變徑毛細管在R410A冷暖空調器中的流量特性

(順德職業技術學院 廣東高校熱泵工程技術開發中心 佛山 528333)

冷暖型空調器在制冷運行和制熱運行時制冷劑流量不同，且制冷流量大于制熱流量，這就要求制冷運行時毛細管節流阻力小于制熱運行的阻力[1]。為達到這一目的，目前采用如圖1所示的帶單向閥的毛細管組件，使制冷系統在制冷、制熱時制冷劑流過的毛細管長度不同(制冷時，制冷劑流向為A-B-E；制熱時，制冷劑流向為E-D-C-B-A)，但也因增加了單向閥，使毛細管組件的成本增加。Xu Yansheng等[2]利用制冷劑在毛細管節流中的氣液兩相流特性，發明了如圖2所示的由兩段管徑不同的毛細管串聯組成的變徑毛細管，用于替代帶單向閥的毛細管組件，以達到降低成本、簡化結構的目的。本課題組在以R22為制冷劑的KFR-32GW冷暖型空調器中做了等效代替實驗，取得了較理想的結果[3]。但由于環保方面的問題，R22制冷劑將逐步被淘汰，因此R410A(R32、R125質量比各占50%，)作為一種主要替代制冷劑，將廣泛應用于空調器等制冷產品中[4-9]。因此，研究變徑毛細管在R410A冷暖空調器中的節流特性對促進變徑毛細管技術的應用有較大意義。

1主毛細管;2單向閥;3輔助毛細管。圖1 帶單向閥的毛細管節流組件Fig.1 Capillary tube assembly

1小管徑毛細管；2大管徑毛細管。圖2 變徑毛細管Fig.2 Variable diameter capillary tube

1 實驗方案及設備

1.1 實驗方案

要實現用變徑毛細管代替毛細管組件進行節流，關鍵問題是解決變徑毛細管在空調器中的匹配問題，即毛細管管徑和長度兩個結構尺寸的確定。目前，用于單一管徑的毛細管結構尺寸計算的理論模型和經驗模型較多，且具有較高的計算精度[10-16]，但變徑毛細管必須同時滿足制冷流量和制熱流量需要，需要確定兩個管徑和兩個長度共4個結構尺寸，現有的經驗模型已不適用，而理論模型不僅精度較差，計算也較為復雜，不適合工程應用[17]。為減少變徑毛細管在R410A冷暖空調器中的匹配工作量，制定了如下實驗方案：

1)測定采用毛細管組件節流的原R410A冷暖空調器在標準環境工況下的性能指標(制冷量、制熱量、制冷能效比、制熱能效比)和運行工況(冷凝壓力、過冷度、蒸發壓力、過熱度)。

2)在節流元件制冷劑流量測試臺上，測定毛細管組件在運行工況下R410A制冷劑制冷流量和制熱流量。

3)制作不同結構尺寸的多個變徑毛細管，在節流元件制冷劑流量測試臺上測定相同運行工況下的制冷流量和制熱流量，構建經驗計算模型。

4)根據經驗計算模型計算變徑毛細管初步規格尺寸，在空調器上進行匹配測試，并確定變徑毛細管最終結構尺寸。

1.2 實驗設備

變徑毛細管制冷劑流量測試在自行設計的節流元件制冷劑流量測試臺上進行。該測試臺由壓縮機、變頻器、油分離器、水冷冷凝器、冷卻水箱、儲液器、過冷器、節流短管測試段、量熱器、針閥、電加熱器、控制系統、測量系統等組成，如圖3所示。在圖3中，毛細管入口壓力(即冷凝壓力)主要通過調整流過冷凝器中水量的大小和溫度來調整，入口溫度通過調整過冷器中冷水的水溫和流量來控制，出口壓力(即蒸發壓力)通過調整壓縮機的轉速來調節，而壓縮機的轉速是通過調節變頻器的輸出頻率來改變，測試臺溫度測量精度為±0.2 ℃，壓力測量精度為±0.2%，流量測試精度為±1%。空調器性能實驗在空調焓差室進行。

