（制冷及低温工程专业论文）电子膨胀阀在制冷陈列柜中的应用研究.pdf

上海水产大学硕士学位论文 电子膨胀阀在制冷陈列柜中的应用研究 摘要 电子膨胀阀是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种新型节流元件，已在家用热泵、 汽车空调，冷水机组等制冷装置中得到了成功应用。它是以现代控制理论和数字 控制方法为基础，来实现对制冷剂流量的最佳调节，因此它完全适应于制冷系统 向机电一体化发展的要求。与热力膨胀阀相比，电子膨胀阀具有非常显著的优越 性：调节精度高、调节范围大、对负荷、工况变化适应快；尤为重要的是电子膨 胀阀的调节振荡小，能精确控制过热度，并能使蒸发器在很宽的工况范围内都处 于很小的过热度下，使蒸发器的传热面积得到充分利用，具有明显的节能效果。 从目前报道来看，电子膨胀阀在制冷陈列柜中的应用仅有国外文献中有一些 报道，国内在这方面的研究报道甚少，还没有厂家正式将电子膨胀阀应用于陈列 柜中，因此，进行电子膨胀阀在制冷陈列柜中的应用研究是非常必要的。 本论文是在对电子膨胀阀的理论研究和电子膨胀阀制冷系统的陈列柜实验台 上进行的，主要工作有：1 针对电子膨胀阀在制冷陈列柜中的应用做理论研究； 2 对卧式低温陈列柜进行性能实验研究；3 搭建实验台测试电子膨胀阀陈列柜系 统的特性；4 通过实验研究电子膨胀阀在制冷陈列柜中的运行特性。 通过对电子膨胀阀特性的理论研究，在陈列柜中应用的可行性分析以及电子 膨胀阀在制冷陈列柜中的实验研究，得出以下几点结论： 1 理论分析了电子膨胀阀陈列柜系统的组成和运行特性，指出了通过实现弹 性冷凝压力控制和并联机组运行等方法实现电子膨胀阀陈列柜系统的优化和节能 运行的途径。 2 建立了电子膨胀阀陈列柜制冷系统的实验台，实现了电子膨胀阀控制陈列 柜制冷系统的多工况运行，实验对比研究了电子膨胀阀和热力膨胀阀陈列柜系统 的运行特性。 3 测试表明，电子膨胀阀控制陈列柜制冷系统运行的稳定性明显优于热力膨 胀阀，在降温期间电子膨胀阀系统蒸发器降温运行平稳而热力膨胀阀系统蒸发器 有明显波动，波动随着蒸发器的沿程逐渐增大，由蒸发器始端的2 3 增大到了末 端的8 1 。在负荷稳定期间，热力膨胀阀系统较电子膨胀阀系统蒸发器进口温度 波动大1 5 ，而节流前温度热力膨胀阀系统较电子膨胀阀系统大1 8 9 上海水产大学硕士学位论文 4 。测试表明，电子膨胀阀系统可以方便的调节陈列柜的运行温度，并随着柜 运行工况的高低，柜运行特性得到改变。随着柜温设定温度的上升，制冷系统运 行停机次数增加，功耗减少，柜温的波动性增大。当样柜设定温度从一2 0 。c 上升到 一5 1 2 时，停机次数从4 次增加到1 3 次，功耗由3 3 5 k w h 减少到2 3 6 k w h 。当样柜设定 温度从一2 5 1 2 上升到一1 5 1 2 时，柜温的波动值由2 8 增大到4 7 1 2 。 总的来说，电子膨胀阀在本次实验中显示出了很好的稳定性，使得陈列柜的 性能在很大程度上得到了提高，尤其是在陈列柜到达设定温度之前，电子膨胀阀 的稳定性要明显的优于热力膨胀阀。 我们相信，随着对电子膨胀阀研究的迸一步深入，计算机技术和电子技术的 进一步发展，电子膨胀阀成本的降低，具有诸多优点的电子膨胀阀必将在冷冻冷 藏陈列柜行业中掀起新的一轮革命。 关键词：电子膨胀阀，制冷陈列柜，控制方法，运行特性 n 上海水产大学硕士学位论文 a p p l i c a t i o ns t u d yo fe l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v e i nr e f r i g e r a n td i s p l a yc a b i n e t a b s t r a ( 了 t h e _ e l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v ei san e wk i n do ft h r o t t l eo r g a nd e v e l o p e da t8 0 si n 2 0c e n t u r i e s i th a da l r e a d ym a d es u c c e s s f u la p p l i c a t i o ni nt h ec o l dd e v i c e ，s u c ha s d o m e s t i ch o tp u m p , a u t o m o b i l ea i rc o n d i t i o n , a i r - c o o l e dw a t e rc h i l l e ra n de t c i tw i t h t h em o d e mc o n t r o lt h e o r i e sa n dn u m e r a lc o n t r o lm e t h o df o rf o u n d a t i o n , c a r r yo u tt h e b e s tr e g u l a t i o no fr e f r i g e r a n tf l u x s oi t c o m p l e t e l ys u i tt h er e q u e s to fi n t e g r a t i n g m a c h i n ea n de l e t r i c i t yi n r e f r i g e r a t i o ns y s t e m c o m p a r e d w i t ht h et h e r m o s t a t i c e x p a n s i o nv a l v e , e l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v eh a v eg o o ds u p e r i o r i t y s u c ha sh i 。g h a c c u r a c yo fr e g u l a t i o n ，b i gr e g u l a t es c o p e ，q u i c ka d o p t i o nt ot h ev a r yo fb u r d e na n d w o r kc o n d i t i o n t h em o s ti m p o r t a n ti st h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v eh a v es m a l l r e g u l a t i o ns u r g e ，p r e c i s es u p e r h e a tc o n t r o l ，a n dc a nm a k et h ee v a p o r a t o rw o r ka tv e r y l o ws u p e r h e a ti nw i d ew o r k i n gc o n d i t i o ns c o p et om a k eg o o du s eo fe v a p o r a t o ra r e a i t h a so b v i o u ss a v i n ge n e r g yr e s u r f r o mt h er e p o r t , t h eu s eo fe l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v ei nr e f