CO2熱泵熱水器多毛細(xì)管組合節(jié)流特性的研究

崔海亭,劉東岳,趙華麗,張振國

(1.河北科技大學(xué)， 河北石家莊 050018；2.河北石家莊圣艾蒙環(huán)?？萍加邢薰荆颖笔仪f 050227)

CO2熱泵熱水器多毛細(xì)管組合節(jié)流特性的研究

崔海亭1,劉東岳1,趙華麗1,張振國2

(1.河北科技大學(xué)， 河北石家莊 050018；2.河北石家莊圣艾蒙環(huán)?？萍加邢薰?，河北石家莊 050227)

基于CO2作制冷劑應(yīng)用于熱泵系統(tǒng)的優(yōu)良特性 ,搭建空氣源熱泵熱水系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了單根毛細(xì)管、雙毛細(xì)管、3根毛細(xì)管并聯(lián)組合分別作為節(jié)流元件的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明采用3根毛細(xì)管并聯(lián)組合節(jié)流時(shí)具有全天候平均COP最高，并得出各溫度階段適用毛細(xì)管組合規(guī)律，為提高CO2熱泵熱水器制熱能效提出理論依據(jù)。

CO2；熱泵熱水器；組合毛細(xì)管；COP

符號(hào)

m——質(zhì)量流量，kg/sD——管徑，mf——摩擦阻力系數(shù)G——質(zhì)量流速，kg/(m2·s)h——比焓，kJ/kgL——管長，mp——壓力，Pax——干度ρ——密度，kg/mν——比容，m3/kgRe——雷諾數(shù)

下標(biāo)

m——平均sc——過冷

1 前言

采用CO2工質(zhì)作為制冷劑的跨臨界熱泵機(jī)組因其制取熱水溫度范圍大；對(duì)臭氧層無破壞、溫室效應(yīng)潛能極?。幌到y(tǒng)穩(wěn)定性高、安全性好；結(jié)構(gòu)緊湊、占用空間??；并且具有較高的制熱能效比而引起廣泛的關(guān)注與研究[1～3]。

采用CO2作為制冷劑的熱泵系統(tǒng)與傳統(tǒng)制冷劑相比具有明顯的優(yōu)勢：(1)CO2臨界溫度較低，因而制冷劑在氣冷器中并不發(fā)生冷凝，只有接近或超過臨界點(diǎn)的單相放熱，使系統(tǒng)循環(huán)有別于常見的亞臨界循環(huán)，是跨臨界循環(huán)，變溫曲線與水更為匹配。(2)CO2與氟類制冷劑在過熱區(qū)的定壓比熱不同，過熱情況下CO2定壓比熱約是氟制冷劑的2.5倍，儲(chǔ)熱性能更加優(yōu)良。因此，CO2熱泵熱水系統(tǒng)具有更高的出水溫度與制熱能效比[4～7]。

毛細(xì)管是制冷裝置中常見的節(jié)流元件，其基本工作原理是使高壓制冷劑受迫流過較小的過流斷面，產(chǎn)生局部阻力損失從而使制冷劑壓力驟降，同時(shí)部分制冷劑閃發(fā)汽化，吸收潛熱，經(jīng)過一個(gè)不可逆等焓過程使制冷劑變?yōu)榈蜏氐蛪汗べ|(zhì)，供給蒸發(fā)器[8]。

由于熱泵在不同工況下對(duì)制冷劑流量要求不同，針對(duì)單根毛細(xì)管在系統(tǒng)循環(huán)負(fù)荷變化時(shí)不能及時(shí)地進(jìn)行匹配的實(shí)際情況，本文提出采用三根不同內(nèi)徑、不同長度毛細(xì)管并聯(lián)組合使用的設(shè)想，通過理論計(jì)算與試驗(yàn)研究得出適應(yīng)全年各階段不同工況的毛細(xì)管尺寸組合。

2 毛細(xì)管數(shù)學(xué)模型的建立

根據(jù)毛細(xì)管內(nèi)制冷劑CO2的流動(dòng)狀態(tài)與規(guī)律，列出流動(dòng)所遵循的方程組[2]。

連續(xù)性方程:

