)管組進(jìn)行了優(yōu)化組合，確定了毛細(xì)管組件的尺寸。實(shí)驗(yàn)測(cè)得基于階梯可調(diào)毛細(xì)管組件的2匹小型地源熱泵在不同工況下的制熱量與COP，較同型號(hào)的單一毛細(xì)管機(jī)組的制熱量和COP最高可提高15%。

供熱與供燃?xì)夤こ蹋浑A梯可調(diào)；小型地源熱泵；毛細(xì)管；組件

采暖季某些地區(qū)的農(nóng)村及單體式住宅仍然使用燃煤爐子取暖，這是造成北方很多地區(qū)出現(xiàn)霧霾圍城現(xiàn)象的原因之一[1]。各地政府相繼推出一系列治理措施并大力發(fā)展清潔能源，小型地源熱泵采暖迎來良好的發(fā)展契機(jī)[2-3]。小型地源熱泵工作工況非常適合采用毛細(xì)管節(jié)流。毛細(xì)管具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、價(jià)格低廉、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)負(fù)載較小等優(yōu)點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是工況適應(yīng)性差[4-8]。

小型制冷裝置生產(chǎn)中一般采用某一標(biāo)準(zhǔn)工況確定毛細(xì)管的管徑、長度，無論毛細(xì)管是單根還是多根，串聯(lián)還是并聯(lián)，出廠后毛細(xì)管是固定不變的，節(jié)流部件的流量特性也隨之確定[9-10]。小型熱泵裝置在不同模式及工況下，不僅制冷劑流向不同，而且要求節(jié)流部件的流量也要相應(yīng)調(diào)整，常規(guī)的毛細(xì)管很難適應(yīng)這一要求[11]。毛細(xì)管的管徑較小，所以管壁粗糙度會(huì)對(duì)毛細(xì)管的流動(dòng)性產(chǎn)生較大的影響，即使同一批生產(chǎn)的毛細(xì)管用于同一臺(tái)空調(diào)設(shè)備，制冷量也會(huì)變化較大[12]。

本文開發(fā)一種新型階梯可調(diào)毛細(xì)管組件，空調(diào)安裝后可根據(jù)實(shí)際工況調(diào)節(jié)節(jié)流部件的流量特性，保證每臺(tái)空調(diào)器工作性能達(dá)到最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能。

1 階梯可調(diào)毛細(xì)管結(jié)構(gòu)及調(diào)節(jié)原理

圖1 采用毛細(xì)管組件的小型地源熱泵裝置圖Fig.1 Installation diagram of a small

采用階梯可調(diào)毛細(xì)管組件的小型地源熱泵裝置工作原理如圖1所示，階梯可調(diào)毛細(xì)管組件由4段不同長度的毛細(xì)管組成，毛細(xì)管1為主毛細(xì)管，毛細(xì)管2、毛細(xì)管3、毛細(xì)管4為階梯調(diào)節(jié)毛細(xì)管，通過阻斷毛細(xì)管2、毛細(xì)管3、毛細(xì)管4某一支路毛細(xì)管的方法實(shí)現(xiàn)流量特性的階梯可調(diào)?，F(xiàn)場(chǎng)安裝后通過測(cè)試地源溫度，根據(jù)工況確定阻斷支路，使毛細(xì)管組件與機(jī)組工作的工況相匹配，從而提高機(jī)組的工作效率。2 階梯可調(diào)毛細(xì)管結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 數(shù)學(xué)模型

制冷劑在毛細(xì)管中流動(dòng)壓力不斷降低，當(dāng)達(dá)到飽和液體狀態(tài)時(shí)，壓力再下降就會(huì)發(fā)生閃蒸，進(jìn)入到氣液兩相區(qū)，在氣液兩相區(qū)制冷劑壓力急劇下降，當(dāng)制冷劑流速達(dá)到當(dāng)?shù)芈曀贂r(shí)，流量不在發(fā)生變化，流動(dòng)發(fā)生壅塞[13]。

本文采用均相流模型，建立制冷劑流體流動(dòng)的控制方程[14-18]。對(duì)方程進(jìn)行離散，將制冷劑在毛細(xì)管中的流動(dòng)分成若干微元，其中的某一個(gè)微元存在如下關(guān)系：

連續(xù)性方程：

m1=m2;

(1)

