改动空气源分体热泵热水器中毛细管节流位置的性能及可行性分析

沈康伟

摘 要：在标况、高温、低温3种工况条件下，对毛细管移至水箱侧的热泵系统进行了性能和可行性分析。实验结果表明，该系统与毛细管在外机侧的热泵系统相比，在标况条件具有较高的能效值；高温工况条件下，在压缩机最高排气压力差异不大的情况下，前者系统中的压缩机最高排气温度是低于后者的，有益于压缩机在高环温条件下的安全可靠运行；在低温工况条件下，该系统制热能力与后者基本相当，且在短时间内，都建立了排气过热度，有益于系统在低环温条件下的稳定运行。

关键词：分体；热泵；热水器；毛细管；节流；性能分析

一 引言

随着当今经济的高速发展与人民生活水平的提高，建筑空调、洗浴热水等所需的能耗占比例越来越大。进入21世纪以后，节能已然成为我国可持续发展的一项长远发展战略，利用太阳能、空气能、地热能等低品位绿色能源是解决家用热水高能耗问题最为有效的一种途径[1]。空气源热泵热水器是目前应用较为广泛的一类节能热水器，系统中的冷媒介质通过蒸发器把空气中的低品位热量吸进来之后，被制冷压缩机压缩后变为高温高压的气态冷媒，从而把自身的热量传递给水箱中的低温热水，即消耗一份的电能就可以输出约四份的热水能量。

毛细管一般指内径为 0.4 ～ 2.0mm的细长铜管，是广泛用于小型制冷设备中的节流元件，其具有结构简单、无运动部件、性能可靠、价格便宜等优点，此外，还可以帮助实现压缩机在停机后冷凝器与蒸发器之间的压力平衡，同样在系统启动时，可以大大降低压缩机的启动力矩。对于分体热泵热水器来讲，毛细管位于外机上，它对系统中所循环的制冷剂的节流过程如下：从冷凝器出来的过冷制冷剂通过3-4m的配管，经过滤器过滤后，然后流入毛细管进行节流，毛细管出口出来的气液混合制冷剂蒸汽流入蒸发器内吸收外界空气释放的热量，从而受热蒸发[2]。

制冷剂充注量与毛细管的良好匹配对整个热泵系统的性能有着重要影响，特别是对于没有储液器的小型系统，制冷剂充注量过多或过少，都将影响到热泵装置的工作性能，比如会改变系统运行的蒸发压力、冷凝压力、过冷度、COP等参数。整个热泵系统中的工质充注量，等于系统中各个设备的存储量之和，即总充注量=（贮液器+液管+蒸发器+冷凝器）的存储量之和[3-5]。毛细管节流位置的不同，也会影响到系统中各个设备对制冷剂的存储量，继而影响热泵系统在不同工况条件下的运行情况。本文利用毛细管作为节流元件，在不同运行工况下，分别研究了毛细管在外机侧以及在水箱冷凝器出口侧的运行情况，对其性能和可行性进行了相关分析，以期为相关产品提供实验和理论依据。

二、 实验装置

（一） 实验装置

试验装置系统示意图如图1所示，制冷剂为R134a。整个热泵系统的工作原理为：低压气态制冷剂被滚动转子式压缩机吸入本体气缸压缩后，变为高温高压的过热蒸汽，经排气管和气态配管流入缠绕在水箱内胆外表面上的微通道冷凝器内发生一系列冷凝、冷却过程，从而对水箱内的低温水进行加热，使自身变为过冷液体，流经液态配管后，在压差的驱动下，经毛细管节流元件节流后变为低温低压的气液混合物，然后流入蒸发器内吸收外界空气中低品位热能使其受热蒸发，变为过热蒸汽，然后通过吸气管进入压缩机，从而完成一个循环。

本文所使用的实验样机为两台1.5P分体热泵机组，节流部件为毛细管，实验过程中所采用K型热电偶的测试精度为±0.1 ℃，压力传感器的精度为±0.001MPa，功率变送器的测量精度为±0.5%。

在对系统管路进行打压检漏，抽真空保压，充注冷媒以及向水箱灌满一定温度的自来水后，对毛细管在外机侧和水箱侧的系统在不同工况条件下分别进行了相关实验。

三、 实验结果分析

毛细管作为节流部件，通常是焊接在蒸发器进口与水箱冷出（液态）配管出口之间，如图1所示。系统在对水箱中的水进行加热时，即达到动态平衡的过程中，系统中的冷媒量主要存储在微通道、蒸发器和冷出配管中。当把毛细管移至水箱冷出侧时，如图1水箱虚线框内在系统制热时，无疑系统中各部件对冷媒的存储量会发生变化，即主要存储在微通道冷凝器和蒸发器中。值得指出的是，此时，水箱冷出配管也会成为蒸发器的一部分，即液管内为冷媒的气液混合物。为了定性分析移动毛细管位置对系统的性能的影响以及在恶劣工况（高、低温工况）下，系统能否可靠运行，在相同的冷媒充注量（毛细管在外机侧的系统为额定充注量）前提下，分别对毛细管在外机侧和水箱侧的系统进行了相关实验研究。

