不同類型膨脹閥對熱泵熱水器性能影響的研究

嚴(yán) 彥 高秀峰 鄭菲菲

（1.西安工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院 西安 710048；2.西安交通大學(xué)蘇州研究院 蘇州 215123）

0 引言

能源和環(huán)境問題是21世紀(jì)人類社會面臨的兩大嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)化石能源大量消耗導(dǎo)致的二氧化碳、硫化物、粉塵等污染物排放及熱污染方面的環(huán)境問題同樣備受矚目。因而尋求新的替代能源及對環(huán)境友好的可再生能源，減少能源消耗引發(fā)的環(huán)境問題所帶來的壓力，成為當(dāng)前世界性的共同話題和全人類共同關(guān)注的焦點(diǎn)[1,2]。

空氣源熱泵熱水機(jī)組是在冷水機(jī)組的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它可將低品位熱源轉(zhuǎn)移至高品位熱源，其消耗1 度電即可獲取約4 度電的熱量，并具有節(jié)能、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近年來取得了廣泛的應(yīng)用，目前國內(nèi)熱泵熱水器基本上每年保持300%～400%的增長率[3]。

在空氣源熱泵熱水器中，常用的節(jié)流裝置有毛細(xì)管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥[4]。毛細(xì)管只是簡單地通過流通截面的突然收縮，增加流體流通阻力來達(dá)到對制冷工質(zhì)節(jié)流降壓的目的，無法根據(jù)負(fù)荷變化及時(shí)改變制冷工質(zhì)的流量，無法滿足空氣源熱泵熱水器運(yùn)行工況范圍寬、常年制熱及冷凝溫度時(shí)變等特點(diǎn)[5,6]。因此，熱泵熱水器通常選用熱力膨脹閥或電子膨脹閥作為節(jié)流裝置。

熱力膨脹閥是熱泵系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛的一種節(jié)流設(shè)備，它是通過感受蒸發(fā)器出口制冷劑蒸氣過熱度的大小，來調(diào)節(jié)制冷劑的流量，以維持恒定的過熱度。其工作原理是通過感溫包將蒸發(fā)器出口溫度變化轉(zhuǎn)換為壓力的變化，壓緊/放松彈性金屬膜片，推動(dòng)閥芯改變閥門開度。沈希[7]等把流量作為開啟度、閥的進(jìn)口壓力和出口壓力的函數(shù)；Mac Arthur[8]用感溫包的時(shí)間常數(shù)來體現(xiàn)膨脹閥的時(shí)間相應(yīng)，采用噴嘴方程來計(jì)算流量；Sami[9]等把流量方程表示為名義流量、運(yùn)行過熱度、靜態(tài)過熱度、開啟過熱度的乘積。熱力膨脹閥對過熱度響應(yīng)的延遲時(shí)間長，調(diào)節(jié)范圍有限，調(diào)節(jié)精度低。

電子膨脹閥克服了熱力膨脹閥的缺點(diǎn)，具有調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，并為制冷裝置的智能化提供了條件[10,11]。電子膨脹閥主要是通過傳感器將蒸發(fā)器出口壓力、壓縮機(jī)吸氣過熱度傳給控制器，控制器處理信號后，輸出指令作用于電子膨脹主閥的步進(jìn)電機(jī)，將閥開到需要的位置以保持蒸發(fā)器需要的供液量?？刂浦?，電子膨脹閥的步進(jìn)電機(jī)實(shí)時(shí)輸出變化的動(dòng)力，能及時(shí)克服各種工況和各種負(fù)荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力，使閥的開度滿足蒸發(fā)器供液量的需求，進(jìn)而蒸發(fā)器的供液量能實(shí)時(shí)與蒸發(fā)負(fù)荷相匹配。但是電子膨脹閥前期的設(shè)備成本和后期的維護(hù)成本相較于熱力膨脹閥都高，這也是阻礙電子膨脹閥全面代替熱力膨脹閥的一個(gè)障礙。

