改動空氣源分體熱泵熱水器中毛細(xì)管節(jié)流位置的性能及可行性分析

沈康偉

摘 要：在標(biāo)況、高溫、低溫3種工況條件下，對毛細(xì)管移至水箱側(cè)的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了性能和可行性分析。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)與毛細(xì)管在外機側(cè)的熱泵系統(tǒng)相比，在標(biāo)況條件具有較高的能效值；高溫工況條件下，在壓縮機最高排氣壓力差異不大的情況下，前者系統(tǒng)中的壓縮機最高排氣溫度是低于后者的，有益于壓縮機在高環(huán)溫條件下的安全可靠運行；在低溫工況條件下，該系統(tǒng)制熱能力與后者基本相當(dāng)，且在短時間內(nèi)，都建立了排氣過熱度，有益于系統(tǒng)在低環(huán)溫條件下的穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：分體；熱泵；熱水器；毛細(xì)管；節(jié)流；性能分析

一 引言

隨著當(dāng)今經(jīng)濟的高速發(fā)展與人民生活水平的提高，建筑空調(diào)、洗浴熱水等所需的能耗占比例越來越大。進(jìn)入21世紀(jì)以后，節(jié)能已然成為我國可持續(xù)發(fā)展的一項長遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略，利用太陽能、空氣能、地?zé)崮艿鹊推肺痪G色能源是解決家用熱水高能耗問題最為有效的一種途徑[1]?？諝庠礋岜脽崴魇悄壳皯?yīng)用較為廣泛的一類節(jié)能熱水器，系統(tǒng)中的冷媒介質(zhì)通過蒸發(fā)器把空氣中的低品位熱量吸進(jìn)來之后，被制冷壓縮機壓縮后變?yōu)楦邷馗邏旱臍鈶B(tài)冷媒，從而把自身的熱量傳遞給水箱中的低溫?zé)崴聪囊环莸碾娔芫涂梢暂敵黾s四份的熱水能量。

毛細(xì)管一般指內(nèi)徑為 0.4 ～ 2.0mm的細(xì)長銅管，是廣泛用于小型制冷設(shè)備中的節(jié)流元件，其具有結(jié)構(gòu)簡單、無運動部件、性能可靠、價格便宜等優(yōu)點，此外，還可以幫助實現(xiàn)壓縮機在停機后冷凝器與蒸發(fā)器之間的壓力平衡，同樣在系統(tǒng)啟動時，可以大大降低壓縮機的啟動力矩。對于分體熱泵熱水器來講，毛細(xì)管位于外機上，它對系統(tǒng)中所循環(huán)的制冷劑的節(jié)流過程如下：從冷凝器出來的過冷制冷劑通過3-4m的配管，經(jīng)過濾器過濾后，然后流入毛細(xì)管進(jìn)行節(jié)流，毛細(xì)管出口出來的氣液混合制冷劑蒸汽流入蒸發(fā)器內(nèi)吸收外界空氣釋放的熱量，從而受熱蒸發(fā)[2]。

制冷劑充注量與毛細(xì)管的良好匹配對整個熱泵系統(tǒng)的性能有著重要影響，特別是對于沒有儲液器的小型系統(tǒng)，制冷劑充注量過多或過少，都將影響到熱泵裝置的工作性能，比如會改變系統(tǒng)運行的蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、過冷度、COP等參數(shù)。整個熱泵系統(tǒng)中的工質(zhì)充注量，等于系統(tǒng)中各個設(shè)備的存儲量之和，即總充注量=（貯液器+液管+蒸發(fā)器+冷凝器）的存儲量之和[3-5]。毛細(xì)管節(jié)流位置的不同，也會影響到系統(tǒng)中各個設(shè)備對制冷劑的存儲量，繼而影響熱泵系統(tǒng)在不同工況條件下的運行情況。本文利用毛細(xì)管作為節(jié)流元件，在不同運行工況下，分別研究了毛細(xì)管在外機側(cè)以及在水箱冷凝器出口側(cè)的運行情況，對其性能和可行性進(jìn)行了相關(guān)分析，以期為相關(guān)產(chǎn)品提供實驗和理論依據(jù)。

二、 實驗裝置

（一） 實驗裝置

試驗裝置系統(tǒng)示意圖如圖1所示，制冷劑為R134a。整個熱泵系統(tǒng)的工作原理為：低壓氣態(tài)制冷劑被滾動轉(zhuǎn)子式壓縮機吸入本體氣缸壓縮后，變?yōu)楦邷馗邏旱倪^熱蒸汽，經(jīng)排氣管和氣態(tài)配管流入纏繞在水箱內(nèi)膽外表面上的微通道冷凝器內(nèi)發(fā)生一系列冷凝、冷卻過程，從而對水箱內(nèi)的低溫水進(jìn)行加熱，使自身變?yōu)檫^冷液體，流經(jīng)液態(tài)配管后，在壓差的驅(qū)動下，經(jīng)毛細(xì)管節(jié)流元件節(jié)流后變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍庖夯旌衔铮缓罅魅胝舭l(fā)器內(nèi)吸收外界空氣中低品位熱能使其受熱蒸發(fā)，變?yōu)檫^熱蒸汽，然后通過吸氣管進(jìn)入壓縮機，從而完成一個循環(huán)。

