不同膨胀阀开度和压缩机频率下性能剖析

　　在变频空调制冷系统中 ，通过改变压缩机转速和电子膨胀阀开度相结合的调节手段使空调器调节范围加大 ，且灵敏度更高 ，但这也使系统的控制复杂程度加大。如何使空调器在各种工况下实现安全稳定运行的基础上实现*大的经济性 ，具有很强的现实意义。邵双全、石文星等进行过变频空调系统仿真并分析了多种因素对变频空调系统性能影响规律并指出相应调节因素。

　　本文通过实验 ，分析系统在制冷模式下、在小过热度及回汽带液下 ，不同压缩机频率及相应电子膨胀阀开度对蒸发温度、回气温度、过热度及相应制冷量、制冷剂流量的影响 ，得出频率与阀开度控制调节规律。

　　2试验系统及参数设置

　　2. 1试验装置

　　实验系统总体结构上类同于一台小型变容量水冷冷水机组。制冷循环的制冷剂流量通过设定压缩机的转速 （频率 30Hz～100Hz）调节蒸发器的出口状态。冷却水和冷冻水循环均采用混合水循环 ，由恒温水箱、水泵、阀门、冷凝器、旁通阀门等组成 ，通过手动设定电子膨胀阀的开度 （0% ～100% ）调节。冷凝器和蒸发器均采用板式换热器。

　　2. 2实验参数设定

　　冷冻水温度 （12℃）和冷却水温度 （30℃）自动调节恒定 ， 分别设定压缩机在 30Hz、40Hz、50Hz、60Hz、70Hz、80Hz频率上连续运行 ，这时从小到大调节膨胀阀的开度、且在每个膨胀阀开度 ，直到制冷循环自平衡至稳态后再连续运行 10分钟以上 ，记录蒸发温度、回气温度、排气温度、蒸发压力、冷凝压力、制冷量等数据。

　　3实验结果及分析

　　实验结果表明在压缩机转速从 30 Hz到 80 Hz的变化范围内 ，蒸发温度、回气温度、过热度等具有相似的变化规律 ：蒸发温度随膨胀阀开度增大逐渐升高趋于水平 ，回气温度随膨胀阀开度增大先迅速降低到虚线后缓慢回升趋于水平 ，过热度随膨胀阀开度增大迅速降低趋于水平 （1K～2K之间 ）。

　　理论上 ，随着膨胀阀开度的逐渐增大 ，回气温度应该逐渐逼近蒸发温度 ，过热度逐渐逼近“0”，但是由于蒸发温度测点 T 4布置在蒸发器入口铜管外壁面 ，管内是气液两相流 ，热阻较小 ，而回气温度测点 T 1布置在蒸发器出口 ，管内是气相流 ，热阻较大 ，考虑到板式蒸发器内部的压力降很小（ <10kPa） ，因此 ，即使膨胀阀开度足够大 ，蒸发器出口制冷剂雾状流时 ，理论过热度趋近 0，但实际测量过热度约 1K～2K.

　　（1）在频率不变化情况下从 ΔT SH > 0到零过热附近随阀的开度增大蒸发压力P 0上升 ， 蒸发器制冷剂流量增加 ，从蒸发器玻璃管中看到出口由过热气体变为带有少许液滴的两相流 ，两相区加长 ，从而过热度迅速降低。同时排气温度下降约 5～6℃。导致这一点变化迅速的原因是小流量时 ，蒸发器传热面积有盈余 ，过热度对流量变化比较敏感。流量增大过热度 ΔT SH降低的程度比蒸发温度上升程度大 ，整体体现为回气温度在此范围不断降低。同时压比降低、单位功耗减小 ，由于总体流量增大功耗也增大。由实验结果看功耗增长速度小于制冷量增长从而COP在这范围内不断增大。

　　以 60Hz为例 ：膨胀阀开度由 15增大至 16到虚线对应处 ，相应过热度由 4. 73减小到 1. 47，制冷量Q 0增大 7. 7% ，COP增大 11. 6%.在虚线设置参数下 ，系统运行时蒸发器换热面积达到*大利用 ，制冷量也达到*大。且回气带少许液滴能有效冷却缸体 ，同时减少吸气管中有害过热对吸气比容的影响。

　　（2）在频率不变化情况下 ，当膨胀阀开度在虚线对应的开度附近时 ，蒸发器出口交替出现雾状流和过热蒸汽。由实验数据看 ，当开度继续增大到虚线后 ，蒸发温度继续增大 ，过热度有小范围的降低 ，回气温度升高向蒸发温度逼近 ，制冷量也相应减少。在压缩机频率为 60Hz条件下 ，开度进一步由 16增大到 17，制冷量Q 0减小 4。

