有內(nèi)熱源房間空調(diào)器制冷系統(tǒng)熱力膨脹閥的匹配研究

臧潤清 孫志利 王洪旭

(1 天津制冷技術(shù)重點實驗室 天津市300134；2 天津商業(yè)大學(xué)制冷與低溫工程系 天津市 300134)

熱力膨脹閥是制冷系統(tǒng)常用的節(jié)流機構(gòu)，它有較好的調(diào)節(jié)性能和低廉的價格，到目前為止仍然被廣泛應(yīng)用。熱力膨脹閥通過感受蒸發(fā)器出口的過熱度，比例調(diào)節(jié)向蒸發(fā)器的供液量，以使制冷壓縮機在運行工況下發(fā)揮最大效能。熱力膨脹閥的制冷能力(制冷劑流量)隨進、出口壓力差的增大而增加，相當(dāng)于冷凝溫度升高、蒸發(fā)溫度降低、制冷能力增大。制冷壓縮機的制冷量隨冷凝溫度的降低、蒸發(fā)溫度的升高而增大，與膨脹閥的規(guī)律相反。由于制冷系統(tǒng)都在變冷凝溫度下工作，如何保證蒸發(fā)器在所有的工況下都有充足的供液，充分發(fā)揮制冷壓縮機的作用，是制冷裝置節(jié)能降耗的有效手段。

有內(nèi)熱源的房間，在需要恒定溫、濕度的時候，用于降溫、恒濕的制冷裝置一年四季都需要工作，由于室外環(huán)境溫度的大幅度變化，引起冷凝溫度隨之波動。通過對制冷系統(tǒng)在變工況下檢測的熱工參數(shù)，分析熱力膨脹閥與制冷壓縮機的匹配狀況，再結(jié)合熱力膨脹閥調(diào)節(jié)特性和允許工作范圍討論匹配思路。

1 熱力膨脹閥的匹配狀況

制冷裝置按照設(shè)計工況和制冷負(fù)荷選配制冷壓縮機，之后按照制冷壓縮機的性能設(shè)計蒸發(fā)器、冷凝器，選配熱力膨脹閥，以保證這些設(shè)備和部件的良好匹配。實際運行中，環(huán)境溫度在一年之中大幅度變化，制冷系統(tǒng)的冷凝溫度也隨之變化，引起冷凝壓力與蒸發(fā)壓力之差劇烈波動。由于制冷壓縮機的制冷量與熱力膨脹閥的冷量變化規(guī)律相反，不可避免地產(chǎn)生偏離匹配的現(xiàn)象。利用焓差實驗室測試了一套型號為EDA402U，制冷量為40KW，以R22為制冷劑的依米康房間空調(diào)器，相關(guān)熱工參數(shù)的變化見圖1、2、3。

圖1 不同冷凝壓力下制冷量和總功率之間的關(guān)系Fig.1 Relationship between power consumption and cooling capacity in dif fi dent condensing pressure

圖2 COP隨冷凝壓力的變化Fig.2 COP changes with condensing pressure

圖3 蒸發(fā)壓力隨冷凝壓力的變化Fig.3 Evaporating pressure changes with condensing pressure

線圖的橫坐標(biāo)冷凝壓力所對應(yīng)的室外環(huán)境溫度為1.76MPa/35℃、1.38MPa/25℃、1.04MPa/15℃、0.75MPa/5℃、0.86MPa/-5℃。曲線表明，在室內(nèi)側(cè)溫度恒定在24℃、相對濕度保持50%條件下，冷凝壓力在0.74MPa以上時，制冷系統(tǒng)的制冷量、總耗功和COP的變化規(guī)律清晰。隨冷凝壓力的降低制冷量逐漸增大、總功率減小、COP增大，符合一般規(guī)律。當(dāng)冷凝壓力低于1.76MPa，蒸發(fā)壓力隨冷凝壓力的變化規(guī)律出人意料，蒸發(fā)壓力在伴有小幅波動狀態(tài)下一直保持下降趨勢，未見基本恒定區(qū)間，說明熱力膨脹閥不能夠良好地調(diào)節(jié)蒸發(fā)壓力，冷凝壓力低于1.76MPa越多調(diào)節(jié)偏差越大。當(dāng)冷凝壓力低于0.74MPa時制冷量、總耗功、COP和蒸發(fā)壓力均出現(xiàn)了較大幅度的波動。證明蒸發(fā)器供液量進入某個震蕩區(qū)，由于蒸發(fā)壓力的大幅波動，引起了其它熱工參數(shù)的變化。顯然測試結(jié)果不夠理想，其中重要的原因是由于熱力膨脹閥與空調(diào)制冷系統(tǒng)不匹配導(dǎo)致蒸發(fā)壓力下降和波動，如果能夠抑制或減小這種降低，驅(qū)趕膨脹閥震蕩現(xiàn)象到冷凝壓力變化區(qū)間以外，制冷系統(tǒng)的制冷量和COP的增加幅度可以進一步加大。