（一）标况测试

在室内环境温度为20±0.5℃，湿度为15±0.5℃条件下，采用热泵模式，分别将水箱中的冷水（15±0.5℃）加热至热水（55±0.5℃）时，对毛细管在外机侧与水箱侧的热泵系统进行了一系列参数测试，其测试结果如下。

1、过冷度变化趋势

图2给出了毛细管在不同位置时，系统过冷度的变化趋势。从图中可以看出，系统的过冷度均呈先增大后减小的变化趋势，过冷度的变化趋势主要受自身与水箱中水温的传热温差、系统循环流量、自身物性参数、过冷液体在微通道内的换热系数以及微通道冷凝器内过冷区域的面积等因素影响，从图中可以看出，在对水箱加热的短时间内，系统过冷度可以达到峰值。对于不同的系统，出现峰值的时间先后不一样，即是由以上几个因素共同影响的结果。从图中还可以看出，毛細管在水箱侧时，整个系统一直维持着较大的过冷度。此外，毛细管在水箱侧时，系统能效COP与毛细管在外机侧的系统相比，约有0.11的提升。这很有可能是因为毛细管在水箱侧时，水箱冷出配管中的冷媒大部分会转移至微通道冷凝器内，使得微通道内的液态冷媒积多，造成过冷区域变大，直接导致冷媒过冷度增大。对于毛细管作为节流部件的系统，过冷度的增大，使得毛细管内液态冷媒区域加长，过冷的液态冷媒流过毛细管进行节流降压时，阻力也会降低，因此，在毛细管两端压差一定的情况下，流经毛细管的质量流量会增大，进而压缩机的吸气量相应增加，从而导致蒸发器压力上升，冷媒在蒸发器侧的制冷量增加，使得系统能效提高。

2、 排气温度、吸气过热度变化趋势

从图3可以看出，毛细管在水箱侧时，系统压缩机排气温度、吸气过热度在加热前期（1.5h）是低于毛细管在外机侧时的系统的，而在加热后期（0.8h），情况则相反。这与毛细管位置的变化导致系统构造的不同有关。如图5所示，分别为毛细管位于水箱侧与外机侧结构图，分体热泵连接水箱与外机的冷媒流通长配管为3m，内径为5mm。对于毛细管在水箱侧的系统，在系统加热前期，过冷度很大，冷媒流经过毛细管节流后的冷媒干度很小，即较低的流动阻力使得系统冷媒流量较大，在蒸发能力差异不大的情况下，导致系统吸气温度吸气过热度偏低。随着水温的不断升高，两系统过冷度变小，经过毛细管节流后的干度上升就毛细管在水箱侧的系统而言，冷媒节流后，在流过3m长的细配管后，干度会进一步上升，因此导致吸气过热度和吸气温度上升较为明显，如图3、4所示。而系统在加热前期，系统吸气温度和吸气过热度较低一些，这是因为系统过冷度较大，虽然在配管中存在较大的阻力，但是进入蒸发器时，冷媒干度仍是较低的。在图3中还可以看出，在加热后期排气温度较高，这是因为吸气温度升高所造成的。

3、 排气与吸气压力变化趋势

图6给出了毛细管在不同位置时，系统压缩机排气压力和吸气压力的变化趋势。毛细管在水箱侧时，系统的吸气压力较高一点，这主要是系统循环量增大所造成的。但是在加热后期，吸气压力增加幅度不明显，这是因为在加热后期，冷媒节流后干度较大，使得在冷出配管中的流速增大，造成流动阻力增大。然而对于毛细管在外机侧的系统，尽管在加热后期冷媒节流后干度较大一些，但是因为毛细管在外机侧，不存在有冷出配管的流动阻力，因此在图中可以看出，在加热末端，其吸气压力反而会高一点。此外，从图中还可以发现前者系统中压缩机排气压力在整个加热过程中，其值都是高于后者系统的，这主要是因为冷凝器内液态冷媒较多，造成气液两相区域减小，在水箱中热水温度不变的前提下，必然会造成排气压力的上升。

