阶梯可调毛细管组件的应用研究

王振辉，季文军，孙晓婷，杜梦轩

(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018)



阶梯可调毛细管组件的应用研究

王振辉，季文军，孙晓婷，杜梦轩

(河北科技大学机械工程学院，河北石家庄 050018)

为实现设备出厂后毛细管组件可以根据现场工况阶梯调节，保证每台空调器工作性能达到最优，开发一种新型阶梯可调毛细管组件。对毛细管组进行了优化组合，确定了毛细管组件的尺寸。实验测得基于阶梯可调毛细管组件的2匹小型地源热泵在不同工况下的制热量与COP，较同型号的单一毛细管机组的制热量和COP最高可提高15%。

供热与供燃气工程；阶梯可调；小型地源热泵；毛细管；组件

采暖季某些地区的农村及单体式住宅仍然使用燃煤炉子取暖，这是造成北方很多地区出现雾霾围城现象的原因之一[1]。各地政府相继推出一系列治理措施并大力发展清洁能源，小型地源热泵采暖迎来良好的发展契机[2-3]。小型地源热泵工作工况非常适合采用毛细管节流。毛细管具有结构简单、无运动部件、价格低廉、电动机起动负载较小等优点，主要缺点是工况适应性差[4-8]。

小型制冷装置生产中一般采用某一标准工况确定毛细管的管径、长度，无论毛细管是单根还是多根，串联还是并联，出厂后毛细管是固定不变的，节流部件的流量特性也随之确定[9-10]。小型热泵装置在不同模式及工况下，不仅制冷剂流向不同，而且要求节流部件的流量也要相应调整，常规的毛细管很难适应这一要求[11]。毛细管的管径较小，所以管壁粗糙度会对毛细管的流动性产生较大的影响，即使同一批生产的毛细管用于同一台空调设备，制冷量也会变化较大[12]。

本文开发一种新型阶梯可调毛细管组件，空调安装后可根据实际工况调节节流部件的流量特性，保证每台空调器工作性能达到最优，实现高效节能。

1 阶梯可调毛细管结构及调节原理

图1 采用毛细管组件的小型地源热泵装置图Fig.1 Installation diagram of a small

采用阶梯可调毛细管组件的小型地源热泵装置工作原理如图1所示，阶梯可调毛细管组件由4段不同长度的毛细管组成，毛细管1为主毛细管，毛细管2、毛细管3、毛细管4为阶梯调节毛细管，通过阻断毛细管2、毛细管3、毛细管4某一支路毛细管的方法实现流量特性的阶梯可调。现场安装后通过测试地源温度，根据工况确定阻断支路，使毛细管组件与机组工作的工况相匹配，从而提高机组的工作效率。2 阶梯可调毛细管结构优化

2.1 数学模型

制冷剂在毛细管中流动压力不断降低，当达到饱和液体状态时，压力再下降就会发生闪蒸，进入到气液两相区，在气液两相区制冷剂压力急剧下降，当制冷剂流速达到当地声速时，流量不在发生变化，流动发生壅塞[13]。

本文采用均相流模型，建立制冷剂流体流动的控制方程[14-18]。对方程进行离散，将制冷剂在毛细管中的流动分成若干微元，其中的某一个微元存在如下关系：

连续性方程：

m1=m2;

(1)

能量方程：

(2)

动量方程：

(3)

沿程摩擦阻力系数采用Churchill关联式[19]。

制冷剂饱和压力和饱和温度之间的计算，采用Antoine方程，制冷剂的热力学性质采用Cleland拟合模型。制冷剂在毛细管中流动分为液相区和两相区，对于气液两相区的黏度计算采用cicdhitti经验公式[13]。

2.2 计算条件

根据气象资料，中国大部分地区地下土壤温度基本保持在7～20 ℃[20-21]，故选取具有代表性的工况点，以室内温度22 ℃为最佳温度，地源温度分别为7，10，13，16，20 ℃。小型地源热泵采用R22冷媒，排气量为31.4 mL/r，过冷度为5 ℃。采用Visual Basic语言编制了阶梯可调毛细管仿真计算程序，计算出阶梯可调毛细管的规格。

2.3 计算结果

2.3.1 单根毛细管

通过输入毛细管进出口状态、制冷剂流量和毛细管的内径，首先计算单根毛细管的最佳长度，结果如表1所示。选定毛细管内径为2 mm，实验机型的单根毛细管长度选为650 mm。

