(順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東高校熱泵工程技術(shù)開(kāi)發(fā)中心 佛山 528333)

冷暖型空調(diào)器在制冷運(yùn)行和制熱運(yùn)行時(shí)制冷劑流量不同，且制冷流量大于制熱流量，這就要求制冷運(yùn)行時(shí)毛細(xì)管節(jié)流阻力小于制熱運(yùn)行的阻力[1]。為達(dá)到這一目的，目前采用如圖1所示的帶單向閥的毛細(xì)管組件，使制冷系統(tǒng)在制冷、制熱時(shí)制冷劑流過(guò)的毛細(xì)管長(zhǎng)度不同(制冷時(shí)，制冷劑流向?yàn)锳-B-E；制熱時(shí)，制冷劑流向?yàn)镋-D-C-B-A)，但也因增加了單向閥，使毛細(xì)管組件的成本增加。Xu Yansheng等[2]利用制冷劑在毛細(xì)管節(jié)流中的氣液兩相流特性，發(fā)明了如圖2所示的由兩段管徑不同的毛細(xì)管串聯(lián)組成的變徑毛細(xì)管，用于替代帶單向閥的毛細(xì)管組件，以達(dá)到降低成本、簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)的目的。本課題組在以R22為制冷劑的KFR-32GW冷暖型空調(diào)器中做了等效代替實(shí)驗(yàn)，取得了較理想的結(jié)果[3]。但由于環(huán)保方面的問(wèn)題，R22制冷劑將逐步被淘汰，因此R410A(R32、R125質(zhì)量比各占50%，)作為一種主要替代制冷劑，將廣泛應(yīng)用于空調(diào)器等制冷產(chǎn)品中[4-9]。因此，研究變徑毛細(xì)管在R410A冷暖空調(diào)器中的節(jié)流特性對(duì)促進(jìn)變徑毛細(xì)管技術(shù)的應(yīng)用有較大意義。

1主毛細(xì)管;2單向閥;3輔助毛細(xì)管。圖1 帶單向閥的毛細(xì)管節(jié)流組件Fig.1 Capillary tube assembly

1小管徑毛細(xì)管；2大管徑毛細(xì)管。圖2 變徑毛細(xì)管Fig.2 Variable diameter capillary tube

1 實(shí)驗(yàn)方案及設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)方案

要實(shí)現(xiàn)用變徑毛細(xì)管代替毛細(xì)管組件進(jìn)行節(jié)流，關(guān)鍵問(wèn)題是解決變徑毛細(xì)管在空調(diào)器中的匹配問(wèn)題，即毛細(xì)管管徑和長(zhǎng)度兩個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸的確定。目前，用于單一管徑的毛細(xì)管結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算的理論模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ洼^多，且具有較高的計(jì)算精度[10-16]，但變徑毛細(xì)管必須同時(shí)滿足制冷流量和制熱流量需要，需要確定兩個(gè)管徑和兩個(gè)長(zhǎng)度共4個(gè)結(jié)構(gòu)尺寸，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵巡贿m用，而理論模型不僅精度較差，計(jì)算也較為復(fù)雜，不適合工程應(yīng)用[17]。為減少變徑毛細(xì)管在R410A冷暖空調(diào)器中的匹配工作量，制定了如下實(shí)驗(yàn)方案：

1)測(cè)定采用毛細(xì)管組件節(jié)流的原R410A冷暖空調(diào)器在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境工況下的性能指標(biāo)(制冷量、制熱量、制冷能效比、制熱能效比)和運(yùn)行工況(冷凝壓力、過(guò)冷度、蒸發(fā)壓力、過(guò)熱度)。

2)在節(jié)流元件制冷劑流量測(cè)試臺(tái)上，測(cè)定毛細(xì)管組件在運(yùn)行工況下R410A制冷劑制冷流量和制熱流量。

3)制作不同結(jié)構(gòu)尺寸的多個(gè)變徑毛細(xì)管，在節(jié)流元件制冷劑流量測(cè)試臺(tái)上測(cè)定相同運(yùn)行工況下的制冷流量和制熱流量，構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型。

4)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型計(jì)算變徑毛細(xì)管初步規(guī)格尺寸，在空調(diào)器上進(jìn)行匹配測(cè)試，并確定變徑毛細(xì)管最終結(jié)構(gòu)尺寸。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

