沈康偉

摘 要：在標(biāo)況、高溫、低溫3種工況條件下，對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)與毛細(xì)管在外機(jī)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(jī)最高排氣壓力差異不大的情況下，前者系統(tǒng)中的壓縮機(jī)最高排氣溫度是低于后者的，有益于壓縮機(jī)在高環(huán)溫條件下的安全可靠運(yùn)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(shí)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(yùn)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(jì)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(guó)可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展戰(zhàn)略，利用太陽(yáng)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(jī)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(zhǎng)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(jiǎn)單、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、性能可靠、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，此外，還可以幫助實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)在停機(jī)后冷凝器與蒸發(fā)器之間的壓力平衡，同樣在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，可以大大降低壓縮機(jī)的啟動(dòng)力矩。對(duì)于分體熱泵熱水器來講，毛細(xì)管位于外機(jī)上，它對(duì)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(duì)整個(gè)熱泵系統(tǒng)的性能有著重要影響，特別是對(duì)于沒有儲(chǔ)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(huì)改變系統(tǒng)運(yùn)行的蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、過冷度、COP等參數(shù)。整個(gè)熱泵系統(tǒng)中的工質(zhì)充注量，等于系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的存儲(chǔ)量之和，即總充注量=（貯液器+液管+蒸發(fā)器+冷凝器）的存儲(chǔ)量之和[3-5]。毛細(xì)管節(jié)流位置的不同，也會(huì)影響到系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備對(duì)制冷劑的存儲(chǔ)量，繼而影響熱泵系統(tǒng)在不同工況條件下的運(yùn)行情況。本文利用毛細(xì)管作為節(jié)流元件，在不同運(yùn)行工況下，分別研究了毛細(xì)管在外機(jī)側(cè)以及在水箱冷凝器出口側(cè)的運(yùn)行情況，對(duì)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(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。

二、 實(shí)驗(yàn)裝置

（一） 實(shí)驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意圖如圖1所示，制冷劑為R134a。整個(gè)熱泵系統(tǒng)的工作原理為：低壓氣態(tài)制冷劑被滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)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(duì)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(dòng)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?，然后流入蒸發(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(jī)，從而完成一個(gè)循環(huán)。

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

在對(duì)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(duì)毛細(xì)管在外機(jī)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(shí)驗(yàn)。

三、 實(shí)驗(yàn)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(duì)水箱中的水進(jìn)行加熱時(shí)，即達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡的過程中，系統(tǒng)中的冷媒量主要存儲(chǔ)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(shí)，如圖1水箱虛線框內(nèi)在系統(tǒng)制熱時(shí)，無(wú)疑系統(tǒng)中各部件對(duì)冷媒的存儲(chǔ)量會(huì)發(fā)生變化，即主要存儲(chǔ)在微通道冷凝器和蒸發(fā)器中。值得指出的是，此時(shí)，水箱冷出配管也會(huì)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(dòng)毛細(xì)管位置對(duì)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(yùn)行，在相同的冷媒充注量（毛細(xì)管在外機(jī)側(cè)的系統(tǒng)為額定充注量）前提下，分別對(duì)毛細(xì)管在外機(jī)側(cè)和水箱側(cè)的系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

（一）標(biāo)況測(cè)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(shí)，對(duì)毛細(xì)管在外機(jī)側(cè)與水箱側(cè)的熱泵系統(tǒng)進(jìn)行了一系列參數(shù)測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如下。

1、過冷度變化趨勢(shì)

圖2給出了毛細(xì)管在不同位置時(shí)，系統(tǒng)過冷度的變化趨勢(shì)。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(shì)，過冷度的變化趨勢(shì)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(duì)水箱加熱的短時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)過冷度可以達(dá)到峰值。對(duì)于不同的系統(tǒng)，出現(xiàn)峰值的時(shí)間先后不一樣，即是由以上幾個(gè)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(shí)，整個(gè)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(shí)，系統(tǒng)能效COP與毛細(xì)管在外機(jī)側(cè)的系統(tǒng)相比，約有0.11的提升。這很有可能是因?yàn)槊?xì)管在水箱側(cè)時(shí)，水箱冷出配管中的冷媒大部分會(huì)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(duì)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(zhǎng)，過冷的液態(tài)冷媒流過毛細(xì)管進(jìn)行節(jié)流降壓時(shí)，阻力也會(huì)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(huì)增大，進(jìn)而壓縮機(jī)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(shì)

