浅谈热力膨胀阀在空气源热泵热水器中的应用

彭萼忠 魏许建 陈骏骥

（广东长菱空调冷气机制造有限公司，广东 顺德 528313）

随着国民经济快速发展，人们的生活水平得到了显著提高，对生活热水的需求量也越来越大，从而形成了一个量大、面广的热量消费市场。空气源热泵热水器是一种高效节能且环保的设备，在国外已有近20年的历史，现在大约有300万台同类设备在欧美各国使用。在我国，空气源热泵热水器是继电热水器、燃气热水器和太阳能热水器后的第四种热水器，它的使用主要集中在经济发达的长江三角洲和珠江三角洲。本文就空气源热泵热水器系统中不同热力膨胀阀的开度做了相关实验研究，分析了其在系统中的稳定特性。

图1 实验装置示意图

图2 蒸发器与膨胀阀特性关系图

图3 液体在阀内流态分布

1 实验装置

图l是空气源热泵热水器性能实验装置示意图。整个数据采集系统是由Keithley数据采集仪和温度、压力传感器和功率表组成。数据采集系统的采样周期是15s，并将数据传送到计算机上（如图1）。

2 实验结果与分析

环境温度分别为 0、10、20、35℃；压缩机功率3匹，板换水侧流量15.2L/min；水箱容积150L；采用Emerson型热力膨胀阀，开度调整为7.5圈（经过反复调整达到的最佳开度），水温从15℃加热到55℃。

2.1 不同环境温度下冷凝、蒸发压力的变化

当环境温度在0～35℃之问变化时，热泵热水器系统的冷凝压力都随着冷凝器进水温度的上升而上升，但是，即使在相同水流量的情况下，环境温度为35℃时的冷凝压力要分别比环境温度为20℃、10℃和0℃时的高。这是由于随着环境温度的上升，热泵热水器的制热率大大增加，而水流量不变，必然导致板换内水的温升大大增加，导致冷凝压力变高。

在任一环境温度下，随着系统冷凝温度（压力）的升高，蒸发压力（温度）也是逐渐升高的；而当环境温度从0℃逐渐上升到35℃时，系统的蒸发压力从0.35MPa左右上升到0.7MPa和0.95MPa之间，且在环境温度为35℃时蒸发压力上升的速度最迅速，原因是在该环境温度下热泵热水器的制热率要大大高于低温时系统的制热率，冷凝温度上升的速度迅速，导致了蒸发压力较快上升。

2.2 不同环境温度下过热度的变化规律分析

在环境温度为35℃、加℃时，蒸发器过热度经过了一个逐渐变小的过程。为理解该变化规律，可将蒸发器特性和膨胀阀特性结合起来进行分析。如图2所示，纵轴表示蒸发器和膨胀阀的制冷量，横轴表示蒸发器出口过热度，MSS为最小稳定信号线，最小稳定信号线左右两边分别为不稳定区和稳定区，MSS右边的曲线是热力膨胀阀工作特性曲线。当过热度△T1>△T2，则Q1>Q2，即随着冷凝温度的升高，系统的制热率和蒸发器制冷量Q逐渐下降。当热力膨胀阀的开度为9圈时，此时过热度倾向于为零，过热度振荡剧烈，系统运行很不稳定；当膨胀阀的开度调节到7.5圈和6圈时，过热度的变化开始变得平稳。但是，不论在何种开度下，随着冷凝温度的升高蒸发器过热度都存在变大的趋势，与环境温度为高温时的变化规律正好相反。

热力膨胀阀在低温环境时对蒸发器过热度调节的局限性可以从节流时的流态来展开分析。热力膨胀阀在热泵热水器中的作用是节流降压，由于节流是非常短暂的过程，针对热力膨胀阔节流的这一特点，可以将不同开度下的热力膨胀阔等效为通径不同的孔板。图3为通常情况下液体在流经孔板时沿程各点的压力和速度分布曲线。

为了便于分析，设P1为孔板上游液体静压，Pv为该点流体温度对应的饱和蒸汽压。通常液体具有一定的过冷度，即P1>Pv。由能量守恒原理，若流体流过该通道没有发生热交换和做功，则在该过程中沿程总能量不变。当流体通过孔板时通流截面便开始收缩，根据质量守恒原理，流体流速与流通面积成反比，流在通过孔板时流速突然增加，由于速度头与压力头之和几乎不变，故在速度增加的同时其压力骤然下降。在流体通过孔板后，流动截面进一步收缩，最后流体将达到最大流速、最小截面和最小压力Pvm。在流速增加的过程中，当压力降到低于该点温度对应的饱和蒸汽压力P，部分液体就开始汽化，产生气液两相流动。由于气泡的产生，气液相问及与壁面的摩擦引起流体减速，使得流体压力有所恢复，若恢复后的压力仍低于该点温度对应的饱和蒸汽压力，则液体继续汽化，以气液两相形式存在，称之为闪蒸，若阀后压力在离开阀后又急剧回升，这时气泡产生破裂并转化为液态，则会发生气蚀。具体流态判定方法如图3：

（1）当阀两端压差满足△P<△Pc，（初始闪蒸压差）时，不会发生闪蒸和气蚀，即：

式中，Kc-初始系数(由阀门厂家通过试验获得)。

（2）当阀两端压差满足△Pc≤△P<△Ps，时，开始逐步产生闪蒸现象。其中，△Ps为阻塞流压差，是指阀缩口处的压力降低到一部分液体汽化，且阀门流量不再随压差增加而增加时阀两端的压差，即：

式中，F1-液体压力恢复系数；Ff-临界压力比系数；Pcr-热力学临界压力。

（3）对于可压缩性流体，引入压差比系数：X=△P/P1。试验表明：若以空气作为试验流体，对于一个特定的调节阀，当产生阻塞流时，其压差比是一个固定常数，称为临界压差比XT。XT的数值只决定于阀的流路情况和形式，对于本实验所采用阀体的结构，可从相关手册查出XT为0.9。Fk表示其他可压缩流体绝热指数与空气绝热指数的比值，其中空气的绝热指数为l.4，对于别的可压缩流体，将XT乘以Fk，可作如下判定：当阀两端压差满足△P≥△Ps，且 X≥XTFk时，有阻塞流产生。

2.3 不同开度下系统COP随环境温度的变化

随着环境温度的降低，系统的蒸发温度会逐步下降，导致系统COP逐渐降低。当热力膨胀阀的开度设定为9圈，在环境温度35℃时COP达到了最大值5.6，但是，由于在0℃低温下过热度一直持续振荡，COP值反而比开度为7.5圈时低，对于一个系统而言，可靠性是首要的耳标，因此，相对而言，热力膨胀阀的开度在7.5圈时获得最佳。这也从另外一个角度反映了热力膨胀阀在热泵热水器中节流调节的局限性。

结语

总之，热力膨胀阀在全年运行的空气源热泵热水器系统中,在对流量控制的调节作用上存在一定的局限性。在空气源热泵热水器系统中也可考虑将热力膨胀阀更换为电子膨胀阀。在系统实际运行中,应在保证系统有较为合适的制冷剂充注量的前提下,对热力膨胀阀进行调节,才有可能使得系统达到最佳运行性能。

[1]陈伟.空气源热泵热水器实验及应用补气增焓技术的研究[D].西安：西安交通大学，2008（05）.

[2]张良俊，吴静怡，王如竹，陈钢.热力膨胀阀在空气源热泵热水器系统中稳定特性的实验研究 [J].工程热物理学报，2006（S1）.