本文所使用的實驗樣機為兩臺1.5P分體熱泵機組，節(jié)流部件為毛細(xì)管，實驗過程中所采用K型熱電偶的測試精度為±0.1 ℃，壓力傳感器的精度為±0.001MPa，功率變送器的測量精度為±0.5%。

在對系統(tǒng)管路進(jìn)行打壓檢漏，抽真空保壓，充注冷媒以及向水箱灌滿一定溫度的自來水后，對毛細(xì)管在外機側(cè)和水箱側(cè)的系統(tǒng)在不同工況條件下分別進(jìn)行了相關(guān)實驗。

三、 實驗結(jié)果分析

毛細(xì)管作為節(jié)流部件，通常是焊接在蒸發(fā)器進(jìn)口與水箱冷出（液態(tài)）配管出口之間，如圖1所示。系統(tǒng)在對水箱中的水進(jìn)行加熱時，即達(dá)到動態(tài)平衡的過程中，系統(tǒng)中的冷媒量主要存儲在微通道、蒸發(fā)器和冷出配管中。當(dāng)把毛細(xì)管移至水箱冷出側(cè)時，如圖1水箱虛線框內(nèi)在系統(tǒng)制熱時，無疑系統(tǒng)中各部件對冷媒的存儲量會發(fā)生變化，即主要存儲在微通道冷凝器和蒸發(fā)器中。值得指出的是，此時，水箱冷出配管也會成為蒸發(fā)器的一部分，即液管內(nèi)為冷媒的氣液混合物。為了定性分析移動毛細(xì)管位置對系統(tǒng)的性能的影響以及在惡劣工況（高、低溫工況）下，系統(tǒng)能否可靠運行，在相同的冷媒充注量（毛細(xì)管在外機側(cè)的系統(tǒng)為額定充注量）前提下，分別對毛細(xì)管在外機側(cè)和水箱側(cè)的系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)實驗研究。

（一）標(biāo)況測試

在室內(nèi)環(huán)境溫度為20±0.5℃，濕度為15±0.5℃條件下，采用熱泵模式，分別將水箱中的冷水（15±0.5℃）加熱至熱水（55±0.5℃）時，對毛細(xì)管在外機側(cè)與水箱側(cè)的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了一系列參數(shù)測試，其測試結(jié)果如下。

1、過冷度變化趨勢

圖2給出了毛細(xì)管在不同位置時，系統(tǒng)過冷度的變化趨勢。從圖中可以看出，系統(tǒng)的過冷度均呈先增大后減小的變化趨勢，過冷度的變化趨勢主要受自身與水箱中水溫的傳熱溫差、系統(tǒng)循環(huán)流量、自身物性參數(shù)、過冷液體在微通道內(nèi)的換熱系數(shù)以及微通道冷凝器內(nèi)過冷區(qū)域的面積等因素影響，從圖中可以看出，在對水箱加熱的短時間內(nèi)，系統(tǒng)過冷度可以達(dá)到峰值。對于不同的系統(tǒng)，出現(xiàn)峰值的時間先后不一樣，即是由以上幾個因素共同影響的結(jié)果。從圖中還可以看出，毛細(xì)管在水箱側(cè)時，整個系統(tǒng)一直維持著較大的過冷度。此外，毛細(xì)管在水箱側(cè)時，系統(tǒng)能效COP與毛細(xì)管在外機側(cè)的系統(tǒng)相比，約有0.11的提升。這很有可能是因為毛細(xì)管在水箱側(cè)時，水箱冷出配管中的冷媒大部分會轉(zhuǎn)移至微通道冷凝器內(nèi)，使得微通道內(nèi)的液態(tài)冷媒積多，造成過冷區(qū)域變大，直接導(dǎo)致冷媒過冷度增大。對于毛細(xì)管作為節(jié)流部件的系統(tǒng)，過冷度的增大，使得毛細(xì)管內(nèi)液態(tài)冷媒區(qū)域加長，過冷的液態(tài)冷媒流過毛細(xì)管進(jìn)行節(jié)流降壓時，阻力也會降低，因此，在毛細(xì)管兩端壓差一定的情況下，流經(jīng)毛細(xì)管的質(zhì)量流量會增大，進(jìn)而壓縮機的吸氣量相應(yīng)增加，從而導(dǎo)致蒸發(fā)器壓力上升，冷媒在蒸發(fā)器側(cè)的制冷量增加，使得系統(tǒng)能效提高。