1變頻器；2壓縮機；3快速接頭；4油分離器；5冷凝器；6儲液器；7過冷器；8電加熱器；9干燥過濾器；10節流機構；11三通截止閥；12視液鏡；13節流機構測試段；14蒸發器；15壓力容器；16電熱管；17量熱器；18水量調節閥1；19水量調節閥2；20冷卻水箱；21浮球閥；22球閥； 23控制系統；24測量系統。圖3 節流元件制冷劑流量測試臺Fig.3 Test rig for mass flow rate in step capillary tube

2 流量實驗與建模

2.1 毛細管組件空調器性能實驗

實驗選用制冷劑為R410A的KFR-32GW冷暖型空調器，毛細管組件的結構尺寸為主毛細管Φ1.6 mm(內徑)×1 350 mm(長度)、輔毛細管Φ1.6 mm(內徑)×400 mm(長度)。在標準環境工況[5]下測得的空調器性能指標及毛細管組件運行工況如表1所示。

2.2 變徑毛細管節流特性模型

2.2.1基礎模型構建

圖2中變徑毛細管的節流阻力由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，因此變徑毛細管在進出口壓差一定的情況下，按阻抗的計算方法，可建立式(1)～式(2)變徑毛細管結構尺寸與制冷流量、制熱流量的無量綱線性關系。

表1 毛細管組件空調器性能指標及毛細管組件運行工況Tab.1 Performance index and operation condition of the capillary tube assembly

(1)

(2)

式中：a1、a2、b1、b2、c1、c2為無量綱系數；L1為小管徑長度，mm；D1為小管徑內徑，mm；L2為大管徑長度，mm；D2為大管徑內徑，mm；GC為制冷流量，kg/h；GH為制熱流量，kg/h。

2.2.2變徑毛細管流量測試

實驗確定的變徑毛細管結構尺寸為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。為減少實驗次數，按4因素、4水平設計正交試驗方案，制作了16根變徑毛細管，在制冷劑流量測試臺進行流量測試，得到16組制冷流量和制熱流量，進行線性回歸，得到變徑毛細管結構尺寸的經驗計算模型為：

(3)

(4)

2.2.3模型分析

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

3 空調器匹配實驗

圖5 不同規格變徑毛細管空調器制冷性能指標Fig.5 The performance indicators of cooling mode with different size variable diameter capillary tube

圖6 不同規格變徑毛細管空調器制熱性能指標Fig.6 The performance indicators of heating mode with different size variable diameter capillary tube

上述9個規格的變徑毛細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%，說明毛細管長度的小幅變化對空調器性能影響不大，這也有利于變徑毛細管的匹配。實驗最終確定的變徑毛細管結構尺寸為D1=1.4 mm，L1=690 mm，D2=1.8 mm，L2=410 mm，相應的空調器性能指標如表2所示。

由表2對比數據可知，采用變徑毛細管節流的空調器與采用毛細管組件節流的空調器相比，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%，兩者的性能指標基本相同。

表2 變徑毛細管空調器性能指標及對比Tab.2 Performance comparing between variable diametercapillary tube system and capillary tube assembly system

4 結論

通過實驗的方法建立了R410A變徑毛細管節流流量特性經驗模型，以此計算變徑毛細管結構尺寸，并應用于R410A冷暖型空調器，通過空調器性能實驗得到如下結論：

1)基于阻抗計算方法，通過實驗建立的經驗模型精度較高，可以用于R410A變徑毛細管初步結構尺寸的計算。

2)變徑毛細管長度尺寸在較小范圍內變化，對空調器性能影響不大。

3)采用變徑毛細管節流的空調器與采用毛細管組件節流的空調器相比，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%，兩者的性能指標基本相同，變徑毛細管完全可以替代毛細管組件用于R410A冷暖型空調器。

本文受廣東省應用型科技研發專項項目(2016B020243008)和廣東省自然科學基金項目(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).)

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