2 熱力膨脹閥的調(diào)節(jié)特性

當(dāng)制冷系統(tǒng)壓縮機和兩器確定，熱力膨脹閥調(diào)節(jié)特性和它的合理選擇是影響性能最重要方面，因此有必要詳細(xì)了解膨脹閥的調(diào)節(jié)特性，關(guān)于該內(nèi)容有三個方面需要掌握：

2.1 熱力膨脹閥三個過熱度之間的關(guān)系

如圖4所示，SS為靜態(tài)過熱度，是膨脹閥剛剛開啟的過熱度，等于或大于此過熱度時膨脹閥才能開啟。OS稱為開啟過熱度，是100%開啟度時的過熱度，所對應(yīng)的是某工況下制冷量Qnam。SH=SS+OS為總過熱度。改變熱力膨脹閥調(diào)節(jié)桿位置，使SS發(fā)生變化，SH也隨之變化，但是OS不發(fā)生變化。當(dāng)蒸發(fā)器出口過熱度大于SH的時候，膨脹閥的開啟度還可以進一步增大，但最大只能是100%開度時制冷量的120%，即Qmax，最大開度。

圖4 三個過熱度之間的關(guān)系Fig.4 Relationship among three superheat degree of expansion valve

2.2 最小穩(wěn)定過熱度

圖5 系統(tǒng)穩(wěn)定過熱度曲線Fig.5 Stability curves of superheat in refrigeration system

熱力膨脹閥在不同工況下存在最小穩(wěn)定過熱度曲線，如圖5所示。其中MSS是穩(wěn)定與不穩(wěn)定的分界線，在穩(wěn)定區(qū)域外蒸發(fā)器出口有較大的過熱度，蒸發(fā)器的傳熱效率較低。在不穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)蒸發(fā)器的供液量忽多忽少，回氣忽而過潮忽而過干，不能穩(wěn)定在適宜的供液量范圍內(nèi)。因此理想的工作狀態(tài)是在MSS曲線上或緊靠MSS曲線的右側(cè)。

2.3 SS隨工況的變化而發(fā)生變化

圖6 TDEX8熱力膨脹閥靜態(tài)過熱度的變化Fig.6 Static superheat degree change of thermal expansion valve (TDEX8)

SS隨制冷工況的變化關(guān)系見圖6。膨脹閥的出廠設(shè)定值是冷凝壓力為1.75MPa，SS等于4℃，當(dāng)冷凝壓力發(fā)生變化，SS也隨之變化。TDEX8熱力膨脹閥冷凝壓力為1.0MPa時SS為5℃，冷凝壓力為2.5MPa時SS為3℃。改變熱力膨脹閥的調(diào)節(jié)桿位置SS發(fā)生變化，靜態(tài)過熱度變化值也將有所變動。

3 熱力膨脹閥的匹配

圖7 壓縮機與膨脹閥的特性曲線Fig.7 Compressor and thermal expansion valve characteristic curves

