制冷熱泵裝置毛細(xì)管組件及其應(yīng)用特性研究

曹雯莉，陳 東，謝繼紅，陳文放

(天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222)

節(jié)流部件是制冷熱泵裝置的基本部件之一，傳統(tǒng)毛細(xì)管是應(yīng)用廣泛的節(jié)流部件，具有簡單可靠、價格低等優(yōu)點(diǎn)，主要不足是工況適應(yīng)性差[1].制冷熱泵裝置在制冷和制熱不同模式及工況下，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.張春路等[2]提出一種毛細(xì)管并聯(lián)節(jié)流的思路，并對其計算方法進(jìn)行了研究，但對其在制冷熱泵裝置不同工況下的適應(yīng)性未展開研究；蘇順玉等[3]提出一種主副毛細(xì)管和儲液器聯(lián)合控制的方法，能對不同工況實(shí)現(xiàn)一定的流量匹配，但需要增設(shè)閥件，提高了成本，可靠性也受到一定的影響.

本文研究了一種新型結(jié)構(gòu)的毛細(xì)管組件結(jié)構(gòu)，對其結(jié)構(gòu)、原理及其應(yīng)用性能進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究.此毛細(xì)管組件能同時滿足制冷、制熱模式，且可具有較好的流量調(diào)節(jié)功能，其結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低.

1 毛細(xì)管組件結(jié)構(gòu)原理

1.1 毛細(xì)管組件的結(jié)構(gòu)

毛細(xì)管組件結(jié)構(gòu)如圖1 所示.新型毛細(xì)管組件由3 段毛細(xì)管和一個緩沖器組成.通過對各毛細(xì)管長度、內(nèi)徑的優(yōu)化組合，可適應(yīng)制冷熱泵裝置工況變化和流量調(diào)節(jié)的需要.

圖1 毛細(xì)管組件結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the capillary tube combination unit

1.2 毛細(xì)管組件的工作特性

采用毛細(xì)管組件的制冷熱泵裝置如圖2 所示，其中實(shí)線表示制冷模式時的制冷劑流向，虛線表示制熱模式時的制冷劑流向.

圖2 采用毛細(xì)管組件的制冷熱泵裝置示意圖Fig.2 Refrigerator &heat pump with a capillary tube combination unit

制冷模式下，從室外換熱器來的液態(tài)制冷劑經(jīng)過毛細(xì)管B 和毛細(xì)管C 一級節(jié)流降壓后，變?yōu)闅庖簝上啵诰彌_器中混合后，再經(jīng)毛細(xì)管A 二級節(jié)流后進(jìn)入室內(nèi)換熱器吸收室內(nèi)的熱量，經(jīng)壓縮機(jī)進(jìn)行下一個循環(huán).

制熱模式下，四通換向閥動作，壓縮機(jī)排出的高溫制冷劑進(jìn)入室內(nèi)換熱器放熱，變?yōu)橐簯B(tài)制冷劑，經(jīng)毛細(xì)管A 一級節(jié)流變?yōu)闅庖夯旌衔?，進(jìn)入緩沖器中兩相分離，氣態(tài)制冷劑經(jīng)毛細(xì)管B 二級節(jié)流，液態(tài)制冷劑經(jīng)毛細(xì)管C 二級節(jié)流，二級節(jié)流后的低溫制冷劑進(jìn)入室外換熱器吸收環(huán)境熱量，再回到壓縮機(jī)開始下一個循環(huán).

制冷與制熱模式下，制冷劑流過毛細(xì)管組件中各毛細(xì)管的狀態(tài)和參數(shù)均不同，通過優(yōu)化設(shè)計，毛細(xì)管組件可滿足制冷熱泵裝置在不同模式和工況下的制冷劑流量要求.

2 毛細(xì)管組件特性的理論分析

本文采用均相流模型對毛細(xì)管組件的特性進(jìn)行計算分析，其通用計算方程如下[4]：

質(zhì)量守恒方程為

能量守恒方程為

動量守恒方程為

式中：G 為工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/(m2·s)；h 為工質(zhì)的比焓，J/kg；v 為工質(zhì)的比體積，m3/kg；p 為工質(zhì)的壓力，Pa；f 為沿程摩擦阻力系數(shù)，無量綱；D 為毛細(xì)管內(nèi)徑，m；L 為毛細(xì)管長度，m；下標(biāo)1 表示毛細(xì)管進(jìn)口，2 表示毛細(xì)管出口，m 表示進(jìn)出口平均值.

毛細(xì)管工作過程中，其中的制冷劑狀態(tài)可能為過冷液體、氣液兩相等狀態(tài)，其具體計算方程如下：

(1)過冷液體段壓降的計算式[5]為

式中：e 為粗糙度(根據(jù)材料取1.5×10-6,m)，m；m 為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；u 為制冷劑流速，m/s；Re 為雷諾數(shù)；μ為動力黏度，Pa·s；下標(biāo)sc 表示過冷液體段.

(2)當(dāng)氣液兩相段較長時，可分成多個微元段，氣液兩相段的壓降計算式[6]為

氣液兩相段物性計算方程[7]為

式中：x 表示干度，無量綱；下標(biāo)tp 表示氣液兩相，v表示氣態(tài)，l 表示液態(tài).

制冷劑流經(jīng)毛細(xì)管的總壓降等于過冷段壓降和兩相段壓降之和.

