变频空调器中使用毛细管节流的性能研究
摘要：变频空调器中使用电子膨胀阀性能固然优越，但由于价格比较昂贵，市场上的变频空调器普遍采用毛细管作为节流元件。这就要求对变频空调器中使用毛细管节流特性进行更深入的研究，本实验在焓差室中对小型空调器进行特性研究，并绘制出空调器性能曲线。
0 前言
随着人们对生活水平舒适性要求的提高，定频空调器市场有逐渐被变频空调器取代的趋势。变频空调器频率主要在20Hz～120Hz之间变化[1]，其制冷剂 流量亦随之变化很大。这就对节流装置提出了很高的要求，采用电子膨胀阀无疑是最佳选择，它具有反应迅速、容量范围大，可预置各种复杂的控制规律等特点 [2]。但由于电子膨胀阀及控制元件的价格较贵，所以在实际应用中有一定困难。因此，变频空调器中使用毛细管还具有相当大的市场。
本文针对某公司的一款变频空调器产品，通过实验研究得到了采用毛细管节流的性能特点，并通过对实验结果的分析，说明应用毛细管节流时变频空调器的性能与频率的关系，为进一步研究出高能效比的空调器提供参考。
1 变频空调器工作原理
变频空调器主要有变直流和变交流两种形式。变交流空调器是通过改变交流电源频率，而变直流空调器则是采用PWM、PAM调制方式使得压缩机的电动机转速变 化，从而达到调节制冷压缩机制冷剂流量的目的，使得系统的制冷量随时与负荷相匹配，因而具有节能和舒适的特性。本试验采用的交流变频空调器，交流变频空调 器的工作原理如图1所示，从图中可以看到，在蒸发器进风温度处设置了一个温度传感器TE，具体工作过程是：首先在温度控制器内设定一个给定的温度值 Tset，然后通过温度传感器测得蒸发器的进风温度Tin，并将信号Tin转换为Tz传送到温度控制器TC内与给定的设定值Tset进行比较，得到一个差 值信号ｅ(ｅ=Tset-Tz)，控制器根据这一差值信号对执行器发出控制制冷压缩机电源转速的控制命令，从而调节压缩机的制冷量，使TE恢复至设定值。 只有当差值信号ｅ=0的时候，控制系统才不会动作。
2 毛细管节流过程
过冷状态制冷剂进入毛细管后，因流动摩擦阻力影响，压力降呈线性变化。对于不可压缩的液体制冷剂绝热流动来说，可以证明液体温度不变，即此时制冷剂温度保 持进口温度不变。当制冷剂压力下降至液体温度所对应的饱和压力点时，制冷剂液体并不立即发生闪发，当气液相间的压力差满足气泡产生和生成所需的力学条件 时，液体才真正开始闪发。随着气相的增加，制冷剂平均比容上升，流速迅速加快，流动的摩擦阻力增加，制冷剂压力加速下降，从而很快过渡到热力学平衡下的气 液两相流动区。在热平衡态气液两相区压力降为非线性变化，但温度始终对应于各点压力的饱和温度[3~5]。毛细管内压力、温度随毛细管长度方向的变化曲线 如图2。
3 实验研究
3.1 研究对象
某公司分体挂壁式冷暖变频空调器：
型号 KFR-35GW/BP
名义制冷量 3500W
名义制热量 4800W
额定输入功率(冷) 1180W
额定输入功率(热) 1650W
循环风量 500m3/h
充注量 980g
制冷剂 R22
毛细管 一根
3.2 测试工况
根据GB/T 7725-2004，用焓差法对1.5P变频空调器进行了额定制冷性能试验，制冷工况如下[6]：
室内：干球温度：tg1=27℃
湿球温度：tw1=19℃
室外：干球温度：tg2=35℃
湿球温度：tw2=24℃
3.3 实验装置
本实验是在小型空调焓差室中进行的，焓差室及制冷系统布置如图3所示：
3.4 控制系统
焓差实验室中各电动设备采用PLC控制，环境室温度、湿度、出风静压采用PID自动调节。稳定工况判定：干球温度±0.2℃，湿球温度±0.2℃，静 压±2Pa，电压±2%。当满足稳定工况后系统将自动保存实验数据。温度、湿度、静压的PID控制框图和控制过程如图4、5所示：
图5 焓差室温度、湿度、静压控制过程
3.5 实验结果及分析
用MATLAB将所获得的实验数据绘制成曲线，得到变频空调器制冷量、压缩机功率、性能系数 COP与频率的关系如下：
3.5.1 制冷量与频率的关系
当频率小于80Hz时，制冷量随着频率的增大几乎成线性增大，当频率大于80Hz时，制冷量随着频率的增大增加缓慢甚至开始逐渐减小。这是因为开始制冷剂 流量增大，蒸发器与室内空气之间的换热温差加大，所以制冷量增加，但当压缩机转速到达一定程度时，由于毛细管的节流能力受到限制，制冷剂流量开始减小，蒸 发器与空气之间的换热温差减小，所以制冷量开始减小。
3.5.2 压缩机功率与频率的关系
图7 压缩机功率随频率变化图
空调器在低频运行时，压缩机功率随频率的增大而迅速增大，但随着频率的继续增大，功率增大的趋势逐渐减小的。这是因为输入功率的变化率和压缩机转速（频 率）变化率成三次方的变化关系，所以在低频运行时，压缩机的输入功率随着频率的增大迅速增大。当频率大于80Hz 时，由于毛细管流通能力的限制，导致蒸发器中的制冷剂量减小，从而使得压缩机的输气量减小，但由于转速增加导致功率增加占着主导作用，所以输入功率还是增 加的，只是增加的趋势减小了。
3.5.3 性能系数COP与频率的关系
随着频率的增加COP却呈先增大后减小的趋势。这是因为开始随着频率的增加，制冷量增加较多，而输入功率增加得相对较少，所以COP=Ｑ/Ｎ呈现增大得的 趋势，在40Hz时差不多达到了一个最大值，随着频率的继续增大，输入功率的增加速度大于制冷量的增加速度，因而COP开始减小。
4 结论
本实验研究了在变频空调器中采用毛细管节流时，系统制冷量、压缩机功率、COP随频率变化的关系。通过实验可以看到变频空调器在20Hz～80Hz运行 时, 系统的制冷量随着频率的增大而增大，说明变频空调器系统中使用毛细管节流能够适应压缩机转速变化的要求的，当频率超过80Hz时，毛细管节流能力将大大减 弱，所以在家用变频空调器的正常工作范围内，毛细管节流仍能体现变频的特点，满足人们的要求，具有一定的实用价值。
参考文献
1 何晓明, 王志刚, 俞炳丰. 小冷量变频空调器制冷系统采用单根毛细管的性能分析[J],流体机械. 1998, 26(12): 47-50.
2 黄根法. 新型膨胀阀及其应用. 制冷空调与电力机械. 2001,22(2):19-22.
3 朱兴旺, 时阳. 毛细管长度对制冷系统性能影响的探讨[J] . 轻工机械.2002(3): 61-62.
4 Somehai Wongwises , Worachet Pirompak . Flow characteristics of pure refrigerants and mixtures in adiabatic capillary tubes[J] . Applied Thermal Eng ineering ,2001,21:845-861.
5 Melo C, Ferreira RTS, Neto BC, Goncalves JM, Mezavila MM. An experimental analysis of adiabatic capillary tubes. Applied Thermal Engineering, 1999,19(6): 669-684
6 房间空气调节器（GB/T 7725-2004）. 中华人民共和国国家标准, 2004,12
