CO2空氣源熱泵電子膨脹閥節(jié)流特性實(shí)驗(yàn)研究

王欽戎 楊武彪 杜培儉 楊曉川

摘要： 電子膨脹閥具有調(diào)節(jié)范圍大、精度高、節(jié)流性能好、智能控制閥門開度等優(yōu)點(diǎn)，是很好的CO2空氣源熱泵熱水系統(tǒng)節(jié)流裝置。搭建了帶電子膨脹閥的CO2空氣源熱泵熱水系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測試分析了電子膨脹閥開度對(duì)吸氣壓力、排氣壓力、制熱量、COP等系統(tǒng)參數(shù)的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著電子膨脹閥開度的增加，吸氣壓力隨著電子膨脹閥開度的增加而上升，排氣壓力和制熱量隨著電子膨脹閥開度的增加逐漸降低下降；隨著電子膨脹閥開度的增加，COP先升后降，在一定開度范圍內(nèi)存在一個(gè)最優(yōu)值。

Abstract： Electronic expansion valve （EEV）has many advantages. It has a large adjustment range， high precision， throttle performance， intelligent control valve opening， which is an excellent throttling device in air source carbon dioxide heat pump system. An experimrntal setup of air source carbon dioxide heat pump was designed. According to the experimental testing， the impact electronic expansion valve opening of suction pressure， discharge pressure， heating power and coefficient of performance （COP） were analyzed. Text results show that， with the increase of opening of EEV， the suction pressure increases. When opening of EEV increases， discharge pressure and heating power sustainably decrease. COP increases first and then drops with increasing opening of EEV. There is an optimum value.

關(guān)鍵詞： CO2；電子膨脹閥；開度；空氣源熱泵；系統(tǒng)性能

Key words： carbon dioxide；electronic expansion valve；opening；air source heat pump；system performance

中圖分類號(hào)：TK11+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）11-0100-03

0 引言

CO2空氣源熱泵系統(tǒng)因其高效、節(jié)能、環(huán)保、工作壓力比較高，運(yùn)行安全可靠等優(yōu)點(diǎn)[1]被廣泛使用。其中，節(jié)流裝置是CO2空氣源熱泵熱水系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，對(duì)熱泵系統(tǒng)的運(yùn)行性能有著重要影響。電子膨脹閥工作壓力高，節(jié)流壓降大，適應(yīng)工況范圍大，是一種很好的CO2空氣源熱泵節(jié)流裝置[2]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電子膨脹閥節(jié)流特性做了很多相關(guān)研究。[3-5]章曉龍等人提出在電子膨脹閥控制中的一系列的最小穩(wěn)定過熱度值；Zhen Tian等根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比提出了通過電子膨脹閥制冷劑質(zhì)量流量的無量綱模型；張川等指出電子膨脹閥節(jié)流機(jī)構(gòu)流量多元影響因素的特性。

本文通過實(shí)驗(yàn)研究CO2空氣源熱泵電子膨脹閥的節(jié)流特性，實(shí)驗(yàn)測試分析了電子膨脹閥開度對(duì)吸排氣壓力參數(shù)、制熱量、COP等系統(tǒng)性能的影響。

1 帶電子膨脹閥的CO2空氣源熱泵系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

CO2 空氣源熱泵熱水系統(tǒng)由壓縮機(jī)、CO2氣體冷卻器、蒸發(fā)器、氣液分離器、節(jié)流裝置等主要部件組成，系統(tǒng)流程及各測點(diǎn)如圖1所示。其中，節(jié)流裝置選用電子膨脹閥。

2 電子膨脹閥開度對(duì)CO2 空氣源熱泵系統(tǒng)性能影響

本實(shí)驗(yàn)中電子膨脹閥的總步數(shù)為480步，但自動(dòng)控制系統(tǒng)最低安全設(shè)定值為180，因此本實(shí)驗(yàn)電子膨脹閥開度范圍是180～480。在環(huán)境溫度20℃、進(jìn)水溫度15℃、出水溫度55℃時(shí)，改變電子膨脹閥開度，得到各參數(shù)的特性曲線。

2.1 電子膨脹閥開度對(duì)吸氣壓力的影響

CO2空氣源熱泵系統(tǒng)吸氣壓力隨電子膨脹閥開度的變化而變化如圖2所示。由圖可知，隨著電子膨脹閥開度的增加，吸氣壓力相應(yīng)增加，但增加的幅度不大。其原因在于隨著膨脹閥開度的增加，流入壓縮機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量增大，吸氣量增加，故吸氣壓力升高。