　　6 %， COP减小15%.随膨胀阀开度逐渐增大 ，蒸发器换热达到饱和。制冷剂体积流量不变质量流量逐渐增加 ，回气由过热气转向雾状流且随开度增大雾状流带液增多 ，使压缩机气液分离器中液相比增大。在转速不变的情形下吸入的制冷剂气体减少 ，从而使整个系统制冷剂循环量降低 ，制冷剂流量降低、制冷量也相应减少。另一方面由排气温度突然剧烈降低知：随回气液相增多 ，压缩机吸入湿蒸汽比例较大时 ，排气温度趋近于冷凝温度。在过热度基本趋于稳定的情形下 ，蒸发器中制冷剂量也基本不变。

　　由试验数据看出 ，制冷量在虚线所对应开度后也减小 ，这主要是由制冷剂流量减少引起。在虚线后对应区域内运行对 ，制冷量降低 ，同时回液量加大进入压缩机 ，液体增多影响润滑油粘性增减磨损 ，对转子机性能影响很大。因此控制上系统运行应避开次区域。

　　（3）频率变化对系统的影响

　　当保持阀在一定开度压缩机频率f提高，由实验数据看出蒸发压力P 0、蒸发温度T 0均下降、回气温度降低、过热度 ΔT SH增大、排气温度T排升高、制冷量Q 0增大 ，制冷剂流量q ma增大。压缩机转速提高使容积效率 ηv增大且在低频处增幅明显 ，吸排气量都会增大 ，在蒸发器侧吸气压力逐渐降低致使蒸发压力随之下降 ，蒸发温度也降低 ，制冷剂流量增大换热器内流速加快 ，流型由原来的两相环状流变为液膜带气泡的环状流且湍流程度加大层流底层减薄 ，紊流程度加大两相区换热效率提高。制冷量Q 0 = q ma×Δh，因为蒸发压力下降 Δh减小但q ma相对的增大程度更大 ，制冷量 Q 0增大。但由于蒸发温度降低、过热度 ΔT SH增大，吸气比容会降低，使制冷量增加速度减慢。

　　单纯频率增大虽使制冷量提高、两相区换热强化 ，但也使过热度 ΔT SH增大、蒸发器内蒸干点前移 ，两相区在蒸发器中面积减少蒸发器利用效率降低 ，同时由于压比 π增大使功耗增大。另一方面 ，冷凝压力上升虽使膨胀阀流通能力加强，但蒸发压力下降会使节流后制冷剂干度增大 ，使单位制冷量Q 0降低、制冷剂质量流量q ma增速减缓 ，系统EER也随频率增大逐渐下降。特别是当频率上升 60Hz后排气温度明显增大加剧压缩机内吸气过热 λT下降而使容积效率 ηv趋于平缓。在开度 12时 ， 30Hz～60Hz制冷量不断增大 ，但其增幅很快减小 ，分别为 670W、320W、180W.随过度增大换热器效率很快下降 ，转速提高、压比增大 ，系统功耗也很快增大。

　　在系统的控制上 ，单一调节压缩机频率虽然可满足大幅度提高冷量的要求但不节约能量 ，对系统稳定也不利。联系到以上对开度和膨胀阀开度的分析 ，在室内负荷变化需要提高压缩机转速时 ，同时协调膨胀阀使流量和其它调节因素达到虚线对应状态。

　　4结论

　　（1）变频空调系统调节中 ，压缩机频率升高使制冷量大幅度增大 ，但也带来一系列如压比增大、EER下降、输气系数下降 ，换热器利用效率降低等一系列问题。单一的压缩机频率增大虽能满足负荷变化要求 ，但从经济性来讲不利。

　　（2）在一定压缩机频率下 ，膨胀阀阀开度对系统影响较为复杂 ，回气温度经历减小再增大的过程 ，制冷量、冷凝压力、制冷剂流量经历增大到减小的过程。蒸发器内部流型也不断变化。以回气温度降到*低点为标志 ，阀开度在此附近对系统性能*有利 ，过大或过小都使性能下降。

　　（3）综合调节压缩机频率和相应膨胀阀开度使系统在达到负荷要求情况下 ，*大程度利用蒸发器面积 ，对于减少换热器制造成本有现实意义 ，二者联合调节*优化也能在已有的系统上实现节能。