表1 模拟不同工况下单根毛细管的最佳长度

通过对单根毛细管长度的计算，确定不同的设计工况下，单根毛细管的最佳长度，为小型地源热泵单根毛细管的选择提供一定的参考。同时，和阶梯可调毛细管作对比，确定机组在非单根毛细管设计工况下，采用毛细管组件节流的优越性。

2.3.2 阶梯可调毛细管组件

其原理是，结合小型地源热泵的制热量，合理设计每根毛细管的结构尺寸，根据机组工作的工况，通过对4段毛细管的优化组合来适应不同地区的地源温度。这种方式既能保证机组的性能，又实现了毛细管的阶梯可调。首先对毛细管组件各段的长度进行编程计算；然后根据模拟条件，确定毛细管进出口压差，通过并联各支路毛细管的流量之和等于主毛细管的流量，采用试凑法根据工况约束条件确定毛细管组件的结构尺寸。计算出主毛细管1长度为200 mm，调节毛细管2、毛细管3、毛细管4长度分别为310，440，610 mm。毛细管不同支路对应的工况如表2所示。

毛细管组件在工况1—工况3下等同于单根毛细管节流，在工况4、工况5下制冷剂在流过毛细管1后出现分流，制冷剂的流量发生变化，毛细管出口压力相等。工况4、工况5压力沿毛细管长度变化如图2、图3所示。

表2 各种工况对应的可调毛细管组件组合方式

图2 工况4毛细管组件压力随长度变化Fig.2 Capillary pressure changes with length under working condition 4

图3 工况5毛细管组件压力随长度变化Fig.3 Capillary pressure changes with length under working condition 5

通过对毛细管组件的长度计算，确定了主毛细管和支路毛细管的结构尺寸，分析了工况4、工况5制冷剂在毛细管内的压力变化。采用此毛细管组件进行节流时，通过确定工况，采用封死支路的方法改变毛细管的长度，使毛细管组件的结构符合此工况下的节流特性，为毛细管组件的设计提供了参考。

3 实验对比

对单一毛细管与阶梯可调毛细管热泵机组进行性能测试，实验前对测试的温度以及流量进行标定以保证数据测试的准确度。实验采用2匹机小型地源热泵，压缩机型号为2K32C225A，排气量31.4 mL/r，名义制冷量5 160 W，额定功率1 730 W。根据不同的工况通过NIST REFPROP9.0软件计算机组在各工况下的制热量和COP，与实验作对比。

小型地源热泵安装后，根据工作工况，选择适合该工况的毛细管支路，对其它支路封死后，进行机组该工况的性能测试。室内舒适度以22 ℃为最佳温度，采用地源测不同的循环水温度进行实验，实验分别采用650 mm长的单根毛细管和上述毛细管组件进行对比研究，对小型地源热泵在不同工况下的制热量以及COP进行测试。

理论计算和实验结果如图4、图5所示。

图4 不同条件下机组制热量的变化规律Fig.4 Unite heating capacity changes under different conditions

图5 不同条件下机组COP的变化规律Fig.5 Unite COP changes under in different conditions

由于存在阻力和热量损失，实验结果略低于理论计算值。对比不同工况下采用阶梯可调毛细管组件和单根毛细管机组的制冷量和COP，结果表明采用阶梯毛细管组件比单根毛细管的机组效率最高可提高15%，节能效果明显。

4 结 语

基于均相流模型编制阶梯可调毛细管的计算程序，其模拟结果对确定毛细管组件的优化有一定的理论支持，对小型地源热泵毛细管的选择有一定的参考价值。实验结果表明，采用阶梯可调毛细管组件结构，可以适应不同地区工况的变化，克服了单一毛细管工况适应性差的缺陷，且有效地提高了小型空调机组的性能。本文的研究结果对小型地源热泵生产具有一定的指导意义。

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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；责任编辑：冯 民

王振辉(1960—)，男，河北深州人，教授，主要从事高效传质传热与节能、空调与制冷节能技术等方面的研究。

E-mail:zhenhuiwang@126.com

TK523

A

10.7535/hbgykj.2016yx04013

王振辉，季文军，孙晓婷，等.阶梯可调毛细管组件的应用研究[J].河北工业科技,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.