彭萼忠 魏許建 陳駿驥

（廣東長菱空調冷氣機制造有限公司，廣東 順德 528313）

隨著國民經(jīng)濟快速發(fā)展，人們的生活水平得到了顯著提高，對生活熱水的需求量也越來越大，從而形成了一個量大、面廣的熱量消費市場?？諝庠礋岜脽崴魇且环N高效節(jié)能且環(huán)保的設備，在國外已有近20年的歷史，現(xiàn)在大約有300萬臺同類設備在歐美各國使用。在我國，空氣源熱泵熱水器是繼電熱水器、燃氣熱水器和太陽能熱水器后的第四種熱水器，它的使用主要集中在經(jīng)濟發(fā)達的長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度做了相關實驗研究，分析了其在系統(tǒng)中的穩(wěn)定特性。

圖1 實驗裝置示意圖

圖2 蒸發(fā)器與膨脹閥特性關系圖

圖3 液體在閥內(nèi)流態(tài)分布

1 實驗裝置

圖l是空氣源熱泵熱水器性能實驗裝置示意圖。整個數(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)傳送到計算機上（如圖1）。

2 實驗結果與分析

環(huán)境溫度分別為 0、10、20、35℃；壓縮機功率3匹，板換水側流量15.2L/min；水箱容積150L；采用Emerson型熱力膨脹閥，開度調整為7.5圈（經(jīng)過反復調整達到的最佳開度），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

當環(huán)境溫度在0～35℃之問變化時，熱泵熱水器系統(tǒng)的冷凝壓力都隨著冷凝器進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℃時的冷凝壓力要分別比環(huán)境溫度為20℃、10℃和0℃時的高。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，必然導致板換內(nèi)水的溫升大大增加，導致冷凝壓力變高。

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；而當環(huán)境溫度從0℃逐漸上升到35℃時，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系統(tǒng)的制熱率，冷凝溫度上升的速度迅速，導致了蒸發(fā)壓力較快上升。

2.2 不同環(huán)境溫度下過熱度的變化規(guī)律分析

在環(huán)境溫度為35℃、加℃時，蒸發(fā)器過熱度經(jīng)過了一個逐漸變小的過程。為理解該變化規(guī)律，可將蒸發(fā)器特性和膨脹閥特性結合起來進行分析。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)器出口過熱度，MSS為最小穩(wěn)定信號線，最小穩(wěn)定信號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。當過熱度△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。當熱力膨脹閥的開度為9圈時，此時過熱度傾向于為零，過熱度振蕩劇烈，系統(tǒng)運行很不穩(wěn)定；當膨脹閥的開度調節(jié)到7.5圈和6圈時，過熱度的變化開始變得平穩(wěn)。但是，不論在何種開度下，隨著冷凝溫度的升高蒸發(fā)器過熱度都存在變大的趨勢，與環(huán)境溫度為高溫時的變化規(guī)律正好相反。

熱力膨脹閥在低溫環(huán)境時對蒸發(fā)器過熱度調節(jié)的局限性可以從節(jié)流時的流態(tài)來展開分析。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)流是非常短暫的過程，針對熱力膨脹闊節(jié)流的這一特點，可以將不同開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)孔板時沿程各點的壓力和速度分布曲線。

為了便于分析，設P1為孔板上游液體靜壓，Pv為該點流體溫度對應的飽和蒸汽壓。通常液體具有一定的過冷度，即P1>Pv。由能量守恒原理，若流體流過該通道沒有發(fā)生熱交換和做功，則在該過程中沿程總能量不變。當流體通過孔板時通流截面便開始收縮，根據(jù)質量守恒原理，流體流速與流通面積成反比，流在通過孔板時流速突然增加，由于速度頭與壓力頭之和幾乎不變，故在速度增加的同時其壓力驟然下降。在流體通過孔板后，流動截面進一步收縮，最后流體將達到最大流速、最小截面和最小壓力Pvm。在流速增加的過程中，當壓力降到低于該點溫度對應的飽和蒸汽壓力P，部分液體就開始汽化，產(chǎn)生氣液兩相流動。由于氣泡的產(chǎn)生，氣液相問及與壁面的摩擦引起流體減速，使得流體壓力有所恢復，若恢復后的壓力仍低于該點溫度對應的飽和蒸汽壓力，則液體繼續(xù)汽化，以氣液兩相形式存在，稱之為閃蒸，若閥后壓力在離開閥后又急劇回升，這時氣泡產(chǎn)生破裂并轉化為液態(tài)，則會發(fā)生氣蝕。具體流態(tài)判定方法如圖3：

（1）當閥兩端壓差滿足△P<△Pc，（初始閃蒸壓差）時，不會發(fā)生閃蒸和氣蝕，即：

式中，Kc-初始系數(shù)(由閥門廠家通過試驗獲得)。

（2）當閥兩端壓差滿足△Pc≤△P<△Ps，時，開始逐步產(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，且閥門流量不再隨壓差增加而增加時閥兩端的壓差，即：

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

（3）對于可壓縮性流體，引入壓差比系數(shù)：X=△P/P1。試驗表明：若以空氣作為試驗流體，對于一個特定的調節(jié)閥，當產(chǎn)生阻塞流時，其壓差比是一個固定常數(shù)，稱為臨界壓差比XT。XT的數(shù)值只決定于閥的流路情況和形式，對于本實驗所采用閥體的結構，可從相關手冊查出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，對于別的可壓縮流體，將XT乘以Fk，可作如下判定：當閥兩端壓差滿足△P≥△Ps，且 X≥XTFk時，有阻塞流產(chǎn)生。

2.3 不同開度下系統(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)溫度會逐步下降，導致系統(tǒng)COP逐漸降低。當熱力膨脹閥的開度設定為9圈，在環(huán)境溫度35℃時COP達到了最大值5.6，但是，由于在0℃低溫下過熱度一直持續(xù)振蕩，COP值反而比開度為7.5圈時低，對于一個系統(tǒng)而言，可靠性是首要的耳標，因此，相對而言，熱力膨脹閥的開度在7.5圈時獲得最佳。這也從另外一個角度反映了熱力膨脹閥在熱泵熱水器中節(jié)流調節(jié)的局限性。

結語

總之，熱力膨脹閥在全年運行的空氣源熱泵熱水器系統(tǒng)中,在對流量控制的調節(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)實際運行中,應在保證系統(tǒng)有較為合適的制冷劑充注量的前提下,對熱力膨脹閥進行調節(jié),才有可能使得系統(tǒng)達到最佳運行性能。

[1]陳偉.空氣源熱泵熱水器實驗及應用補氣增焓技術的研究[D].西安：西安交通大學，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)定特性的實驗研究 [J].工程熱物理學報，2006（S1）.