河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院　季文軍

小型地源熱泵并聯(lián)毛細(xì)管節(jié)流研究

河北科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院季文軍

研究了不同長度毛細(xì)管并聯(lián)節(jié)流的特性，實(shí)現(xiàn)了小型地源熱泵采用并聯(lián)毛細(xì)管節(jié)流流量可調(diào)，確定了并聯(lián)毛細(xì)管的尺寸。實(shí)驗(yàn)對比表明，采用并聯(lián)毛細(xì)管節(jié)流的小型地源熱泵效率可提高13%。

并聯(lián)毛細(xì)管；非設(shè)計(jì)工況；節(jié)流；效率

目前，全國很多農(nóng)村地區(qū)仍然采用燃煤的方式取暖，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，各地政府鼓勵人們?nèi)∠济翰膳捎眯碌牟膳绞?，發(fā)展適用于農(nóng)村采暖的小型地源熱泵系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉的空調(diào)節(jié)流毛細(xì)管開始應(yīng)用于小型地源熱泵［1］。

小型制冷裝置的節(jié)流毛細(xì)管在設(shè)計(jì)后毛細(xì)管是不可變的，因此熱泵在非設(shè)計(jì)工況下工作時，機(jī)組效率將受到影響［2］。小型地源熱泵工作工況相對穩(wěn)定，非常適合毛細(xì)管節(jié)流，不同地區(qū)土壤溫度又是不同的，這就造成了一些地區(qū)的機(jī)組會在非設(shè)計(jì)工況下工作，這會嚴(yán)重影響機(jī)組的工作效率。

本文研究一種毛細(xì)管并聯(lián)的節(jié)流方式，使小型地源熱泵在確定安裝地點(diǎn)后毛細(xì)管具有可調(diào)性。

1并聯(lián)毛細(xì)管結(jié)構(gòu)及工作原理

采用毛細(xì)管并聯(lián)節(jié)流的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，并聯(lián)毛細(xì)管是由兩段不同長度的毛細(xì)管組成的，工作原理是通過測量地下土壤的溫度，確定機(jī)組的工作工況，確定毛細(xì)管的長度，對符合這一工況的并聯(lián)毛細(xì)管的支路進(jìn)行選擇，使之與機(jī)組工作的工況相匹配，從而提高機(jī)組的工作效率。

圖1　毛細(xì)管并聯(lián)結(jié)構(gòu)

2并聯(lián)毛細(xì)管理論分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1數(shù)學(xué)模型

制冷劑在毛細(xì)管內(nèi)流動的基本控制方程建立如下［3-4］：

將制冷劑在絕熱毛細(xì)管中的流動劃分為若干單元，對上述方程進(jìn)行離散求解。

沿程摩擦阻力系數(shù)采用churchill關(guān)聯(lián)式，在制冷劑熱力飽和壓力和飽和溫度之間的計(jì)算，采用Antoine的方程形式：對兩相區(qū)的黏度計(jì)算采用cicdhitti經(jīng)驗(yàn)公式，R22的熱力學(xué)性質(zhì)采用Cleland擬合公式，編寫毛細(xì)管長度計(jì)算程序，對毛細(xì)管長度進(jìn)行計(jì)算。

2.2設(shè)計(jì)工況及計(jì)算結(jié)果

我國大部分地區(qū)的土壤溫度在7℃～20℃［5-6］，室內(nèi)舒適溫度為22℃，通過優(yōu)化組合來確定并聯(lián)毛細(xì)管的尺寸，制冷劑為R22，小型地源熱泵壓縮機(jī)的排氣量為31.4ml/rev，確定該熱泵在不同工況下毛細(xì)管的總流量G，假設(shè)通過毛細(xì)管1的制冷劑流量為G1，則流過毛細(xì)管2的制冷劑流量為G-G1，通過不斷假設(shè)毛細(xì)管1的流量，計(jì)算并聯(lián)毛細(xì)管1和毛細(xì)管2的長度，根據(jù)土壤溫度的約束，最后確定毛細(xì)管1和毛細(xì)管2的長度分別為640mm、810mm，當(dāng)?shù)卦礈囟葹?℃、10℃、16℃時分別對應(yīng)的制冷劑只流過毛細(xì)管1、只流過毛細(xì)管2、同時流過毛細(xì)管1和毛細(xì)管2三種情況。

當(dāng)小型地源熱泵銷售到某農(nóng)村用戶家中后，對地下土壤溫度測量，選擇適合于這一工況的并聯(lián)毛細(xì)管通路，其他的通路則堵死，通過這種方式使毛細(xì)管具有階梯可調(diào)性提高機(jī)組的性能。

3實(shí)驗(yàn)對比

搭建測試試驗(yàn)臺，對小型地源熱泵采用并聯(lián)毛細(xì)管和采用單根毛細(xì)管在不同工況下的性能進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)采用的單根毛細(xì)管的尺寸為直徑2mm，長度650mm，并聯(lián)毛細(xì)管的尺寸為上一節(jié)確定的尺寸，單根毛細(xì)管是固定不可變的，并聯(lián)毛細(xì)管可根據(jù)工況采用人工堵死某支路毛細(xì)管的方法進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)工況分別為地源溫度為7℃、10℃、13℃、16℃、20℃的情況，對機(jī)組的制冷量進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3　不同工況下的機(jī)組制冷量變化規(guī)律

圖4　不同工況下的機(jī)組COP化規(guī)律

在實(shí)驗(yàn)給定的工況下，對比小型地源熱泵采用（

）并聯(lián)毛細(xì)管和單根毛細(xì)管節(jié)流時機(jī)組的制冷量和COP，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在某些工況下采用并聯(lián)毛細(xì)管的機(jī)組，節(jié)能效果明顯。

4結(jié)論

編制并聯(lián)毛細(xì)管的計(jì)算程序，確定了并聯(lián)毛細(xì)管的結(jié)構(gòu)尺寸。搭建實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用并聯(lián)毛細(xì)管結(jié)構(gòu)比采用單根毛細(xì)管的機(jī)組效率最高可提高13%，有效地提高了小型地源熱泵機(jī)組的效率，研究結(jié)果對小型地源熱泵節(jié)流毛細(xì)管的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］孫濤，郭憲民，楊明.毛細(xì)管長度對熱泵熱水器系統(tǒng)動態(tài)性能的影響［J］.流體機(jī)械，2009，37（8）：58-62.

［2］楊禮楨.熱泵系統(tǒng)節(jié)流裝置制約特性研究［D］.武漢：華中科技大學(xué)，2011.

［3］張春路.制冷空調(diào)系統(tǒng)仿真原理與技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

［4］曹雯莉，陳東，謝繼紅等.制冷熱泵裝置毛細(xì)管組件及其應(yīng)用特性研究［J］.天津科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，28（5）：75-78.

［5］方琦.《村鎮(zhèn)小型地源熱泵采暖制冷技術(shù)規(guī)程》中若干問題研究［D］.天津：天津大學(xué)，2011

［6］宋胡偉，劉金祥，陳曉春等.不同地區(qū)土壤溫度及建筑負(fù)荷特性對地源熱泵系統(tǒng)的影響［J］.建筑科學(xué)，2014，26（8）：68-73.