小型地源热泵并联毛细管节流研究

河北科技大学机械工程学院　季文军

小型地源热泵并联毛细管节流研究

河北科技大学机械工程学院季文军

研究了不同长度毛细管并联节流的特性，实现了小型地源热泵采用并联毛细管节流流量可调，确定了并联毛细管的尺寸。实验对比表明，采用并联毛细管节流的小型地源热泵效率可提高13%。

并联毛细管；非设计工况；节流；效率

目前，全国很多农村地区仍然采用燃煤的方式取暖，造成严重的环境污染，各地政府鼓励人们取消燃煤采暖，采用新的采暖方式，发展适用于农村采暖的小型地源热泵系统。结构简单、价格低廉的空调节流毛细管开始应用于小型地源热泵［1］。

小型制冷装置的节流毛细管在设计后毛细管是不可变的，因此热泵在非设计工况下工作时，机组效率将受到影响［2］。小型地源热泵工作工况相对稳定，非常适合毛细管节流，不同地区土壤温度又是不同的，这就造成了一些地区的机组会在非设计工况下工作，这会严重影响机组的工作效率。

本文研究一种毛细管并联的节流方式，使小型地源热泵在确定安装地点后毛细管具有可调性。

1并联毛细管结构及工作原理

采用毛细管并联节流的结构，如图1所示，并联毛细管是由两段不同长度的毛细管组成的，工作原理是通过测量地下土壤的温度，确定机组的工作工况，确定毛细管的长度，对符合这一工况的并联毛细管的支路进行选择，使之与机组工作的工况相匹配，从而提高机组的工作效率。

图1　毛细管并联结构

2并联毛细管理论分析与结构优化

2.1数学模型

制冷剂在毛细管内流动的基本控制方程建立如下［3-4］：

将制冷剂在绝热毛细管中的流动划分为若干单元，对上述方程进行离散求解。

沿程摩擦阻力系数采用churchill关联式，在制冷剂热力饱和压力和饱和温度之间的计算，采用Antoine的方程形式：对两相区的黏度计算采用cicdhitti经验公式，R22的热力学性质采用Cleland拟合公式，编写毛细管长度计算程序，对毛细管长度进行计算。

2.2设计工况及计算结果

我国大部分地区的土壤温度在7℃～20℃［5-6］，室内舒适温度为22℃，通过优化组合来确定并联毛细管的尺寸，制冷剂为R22，小型地源热泵压缩机的排气量为31.4ml/rev，确定该热泵在不同工况下毛细管的总流量G，假设通过毛细管1的制冷剂流量为G1，则流过毛细管2的制冷剂流量为G-G1，通过不断假设毛细管1的流量，计算并联毛细管1和毛细管2的长度，根据土壤温度的约束，最后确定毛细管1和毛细管2的长度分别为640mm、810mm，当地源温度为7℃、10℃、16℃时分别对应的制冷剂只流过毛细管1、只流过毛细管2、同时流过毛细管1和毛细管2三种情况。

当小型地源热泵销售到某农村用户家中后，对地下土壤温度测量，选择适合于这一工况的并联毛细管通路，其他的通路则堵死，通过这种方式使毛细管具有阶梯可调性提高机组的性能。

3实验对比

搭建测试试验台，对小型地源热泵采用并联毛细管和采用单根毛细管在不同工况下的性能进行对比，实验采用的单根毛细管的尺寸为直径2mm，长度650mm，并联毛细管的尺寸为上一节确定的尺寸，单根毛细管是固定不可变的，并联毛细管可根据工况采用人工堵死某支路毛细管的方法进行调节，实验工况分别为地源温度为7℃、10℃、13℃、16℃、20℃的情况，对机组的制冷量进行测试，测试结果如图3、图4所示。

图3　不同工况下的机组制冷量变化规律

图4　不同工况下的机组COP化规律

在实验给定的工况下，对比小型地源热泵采用（

）并联毛细管和单根毛细管节流时机组的制冷量和COP，实验结果表明在某些工况下采用并联毛细管的机组，节能效果明显。

4结论

编制并联毛细管的计算程序，确定了并联毛细管的结构尺寸。搭建实验台进行对比实验，实验结果表明：采用并联毛细管结构比采用单根毛细管的机组效率最高可提高13%，有效地提高了小型地源热泵机组的效率，研究结果对小型地源热泵节流毛细管的选择具有一定的指导意义。

［1］孙涛，郭宪民，杨明.毛细管长度对热泵热水器系统动态性能的影响［J］.流体机械，2009，37（8）：58-62.

［2］杨礼桢.热泵系统节流装置制约特性研究［D］.武汉：华中科技大学，2011.

［3］张春路.制冷空调系统仿真原理与技术［M］.北京：化学工业出版社，2013.

［4］曹雯莉，陈东，谢继红等.制冷热泵装置毛细管组件及其应用特性研究［J］.天津科技大学学报，2013，28（5）：75-78.

［5］方琦.《村镇小型地源热泵采暖制冷技术规程》中若干问题研究［D］.天津：天津大学，2011

［6］宋胡伟，刘金祥，陈晓春等.不同地区土壤温度及建筑负荷特性对地源热泵系统的影响［J］.建筑科学，2014，26（8）：68-73.