有内热源房间空调器制冷系统热力膨胀阀的匹配研究

臧润清 孙志利 王洪旭

(1 天津制冷技术重点实验室 天津市300134；2 天津商业大学制冷与低温工程系 天津市 300134)

热力膨胀阀是制冷系统常用的节流机构，它有较好的调节性能和低廉的价格，到目前为止仍然被广泛应用。热力膨胀阀通过感受蒸发器出口的过热度，比例调节向蒸发器的供液量，以使制冷压缩机在运行工况下发挥最大效能。热力膨胀阀的制冷能力(制冷剂流量)随进、出口压力差的增大而增加，相当于冷凝温度升高、蒸发温度降低、制冷能力增大。制冷压缩机的制冷量随冷凝温度的降低、蒸发温度的升高而增大，与膨胀阀的规律相反。由于制冷系统都在变冷凝温度下工作，如何保证蒸发器在所有的工况下都有充足的供液，充分发挥制冷压缩机的作用，是制冷装置节能降耗的有效手段。

有内热源的房间，在需要恒定温、湿度的时候，用于降温、恒湿的制冷装置一年四季都需要工作，由于室外环境温度的大幅度变化，引起冷凝温度随之波动。通过对制冷系统在变工况下检测的热工参数，分析热力膨胀阀与制冷压缩机的匹配状况，再结合热力膨胀阀调节特性和允许工作范围讨论匹配思路。

1 热力膨胀阀的匹配状况

制冷装置按照设计工况和制冷负荷选配制冷压缩机，之后按照制冷压缩机的性能设计蒸发器、冷凝器，选配热力膨胀阀，以保证这些设备和部件的良好匹配。实际运行中，环境温度在一年之中大幅度变化，制冷系统的冷凝温度也随之变化，引起冷凝压力与蒸发压力之差剧烈波动。由于制冷压缩机的制冷量与热力膨胀阀的冷量变化规律相反，不可避免地产生偏离匹配的现象。利用焓差实验室测试了一套型号为EDA402U，制冷量为40KW，以R22为制冷剂的依米康房间空调器，相关热工参数的变化见图1、2、3。

图1 不同冷凝压力下制冷量和总功率之间的关系Fig.1 Relationship between power consumption and cooling capacity in dif fi dent condensing pressure

图2 COP随冷凝压力的变化Fig.2 COP changes with condensing pressure

图3 蒸发压力随冷凝压力的变化Fig.3 Evaporating pressure changes with condensing pressure

线图的横坐标冷凝压力所对应的室外环境温度为1.76MPa/35℃、1.38MPa/25℃、1.04MPa/15℃、0.75MPa/5℃、0.86MPa/-5℃。曲线表明，在室内侧温度恒定在24℃、相对湿度保持50%条件下，冷凝压力在0.74MPa以上时，制冷系统的制冷量、总耗功和COP的变化规律清晰。随冷凝压力的降低制冷量逐渐增大、总功率减小、COP增大，符合一般规律。当冷凝压力低于1.76MPa，蒸发压力随冷凝压力的变化规律出人意料，蒸发压力在伴有小幅波动状态下一直保持下降趋势，未见基本恒定区间，说明热力膨胀阀不能够良好地调节蒸发压力，冷凝压力低于1.76MPa越多调节偏差越大。当冷凝压力低于0.74MPa时制冷量、总耗功、COP和蒸发压力均出现了较大幅度的波动。证明蒸发器供液量进入某个震荡区，由于蒸发压力的大幅波动，引起了其它热工参数的变化。显然测试结果不够理想，其中重要的原因是由于热力膨胀阀与空调制冷系统不匹配导致蒸发压力下降和波动，如果能够抑制或减小这种降低，驱赶膨胀阀震荡现象到冷凝压力变化区间以外，制冷系统的制冷量和COP的增加幅度可以进一步加大。

2 热力膨胀阀的调节特性

当制冷系统压缩机和两器确定，热力膨胀阀调节特性和它的合理选择是影响性能最重要方面，因此有必要详细了解膨胀阀的调节特性，关于该内容有三个方面需要掌握：

2.1 热力膨胀阀三个过热度之间的关系

如图4所示，SS为静态过热度，是膨胀阀刚刚开启的过热度，等于或大于此过热度时膨胀阀才能开启。OS称为开启过热度，是100%开启度时的过热度，所对应的是某工况下制冷量Qnam。SH=SS+OS为总过热度。改变热力膨胀阀调节杆位置，使SS发生变化，SH也随之变化，但是OS不发生变化。当蒸发器出口过热度大于SH的时候，膨胀阀的开启度还可以进一步增大，但最大只能是100%开度时制冷量的120%，即Qmax，最大开度。