(1)

能量方程:

(2)

動(dòng)量方程:

(3)

在計(jì)算毛細(xì)管長度時(shí)，將毛細(xì)管中的流動(dòng)過程分為過冷區(qū)和兩相區(qū)2個(gè)階段[2]，其中過冷區(qū)長度：

(4)

兩相區(qū)長度：可取沿毛細(xì)管長度方向的某一控制容積,對(duì)動(dòng)量方程式作積分[4，5,9],得：

(5)

整理可得兩相區(qū)長度：

(6)

其中，f沿管程的變化很小,可按區(qū)域簡化為常數(shù),對(duì)不同的流動(dòng)區(qū)域均可取該流動(dòng)區(qū)域的進(jìn)出口f的算術(shù)平均值[10],即f=(f1+f2)/2。

對(duì)于兩相流動(dòng)區(qū)域的平均比容[4，5],提出以下估計(jì)式:

(7)

式中，權(quán)系數(shù)T僅與兩相區(qū)進(jìn)口干度x1有關(guān)[11],可按下式計(jì)算:

對(duì)于毛細(xì)管中制冷劑流動(dòng)的摩擦阻力f,文獻(xiàn)推薦較多的是Filonenko關(guān)聯(lián)式和churchill關(guān)聯(lián)式，本文選用churchill關(guān)聯(lián)式進(jìn)行計(jì)算[12～15]：

(8)

B=(37530/Re)16

3 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方案

跨臨界CO2熱泵熱水系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)分為數(shù)字采集控制系統(tǒng)與熱力循環(huán)系統(tǒng)兩大部分，熱力循環(huán)系統(tǒng)及制冷劑系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、氣體冷卻器、回?zé)崞?、氣液分離器、毛細(xì)管及電磁閥構(gòu)成循環(huán)回路。低溫、低壓CO2氣體在壓縮機(jī)中壓縮至超臨界，之后進(jìn)入氣體冷卻器中，被低溫冷水冷卻，離開氣冷器后進(jìn)入回?zé)崞髦羞M(jìn)一步被冷卻。然后CO2氣體通過毛細(xì)管降壓節(jié)流，使氣體溫度下降并部分液化，濕蒸汽進(jìn)入蒸發(fā)器中汽化，蒸發(fā)器出口配備有氣液分離器，便于壓縮機(jī)回油及防止壓縮機(jī)液擊；同時(shí)增加系統(tǒng)容積，穩(wěn)定系統(tǒng)內(nèi)壓力。氣液分離器排出低壓氣體進(jìn)入回?zé)崞鞯蛪簜?cè)通道吸收高壓側(cè)超臨界流體熱量，成為過熱氣體進(jìn)入壓縮機(jī)再次完成循環(huán)。數(shù)字采集控制系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集儀，采集溫度和壓力參數(shù)，監(jiān)測試驗(yàn)中各個(gè)有效部件的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，試驗(yàn)臺(tái)分別設(shè)置了9個(gè)溫度測量點(diǎn)、8個(gè)壓力測量點(diǎn)，分別連接到數(shù)據(jù)采集儀及計(jì)算機(jī)，對(duì)氣冷器進(jìn)出口、蒸發(fā)器進(jìn)出口、壓縮機(jī)進(jìn)口等處的CO2氣體參數(shù)進(jìn)行測量，以便調(diào)控試驗(yàn)機(jī)組工作狀態(tài)以及進(jìn)行量化對(duì)比計(jì)算。