將制冷壓縮機的性能曲線與熱力膨脹閥的性能曲線繪制于圖7中。圖中制冷量由小到大對應(yīng)的膨脹閥規(guī)格是TDX3、TDX4、TDX6、TDX7.5、TDX8和TDX11。壓縮機的制冷量按照液體管壓降ΔP1= 0.05MPa，液體分配器的壓降ΔP2=0.05MPa，冷凝壓力為Pc，蒸發(fā)壓力Pe=0.68MPa，高壓液體過冷度Δtsub=4℃,膨脹閥兩端壓降為ΔP，制冷壓縮機為蝸旋Copeland、ZR94KC-TFD型。與熱力膨脹閥兩端對應(yīng)的冷凝壓力為：

所得到的壓縮機制冷量變化曲線與熱力膨脹閥的曲線規(guī)律相反。

圖8 熱力膨脹閥的匹配關(guān)系曲線Fig.8 Curve of match relationship of thermal expansion valve

圖8是膨脹閥在設(shè)計工況ΔPD條件下(選擇的熱力膨脹閥在100%開度時的制冷量等于設(shè)計工況下的制冷量)，工作點位于MSS線的右方穩(wěn)定工作區(qū)，且逼近MSS線，制冷量是Q1。當(dāng)兩端壓力差減小至ΔP′D時，靜態(tài)過熱度由設(shè)計工況的SS1增大至SS2，100%開度制冷量減小至Q2。由于壓縮機的制冷量增大，膨脹閥制冷量減少，雖然工作點仍處于MSS線的右側(cè)，系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作，但偏離增大經(jīng)濟性不好。此時膨脹閥隨蒸發(fā)器出口過熱度的增大，開度會超過100%，以滿足供液量的要求。當(dāng)膨脹閥兩端壓差進一步縮小至ΔP′D，開度超過了120%，供液量已不能滿足需要，過熱度繼續(xù)增大流量也不會增大。

制冷裝置中，為了保證變工況下熱力膨脹閥在一定范圍內(nèi)具有充足的供液量，在選型時都大于名義工況的制冷量。圖7所示的情況，膨脹閥與壓縮機制冷量的變化，只有TDX6、TDX7.5、TDX8和TDX11膨脹閥與壓縮機有交點，四種規(guī)格膨脹閥與壓縮機聯(lián)合工作調(diào)節(jié)范圍的比較見表1。

表1 膨脹閥與壓縮機聯(lián)合工作的調(diào)節(jié)范圍Tab.1 Adjustment range of expansion valve and compressor combined work

顯然，限定膨脹閥前后最大壓差為1.40MPa條件下，四種膨脹閥在大于理想工作點ΔP以上工作時，開度都在50%開度以上。當(dāng)ΔP＞1.40MPa ，TDX11會接近或小于50%開度，即接近或進入不穩(wěn)定區(qū)。四種膨脹閥在小于理想工作點ΔP時，膨脹閥口徑越大對應(yīng)的冷凝壓力越低，可是受到ΔP上限的制約，TDX11并不是理想的選擇。如果選擇TDX8其工作下限卻顯得偏高，如果存在兩者之間的規(guī)格，就能兼顧到工況兩端。蒸發(fā)器在較大冷凝溫度變化范圍內(nèi)有充足的供液，制冷系統(tǒng)的制冷量和效率保持較高水準(zhǔn)。