r i g e r a n td i s p l a yc a b i n e t o n l yo c c i l 璐8 0 m er e p o r t si nt h ef o r e i g nl i t e r a t u r e i nd o m e s t i ct h e r ei sf e ws t u d y r e s e a r c hr e p o r to fp u t t i n gt h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v ei n t od i s p l a y t h e r e f o r e ， c a r r y i n go na p p l y i n gt h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v ei n t or e f r i g e r a t i o nd i s p l a yc a b i n e ti s v e r yn e c e s s a r y t h i st h e s i si sb a s i so nt h et h e o r ys t u d yo fe l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v ea n dt h e e x p e r i m e n tp l a t f o r mo fr e f r i g e r a t i o nd i s p l a yc a b i n e t t h em a i nw o r ka r e ：1 m a k e t h e o r i e sr e s e a r c h a c c o r d i n gt o t h e a p p l y i n g o fe l e c t r o n i c e x p a n s i o nv a l v e i n r e f r i g e r a t i o nd i s p l a yc a b i n e t 2 c a r r yo nt h ef u n c t i o ne x p e r i m e n tr e s e a r c ht ot h el i et y p e l o wt e m p e r a t u r ed i s p l a yc a b i n e t 3 b u i l dt h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mt ot e s tt h e c h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r o n i c e x p a n s i o nv a l v e - d i s p l a y c a b i n e t s y s t e m ；4 p a s s t h e e x p e r i m e n tr e s e a r c ht h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v e sr u nc h a r a c t e r i s t i co nd i s p l a y c a b i n e t m 上海水产大学硕士学位论文 t h r o u g ht h et h e o r i e sr e s e a r c ho ft h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v ec h a r a c t e r i s t i c , t h e a p p l i e df e a s i b i l i t yi nd i s p l a yc a b i n e ta n dt h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho ne l e c t r o n i c e x p a n s i o nv a l v e sa p p l i e do nd i s p l a yc a b i n e t , g e tt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ： 1 a n a l y z e dt h ec o n s t i t u t ea n dc i r c u l a t ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o n v a l v ea p p l i e do nr e f r i g e r a t i o nd i s p l a yc a b i n e ts y s t e mo n t h e o r y , p o i n t i n go u tt h ew a y so f o p t i m i z ea n de c o n o m i z eo ne n e r g yt h em o v e m e n tb yc a r r y i n go u tt h ef l e x i b l e c o n d e n s a t o rp r e s s u r ec o n t r o la n dm e r g et h ec o m p r e s s o r st oc i r c u l a t e s ，s oa st oc a r r yo u t t h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v ei nd i s p l a yc a b i n e ts y s t e me x c e l l e n tt ot u r n 2 b u i l d e du pt h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v e - d i s p l a yc a b i n e ts y s t e mc x p c ；i l i i 如t p l a t f o r m , m a d et h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v e - d i s p l a yc a b i n e ts y s t e mc a l lw o r ka tk i n d s o fc o n d i t i o n s ，c o n t r a s t e da n da n a l y s e dt h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i cb e t w e e nt h e e l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v es y s t e ma n dt h e r m o s t a t i ce x p a n s i o nv a l v es y s t e mt h r o u g h e x p e r i m e n t 3 t h et e s te x p r e s st h a tt h es t a b i l i t yo ft h em o v e m e n tc o n t r o l l e db