淺談熱力膨脹閥在空氣源熱泵熱水器中的應(yīng)用

彭萼忠 魏許建 陳駿驥

（廣東長(zhǎng)菱空調(diào)冷氣機(jī)制造有限公司，廣東 順德 528313）

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，人們的生活水平得到了顯著提高，對(duì)生活熱水的需求量也越來(lái)越大，從而形成了一個(gè)量大、面廣的熱量消費(fèi)市場(chǎng)?？諝庠礋岜脽崴魇且环N高效節(jié)能且環(huán)保的設(shè)備，在國(guó)外已有近20年的歷史，現(xiàn)在大約有300萬(wàn)臺(tái)同類(lèi)設(shè)備在歐美各國(guó)使用。在我國(guó)，空氣源熱泵熱水器是繼電熱水器、燃?xì)鉄崴骱吞?yáng)能熱水器后的第四種熱水器，它的使用主要集中在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的長(zhǎng)江三角洲和珠江三角洲。本文就空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中不同熱力膨脹閥的開(kāi)度做了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，分析了其在系統(tǒng)中的穩(wěn)定特性。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 蒸發(fā)器與膨脹閥特性關(guān)系圖

圖3 液體在閥內(nèi)流態(tài)分布

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖l是空氣源熱泵熱水器性能實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由Keithley數(shù)據(jù)采集儀和溫度、壓力傳感器和功率表組成。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣周期是15s，并將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)上（如圖1）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

環(huán)境溫度分別為 0、10、20、35℃；壓縮機(jī)功率3匹，板換水側(cè)流量15.2L/min；水箱容積150L；采用Emerson型熱力膨脹閥，開(kāi)度調(diào)整為7.5圈（經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)整達(dá)到的最佳開(kāi)度），水溫從15℃加熱到55℃。

2.1 不同環(huán)境溫度下冷凝、蒸發(fā)壓力的變化

當(dāng)環(huán)境溫度在0～35℃之問(wèn)變化時(shí)，熱泵熱水器系統(tǒng)的冷凝壓力都隨著冷凝器進(jìn)水溫度的上升而上升，但是，即使在相同水流量的情況下，環(huán)境溫度為35℃時(shí)的冷凝壓力要分別比環(huán)境溫度為20℃、10℃和0℃時(shí)的高。這是由于隨著環(huán)境溫度的上升，熱泵熱水器的制熱率大大增加，而水流量不變，必然導(dǎo)致板換內(nèi)水的溫升大大增加，導(dǎo)致冷凝壓力變高。

在任一環(huán)境溫度下，隨著系統(tǒng)冷凝溫度（壓力）的升高，蒸發(fā)壓力（溫度）也是逐漸升高的；而當(dāng)環(huán)境溫度從0℃逐漸上升到35℃時(shí)，系統(tǒng)的蒸發(fā)壓力從0.35MPa左右上升到0.7MPa和0.95MPa之間，且在環(huán)境溫度為35℃時(shí)蒸發(fā)壓力上升的速度最迅速，原因是在該環(huán)境溫度下熱泵熱水器的制熱率要大大高于低溫時(shí)系統(tǒng)的制熱率，冷凝溫度上升的速度迅速，導(dǎo)致了蒸發(fā)壓力較快上升。

2.2 不同環(huán)境溫度下過(guò)熱度的變化規(guī)律分析

在環(huán)境溫度為35℃、加℃時(shí)，蒸發(fā)器過(guò)熱度經(jīng)過(guò)了一個(gè)逐漸變小的過(guò)程。為理解該變化規(guī)律，可將蒸發(fā)器特性和膨脹閥特性結(jié)合起來(lái)進(jìn)行分析。如圖2所示，縱軸表示蒸發(fā)器和膨脹閥的制冷量，橫軸表示蒸發(fā)器出口過(guò)熱度，MSS為最小穩(wěn)定信號(hào)線，最小穩(wěn)定信號(hào)線左右兩邊分別為不穩(wěn)定區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，MSS右邊的曲線是熱力膨脹閥工作特性曲線。當(dāng)過(guò)熱度△T1>△T2，則Q1>Q2，即隨著冷凝溫度的升高，系統(tǒng)的制熱率和蒸發(fā)器制冷量Q逐漸下降。當(dāng)熱力膨脹閥的開(kāi)度為9圈時(shí)，此時(shí)過(guò)熱度傾向于為零，過(guò)熱度振蕩劇烈，系統(tǒng)運(yùn)行很不穩(wěn)定；當(dāng)膨脹閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)到7.5圈和6圈時(shí)，過(guò)熱度的變化開(kāi)始變得平穩(wěn)。但是，不論在何種開(kāi)度下，隨著冷凝溫度的升高蒸發(fā)器過(guò)熱度都存在變大的趨勢(shì)，與環(huán)境溫度為高溫時(shí)的變化規(guī)律正好相反。

熱力膨脹閥在低溫環(huán)境時(shí)對(duì)蒸發(fā)器過(guò)熱度調(diào)節(jié)的局限性可以從節(jié)流時(shí)的流態(tài)來(lái)展開(kāi)分析。熱力膨脹閥在熱泵熱水器中的作用是節(jié)流降壓，由于節(jié)流是非常短暫的過(guò)程，針對(duì)熱力膨脹闊節(jié)流的這一特點(diǎn)，可以將不同開(kāi)度下的熱力膨脹闊等效為通徑不同的孔板。圖3為通常情況下液體在流經(jīng)孔板時(shí)沿程各點(diǎn)的壓力和速度分布曲線。

