崔海亭,劉東岳,趙華麗,張振國

(1.河北科技大學， 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)

CO2熱泵熱水器多毛細管組合節(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， 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作制冷劑應用于熱泵系統的優(yōu)良特性 ,搭建空氣源熱泵熱水系統試驗臺，進行了單根毛細管、雙毛細管、3根毛細管并聯組合分別作為節(jié)流元件的對比試驗，結果表明采用3根毛細管并聯組合節(jié)流時具有全天候平均COP最高，并得出各溫度階段適用毛細管組合規(guī)律，為提高CO2熱泵熱水器制熱能效提出理論依據。

CO2；熱泵熱水器；組合毛細管；COP

符號

m——質量流量，kg/sD——管徑，mf——摩擦阻力系數G——質量流速，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

下標

m——平均sc——過冷

1 前言

采用CO2工質作為制冷劑的跨臨界熱泵機組因其制取熱水溫度范圍大；對臭氧層無破壞、溫室效應潛能極小；系統穩(wěn)定性高、安全性好；結構緊湊、占用空間??；并且具有較高的制熱能效比而引起廣泛的關注與研究[1～3]。

采用CO2作為制冷劑的熱泵系統與傳統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的單相放熱，使系統循環(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，儲熱性能更加優(yōu)良。因此，CO2熱泵熱水系統具有更高的出水溫度與制熱能效比[4～7]。

毛細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，產生局部阻力損失從而使制冷劑壓力驟降，同時部分制冷劑閃發(fā)汽化，吸收潛熱，經過一個不可逆等焓過程使制冷劑變?yōu)榈蜏氐蛪汗べ|，供給蒸發(fā)器[8]。

由于熱泵在不同工況下對制冷劑流量要求不同，針對單根毛細管在系統循環(huán)負荷變化時不能及時地進行匹配的實際情況，本文提出采用三根不同內徑、不同長度毛細管并聯組合使用的設想，通過理論計算與試驗研究得出適應全年各階段不同工況的毛細管尺寸組合。

2 毛細管數學模型的建立

根據毛細管內制冷劑CO2的流動狀態(tài)與規(guī)律，列出流動所遵循的方程組[2]。

連續(xù)性方程:

(1)

能量方程:

(2)

動量方程:

(3)

在計算毛細管長度時，將毛細管中的流動過程分為過冷區(qū)和兩相區(qū)2個階段[2]，其中過冷區(qū)長度：

(4)

兩相區(qū)長度：可取沿毛細管長度方向的某一控制容積,對動量方程式作積分[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,對不同的流動區(qū)域均可取該流動區(qū)域的進出口f的算術平均值[10],即f=(f1+f2)/2。

對于兩相流動區(qū)域的平均比容[4，5],提出以下估計式:

(7)

式中，權系數T僅與兩相區(qū)進口干度x1有關[11],可按下式計算:

對于毛細管中制冷劑流動的摩擦阻力f,文獻推薦較多的是Filonenko關聯式和churchill關聯式，本文選用churchill關聯式進行計算[12～15]：

(8)

B=(37530/Re)16

3 試驗裝置和試驗方案

跨臨界CO2熱泵熱水系統試驗臺分為數字采集控制系統與熱力循環(huán)系統兩大部分，熱力循環(huán)系統及制冷劑系統主要由壓縮機、蒸發(fā)器、氣體冷卻器、回熱器、氣液分離器、毛細管及電磁閥構成循環(huán)回路。低溫、低壓CO2氣體在壓縮機中壓縮至超臨界，之后進入氣體冷卻器中，被低溫冷水冷卻，離開氣冷器后進入回熱器中進一步被冷卻。然后CO2氣體通過毛細管降壓節(jié)流，使氣體溫度下降并部分液化，濕蒸汽進入蒸發(fā)器中汽化，蒸發(fā)器出口配備有氣液分離器，便于壓縮機回油及防止壓縮機液擊；同時增加系統容積，穩(wěn)定系統內壓力。氣液分離器排出低壓氣體進入回熱器低壓側通道吸收高壓側超臨界流體熱量，成為過熱氣體進入壓縮機再次完成循環(huán)。數字采集控制系統采用數據采集儀，采集溫度和壓力參數，監(jiān)測試驗中各個有效部件的實時運行狀態(tài)，試驗臺分別設置了9個溫度測量點、8個壓力測量點，分別連接到數據采集儀及計算機，對氣冷器進出口、蒸發(fā)器進出口、壓縮機進口等處的CO2氣體參數進行測量，以便調控試驗機組工作狀態(tài)以及進行量化對比計算。

