CO2空氣源熱泵電子膨脹閥節流特性實驗研究

王欽戎 楊武彪 杜培儉 楊曉川

摘要： 電子膨脹閥具有調節范圍大、精度高、節流性能好、智能控制閥門開度等優點，是很好的CO2空氣源熱泵熱水系統節流裝置。搭建了帶電子膨脹閥的CO2空氣源熱泵熱水系統實驗臺，測試分析了電子膨脹閥開度對吸氣壓力、排氣壓力、制熱量、COP等系統參數的影響，實驗結果表明：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，在一定開度范圍內存在一個最優值。

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.

關鍵詞： CO2；電子膨脹閥；開度；空氣源熱泵；系統性能

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

中圖分類號：TK11+4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）11-0100-03

0 引言

CO2空氣源熱泵系統因其高效、節能、環保、工作壓力比較高，運行安全可靠等優點[1]被廣泛使用。其中，節流裝置是CO2空氣源熱泵熱水系統的重要構成部分，對熱泵系統的運行性能有著重要影響。電子膨脹閥工作壓力高，節流壓降大，適應工況范圍大，是一種很好的CO2空氣源熱泵節流裝置[2]。國內外學者對電子膨脹閥節流特性做了很多相關研究。[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定過熱度值；Zhen Tian等根據實驗數據與經驗數據的對比提出了通過電子膨脹閥制冷劑質量流量的無量綱模型；張川等指出電子膨脹閥節流機構流量多元影響因素的特性。

本文通過實驗研究CO2空氣源熱泵電子膨脹閥的節流特性，實驗測試分析了電子膨脹閥開度對吸排氣壓力參數、制熱量、COP等系統性能的影響。

1 帶電子膨脹閥的CO2空氣源熱泵系統實驗裝置

CO2 空氣源熱泵熱水系統由壓縮機、CO2氣體冷卻器、蒸發器、氣液分離器、節流裝置等主要部件組成，系統流程及各測點如圖1所示。其中，節流裝置選用電子膨脹閥。

2 電子膨脹閥開度對CO2 空氣源熱泵系統性能影響

本實驗中電子膨脹閥的總步數為480步，但自動控制系統最低安全設定值為180，因此本實驗電子膨脹閥開度范圍是180～480。在環境溫度20℃、進水溫度15℃、出水溫度55℃時，改變電子膨脹閥開度，得到各參數的特性曲線。

2.1 電子膨脹閥開度對吸氣壓力的影響

CO2空氣源熱泵系統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，流入壓縮機的制冷劑質量流量增大，吸氣量增加，故吸氣壓力升高。

2.2 電子膨脹閥開度對排氣壓力的影響

CO2 空氣源熱泵系統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，排氣壓力相應減小，其原因在于隨著膨脹閥開度的增加，通過壓縮機的制冷劑質量流量增大，而壓縮機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這個區間段較敏感，減小的很快。

2.3 電子膨脹閥開度對制熱量的影響

CO2 空氣源熱泵系統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，系統制熱量相應減小。從圖中可以看出電子膨脹閥開度在180～280這個區間段較敏感，減小的很快，在400～480范圍內，制熱量幾乎不變。其原因在于隨著電子膨脹閥開度的增加，流經蒸發器的制冷劑質量流量相應增加，因此蒸發器換熱量增加，系統制熱量增大，但是由于蒸發器蒸發量是一定的，因此，當電子膨脹閥開度持續增大，蒸發器達到最大蒸發量以后，隨著膨脹閥開度繼續增大，系統的制熱量依然保持幾乎不變。

2.4 電子膨脹閥開度對COP的影響

CO2 空氣源熱泵系統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，系統的COP先增大后減小，在一定范圍內存在最佳值。從圖中可以看出電子膨脹閥開度在180～220這個區間段較敏感，COP變化很快；在400～480開度范圍內COP幾乎不變。這是因為電子膨脹閥開度比較小時，在這個范圍內電子膨脹閥開度增加，過蒸發器的制冷劑質量流量增加，蒸發器換熱有所增加，制熱量也相應增加，而相應的消耗功率小幅增加，因此系統COP增加。當電子膨脹閥開度到達一定范圍，其通過的制冷劑質量流量與蒸發器換熱面積相匹配時，此時COP最高。當COP到達最高點后，隨著電子膨脹閥開度的增加，雖然制冷劑質量流量增加，但由于蒸發器換熱面積一定，當換熱量達到最大值后，換熱量不變，即系統的制熱量不變。制冷劑質量流量的增加會造成排氣量大于換熱量，有部分熱量得不到合理利用，系統熱量冗余增加，導致壓縮機耗功進一步增加，而此時的蒸發量和制熱量不變，最終導致COP的下降。

3 結論

本文通過實驗研究電子膨脹閥的節流特性，分析了電子膨脹閥開度對吸氣壓力、排氣壓力、制熱量、COP等系統性能的影響。研究結果表明：

①隨著電子膨脹閥開度的增加，吸氣壓力相應增加；排氣壓力相應減小，減小的幅度由大變小。在本實驗工況下，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這個區間段較敏感。

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

③在本實驗工況下，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間比較敏感，而在400～480范圍內，制熱量幾乎不變。

參考文獻：

[1]LORENTZEN G. The use of natural refrigerants： a complete solution to the CFC/HCFC predicament [J]. International Journal of Refrigeration ， 1995 ， 18（3） ： 190 - 197.

[2]Minglu Qu， Liang Xia， et al. An experimental investigation on reverse-cycle defrosting performance for an air source heat pump using an electronic expansion valve [J]. Applied Energy，2012，97： 327-333.

[3]章曉龍，李正濤，等.電子膨脹閥對蒸發器過熱度穩定性的影響[J].流體機械，2014，42（4）：72-75.

[4]Zhen Tian， et al. Electronic expansion valve mass flow rate prediction based on dimensionless correlation and ANN model [J]. International Journal of Refrigeration， 2015， 57（3）： 1-10.

[5]張川，馬善偉，陳扛平.電子膨脹閥節流機構流量特性的實驗研究[J].上海交通大學報，2006，40（2）：291-296.