（二） 低温工况测试

空氣源热泵热水器在低环温条件下不能高效、稳定和可靠的运行，主要是因为当外界环温较低时，热泵系统的制热速率迅速降低，不能提供足够的热量，同时，室外蒸发器侧的蒸发温度和压力较低，造成压缩机的压缩比较大，此外，压缩机在启动前期，由于压缩机的吸气压力较低，使得压缩机吸气不足，容易造成压缩机的空转，因此低环温条件下，系统的制热能力以及压缩机的稳定和可靠性运行都较差。为了验证把毛细管移至水箱侧对系统稳定和可靠性的影响，本文决定将毛细管在外机侧以及水箱侧的机组放置在低环温条件下（-7℃）进行冷媒侵入试验，即采用热泵模式将水箱中的水加热至60℃，然后将机组静置在-7℃环温条件下稳定12h，然后将环温升至7℃条件下，稳定0.5h后，采用热泵模式将水箱中的水加热至60℃，然后停机。

图9、10给出了两个系统在环境温度为7℃条件下的排气过热度与平均瞬时制热功率的变化趋势。从图中可以看出，机组开机前一段时间内，系统压缩机的排气过热度与平均瞬时制热功率都是负的，这主要是因为，在-7℃环境静置期间，水箱中的水温较高（50～60℃），而环境温度又较低，因此冷凝器中所储存的冷媒很大一部分会通过管路进入到压缩机和蒸发器中进行冷凝，随着静置的时间越长，这种现象越为明显。因此，当环温上升至7℃后，机组开机前期，压缩机气液分离器中的液态冷媒会被吸入压缩机本体中去，和其内的液态冷媒一起进行压缩，即液压缩，此时从压缩机排气管出来的冷媒即为高压的气液混合物，没有排气过热度，然后进入到微通道冷凝器中去，由于此时水箱中的温度很高，而从压缩机出来的高压气液混合物冷媒温度是低于水箱中热水温度的，因此，液态冷媒反而会在冷凝器中蒸发，从而吸收水箱中水的热量，直到从压缩机排气管出来的冷媒温度和压力上升到一定值，此后冷媒不再吸收水箱内热水的热量，反而在冷凝器内冷凝释放热量来对水箱中的热水进行加热，压缩机的排气过热度≥0℃时，此后系统开始对水箱进行加热。

从图9、10可以看出，在低温工况条件下，毛细管在外机侧的系统与毛细管在水箱侧的系统相比，其系统压缩机的排气过热度和制热速率都是大于后者的，这主要是后者系统的循环量是大于前者的，在环境温度和风机转速一定的条件下，其提供的热量是有限的，两个系统在运行过程中都很有可能是带液压缩，系统循环量越大，带液量也就越多，压缩机所消耗的功也就越多。从制热速率来看，两个系统能力差异不大；从压缩机的排气过热度来看，在机组运行20min后，两个系统都有5℃以上的排气过热度，这对压缩机的安全可靠性运行是有利的，即两个系统都能在低环温条件下稳定运行。

四、 结论

（一）毛细管移至水箱侧与在外机侧对比发现：在标况条件下，后者系统具有较高的能效值；在高温工况条件下，后者能够充分利用蒸发器的能力，制热量有所提高；在低温工况条件下，后者系统制热能力与前者系统基本相当，且在短时间内，都建立了排气过热度，系统能够稳定的运行。

（二）将毛细管节流部件移至水箱侧后，系统的能效以及压缩机的安全和可靠性运行都有所改善，至于毛细管移至水箱侧如何合理的放置，本文初步提出将毛细管发泡至水箱保温层内，这样外机在生产、在线检漏、以及在线加氟的工序上节约了人力成本、不过将毛细管发泡至水箱保温层内无疑给水箱的发泡工艺增加了新的挑战，

（三）本文今后还将研究将毛细管发泡至水箱保温层内对于外机噪音的降低是否会有影响。

参考文献：

[1]杨礼桢，岑敏婷，王劲柏. 热泵热水器变工况下毛细管节流特性探讨. FLUID MACHINERY， 2011（06）：74-82.

[2]徐琳. 小型制冷装置毛细管特性研究[D]. 浙江大学， 2006.

[3]曹勇. 绝热毛细管两相流特性与实验研究[D]. 浙江大学， 2005.

[4]张洁，张良俊，王玉竹登. 空气源热泵热水器系统优化计算及实验研究. 太阳能学报，2007，28（3）：286-289.

[5]岑敏婷. 制冷系统中节流装置的非热力学制约特性研究[D]. 华中科技大学，2008.