不同類型膨脹閥對熱泵熱水器性能影響的研究

嚴 彥 高秀峰 鄭菲菲

（1.西安工程大學機電學院 西安 710048；2.西安交通大學蘇州研究院 蘇州 215123）

0 引言

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

空氣源熱泵熱水機組是在冷水機組的基礎上發展起來的，它可將低品位熱源轉移至高品位熱源，其消耗1 度電即可獲取約4 度電的熱量，并具有節能、安全、環保等優點，近年來取得了廣泛的應用，目前國內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，常用的節流裝置有毛細管、熱力膨脹閥和電子膨脹閥[4]。毛細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到對制冷工質節流降壓的目的，無法根據負荷變化及時改變制冷工質的流量，無法滿足空氣源熱泵熱水器運行工況范圍寬、常年制熱及冷凝溫度時變等特點[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流裝置。

熱力膨脹閥是熱泵系統中應用比較廣泛的一種節流設備，它是通過感受蒸發器出口制冷劑蒸氣過熱度的大小，來調節制冷劑的流量，以維持恒定的過熱度。其工作原理是通過感溫包將蒸發器出口溫度變化轉換為壓力的變化，壓緊/放松彈性金屬膜片，推動閥芯改變閥門開度。沈希[7]等把流量作為開啟度、閥的進口壓力和出口壓力的函數；Mac Arthur[8]用感溫包的時間常數來體現膨脹閥的時間相應，采用噴嘴方程來計算流量；Sami[9]等把流量方程表示為名義流量、運行過熱度、靜態過熱度、開啟過熱度的乘積。熱力膨脹閥對過熱度響應的延遲時間長，調節范圍有限，調節精度低。

電子膨脹閥克服了熱力膨脹閥的缺點，具有調節精度高、調節范圍大等優點，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器出口壓力、壓縮機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電機，將閥開到需要的位置以保持蒸發器需要的供液量?？刂浦?，電子膨脹閥的步進電機實時輸出變化的動力，能及時克服各種工況和各種負荷情況下主膨脹閥變化的彈簧力，使閥的開度滿足蒸發器供液量的需求，進而蒸發器的供液量能實時與蒸發負荷相匹配。但是電子膨脹閥前期的設備成本和后期的維護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更加客觀地認識，本文建立了熱泵熱水器的模型，搭建了風冷熱泵系統的實驗平臺，對比了兩種節流裝置的過熱度、吸氣壓力、排氣壓力、機組功耗及性能系數，并分析其原因。

1 熱泵熱水器數學模型

1.1 壓縮機模型

本文采用美優樂的全封閉活塞壓縮機MT60，圖1 是根據產品手冊數據所給出的壓縮機性能曲線，其性能數據可采用最小二乘法擬和出壓縮機輸入功率、冷凝量和蒸發量等隨冷凝溫度和蒸發溫度變化的函數歸納式[3]。

圖1 美優樂MT60 壓縮機性能曲線Fig.1 MEYLOL MT60 compressor performance curve

1.2 冷凝器和蒸發器模型

本文選用的冷凝器為套管式換熱器，內管為外螺紋管，水走管側，制冷劑走殼側，如圖2（a）所示；蒸發器采用管翅式換熱器，其簡化模型如圖2（b）所示。對兩個換熱器均采用穩態分布參數法建立數學模型，并對模型做如下假設[4]：（1）為逆流型換熱器；（2）制冷劑的流動為一維均相流動，不考慮壓降，水側的流動亦視作一維流動；（3）不計管壁熱阻略。

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

在模型中，將換熱器分三個相區：過熱區、兩相區和過冷區，每個相區劃分為若干微元。對于單相區，即過熱區和過冷區，微元的劃分按制冷劑側溫降進行均分（也可以按焓差進行均分，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，由于溫度不變，換熱表現在焓值的變化上，因此微元的劃分可按焓差進行均分。對任一微元，可建立制冷劑側、水側或空氣側能量守恒、質量守恒方程組，知道了微元入口參數則可求解出口參數。

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驗模型，也可通過分析膨脹閥的結構和原理來建立機理模型。經驗模型的建立需要提供大量的實驗數據，且應用范圍比較窄；而機理模型只要求廠家提供對應的膨脹閥結構數據即可，實際運用起來也比較方便。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的壓力Fb，膜片下部的蒸發壓力Fr以及彈簧力Fs。當制冷劑流動達到穩定時，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

膜片受力達到平衡后分析有：

Fb與感應溫度及充注的工質有關，可通過感溫包內的工質的壓力和溫度得到。Fs可由下式計算：

式中：Fs,o、Ff和ks可通過廠家提供的數據得到。其中，Fs,o為閥門全開時的彈簧力，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。

當已知過熱度和蒸發壓力時，就可根據（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和結構尺寸（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出口狀態和過冷度下，其制冷劑流量m特性可由下式計算得到：

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

由于電子膨脹閥的節流結構和熱力膨脹閥相同，故仍采用熱力膨脹閥的數學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之間的關系，電子膨脹閥既可存在上述熱力膨脹閥所描述的力學關系，亦可根據實際情況來設定適應實際情況的調節關系。