2.2 電子膨脹閥開度對(duì)排氣壓力的影響

CO2 空氣源熱泵系統(tǒng)排氣壓力隨電子膨脹閥開度的變化而變化如圖3所示。由圖可知，隨著膨脹閥開度的增加，排氣壓力相應(yīng)減小，其原因在于隨著膨脹閥開度的增加，通過壓縮機(jī)的制冷劑質(zhì)量流量增大，而壓縮機(jī)壓縮的制冷劑流量是固定的，因此排氣壓力變小。從圖中還可以看出排氣壓力減小的幅度由大變小且在膨脹閥開度180～220這個(gè)區(qū)間段較敏感，減小的很快。

2.3 電子膨脹閥開度對(duì)制熱量的影響

CO2 空氣源熱泵系統(tǒng)制熱量隨電子膨脹閥開度的變化而變化如圖4所示。由圖可知，隨著電子膨脹閥開度的增加，系統(tǒng)制熱量相應(yīng)減小。從圖中可以看出電子膨脹閥開度在180～280這個(gè)區(qū)間段較敏感，減小的很快，在400～480范圍內(nèi)，制熱量幾乎不變。其原因在于隨著電子膨脹閥開度的增加，流經(jīng)蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量相應(yīng)增加，因此蒸發(fā)器換熱量增加，系統(tǒng)制熱量增大，但是由于蒸發(fā)器蒸發(fā)量是一定的，因此，當(dāng)電子膨脹閥開度持續(xù)增大，蒸發(fā)器達(dá)到最大蒸發(fā)量以后，隨著膨脹閥開度繼續(xù)增大，系統(tǒng)的制熱量依然保持幾乎不變。

2.4 電子膨脹閥開度對(duì)COP的影響

CO2 空氣源熱泵系統(tǒng)COP隨電子膨脹閥開度的變化而變化如圖5所示。由圖可知，隨著電子膨脹閥開度的增加，系統(tǒng)的COP先增大后減小，在一定范圍內(nèi)存在最佳值。從圖中可以看出電子膨脹閥開度在180～220這個(gè)區(qū)間段較敏感，COP變化很快；在400～480開度范圍內(nèi)COP幾乎不變。這是因?yàn)殡娮优蛎涢y開度比較小時(shí)，在這個(gè)范圍內(nèi)電子膨脹閥開度增加，過蒸發(fā)器的制冷劑質(zhì)量流量增加，蒸發(fā)器換熱有所增加，制熱量也相應(yīng)增加，而相應(yīng)的消耗功率小幅增加，因此系統(tǒng)COP增加。當(dāng)電子膨脹閥開度到達(dá)一定范圍，其通過的制冷劑質(zhì)量流量與蒸發(fā)器換熱面積相匹配時(shí)，此時(shí)COP最高。當(dāng)COP到達(dá)最高點(diǎn)后，隨著電子膨脹閥開度的增加，雖然制冷劑質(zhì)量流量增加，但由于蒸發(fā)器換熱面積一定，當(dāng)換熱量達(dá)到最大值后，換熱量不變，即系統(tǒng)的制熱量不變。制冷劑質(zhì)量流量的增加會(huì)造成排氣量大于換熱量，有部分熱量得不到合理利用，系統(tǒng)熱量冗余增加，導(dǎo)致壓縮機(jī)耗功進(jìn)一步增加，而此時(shí)的蒸發(fā)量和制熱量不變，最終導(dǎo)致COP的下降。

3 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)研究電子膨脹閥的節(jié)流特性，分析了電子膨脹閥開度對(duì)吸氣壓力、排氣壓力、制熱量、COP等系統(tǒng)性能的影響。研究結(jié)果表明：

①隨著電子膨脹閥開度的增加，吸氣壓力相應(yīng)增加；排氣壓力相應(yīng)減小，減小的幅度由大變小。在本實(shí)驗(yàn)工況下，吸氣壓力和排氣壓力隨電子膨脹閥開度的變化都是在180～220這個(gè)區(qū)間段較敏感。

②隨著電子膨脹閥開度的增加，系統(tǒng)制熱量相應(yīng)減小，并且減小的幅度由大變小；系統(tǒng)的COP先增大后減小，在一定范圍內(nèi)存在最佳值。

③在本實(shí)驗(yàn)工況下，制熱量與COP隨電子膨脹閥開度的變化都是在180～280的電子膨脹閥開度區(qū)間比較敏感，而在400～480范圍內(nèi)，制熱量幾乎不變。

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