制冷熱泵裝置毛細管組件及其應用特性研究

曹雯莉，陳 東，謝繼紅，陳文放

(天津科技大學機械工程學院，天津 300222)

節流部件是制冷熱泵裝置的基本部件之一，傳統毛細管是應用廣泛的節流部件，具有簡單可靠、價格低等優點，主要不足是工況適應性差[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，而且要求節流部件的流量也要相應調整，常規的毛細管很難適應這一要求.張春路等[2]提出一種毛細管并聯節流的思路，并對其計算方法進行了研究，但對其在制冷熱泵裝置不同工況下的適應性未展開研究；蘇順玉等[3]提出一種主副毛細管和儲液器聯合控制的方法，能對不同工況實現一定的流量匹配，但需要增設閥件，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構的毛細管組件結構，對其結構、原理及其應用性能進行了理論和實驗研究.此毛細管組件能同時滿足制冷、制熱模式，且可具有較好的流量調節功能，其結構簡單、工作可靠、成本低.

1 毛細管組件結構原理

1.1 毛細管組件的結構

毛細管組件結構如圖1 所示.新型毛細管組件由3 段毛細管和一個緩沖器組成.通過對各毛細管長度、內徑的優化組合，可適應制冷熱泵裝置工況變化和流量調節的需要.

圖1 毛細管組件結構Fig.1 Structure of the capillary tube combination unit

1.2 毛細管組件的工作特性

采用毛細管組件的制冷熱泵裝置如圖2 所示，其中實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制冷劑經過毛細管B 和毛細管C 一級節流降壓后，變為氣液兩相，在緩沖器中混合后，再經毛細管A 二級節流后進入室內換熱器吸收室內的熱量，經壓縮機進行下一個循環.

制熱模式下，四通換向閥動作，壓縮機排出的高溫制冷劑進入室內換熱器放熱，變為液態制冷劑，經毛細管A 一級節流變為氣液混合物，進入緩沖器中兩相分離，氣態制冷劑經毛細管B 二級節流，液態制冷劑經毛細管C 二級節流，二級節流后的低溫制冷劑進入室外換熱器吸收環境熱量，再回到壓縮機開始下一個循環.

制冷與制熱模式下，制冷劑流過毛細管組件中各毛細管的狀態和參數均不同，通過優化設計，毛細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 毛細管組件特性的理論分析

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

質量守恒方程為

能量守恒方程為

動量守恒方程為

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

毛細管工作過程中，其中的制冷劑狀態可能為過冷液體、氣液兩相等狀態，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(根據材料取1.5×10-6,m)，m；m 為制冷劑質量流量，kg/s；u 為制冷劑流速，m/s；Re 為雷諾數；μ為動力黏度，Pa·s；下標sc 表示過冷液體段.

(2)當氣液兩相段較長時，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tp 表示氣液兩相，v表示氣態，l 表示液態.

制冷劑流經毛細管的總壓降等于過冷段壓降和兩相段壓降之和.

當毛細管組件尺寸和進出口工況(進口壓力、出口壓力和進口過冷度)一定時，假設一個制冷劑流量，利用式(4)—式(12)計算毛細管組件壓降，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)毛細管組件和普通毛細管在制冷模式和制熱模式下的制冷劑流量特性進行了計算分析，如圖3 所示.計算中，選用R22 制冷劑.毛細管組件尺寸為：毛細管A，長度4.5,m，內直徑1.96,mm；毛細管B，長度1.8,m，內直徑 1.96,mm；毛細管 C，長度 1.7,m，內直徑1.12,mm.為得到較明顯的流量比較效果，使得毛細管組件與普通毛細管制冷劑流量在同一流量區域內，按普通毛細管的制冷劑流量等于工況3 時毛細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，取普通毛細管長度0.363,m，內直徑1.12,mm.

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

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

由圖3 可知：當進出口參數變化時，毛細管組件具有較靈活的流量變化，可通過優化設計，較好地滿足制冷熱泵裝置變工況運行的需要；此外，進出口參數一定時，毛細管組件可在制冷與制熱模式下，具有不同的制冷劑流量，滿足冷負荷和熱負荷不同的要求；普通毛細管的流量特性則較單一.

3 毛細管組件應用特性的實驗

3.1 實驗裝置

建立了采用毛細管組件的R22 制冷熱泵實驗裝置，實驗裝置及主要參數測點布置如圖4 所示.

圖4 實驗裝置示意圖Fig.4 Diagram of the experimental device

圖中毛細管組件的尺寸與理論分析中相同.壓縮機型號為2P17C225，室內換熱器和室外換熱器均采用套管式，由恒溫冷水箱和恒溫熱水箱作為冷熱源，提供適宜的毛細管組件進出口參數；通過裝置中四通換向閥實現毛細管組件的制冷劑流向切換.

實驗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,℃；質量流量采用計時稱重法，精度為0.1,g/s.

3.2 實驗數據處理

利用所測數據采用焓差法得到制冷劑質量流量，計算式[6]為

式中：Q 為換熱器熱負荷，kW；mr為制冷劑質量流量，kg/s；mw為水的質量流量，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為進換熱器制冷劑焓值，kJ/kg；Twi為進換熱器熱水溫度，℃；Two為出換熱器熱水溫度，℃.

3.3 實驗結果及分析

調整實驗工況(見表2)和運行模式，得到毛細管組件在制冷熱泵裝置典型工況下的運行數據如圖5所示.

表2 實驗用典型工況Tab.2 Typical working conditions for experiment

圖5 不同模式下的毛細管組件的運行數據Fig.5 Experimental data of the capillary tubes combination unit under different modes

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

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

4 結論

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

利用R22 制冷熱泵實驗裝置對毛細管組件的應用特性進行了實驗研究，表明在工作模式一定時，毛細管組件的制冷劑流量隨工況變化而非線性變化；工況參數一定而工作模式調整時，制冷劑流量也隨之不同，使毛細管組件用于制冷熱泵時可更好地滿足用戶的冷熱負荷要求.

進一步對毛細管組件結構、變工況時毛細管組件的動態特性等進行深入研究，可使其與制冷熱泵的工況和模式調整實現良好匹配.

［1］張小松.制冷技術與裝置設計[M].重慶：重慶大學出版社，2008：179–188.

［2］張春路，丁國良.毛細管并聯節流的當量方法[J].機械工程學報，2002，38(3)：43–45.

［3］蘇順玉，張春枝，陳儉.空氣源熱泵毛細管節流空調系統的研究[J].湖南大學學報，2009，36(12)：1–3.

［4］周斌，章伯其.絕熱毛細管長度數值計算[J].機械設計與制造，2005(10)：35–37.

［5］Somchai Wongwises，Worachet Pirompak.Flow characteristics of pure refrigerants and refrigerant mixtures in adiabatic capillary tubes[J].Applied Thermal Engineering，2001，21(6)：845–861.

［6］Dongsoo Jung，Chunkun Park，Byungjin Park.Capillary tube selection for HCFC22 alternatives[J].International Journal of Refrigeration，1999，22：604–614.

［7］Melo C，Ferreira R T S，Boabaid Neto C，et al.An experimental analysis of adiabatic capillary tubes[J].Applied Thermal Engineering，1999，19(6)：669–684.