為了對熱力膨脹閥和電子膨脹閥在熱泵熱水器性能影響方面有一個(gè)更加客觀地認(rèn)識，本文建立了熱泵熱水器的模型，搭建了風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺，對比了兩種節(jié)流裝置的過熱度、吸氣壓力、排氣壓力、機(jī)組功耗及性能系數(shù)，并分析其原因。

1 熱泵熱水器數(shù)學(xué)模型

1.1 壓縮機(jī)模型

本文采用美優(yōu)樂的全封閉活塞壓縮機(jī)MT60，圖1 是根據(jù)產(chǎn)品手冊數(shù)據(jù)所給出的壓縮機(jī)性能曲線，其性能數(shù)據(jù)可采用最小二乘法擬和出壓縮機(jī)輸入功率、冷凝量和蒸發(fā)量等隨冷凝溫度和蒸發(fā)溫度變化的函數(shù)歸納式[3]。

圖1 美優(yōu)樂MT60 壓縮機(jī)性能曲線Fig.1 MEYLOL MT60 compressor performance curve

1.2 冷凝器和蒸發(fā)器模型

本文選用的冷凝器為套管式換熱器，內(nèi)管為外螺紋管，水走管側(cè)，制冷劑走殼側(cè)，如圖2（a）所示；蒸發(fā)器采用管翅式換熱器，其簡化模型如圖2（b）所示。對兩個(gè)換熱器均采用穩(wěn)態(tài)分布參數(shù)法建立數(shù)學(xué)模型，并對模型做如下假設(shè)[4]：（1）為逆流型換熱器；（2）制冷劑的流動(dòng)為一維均相流動(dòng)，不考慮壓降，水側(cè)的流動(dòng)亦視作一維流動(dòng)；（3）不計(jì)管壁熱阻略。

圖2 蒸發(fā)器、冷凝器簡化模型示意圖Fig.2 Simplified model diagram of evaporator and condenser

在模型中，將換熱器分三個(gè)相區(qū)：過熱區(qū)、兩相區(qū)和過冷區(qū)，每個(gè)相區(qū)劃分為若干微元。對于單相區(qū)，即過熱區(qū)和過冷區(qū)，微元的劃分按制冷劑側(cè)溫降進(jìn)行均分（也可以按焓差進(jìn)行均分，由于比熱變化不大，故按焓差劃分與按溫降劃分是近似的）；對于兩相區(qū)，由于溫度不變，換熱表現(xiàn)在焓值的變化上，因此微元的劃分可按焓差進(jìn)行均分。對任一微元，可建立制冷劑側(cè)、水側(cè)或空氣側(cè)能量守恒、質(zhì)量守恒方程組，知道了微元入口參數(shù)則可求解出口參數(shù)。

1.3 膨脹閥模型

熱力膨脹閥可利用膨脹閥的工作特性來建立經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停部赏ㄟ^分析膨脹閥的結(jié)構(gòu)和原理來建立機(jī)理模型。經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⑿枰峁┐罅康膶?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，且應(yīng)用范圍比較窄；而機(jī)理模型只要求廠家提供對應(yīng)的膨脹閥結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)即可，實(shí)際運(yùn)用起來也比較方便。本文通過分析熱力膨脹閥的工作原理，利用力平衡法建立熱力膨脹閥的機(jī)理模型。

熱力膨脹閥主要受到三種力的作用，分別是作用于膜片頂部的感溫包內(nèi)的壓力Fb，膜片下部的蒸發(fā)壓力Fr以及彈簧力Fs。當(dāng)制冷劑流動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，作用在膜片上的合力平衡，受力分析如圖3所示。

圖3 膨脹閥受力示意圖Fig.3 Force diagram of expansion valve

膜片受力達(dá)到平衡后分析有：

Fb與感應(yīng)溫度及充注的工質(zhì)有關(guān)，可通過感溫包內(nèi)的工質(zhì)的壓力和溫度得到。Fs可由下式計(jì)算：

式中：Fs,o、Ff和ks可通過廠家提供的數(shù)據(jù)得到。其中，F(xiàn)s,o為閥門全開時(shí)的彈簧力，N；Ff為開啟閥門的摩擦力，N；ks為彈簧的彈性模量，N/m；h為閥芯的位移即開啟度，m。