從圖3可以看出，毛細(xì)管在水箱側(cè)時(shí)，系統(tǒng)壓縮機(jī)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(jī)側(cè)時(shí)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(jī)側(cè)結(jié)構(gòu)圖，分體熱泵連接水箱與外機(jī)的冷媒流通長(zhǎng)配管為3m，內(nèi)徑為5mm。對(duì)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(dòng)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(zhǎng)的細(xì)配管后，干度會(huì)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?yàn)橄到y(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(shí)，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?yàn)槲鼩鉁囟壬咚斐傻摹?/p>

3、 排氣與吸氣壓力變化趨勢(shì)

圖6給出了毛細(xì)管在不同位置時(shí)，系統(tǒng)壓縮機(jī)排氣壓力和吸氣壓力的變化趨勢(shì)。毛細(xì)管在水箱側(cè)時(shí)，系統(tǒng)的吸氣壓力較高一點(diǎn)，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?yàn)樵诩訜岷笃?，冷媒?jié)流后干度較大，使得在冷出配管中的流速增大，造成流動(dòng)阻力增大。然而對(duì)于毛細(xì)管在外機(jī)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?yàn)槊?xì)管在外機(jī)側(cè)，不存在有冷出配管的流動(dòng)阻力，因此在圖中可以看出，在加熱末端，其吸氣壓力反而會(huì)高一點(diǎn)。此外，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)前者系統(tǒng)中壓縮機(jī)排氣壓力在整個(gè)加熱過程中，其值都是高于后者系統(tǒng)的，這主要是因?yàn)槔淠鲀?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(huì)造成排氣壓力的上升。

（二） 低溫工況測(cè)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(yùn)行，主要是因?yàn)楫?dāng)外界環(huán)溫較低時(shí)，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(shí)，室外蒸發(fā)器側(cè)的蒸發(fā)溫度和壓力較低，造成壓縮機(jī)的壓縮比較大，此外，壓縮機(jī)在啟動(dòng)前期，由于壓縮機(jī)的吸氣壓力較低，使得壓縮機(jī)吸氣不足，容易造成壓縮機(jī)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(jī)的穩(wěn)定和可靠性運(yùn)行都較差。為了驗(yàn)證把毛細(xì)管移至水箱側(cè)對(duì)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(jī)側(cè)以及水箱側(cè)的機(jī)組放置在低環(huán)溫條件下（-7℃）進(jìn)行冷媒侵入試驗(yàn)，即采用熱泵模式將水箱中的水加熱至60℃，然后將機(jī)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(jī)。

圖9、10給出了兩個(gè)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(shí)制熱功率的變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，機(jī)組開機(jī)前一段時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)壓縮機(jī)的排氣過熱度與平均瞬時(shí)制熱功率都是負(fù)的，這主要是因?yàn)?，?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(chǔ)存的冷媒很大一部分會(huì)通過管路進(jìn)入到壓縮機(jī)和蒸發(fā)器中進(jìn)行冷凝，隨著靜置的時(shí)間越長(zhǎng)，這種現(xiàn)象越為明顯。因此，當(dāng)環(huán)溫上升至7℃后，機(jī)組開機(jī)前期，壓縮機(jī)氣液分離器中的液態(tài)冷媒會(huì)被吸入壓縮機(jī)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(shí)從壓縮機(jī)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(shí)水箱中的溫度很高，而從壓縮機(jī)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(huì)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(jī)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(duì)水箱中的熱水進(jìn)行加熱，壓縮機(jī)的排氣過熱度≥0℃時(shí)，此后系統(tǒng)開始對(duì)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(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速一定的條件下，其提供的熱量是有限的，兩個(gè)系統(tǒng)在運(yùn)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(jī)所消耗的功也就越多。從制熱速率來看，兩個(gè)系統(tǒng)能力差異不大；從壓縮機(jī)的排氣過熱度來看，在機(jī)組運(yùn)行20min后，兩個(gè)系統(tǒng)都有5℃以上的排氣過熱度，這對(duì)壓縮機(jī)的安全可靠性運(yùn)行是有利的，即兩個(gè)系統(tǒng)都能在低環(huán)溫條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

四、 結(jié)論

（一）毛細(xì)管移至水箱側(cè)與在外機(jī)側(cè)對(duì)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(shí)間內(nèi)，都建立了排氣過熱度，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)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(jī)的安全和可靠性運(yùn)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(jī)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(wú)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(duì)于外機(jī)噪音的降低是否會(huì)有影響。

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