不同类型膨胀阀对热泵热水器性能影响的研究.docx

? ? 不同类型膨胀阀对热泵热水器性能影响的研究 ? ? 严 彦 高秀峰 郑菲菲 （1.西安工程大学机电学院 西安 710048；2.西安交通大学苏州研究院 苏州 215123） 0 引言 能源和环境问题是21世纪人类社会面临的两大严峻挑战，传统化石能源大量消耗导致的二氧化碳、硫化物、粉尘等污染物排放及热污染方面的环境问题同样备受瞩目。因而寻求新的替代能源及对环境友好的可再生能源，减少能源消耗引发的环境问题所带来的压力，成为当前世界性的共同话题和全人类共同关注的焦点[1,2]。 空气源热泵热水机组是在冷水机组的基础上发展起来的，它可将低品位热源转移至高品位热源，其消耗1 度电即可获取约4 度电的热量，并具有节能、安全、环保等优点，近年来取得了广泛的应用，目前国内热泵热水器基本上每年保持300%～400%的增长率[3]。 在空气源热泵热水器中，常用的节流装置有毛细管、热力膨胀阀和电子膨胀阀[4]。毛细管只是简单地通过流通截面的突然收缩，增加流体流通阻力来达到对制冷工质节流降压的目的，无法根据负荷变化及时改变制冷工质的流量，无法满足空气源热泵热水器运行工况范围宽、常年制热及冷凝温度时变等特点[5,6]。因此，热泵热水器通常选用热力膨胀阀或电子膨胀阀作为节流装置。 热力膨胀阀是热泵系统中应用比较广泛的一种节流设备，它是通过感受蒸发器出口制冷剂蒸气过热度的大小，来调节制冷剂的流量，以维持恒定的过热度。其工作原理是通过感温包将蒸发器出口温度变化转换为压力的变化，压紧/放松弹性金属膜片，推动阀芯改变阀门开度。沈希[7]等把流量作为开启度、阀的进口压力和出口压力的函数；Mac Arthur[8]用感温包的时间常数来体现膨胀阀的时间相应，采用喷嘴方程来计算流量；Sami[9]等把流量方程表示为名义流量、运行过热度、静态过热度、开启过热度的乘积。热力膨胀阀对过热度响应的延迟时间长，调节范围有限，调节精度低。 电子膨胀阀克服了热力膨胀阀的缺点，具有调节精度高、调节范围大等优点，并为制冷装置的智能化提供了条件[10,11]。电子膨胀阀主要是通过传感器将蒸发器出口压力、压缩机吸气过热度传给控制器，控制器处理信号后，输出指令作用于电子膨胀主阀的步进电机，将阀开到需要的位置以保持蒸发器需要的供液量。控制中，电子膨胀阀的步进电机实时输出变化的动力，能及时克服各种工况和各种负荷情况下主膨胀阀变化的弹簧力，使阀的开度满足蒸发器供液量的需求，进而蒸发器的供液量能实时与蒸发负荷相匹配。但是电子膨胀阀前期的设备成本和后期的维护成本相较于热力膨胀阀都高，这也是阻碍电子膨胀阀全面代替热力膨胀阀的一个障碍。 为了对热力膨胀阀和电子膨胀阀在热泵热水器性能影响方面有一个更加客观地认识，本文建立了热泵热水器的模型，搭建了风冷热泵系统的实验平台，对比了两种节流装置的过热度、吸气压力、排气压力、机组功耗及性能系数，并分析其原因。 1 热泵热水器数学模型 1.1 压缩机模型 本文采用美优乐的全封闭活塞压缩机MT60，图1 是根据产品手册数据所给出的压缩机性能曲线，其性能数据可采用最小二乘法拟和出压缩机输入功率、冷凝量和蒸发量等随冷凝温度和蒸发温度变化的函数归纳式[3]。 图1 美优乐MT60 压缩机性能曲线Fig.1 MEYLOL MT60 compressor performance curve 1.2 冷凝器和蒸发器模型 本文选用的冷凝器为套管式换热器，内管为外螺纹管，水走管侧，制冷剂走壳侧，如图2（a）所示；蒸发器采用管翅式换热器，其简化模型如图2（b）所示。对两个换热器均采用稳态分布参数法建立数学模型，并对模型做如下假设[4]：（1）为逆流型换热器；（2）制冷剂的流动为一维均相流动，不考虑压降，水侧的流动亦视作一维流动；（3）不计管壁热阻略。 图2 蒸发器、冷凝器简化模型示意图Fig.2 Simplified model diagram of evaporator and condenser 在模型中，将换热器分三个相区：过热区、两相区和过冷区，每个相区划分为若干微元。对于单相区，即过热区和过冷区，微元的划分按制冷剂侧温降进行均分（也可以按焓差进行均分，由于比热变化不大，故按焓差划分与按温降划分是近似的）；对于两相区，由于温度不变，换热表现在焓值的变化上，因此微元的划分可按焓差进行均分。对任一微元，可建立制冷剂侧、水侧或空气侧能量守恒、质量守恒方程组，知道了微元入口参数则可求解出口参数。 1.3 膨胀阀模型 热力膨胀阀可利用膨胀阀的工作特性来建立经验模型，也可通过分析膨胀阀的结构和原理来建立机理模型。经验模型的建立需要提供大量的实验数据，且应用范围比较窄；而机理模型只要求厂家提供对应的膨胀阀结构数据即可，实际运用起来也比较方便。本文通过分析热力膨胀阀的工作原理，利用力