能量方程：

(2)

動(dòng)量方程：

(3)

沿程摩擦阻力系數(shù)采用Churchill關(guān)聯(lián)式[19]。

制冷劑飽和壓力和飽和溫度之間的計(jì)算，采用Antoine方程，制冷劑的熱力學(xué)性質(zhì)采用Cleland擬合模型。制冷劑在毛細(xì)管中流動(dòng)分為液相區(qū)和兩相區(qū)，對(duì)于氣液兩相區(qū)的黏度計(jì)算采用cicdhitti經(jīng)驗(yàn)公式[13]。

2.2 計(jì)算條件

根據(jù)氣象資料，中國大部分地區(qū)地下土壤溫度基本保持在7～20 ℃[20-21]，故選取具有代表性的工況點(diǎn)，以室內(nèi)溫度22 ℃為最佳溫度，地源溫度分別為7，10，13，16，20 ℃。小型地源熱泵采用R22冷媒，排氣量為31.4 mL/r，過冷度為5 ℃。采用Visual Basic語言編制了階梯可調(diào)毛細(xì)管仿真計(jì)算程序，計(jì)算出階梯可調(diào)毛細(xì)管的規(guī)格。

2.3 計(jì)算結(jié)果

2.3.1 單根毛細(xì)管

通過輸入毛細(xì)管進(jìn)出口狀態(tài)、制冷劑流量和毛細(xì)管的內(nèi)徑，首先計(jì)算單根毛細(xì)管的最佳長度，結(jié)果如表1所示。選定毛細(xì)管內(nèi)徑為2 mm，實(shí)驗(yàn)機(jī)型的單根毛細(xì)管長度選為650 mm。

表1 模擬不同工況下單根毛細(xì)管的最佳長度

通過對(duì)單根毛細(xì)管長度的計(jì)算，確定不同的設(shè)計(jì)工況下，單根毛細(xì)管的最佳長度，為小型地源熱泵單根毛細(xì)管的選擇提供一定的參考。同時(shí)，和階梯可調(diào)毛細(xì)管作對(duì)比，確定機(jī)組在非單根毛細(xì)管設(shè)計(jì)工況下，采用毛細(xì)管組件節(jié)流的優(yōu)越性。

2.3.2 階梯可調(diào)毛細(xì)管組件

其原理是，結(jié)合小型地源熱泵的制熱量，合理設(shè)計(jì)每根毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)尺寸，根據(jù)機(jī)組工作的工況，通過對(duì)4段毛細(xì)管的優(yōu)化組合來適應(yīng)不同地區(qū)的地源溫度。這種方式既能保證機(jī)組的性能，又實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管的階梯可調(diào)。首先對(duì)毛細(xì)管組件各段的長度進(jìn)行編程計(jì)算；然后根據(jù)模擬條件，確定毛細(xì)管進(jìn)出口壓差，通過并聯(lián)各支路毛細(xì)管的流量之和等于主毛細(xì)管的流量，采用試湊法根據(jù)工況約束條件確定毛細(xì)管組件的結(jié)構(gòu)尺寸。計(jì)算出主毛細(xì)管1長度為200 mm，調(diào)節(jié)毛細(xì)管2、毛細(xì)管3、毛細(xì)管4長度分別為310，440，610 mm。毛細(xì)管不同支路對(duì)應(yīng)的工況如表2所示。

毛細(xì)管組件在工況1—工況3下等同于單根毛細(xì)管節(jié)流，在工況4、工況5下制冷劑在流過毛細(xì)管1后出現(xiàn)分流，制冷劑的流量發(fā)生變化，毛細(xì)管出口壓力相等。工況4、工況5壓力沿毛細(xì)管長度變化如圖2、圖3所示。

表2 各種工況對(duì)應(yīng)的可調(diào)毛細(xì)管組件組合方式

圖2 工況4毛細(xì)管組件壓力隨長度變化Fig.2 Capillary pressure changes with length under working condition 4

圖3 工況5毛細(xì)管組件壓力隨長度變化Fig.3 Capillary pressure changes with length under working condition 5