下面結(jié)合圖1～3進一步說明以上匹配規(guī)律。冷凝壓力自1.76MPa逐漸下降，蒸發(fā)壓力亦隨之下降，說明蒸發(fā)器出口過熱度逐漸增大，蒸發(fā)器供液量隨冷凝壓力的降低越來越少。根據(jù)配置膨脹閥為TDX6對照圖7，可知，在冷凝壓力下降的整個區(qū)間內(nèi)，膨脹閥始終處于100%開度以上。由于蒸發(fā)器出口過熱度增幅迅速，且距離120%開度越近過熱度越大，蒸發(fā)壓力的變化曲線的斜率也隨之增加。當(dāng)冷凝壓力降低至0.74MPa(表壓)時，冷凝壓力與蒸發(fā)壓力的差值為0.32MPa，考慮到供液管和液體分配器等壓降，實際膨脹閥前后壓差小于0.2MPa，膨脹閥前后壓差不足以克服膨脹閥產(chǎn)生的局部阻力，通過膨脹閥的制冷劑流量迅速減少，蒸發(fā)壓力隨之大幅度降低。蒸發(fā)壓力的降低導(dǎo)致ΔP增大至接近0.28MPa，使得流量增加，蒸發(fā)壓力升高。此區(qū)域為ΔP減小和增大引起的震蕩區(qū)間。與此相對應(yīng)，制冷量和COP隨冷凝壓力的降低而增加，總功率較小，進入震蕩區(qū)亦隨蒸發(fā)壓力的變化而變化。顯然，選用TDX6膨脹閥與制冷系統(tǒng)其它部件的匹配不好。如果選用TDX8熱力膨脹閥，可將100%～50%開度的ΔP范圍由原來的0.2MPa擴大到0.7MPa，冷凝壓力在1.48MPa以上，膨脹閥能夠保證蒸發(fā)器有充足的供液，在這個區(qū)間內(nèi)，蒸發(fā)壓力的變化幅度可以大為縮小。冷凝壓力在1.48MPa以下，由于該區(qū)域的范圍縮短，蒸發(fā)壓力隨冷凝壓力變化曲線的低斜率區(qū)間移至冷凝壓力1.48 MPa～0.9MPa區(qū)域，較大斜率區(qū)間亦隨之后移，使得平均蒸發(fā)溫度升高，制冷系統(tǒng)的制冷量和COP都隨之增大。膨脹閥的通徑加大之后，120%開度所對應(yīng)的冷凝壓力也將向低值方向移動，在該冷凝壓力的范圍內(nèi)，震蕩現(xiàn)象將不會發(fā)生。制冷壓縮機在低冷凝溫度下的高效率可得到發(fā)揮。

對照圖1和圖7可以發(fā)現(xiàn)，圖1的制冷量大于圖7接近1倍。事實上，圖1的蒸發(fā)壓力在0.445MPa(表壓)上下，圖7為0.58MPa(表壓)上下。圖1使用了2臺ZR94KC-TFD型壓縮機，圖7使用了1臺。考慮到蒸發(fā)壓力的不同，制冷量等數(shù)據(jù)是吻合的。

4 結(jié)論

1)熱力膨脹閥的調(diào)節(jié)規(guī)律和工作特性對于它的正確使用至關(guān)重要。各生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品在性能和規(guī)格上存在一定差異，在選型時詳細(xì)了解極其重要。對于變工況制冷系統(tǒng)，在配置熱力膨脹閥時一定要兼顧最高冷凝溫度(壓力)和最低冷凝溫度(壓力)。

2)膨脹閥的100%～120%開度范圍，需要蒸發(fā)器出口有較大的過熱度，且過熱度越大開度越大。在這個范圍內(nèi)，蒸發(fā)器供液不足、蒸發(fā)溫度(壓力)降低、制冷量和COP增幅減小。在選擇熱力膨脹閥時應(yīng)考慮適當(dāng)縮小在該開度范圍的工作。蒸發(fā)器出口過熱度超過開度120%的對應(yīng)值時，震蕩現(xiàn)象就會出現(xiàn)，此時應(yīng)穩(wěn)定冷凝溫度，避免工作點進入此區(qū)域。

3)膨脹閥在50%～100%開度范圍內(nèi)是調(diào)節(jié)性能最好的區(qū)間，應(yīng)充分發(fā)揮它的作用。在膨脹閥選型時還要考慮制冷系統(tǒng)的衰減，避免新系統(tǒng)工作時過于逼近50%的開度，否則，隨著系統(tǒng)性能的衰減，特別是冷凝溫度(壓力)的升高和蒸發(fā)溫度(壓力)的下降，使膨脹閥進入50%開度以下的第二個震蕩區(qū)域，降低系統(tǒng)性能。

4)熱力膨脹閥有最小開度前后壓差的限制，當(dāng)制冷系統(tǒng)的管道、設(shè)備和部件存在較大壓降時，會提高膨脹閥出口壓力，膨脹閥入口壓力必須隨之提高，導(dǎo)致在低冷凝溫度下流量下降，縮小允許的工作范圍。

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