當(dāng)已知過熱度和蒸發(fā)壓力時(shí)，就可根據(jù)（1）和（2）兩式得到熱力膨脹閥的開啟度h。熱力膨脹閥的流通示意圖如圖4所示，從圖中可以看出，已知膨脹閥的開啟度h和結(jié)構(gòu)尺寸（可通過廠家得到），就可得到熱力膨脹閥在一定工況下的流通面積A，其可由下式計(jì)算：

圖4 流通示意圖Fig.4 Circulation diagram

式中：β為閥體錐角；d為針孔直徑。

熱力膨脹閥在一定的進(jìn)出口狀態(tài)和過冷度下，其制冷劑流量m特性可由下式計(jì)算得到：

式中：CD為流量系數(shù)，ρin為膨脹閥的進(jìn)口密度，pc和pe分別為冷凝和蒸發(fā)壓力。

由于電子膨脹閥的節(jié)流結(jié)構(gòu)和熱力膨脹閥相同，故仍采用熱力膨脹閥的數(shù)學(xué)模型來描述電子膨脹閥的流量特性[8]。對于圓錐型電子膨脹閥，沿用水力學(xué)公式來描述電子膨脹閥的流量特性，與熱力膨脹閥有所不同的只是閥的開度h與過熱度tsh之間的關(guān)系，電子膨脹閥既可存在上述熱力膨脹閥所描述的力學(xué)關(guān)系，亦可根據(jù)實(shí)際情況來設(shè)定適應(yīng)實(shí)際情況的調(diào)節(jié)關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)方法及流程

圖5（a）所示為空氣源熱泵熱水裝置的原理圖，圖5（b）所示為所搭建的實(shí)驗(yàn)平臺。實(shí)驗(yàn)中，壓縮機(jī)選用美優(yōu)樂的全封閉活塞壓縮機(jī)MT60。在壓縮機(jī)吸氣口前設(shè)置一氣液分離器，起到氣液分離作用，壁面過量液體進(jìn)入壓縮機(jī)腔體造成“液擊”損傷。蒸發(fā)器采用管翅式換熱器，冷凝器選用套管式換熱器。壓縮機(jī)、水泵及風(fēng)機(jī)的功耗Wt應(yīng)用智能數(shù)顯功率表測得，精度等級為0.5。采用T 型熱電偶測量冷凝器進(jìn)口水溫、冷凝器出口水溫、壓縮機(jī)吸氣口溫度及壓縮機(jī)排氣口溫度，熱電偶精度為±0.1℃。采用精度為0.5%的壓力變送器測量蒸發(fā)器出口壓力和冷凝器出口壓力。

圖5 熱泵熱水器實(shí)驗(yàn)裝置Fig.5 Experiment equipment of heat pump water heater

控制模擬環(huán)境溫度在-5℃、5℃和15℃（保證翅片管式換熱器的進(jìn)風(fēng)）進(jìn)行制熱性能實(shí)驗(yàn)。在不同的工況下，將機(jī)組連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行20 分鐘以上（以翅片管式換熱器的進(jìn)風(fēng)溫度不超過±1.0℃為準(zhǔn)），測量系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)，其溫度、壓力等過程參數(shù)，主要通過溫度熱電偶和壓力傳感器在機(jī)組達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)測得，采樣周期為2 秒，并將測試值與模擬值進(jìn)行比較，比較結(jié)果如表1所示。從表中可見，計(jì)算模型具有很高的精度。

表1 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比Table 1 Comparison between simulation results and experimental results

3 熱力膨脹閥和電子膨脹閥對性能影響

膨脹閥在熱泵中主要起節(jié)流作用，其工作原理是制冷劑流過閥門時(shí)流動(dòng)截面突然收縮，流體流速加快，壓力下降。在熱泵空調(diào)中，膨脹機(jī)構(gòu)的主要作用是：節(jié)流降壓、調(diào)節(jié)流量和控制過熱度。