通過對(duì)毛細(xì)管組件的長度計(jì)算，確定了主毛細(xì)管和支路毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)尺寸，分析了工況4、工況5制冷劑在毛細(xì)管內(nèi)的壓力變化。采用此毛細(xì)管組件進(jìn)行節(jié)流時(shí)，通過確定工況，采用封死支路的方法改變毛細(xì)管的長度，使毛細(xì)管組件的結(jié)構(gòu)符合此工況下的節(jié)流特性，為毛細(xì)管組件的設(shè)計(jì)提供了參考。

3 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

對(duì)單一毛細(xì)管與階梯可調(diào)毛細(xì)管熱泵機(jī)組進(jìn)行性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)前對(duì)測(cè)試的溫度以及流量進(jìn)行標(biāo)定以保證數(shù)據(jù)測(cè)試的準(zhǔn)確度。實(shí)驗(yàn)采用2匹機(jī)小型地源熱泵，壓縮機(jī)型號(hào)為2K32C225A，排氣量31.4 mL/r，名義制冷量5 160 W，額定功率1 730 W。根據(jù)不同的工況通過NIST REFPROP9.0軟件計(jì)算機(jī)組在各工況下的制熱量和COP，與實(shí)驗(yàn)作對(duì)比。

小型地源熱泵安裝后，根據(jù)工作工況，選擇適合該工況的毛細(xì)管支路，對(duì)其它支路封死后，進(jìn)行機(jī)組該工況的性能測(cè)試。室內(nèi)舒適度以22 ℃為最佳溫度，采用地源測(cè)不同的循環(huán)水溫度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分別采用650 mm長的單根毛細(xì)管和上述毛細(xì)管組件進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)小型地源熱泵在不同工況下的制熱量以及COP進(jìn)行測(cè)試。

理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同條件下機(jī)組制熱量的變化規(guī)律Fig.4 Unite heating capacity changes under different conditions

圖5 不同條件下機(jī)組COP的變化規(guī)律Fig.5 Unite COP changes under in different conditions

由于存在阻力和熱量損失，實(shí)驗(yàn)結(jié)果略低于理論計(jì)算值。對(duì)比不同工況下采用階梯可調(diào)毛細(xì)管組件和單根毛細(xì)管機(jī)組的制冷量和COP，結(jié)果表明采用階梯毛細(xì)管組件比單根毛細(xì)管的機(jī)組效率最高可提高15%，節(jié)能效果明顯。

4 結(jié) 語

基于均相流模型編制階梯可調(diào)毛細(xì)管的計(jì)算程序，其模擬結(jié)果對(duì)確定毛細(xì)管組件的優(yōu)化有一定的理論支持，對(duì)小型地源熱泵毛細(xì)管的選擇有一定的參考價(jià)值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用階梯可調(diào)毛細(xì)管組件結(jié)構(gòu)，可以適應(yīng)不同地區(qū)工況的變化，克服了單一毛細(xì)管工況適應(yīng)性差的缺陷，且有效地提高了小型空調(diào)機(jī)組的性能。本文的研究結(jié)果對(duì)小型地源熱泵生產(chǎn)具有一定的指導(dǎo)意義。

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Applied research of step-adjustment capillary components

WANG Zhenhui， JI Wenjun， SUN Xiaoting， DU Mengxuan

(School of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang， Hebei 050018，China)

A new kind of step-adjustment capillary component is developed, which can realize step adjustment according to the filed condition and ensure that every manufactured air-conditioner is in optimum state. The capillary components are optimized, and the sizes capillary components are determined. Through experiment, the heating capacity and COP of the step-adjustment capillary components based 2 hp small-scale ground source heat pump are obtained under different conditions, which are at most 15 percent higher than those of a single capillary unit.

heat supply and gas supply engineering; step adjustment; small-scale ground-source heat pump; capillary; component

1008-1534(2016)04-0333-04

2016-03-12;

2016-04-01；責(zé)任編輯：馮 民

王振輝(1960—)，男，河北深州人，教授，主要從事高效傳質(zhì)傳熱與節(jié)能、空調(diào)與制冷節(jié)能技術(shù)等方面的研究。

E-mail:zhenhuiwang@126.com

TK523

A

10.7535/hbgykj.2016yx04013

王振輝，季文軍，孫曉婷，等.階梯可調(diào)毛細(xì)管組件的應(yīng)用研究[J].河北工業(yè)科技,2016,33(4):333-337. WANG Zhenhui，JI Wenjun，SUN Xiaoting，et al.Applied research of step-adjustment capillary components[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(4):333-337.