變徑毛細(xì)管制冷劑流量測(cè)試在自行設(shè)計(jì)的節(jié)流元件制冷劑流量測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行。該測(cè)試臺(tái)由壓縮機(jī)、變頻器、油分離器、水冷冷凝器、冷卻水箱、儲(chǔ)液器、過(guò)冷器、節(jié)流短管測(cè)試段、量熱器、針閥、電加熱器、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等組成，如圖3所示。在圖3中，毛細(xì)管入口壓力(即冷凝壓力)主要通過(guò)調(diào)整流過(guò)冷凝器中水量的大小和溫度來(lái)調(diào)整，入口溫度通過(guò)調(diào)整過(guò)冷器中冷水的水溫和流量來(lái)控制，出口壓力(即蒸發(fā)壓力)通過(guò)調(diào)整壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)，而壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速是通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率來(lái)改變，測(cè)試臺(tái)溫度測(cè)量精度為±0.2 ℃，壓力測(cè)量精度為±0.2%，流量測(cè)試精度為±1%。空調(diào)器性能實(shí)驗(yàn)在空調(diào)焓差室進(jìn)行。

1變頻器；2壓縮機(jī)；3快速接頭；4油分離器；5冷凝器；6儲(chǔ)液器；7過(guò)冷器；8電加熱器；9干燥過(guò)濾器；10節(jié)流機(jī)構(gòu)；11三通截止閥；12視液鏡；13節(jié)流機(jī)構(gòu)測(cè)試段；14蒸發(fā)器；15壓力容器；16電熱管；17量熱器；18水量調(diào)節(jié)閥1；19水量調(diào)節(jié)閥2；20冷卻水箱；21浮球閥；22球閥； 23控制系統(tǒng)；24測(cè)量系統(tǒng)。圖3 節(jié)流元件制冷劑流量測(cè)試臺(tái)Fig.3 Test rig for mass flow rate in step capillary tube

2 流量實(shí)驗(yàn)與建模

2.1 毛細(xì)管組件空調(diào)器性能實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用制冷劑為R410A的KFR-32GW冷暖型空調(diào)器，毛細(xì)管組件的結(jié)構(gòu)尺寸為主毛細(xì)管Φ1.6 mm(內(nèi)徑)×1 350 mm(長(zhǎng)度)、輔毛細(xì)管Φ1.6 mm(內(nèi)徑)×400 mm(長(zhǎng)度)。在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境工況[5]下測(cè)得的空調(diào)器性能指標(biāo)及毛細(xì)管組件運(yùn)行工況如表1所示。

2.2 變徑毛細(xì)管節(jié)流特性模型

2.2.1基礎(chǔ)模型構(gòu)建

圖2中變徑毛細(xì)管的節(jié)流阻力由3部分組成，即小管徑沿程阻力Δp1、突變處局部阻力Δpξ、大管徑沿程阻力Δp2，因突變處局部阻力Δpξ較小，可以忽略，因此變徑毛細(xì)管在進(jìn)出口壓差一定的情況下，按阻抗的計(jì)算方法，可建立式(1)～式(2)變徑毛細(xì)管結(jié)構(gòu)尺寸與制冷流量、制熱流量的無(wú)量綱線性關(guān)系。

表1 毛細(xì)管組件空調(diào)器性能指標(biāo)及毛細(xì)管組件運(yùn)行工況Tab.1 Performance index and operation condition of the capillary tube assembly

(1)

(2)

式中：a1、a2、b1、b2、c1、c2為無(wú)量綱系數(shù)；L1為小管徑長(zhǎng)度，mm；D1為小管徑內(nèi)徑，mm；L2為大管徑長(zhǎng)度，mm；D2為大管徑內(nèi)徑，mm；GC為制冷流量，kg/h；GH為制熱流量，kg/h。

2.2.2變徑毛細(xì)管流量測(cè)試

實(shí)驗(yàn)確定的變徑毛細(xì)管結(jié)構(gòu)尺寸為D1=1.2、1.3、1.4、1.5 mm，D2=1.6、1.7、1.8、1.9 mm，L1=100、200、300、400 mm，L2=300、400、500、600 mm。為減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，按4因素、4水平設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案，制作了16根變徑毛細(xì)管，在制冷劑流量測(cè)試臺(tái)進(jìn)行流量測(cè)試，得到16組制冷流量和制熱流量，進(jìn)行線性回歸，得到變徑毛細(xì)管結(jié)構(gòu)尺寸的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算模型為：

