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标题 CO2空气源热泵电子膨胀阀节流特性实验研究
范文 王钦戎 杨武彪 杜培俭 杨晓川
摘要： 电子膨胀阀具有调节范围大、精度高、节流性能好、智能控制阀门开度等优点，是很好的CO2空气源热泵热水系统节流装置。搭建了带电子膨胀阀的CO2空气源热泵热水系统实验台，测试分析了电子膨胀阀开度对吸气压力、排气压力、制热量、COP等系统参数的影响，实验结果表明：随着电子膨胀阀开度的增加，吸气压力随着电子膨胀阀开度的增加而上升，排气压力和制热量随着电子膨胀阀开度的增加逐渐降低下降；随着电子膨胀阀开度的增加，COP先升后降，在一定开度范围内存在一个最优值。
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.
關键词： CO2；电子膨胀阀；开度；空气源热泵；系统性能
Key words： carbon dioxide；electronic expansion valve；opening；air source heat pump；system performance
中图分类号：TK11+4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）11-0100-03
0 引言
CO2空气源热泵系统因其高效、节能、环保、工作压力比较高，运行安全可靠等优点[1]被广泛使用。其中，节流装置是CO2空气源热泵热水系统的重要构成部分，对热泵系统的运行性能有着重要影响。电子膨胀阀工作压力高，节流压降大，适应工况范围大，是一种很好的CO2空气源热泵节流装置[2]。国内外学者对电子膨胀阀节流特性做了很多相关研究。[3-5]章晓龙等人提出在电子膨胀阀控制中的一系列的最小稳定过热度值；Zhen Tian等根据实验数据与经验数据的对比提出了通过电子膨胀阀制冷剂质量流量的无量纲模型；张川等指出电子膨胀阀节流机构流量多元影响因素的特性。
本文通过实验研究CO2空气源热泵电子膨胀阀的节流特性，实验测试分析了电子膨胀阀开度对吸排气压力参数、制热量、COP等系统性能的影响。
1 带电子膨胀阀的CO2空气源热泵系统实验装置
CO2 空气源热泵热水系统由压缩机、CO2气体冷却器、蒸发器、气液分离器、节流装置等主要部件组成，系统流程及各测点如图1所示。其中，节流装置选用电子膨胀阀。
2 电子膨胀阀开度对CO2 空气源热泵系统性能影响
本实验中电子膨胀阀的总步数为480步，但自动控制系统最低安全设定值为180，因此本实验电子膨胀阀开度范围是180～480。在环境温度20℃、进水温度15℃、出水温度55℃时，改变电子膨胀阀开度，得到各参数的特性曲线。
2.1 电子膨胀阀开度对吸气压力的影响
CO2空气源热泵系统吸气压力随电子膨胀阀开度的变化而变化如图2所示。由图可知，随着电子膨胀阀开度的增加，吸气压力相应增加，但增加的幅度不大。其原因在于随着膨胀阀开度的增加，流入压缩机的制冷剂质量流量增大，吸气量增加，故吸气压力升高。
2.2 电子膨胀阀开度对排气压力的影响
CO2 空气源热泵系统排气压力随电子膨胀阀开度的变化而变化如图3所示。由图可知，随着膨胀阀开度的增加，排气压力相应减小，其原因在于随着膨胀阀开度的增加，通过压缩机的制冷剂质量流量增大，而压缩机压缩的制冷剂流量是固定的，因此排气压力变小。从图中还可以看出排气压力减小的幅度由大变小且在膨胀阀开度180～220这个区间段较敏感，减小的很快。
2.3 电子膨胀阀开度对制热量的影响
CO2 空气源热泵系统制热量随电子膨胀阀开度的变化而变化如图4所示。由图可知，随着电子膨胀阀开度的增加，系统制热量相应减小。从图中可以看出电子膨胀阀开度在180～280这个区间段较敏感，减小的很快，在400～480范围内，制热量几乎不变。其原因在于随着电子膨胀阀开度的增加，流经蒸发器的制冷剂质量流量相应增加，因此蒸发器换热量增加，系统制热量增大，但是由于蒸发器蒸发量是一定的，因此，当电子膨胀阀开度持续增大，蒸发器达到最大蒸发量以后，随着膨胀阀开度继续增大，系统的制热量依然保持几乎不变。

2.4 电子膨胀阀开度对COP的影响
CO2 空气源热泵系统COP随电子膨胀阀开度的变化而变化如图5所示。由图可知，随着电子膨胀阀开度的增加，系统的COP先增大后减小，在一定范围內存在最佳值。从图中可以看出电子膨胀阀开度在180～220这个区间段较敏感，COP变化很快；在400～480开度范围内COP几乎不变。这是因为电子膨胀阀开度比较小时，在这个范围内电子膨胀阀开度增加，过蒸发器的制冷剂质量流量增加，蒸发器换热有所增加，制热量也相应增加，而相应的消耗功率小幅增加，因此系统COP增加。当电子膨胀阀开度到达一定范围，其通过的制冷剂质量流量与蒸发器换热面积相匹配时，此时COP最高。当COP到达最高点后，随着电子膨胀阀开度的增加，虽然制冷剂质量流量增加，但由于蒸发器换热面积一定，当换热量达到最大值后，换热量不变，即系统的制热量不变。制冷剂质量流量的增加会造成排气量大于换热量，有部分热量得不到合理利用，系统热量冗余增加，导致压缩机耗功进一步增加，而此时的蒸发量和制热量不变，最终导致COP的下降。
3 结论
本文通过实验研究电子膨胀阀的节流特性，分析了电子膨胀阀开度对吸气压力、排气压力、制热量、COP等系统性能的影响。研究结果表明：
①随着电子膨胀阀开度的增加，吸气压力相应增加；排气压力相应减小，减小的幅度由大变小。在本实验工况下，吸气压力和排气压力随电子膨胀阀开度的变化都是在180～220这个区间段较敏感。
②随着电子膨胀阀开度的增加，系统制热量相应减小，并且减小的幅度由大变小；系统的COP先增大后减小，在一定范围内存在最佳值。
③在本实验工况下，制热量与COP随电子膨胀阀开度的变化都是在180～280的电子膨胀阀开度区间比较敏感，而在400～480范围内，制热量几乎不变。
参考文献：
[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]章晓龙，李正涛，等.电子膨胀阀对蒸发器过热度稳定性的影响[J].流体机械，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]张川，马善伟，陈扛平.电子膨胀阀节流机构流量特性的实验研究[J].上海交通大学报，2006，40（2）：291-296.
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更新时间：2025/3/21 12:17:19