若節(jié)流機(jī)構(gòu)給蒸發(fā)器的供液量與蒸發(fā)器負(fù)荷相比過大，則部分液態(tài)制冷劑會進(jìn)入壓縮機(jī)，引起濕壓縮或沖缸事故；反之，若供液量與蒸發(fā)器負(fù)荷相比過少，則蒸發(fā)器部分傳熱面積未能充分發(fā)揮其效能，甚至?xí)斐烧舭l(fā)壓力降低，而使制冷量降低，亦影響制熱量降低，進(jìn)而影響系統(tǒng)性能。由此可見節(jié)流機(jī)構(gòu)的流量調(diào)節(jié)對熱泵或空調(diào)裝置的節(jié)能降耗起著非常重要的作用，下面主要以熱力膨脹閥和電子膨脹閥作對比研究。

圖6所示為熱力膨脹閥的開度及流通面積隨過熱度的變化。從圖中可以看出，熱力膨脹閥的開度不僅與過熱度有關(guān)，還與蒸發(fā)溫度有關(guān)。過熱度在0～8℃時(shí)，閥門的開度為0.3m，并在此過熱度范圍內(nèi)保持不變；當(dāng)過熱度在8～20℃變化時(shí)，閥門的開度隨著過熱度的增加而增大；當(dāng)過熱度大于20℃時(shí)，閥門開度繼續(xù)保持不變。同時(shí)，隨著蒸發(fā)溫度的增加，閥門開度也隨之增大，但因增加速率不同，各條狀態(tài)線間的差值在逐漸增大，蒸發(fā)溫度的不同對過熱度較大時(shí)的閥門開度影響較大。從圖中可以看出：當(dāng)蒸發(fā)溫度為-25℃時(shí)，閥門開度的增長率為150%；當(dāng)蒸發(fā)溫度為-5℃時(shí)，閥門開度的增長率為185%；當(dāng)蒸發(fā)溫度為15℃時(shí)，閥門開度的增長率為200%。

圖6 熱力膨脹閥的開度或流通面積隨過熱度的變化Fig.6 Variation of opening or flow area of thermal expansion valve with superheat

圖7所示為電子膨脹閥的開度及流通面積隨過熱度的變化。與熱力膨脹閥不同的是，電子膨脹閥的開度只與過熱度有關(guān)，與蒸發(fā)溫度無關(guān)。同時(shí)，控制器可人為設(shè)定閥的開度與過熱度的關(guān)系，因此電子膨脹閥能有效的控制過熱度，使機(jī)組性能達(dá)到最優(yōu)。

圖7 電子膨脹閥的開度或流通面積隨過熱度的變化Fig.7 Variation of opening or flow area of electronic expansion valve with superheat

圖8 為蒸發(fā)壓力隨環(huán)境溫度的變化曲線，圖9為冷凝壓力隨環(huán)境溫度的變化曲線。從圖8 中可以看出，應(yīng)用電子膨脹閥的蒸發(fā)壓力略高于熱力膨脹閥，但兩者間差距不大。從圖9 中可以看出，應(yīng)用電子膨脹閥的冷凝壓力遠(yuǎn)低于熱力膨脹閥，平均差值為2.6%。且隨著環(huán)境溫度的升高，兩者之間的差距越來越小。這一現(xiàn)象表明，應(yīng)用電子膨脹閥可提高機(jī)組的整體性能。

圖8 蒸發(fā)壓力隨環(huán)境溫度的變化Fig.8 Variation of inspiratory pressure with ambient temperature

圖9 冷凝壓力隨環(huán)境溫度的變化Fig.9 Variation of exhaust pressure with ambient temperature

圖10 為過熱度隨環(huán)境溫度的變化曲線。從圖中可以看出，兩種控制方式下，過熱度均隨環(huán)境溫度的增加而增大。熱力膨脹閥的過熱度始終高于電子膨脹閥，這說明電子膨脹閥可以降低蒸發(fā)器的過熱度，增加壓縮機(jī)的吸氣量，從而提高機(jī)組性能。從圖中還可以看出，因增長率不同，不同膨脹閥的過熱度變化曲線間的差值在逐漸減小，膨脹閥類型的不同對過熱度的影響隨著環(huán)境溫度的增加越來越小。