試驗臺整體以成型熱泵系統為基礎，上層放置蒸發(fā)器與氣冷器，回熱器、壓縮機、節(jié)流原件為下層，儲液罐(立式)設置在機箱一側，另一側為電子數控系統柜及觸摸面板。本試驗壓縮機采用某公司生產的半封閉式CO2壓縮機，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介質與空氣源之間的熱交換；氣冷器與回熱器均采用CO2專用套管式換熱器，冷卻水走內側，制冷劑走外側，此類型換熱器結構簡單、工作范圍大、換熱效果良好，試驗設定冷卻水進口溫度15℃，出口溫度60℃；儲液罐最大承壓15MPa，采用立式結構，下部加裝回油泵，回油至壓縮機；節(jié)流結構為三根不同長度毛細管并聯組成，通過常開式電磁閥對毛細管開度進行控制。

圖1 跨臨界CO2熱泵熱水系統原理示意

此試驗方案具有以下特點：跨臨界CO2熱泵系統制熱能效比受冷源溫度影響較大，試驗臺采用3根不同長度毛細管并聯組合，通過控制環(huán)境溫度在-15～30℃范圍內變化，對應改變毛細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，并根據試驗結果，對試驗數據進行分析，為不同冷源溫度下并聯毛細管的開閉分布進行優(yōu)化與最優(yōu)組合試驗探究。

4 試驗結果分析

毛細管作為節(jié)流元件與熱泵循環(huán)系統中的蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機相比，尺寸雖小，但對熱泵機組循環(huán)運行特性起重要作用。它對蒸發(fā)器與冷凝器之間的制冷劑流動起到遏制作用，在降低高壓液態(tài)制冷劑壓力的同時，控制進入蒸發(fā)器的制冷劑流率。因此毛細管必須與熱泵機組的運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管分別應用于測試機組所得實時COP曲線。

圖2 不同毛細管組合的COP隨環(huán)境溫度的變化

由圖中可看出，在7℃以下低溫環(huán)境段單獨使用長毛細管機組制熱效率明顯優(yōu)于短毛細管及中等長度毛細管；7～18℃常溫環(huán)境下中等長度毛細管COP顯著提高并超過其余兩組試驗長度；18～30℃高溫環(huán)境下短毛細管制熱效率達到最高且趨于平穩(wěn)，而其他兩組都有明顯下降。究其原因是因為環(huán)境溫度低時，較長的毛細管可以保證氣冷器與蒸發(fā)器之間保持一定的壓差，在毛細管進口處形成液封使制冷劑變化到臨界點以下[16]；環(huán)境溫度高時，短毛細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，防止壓縮機吸氣溫度過高，產生有害過熱[17～20]，影響系統制熱功效。

從圖2中中等長度毛細管分別與短毛細管并聯、長毛細管并聯應用于熱泵機組所得COP曲線可知，較之采用單一毛細管作為節(jié)流元件，雙毛細管兩兩并聯作用時系統制熱效率更為穩(wěn)定并且具有小幅提高。但是，兩種并聯情況任取其一并不能獨立保證測試溫度段內熱泵熱水器COP總取得最優(yōu)值。為此，提出采用3根毛細管并聯組合作用的方式，經試驗得到3根不同長度毛細管并聯使用時系統COP值。通過多組試驗對比，得到3根不同長度毛細管并聯組合作用時，通過數字系統控制熱泵3根毛細管隨環(huán)境溫度不斷開閉變化，使熱水系統所配用的毛細管長度總是與環(huán)境溫度相適應，在環(huán)境溫度為-10～30 ℃區(qū)間內，采用3根毛細管并聯組合節(jié)流時具有全天候平均最高COP以達到熱泵熱水器的最優(yōu)工作狀態(tài)。

5 結論

(1)采用3根毛細管并聯使用作為節(jié)流元件時，較之使用單根毛細管及雙毛細管并聯可更靈敏地適應環(huán)境溫度變化，機組適用工況范圍更加廣泛，通過計算可得：單根毛細管全年平均制熱能效比為3.61，雙毛細管為3.82，而采用3根毛細管的熱泵機組全年平均制熱能效比提高為3.97，明顯優(yōu)于前兩種，且試驗數據標準差較小，即全年不同環(huán)境下制熱能效波動減小，可保持較高制熱效率。

(2)本試驗模擬全年氣候工況下機組工作情況，采用三毛細管并聯作用，可保證系統換熱器內壓差平穩(wěn)，在合適毛細管開口處形成液封，保證制冷劑降壓至臨界點以下；并且實時調整系統內制冷劑質流量，保證了蒸發(fā)器工作效率。

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

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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技術研究與發(fā)展計劃項目(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、熱泵與強化傳熱技術方面的研究，通訊地址：河北石家莊市裕翔街26號河北科技大學機械學院，E-mail:cuiht@126.com。