图4 三个过热度之间的关系Fig.4 Relationship among three superheat degree of expansion valve

2.2 最小稳定过热度

图5 系统稳定过热度曲线Fig.5 Stability curves of superheat in refrigeration system

热力膨胀阀在不同工况下存在最小稳定过热度曲线，如图5所示。其中MSS是稳定与不稳定的分界线，在稳定区域外蒸发器出口有较大的过热度，蒸发器的传热效率较低。在不稳定区域内蒸发器的供液量忽多忽少，回气忽而过潮忽而过干，不能稳定在适宜的供液量范围内。因此理想的工作状态是在MSS曲线上或紧靠MSS曲线的右侧。

2.3 SS随工况的变化而发生变化

图6 TDEX8热力膨胀阀静态过热度的变化Fig.6 Static superheat degree change of thermal expansion valve (TDEX8)

SS随制冷工况的变化关系见图6。膨胀阀的出厂设定值是冷凝压力为1.75MPa，SS等于4℃，当冷凝压力发生变化，SS也随之变化。TDEX8热力膨胀阀冷凝压力为1.0MPa时SS为5℃，冷凝压力为2.5MPa时SS为3℃。改变热力膨胀阀的调节杆位置SS发生变化，静态过热度变化值也将有所变动。

3 热力膨胀阀的匹配

图7 压缩机与膨胀阀的特性曲线Fig.7 Compressor and thermal expansion valve characteristic curves

将制冷压缩机的性能曲线与热力膨胀阀的性能曲线绘制于图7中。图中制冷量由小到大对应的膨胀阀规格是TDX3、TDX4、TDX6、TDX7.5、TDX8和TDX11。压缩机的制冷量按照液体管压降ΔP1= 0.05MPa，液体分配器的压降ΔP2=0.05MPa，冷凝压力为Pc，蒸发压力Pe=0.68MPa，高压液体过冷度Δtsub=4℃,膨胀阀两端压降为ΔP，制冷压缩机为蜗旋Copeland、ZR94KC-TFD型。与热力膨胀阀两端对应的冷凝压力为：

所得到的压缩机制冷量变化曲线与热力膨胀阀的曲线规律相反。

图8 热力膨胀阀的匹配关系曲线Fig.8 Curve of match relationship of thermal expansion valve

图8是膨胀阀在设计工况ΔPD条件下(选择的热力膨胀阀在100%开度时的制冷量等于设计工况下的制冷量)，工作点位于MSS线的右方稳定工作区，且逼近MSS线，制冷量是Q1。当两端压力差减小至ΔP′D时，静态过热度由设计工况的SS1增大至SS2，100%开度制冷量减小至Q2。由于压缩机的制冷量增大，膨胀阀制冷量减少，虽然工作点仍处于MSS线的右侧，系统可以稳定工作，但偏离增大经济性不好。此时膨胀阀随蒸发器出口过热度的增大，开度会超过100%，以满足供液量的要求。当膨胀阀两端压差进一步缩小至ΔP′D，开度超过了120%，供液量已不能满足需要，过热度继续增大流量也不会增大。

制冷装置中，为了保证变工况下热力膨胀阀在一定范围内具有充足的供液量，在选型时都大于名义工况的制冷量。图7所示的情况，膨胀阀与压缩机制冷量的变化，只有TDX6、TDX7.5、TDX8和TDX11膨胀阀与压缩机有交点，四种规格膨胀阀与压缩机联合工作调节范围的比较见表1。

表1 膨胀阀与压缩机联合工作的调节范围Tab.1 Adjustment range of expansion valve and compressor combined work