(3)

(4)

2.2.3模型分析

圖4 制冷流量和流量比計(jì)算值Fig.4 The calculated value of cooling mass flow and flow ratio

3 空調(diào)器匹配實(shí)驗(yàn)

圖5 不同規(guī)格變徑毛細(xì)管空調(diào)器制冷性能指標(biāo)Fig.5 The performance indicators of cooling mode with different size variable diameter capillary tube

圖6 不同規(guī)格變徑毛細(xì)管空調(diào)器制熱性能指標(biāo)Fig.6 The performance indicators of heating mode with different size variable diameter capillary tube

上述9個(gè)規(guī)格的變徑毛細(xì)管總的制冷量變化為2.3%，制冷COP變化為1.5%，制熱量變化為3.1%，制熱COP變化為1.7%，說(shuō)明毛細(xì)管長(zhǎng)度的小幅變化對(duì)空調(diào)器性能影響不大，這也有利于變徑毛細(xì)管的匹配。實(shí)驗(yàn)最終確定的變徑毛細(xì)管結(jié)構(gòu)尺寸為D1=1.4 mm，L1=690 mm，D2=1.8 mm，L2=410 mm，相應(yīng)的空調(diào)器性能指標(biāo)如表2所示。

由表2對(duì)比數(shù)據(jù)可知，采用變徑毛細(xì)管節(jié)流的空調(diào)器與采用毛細(xì)管組件節(jié)流的空調(diào)器相比，制冷量減少0.3%，制冷能效比不變，制熱量增加0.5%，制熱能效比減少0.3%，兩者的性能指標(biāo)基本相同。

表2 變徑毛細(xì)管空調(diào)器性能指標(biāo)及對(duì)比Tab.2 Performance comparing between variable diametercapillary tube system and capillary tube assembly system

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法建立了R410A變徑毛細(xì)管節(jié)流流量特性經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，以此?jì)算變徑毛細(xì)管結(jié)構(gòu)尺寸，并應(yīng)用于R410A冷暖型空調(diào)器，通過(guò)空調(diào)器性能實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論：

1)基于阻抗計(jì)算方法，通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ途容^高，可以用于R410A變徑毛細(xì)管初步結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算。

2)變徑毛細(xì)管長(zhǎng)度尺寸在較小范圍內(nèi)變化，對(duì)空調(diào)器性能影響不大。

3)采用變徑毛細(xì)管節(jié)流的空調(diào)器與采用毛細(xì)管組件節(jié)流的空調(diào)器相比，制冷量減少0.3%，制冷能效比不變，制熱量增加0.5%，制熱能效比減少0.3%，兩者的性能指標(biāo)基本相同，變徑毛細(xì)管完全可以替代毛細(xì)管組件用于R410A冷暖型空調(diào)器。

本文受廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2016B020243008)和廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2016A030313012)資助。 (The project was supported by Special Applied Technology Research and Development of Guangdong Project(No. 2016B020243008) and the Natural Science Foundation of Guangdong Province(No. 2016A030313012).)

[1] BILL W, BILL J, JOHN T, et al. Refrigeration and air conditioning technology[M]. 6th ed. Delmar: Cengage Learning, 2009: 241.

[2] 徐言生，何欽波，黎綿昌，等.變徑毛細(xì)管代替毛細(xì)管組件在冷暖空調(diào)器上的應(yīng)用研究[J].流體機(jī)械，2013，41(4)：62-65.(XU Yansheng, HE Qinbo, LI Mianchang, et al. Experimental investigation on thermal properties of heat pump air-conditioner with variable diameter capillary instead of capillary module[J]. Fluid Machinery, 2013,41(4):62-65.)

[3] XU Yansheng. Model investigation on coupled throttling flow characteristic of stepped capillary tube with R22[J]. Advanced Materials Research, 2014,960/961:648-653.

[4] 馬虎根，姜崗，白健美.微翅管內(nèi)R410A 的流動(dòng)沸騰傳熱特性[J].化工學(xué)報(bào)，2011，62(1)：41-46. (MA Hugen, JIANG Gang, BAI Jianmei. Heat transfer characteristics of flow boiling in micro-fin tubes with R410A[J]. CIESC Journal, 2011,62(1)：41-46.)