試驗(yàn)臺(tái)整體以成型熱泵系統(tǒng)為基礎(chǔ)，上層放置蒸發(fā)器與氣冷器，回?zé)崞鳌嚎s機(jī)、節(jié)流原件為下層，儲(chǔ)液罐(立式)設(shè)置在機(jī)箱一側(cè)，另一側(cè)為電子數(shù)控系統(tǒng)柜及觸摸面板。本試驗(yàn)壓縮機(jī)采用某公司生產(chǎn)的半封閉式CO2壓縮機(jī)，最高排氣壓力14MPa,額定制冷量88070W，輸入功率33.04kW；蒸發(fā)器為空氣源翅片管式換熱器，選用半硬T2紫銅管，翅片選用扁平鋁套片，銅管正三角形排列以加強(qiáng)介質(zhì)與空氣源之間的熱交換；氣冷器與回?zé)崞骶捎肅O2專用套管式換熱器，冷卻水走內(nèi)側(cè)，制冷劑走外側(cè)，此類型換熱器結(jié)構(gòu)簡單、工作范圍大、換熱效果良好，試驗(yàn)設(shè)定冷卻水進(jìn)口溫度15℃，出口溫度60℃；儲(chǔ)液罐最大承壓15MPa，采用立式結(jié)構(gòu)，下部加裝回油泵，回油至壓縮機(jī)；節(jié)流結(jié)構(gòu)為三根不同長度毛細(xì)管并聯(lián)組成，通過常開式電磁閥對(duì)毛細(xì)管開度進(jìn)行控制。

圖1 跨臨界CO2熱泵熱水系統(tǒng)原理示意

此試驗(yàn)方案具有以下特點(diǎn)：跨臨界CO2熱泵系統(tǒng)制熱能效比受冷源溫度影響較大，試驗(yàn)臺(tái)采用3根不同長度毛細(xì)管并聯(lián)組合，通過控制環(huán)境溫度在-15～30℃范圍內(nèi)變化，對(duì)應(yīng)改變毛細(xì)管開閉以找到各溫度段最佳的匹配長度，從而優(yōu)化循環(huán)，保持最優(yōu)COP，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為不同冷源溫度下并聯(lián)毛細(xì)管的開閉分布進(jìn)行優(yōu)化與最優(yōu)組合試驗(yàn)探究。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

毛細(xì)管作為節(jié)流元件與熱泵循環(huán)系統(tǒng)中的蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)相比，尺寸雖小，但對(duì)熱泵機(jī)組循環(huán)運(yùn)行特性起重要作用。它對(duì)蒸發(fā)器與冷凝器之間的制冷劑流動(dòng)起到遏制作用，在降低高壓液態(tài)制冷劑壓力的同時(shí)，控制進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流率。因此毛細(xì)管必須與熱泵機(jī)組的運(yùn)行工況與容量相匹配。

圖2為3條不同長度以及其不同組合的毛細(xì)管分別應(yīng)用于測試機(jī)組所得實(shí)時(shí)COP曲線。

圖2 不同毛細(xì)管組合的COP隨環(huán)境溫度的變化

由圖中可看出，在7℃以下低溫環(huán)境段單獨(dú)使用長毛細(xì)管機(jī)組制熱效率明顯優(yōu)于短毛細(xì)管及中等長度毛細(xì)管；7～18℃常溫環(huán)境下中等長度毛細(xì)管COP顯著提高并超過其余兩組試驗(yàn)長度；18～30℃高溫環(huán)境下短毛細(xì)管制熱效率達(dá)到最高且趨于平穩(wěn)，而其他兩組都有明顯下降。究其原因是因?yàn)榄h(huán)境溫度低時(shí)，較長的毛細(xì)管可以保證氣冷器與蒸發(fā)器之間保持一定的壓差，在毛細(xì)管進(jìn)口處形成液封使制冷劑變化到臨界點(diǎn)以下[16]；環(huán)境溫度高時(shí)，短毛細(xì)管可以增加制冷劑流量，控制蒸發(fā)器液位，充分利用蒸發(fā)器，防止壓縮機(jī)吸氣溫度過高，產(chǎn)生有害過熱[17～20]，影響系統(tǒng)制熱功效。