2、 排氣溫度、吸氣過熱度變化趨勢

從圖3可以看出，毛細(xì)管在水箱側(cè)時，系統(tǒng)壓縮機排氣溫度、吸氣過熱度在加熱前期（1.5h）是低于毛細(xì)管在外機側(cè)時的系統(tǒng)的，而在加熱后期（0.8h），情況則相反。這與毛細(xì)管位置的變化導(dǎo)致系統(tǒng)構(gòu)造的不同有關(guān)。如圖5所示，分別為毛細(xì)管位于水箱側(cè)與外機側(cè)結(jié)構(gòu)圖，分體熱泵連接水箱與外機的冷媒流通長配管為3m，內(nèi)徑為5mm。對于毛細(xì)管在水箱側(cè)的系統(tǒng)，在系統(tǒng)加熱前期，過冷度很大，冷媒流經(jīng)過毛細(xì)管節(jié)流后的冷媒干度很小，即較低的流動阻力使得系統(tǒng)冷媒流量較大，在蒸發(fā)能力差異不大的情況下，導(dǎo)致系統(tǒng)吸氣溫度吸氣過熱度偏低。隨著水溫的不斷升高，兩系統(tǒng)過冷度變小，經(jīng)過毛細(xì)管節(jié)流后的干度上升就毛細(xì)管在水箱側(cè)的系統(tǒng)而言，冷媒節(jié)流后，在流過3m長的細(xì)配管后，干度會進(jìn)一步上升，因此導(dǎo)致吸氣過熱度和吸氣溫度上升較為明顯，如圖3、4所示。而系統(tǒng)在加熱前期，系統(tǒng)吸氣溫度和吸氣過熱度較低一些，這是因為系統(tǒng)過冷度較大，雖然在配管中存在較大的阻力，但是進(jìn)入蒸發(fā)器時，冷媒干度仍是較低的。在圖3中還可以看出，在加熱后期排氣溫度較高，這是因為吸氣溫度升高所造成的。

3、 排氣與吸氣壓力變化趨勢

圖6給出了毛細(xì)管在不同位置時，系統(tǒng)壓縮機排氣壓力和吸氣壓力的變化趨勢。毛細(xì)管在水箱側(cè)時，系統(tǒng)的吸氣壓力較高一點，這主要是系統(tǒng)循環(huán)量增大所造成的。但是在加熱后期，吸氣壓力增加幅度不明顯，這是因為在加熱后期，冷媒節(jié)流后干度較大，使得在冷出配管中的流速增大，造成流動阻力增大。然而對于毛細(xì)管在外機側(cè)的系統(tǒng)，盡管在加熱后期冷媒節(jié)流后干度較大一些，但是因為毛細(xì)管在外機側(cè)，不存在有冷出配管的流動阻力，因此在圖中可以看出，在加熱末端，其吸氣壓力反而會高一點。此外，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)前者系統(tǒng)中壓縮機排氣壓力在整個加熱過程中，其值都是高于后者系統(tǒng)的，這主要是因為冷凝器內(nèi)液態(tài)冷媒較多，造成氣液兩相區(qū)域減小，在水箱中熱水溫度不變的前提下，必然會造成排氣壓力的上升。

（二） 低溫工況測試

空氣源熱泵熱水器在低環(huán)溫條件下不能高效、穩(wěn)定和可靠的運行，主要是因為當(dāng)外界環(huán)溫較低時，熱泵系統(tǒng)的制熱速率迅速降低，不能提供足夠的熱量，同時，室外蒸發(fā)器側(cè)的蒸發(fā)溫度和壓力較低，造成壓縮機的壓縮比較大，此外，壓縮機在啟動前期，由于壓縮機的吸氣壓力較低，使得壓縮機吸氣不足，容易造成壓縮機的空轉(zhuǎn)，因此低環(huán)溫條件下，系統(tǒng)的制熱能力以及壓縮機的穩(wěn)定和可靠性運行都較差。為了驗證把毛細(xì)管移至水箱側(cè)對系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠性的影響，本文決定將毛細(xì)管在外機側(cè)以及水箱側(cè)的機組放置在低環(huán)溫條件下（-7℃）進(jìn)行冷媒侵入試驗，即采用熱泵模式將水箱中的水加熱至60℃，然后將機組靜置在-7℃環(huán)溫條件下穩(wěn)定12h，然后將環(huán)溫升至7℃條件下，穩(wěn)定0.5h后，采用熱泵模式將水箱中的水加熱至60℃，然后停機。