显然，限定膨胀阀前后最大压差为1.40MPa条件下，四种膨胀阀在大于理想工作点ΔP以上工作时，开度都在50%开度以上。当ΔP＞1.40MPa ，TDX11会接近或小于50%开度，即接近或进入不稳定区。四种膨胀阀在小于理想工作点ΔP时，膨胀阀口径越大对应的冷凝压力越低，可是受到ΔP上限的制约，TDX11并不是理想的选择。如果选择TDX8其工作下限却显得偏高，如果存在两者之间的规格，就能兼顾到工况两端。蒸发器在较大冷凝温度变化范围内有充足的供液，制冷系统的制冷量和效率保持较高水准。

下面结合图1～3进一步说明以上匹配规律。冷凝压力自1.76MPa逐渐下降，蒸发压力亦随之下降，说明蒸发器出口过热度逐渐增大，蒸发器供液量随冷凝压力的降低越来越少。根据配置膨胀阀为TDX6对照图7，可知，在冷凝压力下降的整个区间内，膨胀阀始终处于100%开度以上。由于蒸发器出口过热度增幅迅速，且距离120%开度越近过热度越大，蒸发压力的变化曲线的斜率也随之增加。当冷凝压力降低至0.74MPa(表压)时，冷凝压力与蒸发压力的差值为0.32MPa，考虑到供液管和液体分配器等压降，实际膨胀阀前后压差小于0.2MPa，膨胀阀前后压差不足以克服膨胀阀产生的局部阻力，通过膨胀阀的制冷剂流量迅速减少，蒸发压力随之大幅度降低。蒸发压力的降低导致ΔP增大至接近0.28MPa，使得流量增加，蒸发压力升高。此区域为ΔP减小和增大引起的震荡区间。与此相对应，制冷量和COP随冷凝压力的降低而增加，总功率较小，进入震荡区亦随蒸发压力的变化而变化。显然，选用TDX6膨胀阀与制冷系统其它部件的匹配不好。如果选用TDX8热力膨胀阀，可将100%～50%开度的ΔP范围由原来的0.2MPa扩大到0.7MPa，冷凝压力在1.48MPa以上，膨胀阀能够保证蒸发器有充足的供液，在这个区间内，蒸发压力的变化幅度可以大为缩小。冷凝压力在1.48MPa以下，由于该区域的范围缩短，蒸发压力随冷凝压力变化曲线的低斜率区间移至冷凝压力1.48 MPa～0.9MPa区域，较大斜率区间亦随之后移，使得平均蒸发温度升高，制冷系统的制冷量和COP都随之增大。膨胀阀的通径加大之后，120%开度所对应的冷凝压力也将向低值方向移动，在该冷凝压力的范围内，震荡现象将不会发生。制冷压缩机在低冷凝温度下的高效率可得到发挥。

对照图1和图7可以发现，图1的制冷量大于图7接近1倍。事实上，图1的蒸发压力在0.445MPa(表压)上下，图7为0.58MPa(表压)上下。图1使用了2台ZR94KC-TFD型压缩机，图7使用了1台。考虑到蒸发压力的不同，制冷量等数据是吻合的。

4 结论

1)热力膨胀阀的调节规律和工作特性对于它的正确使用至关重要。各生产厂家的产品在性能和规格上存在一定差异，在选型时详细了解极其重要。对于变工况制冷系统，在配置热力膨胀阀时一定要兼顾最高冷凝温度(压力)和最低冷凝温度(压力)。

2)膨胀阀的100%～120%开度范围，需要蒸发器出口有较大的过热度，且过热度越大开度越大。在这个范围内，蒸发器供液不足、蒸发温度(压力)降低、制冷量和COP增幅减小。在选择热力膨胀阀时应考虑适当缩小在该开度范围的工作。蒸发器出口过热度超过开度120%的对应值时，震荡现象就会出现，此时应稳定冷凝温度，避免工作点进入此区域。

3)膨胀阀在50%～100%开度范围内是调节性能最好的区间，应充分发挥它的作用。在膨胀阀选型时还要考虑制冷系统的衰减，避免新系统工作时过于逼近50%的开度，否则，随着系统性能的衰减，特别是冷凝温度(压力)的升高和蒸发温度(压力)的下降，使膨胀阀进入50%开度以下的第二个震荡区域，降低系统性能。

4)热力膨胀阀有最小开度前后压差的限制，当制冷系统的管道、设备和部件存在较大压降时，会提高膨胀阀出口压力，膨胀阀入口压力必须随之提高，导致在低冷凝温度下流量下降，缩小允许的工作范围。

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