圖10 過熱度隨環(huán)境溫度的變化Fig.10 Variation of superheat with ambient temperature

圖11 為制熱量隨環(huán)境溫度的變化曲線，圖12為功耗量隨環(huán)境溫度的變化曲線。從圖中可以看出，雖然相較于熱力膨脹閥，采用電子膨脹閥的機(jī)組的制熱量增幅不是很大，但功耗有所減少，因此機(jī)組的整體性能有所增加，如圖13所示。圖13 為COP 隨環(huán)境溫度的變化。從圖中可以看出，COP隨環(huán)境溫度的升高而增加，且與熱力膨脹閥相比，電子膨脹閥的COP 值均較高，比熱力膨脹閥的COP 總體增加了4.12%。但因增長率不同，不同膨脹閥的COP 變化曲線間的差值在逐漸減小，膨脹閥類型的不同對COP 的影響隨著環(huán)境溫度的增加越來越小。

圖11 機(jī)組制熱量隨環(huán)境溫度的變化Fig.11 Variation of heating capacity with ambient temperature

圖12 機(jī)組功耗量隨環(huán)境溫度的變化Fig.12 Variation of power consumption with ambient temperature

圖13 性能系數(shù)隨環(huán)境溫度的變化Fig.13 Variation of COP with ambient temperature

從圖8～13 整體來看，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，電子膨脹閥的優(yōu)勢更明顯，隨著環(huán)境溫度的升高，這種差別不是很大，原因在于所采用的模型中，電子膨脹閥對過熱度的控制隨著環(huán)境溫度的增大將與熱力膨脹閥的控制趨于一致。當(dāng)然，由于電子膨脹閥可通過控制器人為設(shè)定有效的控制過熱度，故機(jī)組在標(biāo)準(zhǔn)工況下、變工況、滿負(fù)荷、變負(fù)荷運(yùn)行均能維持較高的COP 值水平。

綜上所述，電子膨脹閥以其調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)范圍大等優(yōu)點(diǎn)補(bǔ)償了熱力膨脹閥的不足，它能按電腦預(yù)設(shè)的程序進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，能精確控制過熱度，使蒸發(fā)器的傳熱面積得到充分有效利用，這對提高機(jī)組性能、節(jié)約能源消耗量有重要意義。

4 結(jié)論

本文基于空氣源熱泵熱水實(shí)驗(yàn)裝置平臺，在不同類型的膨脹閥下，分布研究了過熱度對閥門開度及閥門流通面積的影響，以及環(huán)境溫度對蒸發(fā)壓力、冷凝壓力、過熱度、制熱量、功耗量以及系統(tǒng)COP 的影響，具體結(jié)論如下：

（1）熱力膨脹閥的開度隨過熱度及蒸發(fā)溫度的增加均增大。隨著蒸發(fā)溫度從-25℃增加到15℃，閥門開度的增長率從150%增加到200%。電子膨脹閥的開度僅與過熱度有關(guān)，與蒸發(fā)溫度無關(guān)。

（2）電子膨脹閥的蒸發(fā)壓力與熱力膨脹閥相近，但其冷凝壓力低于熱力膨脹閥，平均差值為2.6%。

（3）電子膨脹閥的過熱度和耗功量均小于熱力膨脹閥，而COP 值總體比熱力膨脹閥大4.12%。

綜上可知，電子膨脹閥對熱泵熱水機(jī)組寬廣的蒸發(fā)和冷凝溫度變化區(qū)間的適應(yīng)能力明顯優(yōu)于熱力膨脹閥，機(jī)組高載荷區(qū)電機(jī)保護(hù)、寬工況壓縮機(jī)能力發(fā)揮、低環(huán)溫?zé)崃糠浪p、高環(huán)溫MOP 保護(hù)等性能及效果明顯提升，進(jìn)一步說明電子膨脹閥的優(yōu)勢所在。