當(dāng)毛細(xì)管組件尺寸和進(jìn)出口工況(進(jìn)口壓力、出口壓力和進(jìn)口過冷度)一定時，假設(shè)一個制冷劑流量，利用式(4)—式(12)計算毛細(xì)管組件壓降，比較是否與給定工況的壓差相同，如不同，則重新假設(shè)制冷劑流量，直到計算壓降與給定工況壓差相同為止.采用此方法，對5組典型工況下(見表1)毛細(xì)管組件和普通毛細(xì)管在制冷模式和制熱模式下的制冷劑流量特性進(jìn)行了計算分析，如圖3 所示.計算中，選用R22 制冷劑.毛細(xì)管組件尺寸為：毛細(xì)管A，長度4.5,m，內(nèi)直徑1.96,mm；毛細(xì)管B，長度1.8,m，內(nèi)直徑 1.96,mm；毛細(xì)管 C，長度 1.7,m，內(nèi)直徑1.12,mm.為得到較明顯的流量比較效果，使得毛細(xì)管組件與普通毛細(xì)管制冷劑流量在同一流量區(qū)域內(nèi)，按普通毛細(xì)管的制冷劑流量等于工況3 時毛細(xì)管組件制冷與制熱模式制冷劑流量平均值的原則，通過計算，取普通毛細(xì)管長度0.363,m，內(nèi)直徑1.12,mm.

表1 計算用典型工況Tab.1 Typical working conditions for calculation

圖3 普通毛細(xì)管與毛細(xì)管組件的流量對比Fig.3 Refrigerant flowing rates of a traditional capillary tube and capillary tube combination unit

由圖3 可知：當(dāng)進(jìn)出口參數(shù)變化時，毛細(xì)管組件具有較靈活的流量變化，可通過優(yōu)化設(shè)計，較好地滿足制冷熱泵裝置變工況運(yùn)行的需要；此外，進(jìn)出口參數(shù)一定時，毛細(xì)管組件可在制冷與制熱模式下，具有不同的制冷劑流量，滿足冷負(fù)荷和熱負(fù)荷不同的要求；普通毛細(xì)管的流量特性則較單一.

3 毛細(xì)管組件應(yīng)用特性的實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

建立了采用毛細(xì)管組件的R22 制冷熱泵實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)裝置及主要參數(shù)測點(diǎn)布置如圖4 所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Diagram of the experimental device

圖中毛細(xì)管組件的尺寸與理論分析中相同.壓縮機(jī)型號為2P17C225，室內(nèi)換熱器和室外換熱器均采用套管式，由恒溫冷水箱和恒溫?zé)崴渥鳛槔錈嵩矗峁┻m宜的毛細(xì)管組件進(jìn)出口參數(shù)；通過裝置中四通換向閥實(shí)現(xiàn)毛細(xì)管組件的制冷劑流向切換.

實(shí)驗(yàn)中壓力用指針式壓力表讀取，精度為0.002,MPa；溫度采用熱電偶測量，精度為0.2,℃；質(zhì)量流量采用計時稱重法，精度為0.1,g/s.

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

利用所測數(shù)據(jù)采用焓差法得到制冷劑質(zhì)量流量，計算式[6]為

式中：Q 為換熱器熱負(fù)荷，kW；mr為制冷劑質(zhì)量流量，kg/s；mw為水的質(zhì)量流量，kg/s；c 為水的比熱容，kJ/(kg·K)；hro為出換熱器制冷劑焓值，kJ/kg；hri為進(jìn)換熱器制冷劑焓值，kJ/kg；Twi為進(jìn)換熱器熱水溫度，℃；Two為出換熱器熱水溫度，℃.

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

調(diào)整實(shí)驗(yàn)工況(見表2)和運(yùn)行模式，得到毛細(xì)管組件在制冷熱泵裝置典型工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖5所示.

表2 實(shí)驗(yàn)用典型工況Tab.2 Typical working conditions for experiment

圖5 不同模式下的毛細(xì)管組件的運(yùn)行數(shù)據(jù)Fig.5 Experimental data of the capillary tubes combination unit under different modes

由圖5 可知，當(dāng)毛細(xì)管組件進(jìn)出口工況一定時，在制冷和制熱模式下，制冷劑流量明顯不同，可與機(jī)組在不同模式下的冷熱負(fù)荷分別適應(yīng)；一定運(yùn)行模式下，制冷劑流量隨工況的變化規(guī)律為非線性，易使裝置的制冷量或制熱量與用戶冷熱負(fù)荷較好匹配.

此外，毛細(xì)管組合件應(yīng)用實(shí)驗(yàn)所得制冷劑流量規(guī)律與理論計算結(jié)果基本一致，但由圖3 與圖5 中進(jìn)出口參數(shù)相同的工況比較表明，實(shí)驗(yàn)流量要低于計算流量(誤差約為20%)，主要原因可能是毛細(xì)管組合件的管口切割時可能有所收縮，使毛細(xì)管A、毛細(xì)管B和毛細(xì)管C 的進(jìn)出口局部阻力增加；另外，所選用的計算模型與實(shí)際模型的差別也是造成理論值與實(shí)驗(yàn)值偏差的另一個重要原因.

4 結(jié)論

對新型毛細(xì)管組件與傳統(tǒng)毛細(xì)管在不同工況和制冷制熱模式下的制冷劑流量特性進(jìn)行了計算分析，表明毛細(xì)管組件具有較靈活的流量變化規(guī)律.

利用R22 制冷熱泵實(shí)驗(yàn)裝置對毛細(xì)管組件的應(yīng)用特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，表明在工作模式一定時，毛細(xì)管組件的制冷劑流量隨工況變化而非線性變化；工況參數(shù)一定而工作模式調(diào)整時，制冷劑流量也隨之不同，使毛細(xì)管組件用于制冷熱泵時可更好地滿足用戶的冷熱負(fù)荷要求.

進(jìn)一步對毛細(xì)管組件結(jié)構(gòu)、變工況時毛細(xì)管組件的動態(tài)特性等進(jìn)行深入研究，可使其與制冷熱泵的工況和模式調(diào)整實(shí)現(xiàn)良好匹配.

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