為了便于分析，設(shè)P1為孔板上游液體靜壓，Pv為該點(diǎn)流體溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓。通常液體具有一定的過(guò)冷度，即P1>Pv。由能量守恒原理，若流體流過(guò)該通道沒(méi)有發(fā)生熱交換和做功，則在該過(guò)程中沿程總能量不變。當(dāng)流體通過(guò)孔板時(shí)通流截面便開(kāi)始收縮，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，流體流速與流通面積成反比，流在通過(guò)孔板時(shí)流速突然增加，由于速度頭與壓力頭之和幾乎不變，故在速度增加的同時(shí)其壓力驟然下降。在流體通過(guò)孔板后，流動(dòng)截面進(jìn)一步收縮，最后流體將達(dá)到最大流速、最小截面和最小壓力Pvm。在流速增加的過(guò)程中，當(dāng)壓力降到低于該點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力P，部分液體就開(kāi)始汽化，產(chǎn)生氣液兩相流動(dòng)。由于氣泡的產(chǎn)生，氣液相問(wèn)及與壁面的摩擦引起流體減速，使得流體壓力有所恢復(fù)，若恢復(fù)后的壓力仍低于該點(diǎn)溫度對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力，則液體繼續(xù)汽化，以氣液兩相形式存在，稱(chēng)之為閃蒸，若閥后壓力在離開(kāi)閥后又急劇回升，這時(shí)氣泡產(chǎn)生破裂并轉(zhuǎn)化為液態(tài)，則會(huì)發(fā)生氣蝕。具體流態(tài)判定方法如圖3：

（1）當(dāng)閥兩端壓差滿足△P<△Pc，（初始閃蒸壓差）時(shí)，不會(huì)發(fā)生閃蒸和氣蝕，即：

式中，Kc-初始系數(shù)(由閥門(mén)廠家通過(guò)試驗(yàn)獲得)。

（2）當(dāng)閥兩端壓差滿足△Pc≤△P<△Ps，時(shí)，開(kāi)始逐步產(chǎn)生閃蒸現(xiàn)象。其中，△Ps為阻塞流壓差，是指閥縮口處的壓力降低到一部分液體汽化，且閥門(mén)流量不再隨壓差增加而增加時(shí)閥兩端的壓差，即：

式中，F(xiàn)1-液體壓力恢復(fù)系數(shù)；Ff-臨界壓力比系數(shù)；Pcr-熱力學(xué)臨界壓力。

（3）對(duì)于可壓縮性流體，引入壓差比系數(shù)：X=△P/P1。試驗(yàn)表明：若以空氣作為試驗(yàn)流體，對(duì)于一個(gè)特定的調(diào)節(jié)閥，當(dāng)產(chǎn)生阻塞流時(shí)，其壓差比是一個(gè)固定常數(shù)，稱(chēng)為臨界壓差比XT。XT的數(shù)值只決定于閥的流路情況和形式，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)所采用閥體的結(jié)構(gòu)，可從相關(guān)手冊(cè)查出XT為0.9。Fk表示其他可壓縮流體絕熱指數(shù)與空氣絕熱指數(shù)的比值，其中空氣的絕熱指數(shù)為l.4，對(duì)于別的可壓縮流體，將XT乘以Fk，可作如下判定：當(dāng)閥兩端壓差滿足△P≥△Ps，且 X≥XTFk時(shí)，有阻塞流產(chǎn)生。

2.3 不同開(kāi)度下系統(tǒng)COP隨環(huán)境溫度的變化

隨著環(huán)境溫度的降低，系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度會(huì)逐步下降，導(dǎo)致系統(tǒng)COP逐漸降低。當(dāng)熱力膨脹閥的開(kāi)度設(shè)定為9圈，在環(huán)境溫度35℃時(shí)COP達(dá)到了最大值5.6，但是，由于在0℃低溫下過(guò)熱度一直持續(xù)振蕩，COP值反而比開(kāi)度為7.5圈時(shí)低，對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)而言，可靠性是首要的耳標(biāo)，因此，相對(duì)而言，熱力膨脹閥的開(kāi)度在7.5圈時(shí)獲得最佳。這也從另外一個(gè)角度反映了熱力膨脹閥在熱泵熱水器中節(jié)流調(diào)節(jié)的局限性。

結(jié)語(yǔ)

總之，熱力膨脹閥在全年運(yùn)行的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中,在對(duì)流量控制的調(diào)節(jié)作用上存在一定的局限性。在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中也可考慮將熱力膨脹閥更換為電子膨脹閥。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中,應(yīng)在保證系統(tǒng)有較為合適的制冷劑充注量的前提下,對(duì)熱力膨脹閥進(jìn)行調(diào)節(jié),才有可能使得系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行性能。

[1]陳偉.空氣源熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用補(bǔ)氣增焓技術(shù)的研究[D].西安：西安交通大學(xué)，2008（05）.

[2]張良俊，吳靜怡，王如竹，陳鋼.熱力膨脹閥在空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中穩(wěn)定特性的實(shí)驗(yàn)研究 [J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2006（S1）.