從圖2中中等長度毛細(xì)管分別與短毛細(xì)管并聯(lián)、長毛細(xì)管并聯(lián)應(yīng)用于熱泵機(jī)組所得COP曲線可知，較之采用單一毛細(xì)管作為節(jié)流元件，雙毛細(xì)管兩兩并聯(lián)作用時(shí)系統(tǒng)制熱效率更為穩(wěn)定并且具有小幅提高。但是，兩種并聯(lián)情況任取其一并不能獨(dú)立保證測試溫度段內(nèi)熱泵熱水器COP總?cè)〉米顑?yōu)值。為此，提出采用3根毛細(xì)管并聯(lián)組合作用的方式，經(jīng)試驗(yàn)得到3根不同長度毛細(xì)管并聯(lián)使用時(shí)系統(tǒng)COP值。通過多組試驗(yàn)對(duì)比，得到3根不同長度毛細(xì)管并聯(lián)組合作用時(shí)，通過數(shù)字系統(tǒng)控制熱泵3根毛細(xì)管隨環(huán)境溫度不斷開閉變化，使熱水系統(tǒng)所配用的毛細(xì)管長度總是與環(huán)境溫度相適應(yīng)，在環(huán)境溫度為-10～30 ℃區(qū)間內(nèi)，采用3根毛細(xì)管并聯(lián)組合節(jié)流時(shí)具有全天候平均最高COP以達(dá)到熱泵熱水器的最優(yōu)工作狀態(tài)。

5 結(jié)論

(1)采用3根毛細(xì)管并聯(lián)使用作為節(jié)流元件時(shí)，較之使用單根毛細(xì)管及雙毛細(xì)管并聯(lián)可更靈敏地適應(yīng)環(huán)境溫度變化，機(jī)組適用工況范圍更加廣泛，通過計(jì)算可得：單根毛細(xì)管全年平均制熱能效比為3.61，雙毛細(xì)管為3.82，而采用3根毛細(xì)管的熱泵機(jī)組全年平均制熱能效比提高為3.97，明顯優(yōu)于前兩種，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差較小，即全年不同環(huán)境下制熱能效波動(dòng)減小，可保持較高制熱效率。

(2)本試驗(yàn)?zāi)M全年氣候工況下機(jī)組工作情況，采用三毛細(xì)管并聯(lián)作用，可保證系統(tǒng)換熱器內(nèi)壓差平穩(wěn)，在合適毛細(xì)管開口處形成液封，保證制冷劑降壓至臨界點(diǎn)以下；并且實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)制冷劑質(zhì)流量，保證了蒸發(fā)器工作效率。

(3)經(jīng)過多組試驗(yàn)得到各溫度段匹配的最優(yōu)毛細(xì)管組合開閉規(guī)律如下：-10～2 ℃只開啟單根長毛細(xì)管，其余兩條閉合；2～6 ℃中、長毛細(xì)管并聯(lián)開啟使用，短毛細(xì)管閉合；6～17 ℃中等長度毛細(xì)管開啟，短毛細(xì)管及長毛細(xì)管閉合；17～29 ℃中、短毛細(xì)管并聯(lián)組合開啟，長毛細(xì)管閉合；氣溫大于29 ℃時(shí)，開啟短毛細(xì)管，中、長毛細(xì)管閉合。此次試驗(yàn)工況范圍較廣，可為以后CO2熱泵性能研究提供理論支持與依據(jù)。

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Study on Throttling Characteristic of Multiple Capillary Combination Used in CO2Heat Pump Water Heater

CUI Hai-ting1，LIU Dong-yue1，ZHAO Hua-li1, ZHANG Zhen-guo2

(1.Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang 050018，China;2.Hebei Shijiazhuang St.Edmund Environmental Technology Co.,Ltd.,Shijiazhuang 050227，China)

Based on the excellent properties of carbon dioxide as refrigerant,experimental setup of air-source heat pump hot water system is designed.Experiments are conducted to compare the efficiency of the single,double and three capillary parallel combination respectively.The results show that the three-parallel one has the highest averageCOPvalue at the whole day.At the same time,the law of capillary opening and closing at different range of temperature was put forward.This paper lays a theoretical foundation for improving the heat efficiency of heat pump water heaters based on carbon dioxide.

carbon dioxide;heat pump water heater;combined capillary tube;COP

1005-0329(2017)03-0065-04

2016-07-12

2016-09-01

河北省石家莊市科學(xué)技術(shù)研究與發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(161080101A)

TH12;TB65

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.03.014

崔海亭(1964-)，男，教授，博士，主要從事蓄熱、熱泵與強(qiáng)化傳熱技術(shù)方面的研究，通訊地址：河北石家莊市裕翔街26號(hào)河北科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，E-mail:cuiht@126.com。