圖9、10給出了兩個系統(tǒng)在環(huán)境溫度為7℃條件下的排氣過熱度與平均瞬時制熱功率的變化趨勢。從圖中可以看出，機組開機前一段時間內(nèi)，系統(tǒng)壓縮機的排氣過熱度與平均瞬時制熱功率都是負(fù)的，這主要是因為，在-7℃環(huán)境靜置期間，水箱中的水溫較高（50～60℃），而環(huán)境溫度又較低，因此冷凝器中所儲存的冷媒很大一部分會通過管路進(jìn)入到壓縮機和蒸發(fā)器中進(jìn)行冷凝，隨著靜置的時間越長，這種現(xiàn)象越為明顯。因此，當(dāng)環(huán)溫上升至7℃后，機組開機前期，壓縮機氣液分離器中的液態(tài)冷媒會被吸入壓縮機本體中去，和其內(nèi)的液態(tài)冷媒一起進(jìn)行壓縮，即液壓縮，此時從壓縮機排氣管出來的冷媒即為高壓的氣液混合物，沒有排氣過熱度，然后進(jìn)入到微通道冷凝器中去，由于此時水箱中的溫度很高，而從壓縮機出來的高壓氣液混合物冷媒溫度是低于水箱中熱水溫度的，因此，液態(tài)冷媒反而會在冷凝器中蒸發(fā)，從而吸收水箱中水的熱量，直到從壓縮機排氣管出來的冷媒溫度和壓力上升到一定值，此后冷媒不再吸收水箱內(nèi)熱水的熱量，反而在冷凝器內(nèi)冷凝釋放熱量來對水箱中的熱水進(jìn)行加熱，壓縮機的排氣過熱度≥0℃時，此后系統(tǒng)開始對水箱進(jìn)行加熱。

從圖9、10可以看出，在低溫工況條件下，毛細(xì)管在外機側(cè)的系統(tǒng)與毛細(xì)管在水箱側(cè)的系統(tǒng)相比，其系統(tǒng)壓縮機的排氣過熱度和制熱速率都是大于后者的，這主要是后者系統(tǒng)的循環(huán)量是大于前者的，在環(huán)境溫度和風(fēng)機轉(zhuǎn)速一定的條件下，其提供的熱量是有限的，兩個系統(tǒng)在運行過程中都很有可能是帶液壓縮，系統(tǒng)循環(huán)量越大，帶液量也就越多，壓縮機所消耗的功也就越多。從制熱速率來看，兩個系統(tǒng)能力差異不大；從壓縮機的排氣過熱度來看，在機組運行20min后，兩個系統(tǒng)都有5℃以上的排氣過熱度，這對壓縮機的安全可靠性運行是有利的，即兩個系統(tǒng)都能在低環(huán)溫條件下穩(wěn)定運行。

四、 結(jié)論

（一）毛細(xì)管移至水箱側(cè)與在外機側(cè)對比發(fā)現(xiàn)：在標(biāo)況條件下，后者系統(tǒng)具有較高的能效值；在高溫工況條件下，后者能夠充分利用蒸發(fā)器的能力，制熱量有所提高；在低溫工況條件下，后者系統(tǒng)制熱能力與前者系統(tǒng)基本相當(dāng)，且在短時間內(nèi)，都建立了排氣過熱度，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運行。

（二）將毛細(xì)管節(jié)流部件移至水箱側(cè)后，系統(tǒng)的能效以及壓縮機的安全和可靠性運行都有所改善，至于毛細(xì)管移至水箱側(cè)如何合理的放置，本文初步提出將毛細(xì)管發(fā)泡至水箱保溫層內(nèi)，這樣外機在生產(chǎn)、在線檢漏、以及在線加氟的工序上節(jié)約了人力成本、不過將毛細(xì)管發(fā)泡至水箱保溫層內(nèi)無疑給水箱的發(fā)泡工藝增加了新的挑戰(zhàn)，

（三）本文今后還將研究將毛細(xì)管發(fā)泡至水箱保溫層內(nèi)對于外機噪音的降低是否會有影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊禮楨，岑敏婷，王勁柏. 熱泵熱水器變工況下毛細(xì)管節(jié)流特性探討. FLUID MACHINERY， 2011（06）：74-82.

[2]徐琳. 小型制冷裝置毛細(xì)管特性研究[D]. 浙江大學(xué)， 2006.

[3]曹勇. 絕熱毛細(xì)管兩相流特性與實驗研究[D]. 浙江大學(xué)， 2005.

[4]張潔，張良俊，王玉竹登. 空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)優(yōu)化計算及實驗研究. 太陽能學(xué)報，2007，28（3）：286-289.

[5]岑敏婷. 制冷系統(tǒng)中節(jié)流裝置的非熱力學(xué)制約特性研究[D]. 華中科技大學(xué)，2008.