2 實驗方法及流程

圖5（a）所示為空氣源熱泵熱水裝置的原理圖，圖5（b）所示為所搭建的實驗平臺。實驗中，壓縮機選用美優樂的全封閉活塞壓縮機MT60。在壓縮機吸氣口前設置一氣液分離器，起到氣液分離作用，壁面過量液體進入壓縮機腔體造成“液擊”損傷。蒸發器采用管翅式換熱器，冷凝器選用套管式換熱器。壓縮機、水泵及風機的功耗Wt應用智能數顯功率表測得，精度等級為0.5。采用T 型熱電偶測量冷凝器進口水溫、冷凝器出口水溫、壓縮機吸氣口溫度及壓縮機排氣口溫度，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器出口壓力和冷凝器出口壓力。

圖5 熱泵熱水器實驗裝置Fig.5 Experiment equipment of heat pump water heater

控制模擬環境溫度在-5℃、5℃和15℃（保證翅片管式換熱器的進風）進行制熱性能實驗。在不同的工況下，將機組連續、穩定運行20 分鐘以上（以翅片管式換熱器的進風溫度不超過±1.0℃為準），測量系統運行時的參數，其溫度、壓力等過程參數，主要通過溫度熱電偶和壓力傳感器在機組達到穩定運行時測得，采樣周期為2 秒，并將測試值與模擬值進行比較，比較結果如表1所示。從表中可見，計算模型具有很高的精度。

表1 模擬結果與實驗結果對比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流作用，其工作原理是制冷劑流過閥門時流動截面突然收縮，流體流速加快，壓力下降。在熱泵空調中，膨脹機構的主要作用是：節流降壓、調節流量和控制過熱度。

若節流機構給蒸發器的供液量與蒸發器負荷相比過大，則部分液態制冷劑會進入壓縮機，引起濕壓縮或沖缸事故；反之，若供液量與蒸發器負荷相比過少，則蒸發器部分傳熱面積未能充分發揮其效能，甚至會造成蒸發壓力降低，而使制冷量降低，亦影響制熱量降低，進而影響系統性能。由此可見節流機構的流量調節對熱泵或空調裝置的節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，還與蒸發溫度有關。過熱度在0～8℃時，閥門的開度為0.3m，并在此過熱度范圍內保持不變；當過熱度在8～20℃變化時，閥門的開度隨著過熱度的增加而增大；當過熱度大于20℃時，閥門開度繼續保持不變。同時，隨著蒸發溫度的增加，閥門開度也隨之增大，但因增加速率不同，各條狀態線間的差值在逐漸增大，蒸發溫度的不同對過熱度較大時的閥門開度影響較大。從圖中可以看出：當蒸發溫度為-25℃時，閥門開度的增長率為150%；當蒸發溫度為-5℃時，閥門開度的增長率為185%；當蒸發溫度為15℃時，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，與蒸發溫度無關。同時，控制器可人為設定閥的開度與過熱度的關系，因此電子膨脹閥能有效的控制過熱度，使機組性能達到最優。

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 為蒸發壓力隨環境溫度的變化曲線，圖9為冷凝壓力隨環境溫度的變化曲線。從圖8 中可以看出，應用電子膨脹閥的蒸發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，應用電子膨脹閥的冷凝壓力遠低于熱力膨脹閥，平均差值為2.6%。且隨著環境溫度的升高，兩者之間的差距越來越小。這一現象表明，應用電子膨脹閥可提高機組的整體性能。

圖8 蒸發壓力隨環境溫度的變化Fig.8 Variation of inspiratory pressure with ambient temperature

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

圖10 為過熱度隨環境溫度的變化曲線。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器的過熱度，增加壓縮機的吸氣量，從而提高機組性能。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境溫度的增加越來越小。

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

圖11 為制熱量隨環境溫度的變化曲線，圖12為功耗量隨環境溫度的變化曲線。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組的制熱量增幅不是很大，但功耗有所減少，因此機組的整體性能有所增加，如圖13所示。圖13 為COP 隨環境溫度的變化。從圖中可以看出，COP隨環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 的影響隨著環境溫度的增加越來越小。

圖11 機組制熱量隨環境溫度的變化Fig.11 Variation of heating capacity with ambient temperature

圖12 機組功耗量隨環境溫度的變化Fig.12 Variation of power consumption with ambient temperature

圖13 性能系數隨環境溫度的變化Fig.13 Variation of COP with ambient temperature

從圖8～13 整體來看，當環境溫度較低時，電子膨脹閥的優勢更明顯，隨著環境溫度的升高，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境溫度的增大將與熱力膨脹閥的控制趨于一致。當然，由于電子膨脹閥可通過控制器人為設定有效的控制過熱度，故機組在標準工況下、變工況、滿負荷、變負荷運行均能維持較高的COP 值水平。

綜上所述，電子膨脹閥以其調節精度高、調節范圍大等優點補償了熱力膨脹閥的不足，它能按電腦預設的程序進行流量調節，能精確控制過熱度，使蒸發器的傳熱面積得到充分有效利用，這對提高機組性能、節約能源消耗量有重要意義。

4 結論

本文基于空氣源熱泵熱水實驗裝置平臺，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，以及環境溫度對蒸發壓力、冷凝壓力、過熱度、制熱量、功耗量以及系統COP 的影響，具體結論如下：

（1）熱力膨脹閥的開度隨過熱度及蒸發溫度的增加均增大。隨著蒸發溫度從-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，與蒸發溫度無關。

（2）電子膨脹閥的蒸發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組寬廣的蒸發和冷凝溫度變化區間的適應能力明顯優于熱力膨脹閥，機組高載荷區電機保護、寬工況壓縮機能力發揮、低環溫熱量防衰減、高環溫MOP 保護等性能及效果明顯提升，進一步說明電子膨脹閥的優勢所在。