[5] 劉建，丁國(guó)良.以 R410A 為工質(zhì)的空調(diào)換熱器性能仿真與實(shí)驗(yàn)[J].上海:上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，40(2)：262-266.(LIU Jian, DING Guoliang. Simulation and experimental study on the characteristics of residential heat exchanger with R410A[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2006,40(2):262-266.)

[6] 孫碩，胡海濤，丁國(guó)良，等. 泡沫金屬對(duì)圓管內(nèi)R410A流動(dòng)沸騰壓降特性的影響[J].化工學(xué)報(bào)，2012，63(11)：3428-3433. (SUN Shuo, HU Haitao, DING Guoliang, et al. Influence of metal foams on two-phase pressure drop of R410A flow boiling in circular tubes[J]. CIESC Journal, 2012,63(11):3428-3433.)

[7] 葛琪林，柳建華，張良，等．R410A微通道內(nèi)沸騰換熱實(shí)驗(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2015，36(4)：58-65.(GE Qilin, LIU Jianhua, ZHANG Liang, et al. The experimental study of boiling heat transfer of R410A in microchannel[J]. Journal of Refrigeration,2015,36(4):58-65.)

[8] 劉榮，陶樂(lè)仁，高立博，等．R410A在內(nèi)螺紋管內(nèi)無(wú)潤(rùn)滑油沸騰換熱實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報(bào),2011,32(4)：20-24. (LIU Rong, TAO Leren, GAO Libo, et al. Experimental study on boiling heat transfer of R410A without lubricant oil in the inner-grooved copper tubes[J]. Journal of Refrigeration, 2011,32(4):20-24.)

[9] 黃理浩，陶樂(lè)仁，鄭志皋，等. R410A應(yīng)用于內(nèi)螺紋強(qiáng)化管的蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報(bào)，2010，31(6)：12-15. (HUANG Lihao, TAO Leren, ZHENG Zhigao, et al. Experiment on evaporation heat transfer of R410A in horizontal enhanced tube[J]. Journal of Refrigeration, 2010,31(6):12-15.)

[10] BANSAL P K, RUPASINGHE A S. An empirical model for sizing capillary tubes[J]. International Journal of Refrigeration, 1996, 19(8): 497-505.

[11] YANG L, WANG W. A generalized correlation for the characteristics of adiabatic capillary tubes[J]. International Journal of Refrigeration, 2008, 31(2):197-203.

[12] PARK C, LEE S, KANG H, et al. Experimentation and modeling of refrigerant flow through coiled capillary tubes[J]. International Journal of Refrigeration, 2007, 30(7): 1168-1175.

[13] 徐琳，劉楚蕓，陳國(guó)棟，等.絕熱毛細(xì)管兩相流特性與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 制冷學(xué)報(bào)，2006，27(2)：13-16.(XU Lin, LIU Chuyun, CHEN Guodong, et al. Analysis and experiment on flow characteristics of refrigerants in adiabatic capillary tubes[J]. Journalof Refrigeration, 2006,27(2):13-16.)

[14] 杜塏，戴國(guó)民.變頻空調(diào)器中毛細(xì)管應(yīng)用的理論計(jì)算與研究[J].制冷學(xué)報(bào)，2003，24(2)：47-50.(DU Kai, DAI Guomin. A theoretical compute and research on the application of capillary tube in the inverter air-conditioner[J]. Journal of Refrigeration, 2003,24(2):47-50.)

[15] 趙丹，丁國(guó)良，徐言生.變徑毛細(xì)管流量關(guān)聯(lián)式開(kāi)發(fā)[J].化工學(xué)報(bào)，2017，68(1)：57-62.(ZHAO Dan, DING Guoliang, XU Yansheng. Development of correlation for mass flow rate through varying diameter capillary tube[J] CIESC Journal, 2017,68(1):57-62.)

[16] 翟千鈞，谷波.絕熱毛細(xì)管流量快速計(jì)算模型[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，44(8)：1140-1144. (ZHAI Qianjun, GU Bo. Fast calculation model of adiabatic capillary tube flow[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2010, 44(8): 1140-1144.)

[17] ZHAO Dan, DING Guoliang, XU Yansheng, et al. Development of a stepped capillary tube as a low cost throttling device for a residential heat pump system[J]. International Journal of Refrigeration,2014,42:36-47.