yt h ee l e c t r o n i c e x p a n s i o nv a l v es y s t e mi sm u c hb e t t e rt h a nt h e r m o s t a t i ce x p a n s i o nv a l v ei nd i s p l a y c a b i n e t d u r i n gt h ep e r i o do fr e d u c et h eh e a t ，i nt h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v e s y s t e m , t h et e m p e r a t u r er e d u c eo fe v a p o r a t o rc i r c u l a t es t e a d y ，b u ti nt h et h e r m o s t a t i c e x p a n s i o nv a l v es y s t e mi tv i b r a t e dv e r ym u c h ，t h ev i b r a t i o na l o n gw i t he v a p o r a t o r e n l a r g eg r a d u a l l ya l o n gw i t ht h ed i s t a n c ei n t h ee v a p o r a t o r , f r o m2 3 a tt h e b e g i n n i n go fe v a p o r a t o re n l a r g e dt o8 1 a tt h ee n do fe v a p o r a t o r d u r i n gt h es t a t eo f b u r d e ns t e a d y , t h et h e r m o s t a t i ce x p a n s i o nv a l v es y s t e m sv i b r a t i o no ft h et e m p e r a t u r ea t e v a p o r a t o r si n n e r i s b i g g e r 1 5 ct h a ne l e c t r o n i c e x p a n s i o nv a l v es y s t e m t h e t h e r m o s t a t i ce x p a n s i o nv a l v es y s t e m sv i b r a t i o no ft h et e m p e r a t u r ea te x p a n s i o nv a l v e s f r o n ti sb i g g e r1 8 9 ct h a ne l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v es y s t e m 4 t h et e s ta l s oe x p r e s st h a tt h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v es y s t e mc a n r e g u l a t t h er u nt e m p e r a t u r eo fd i s p l a yc a b i n e ta n dt h em o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i cb e c a m eb e t t e r w i t ht h ev a r yo ft h ec a b i n e t st e m p e r a t u r e a l o n gw i t ht h er i s i n go ft h et h ec a b i n e t t e m p e r a t u r e ，t h en u m b e ro fc o m p r e s s o r ss t o pi si n c r e a s e d ，t h ec o n s u m eo fp o w e ri s d e c r e a s e da n dt h ev i b r a t i o no fc a s e st e m p e r a t u r ea d d e d w h e nt h es e tt e m p e r a t u r e i n c r e a s e df r o m 2 0 t o - 5 ，t h en u m b e ro fs t o pa d d e df r o m4t o1 3 t h ec o n s u m e d e c r e a s c df r o m3 3 5 k w ht o2 3 6 k w h w h e nt h es e tt e m p e r a t u r ei n c r e a s e df r o m 2 0 1 2t o 5 c ，t h ev i b r a t i o no f c a s e st e m p e r a t u r ee n l a r g e dt o4 7 b y2 8 t o t a l l yt os a y , t h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v ed i s p l a y e dt h eg o o ds t a b i l i t yi n t h i s 圭童查圭奎兰堡主兰垡丝塞 e x p e r i m e n t ，m a k i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fd i s p l a yc a b i n e tg o tt h ee x a l t a t i o nt oal a r g e e x t e n t , i nt h ep h a s eo ft h ec a b i n e tt e m p e r a t u r ea r r i v et os e tt e m p e r a t u r ei t sp a r t i c u l a r l y t h a t ，t h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v es y s t e m ss t a b i l i t yi s o b v i o u s l yb e t t e rt h a n t h e r m o s t a t i ce x p a n s i o nv a l v es y s t e m w eb e l i e v et h a ta l o n gw i t ht h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v e sr e s e a r c ht ot h ef u r t h e r , t h ec o m p u t e rt e c h n i q u ea n de l e c t r o n i ct e c h n i c a lf u r t h e rt od e v e l o p ，t h e e l e c t r o n i c e x p a n s i o nv a l v ec o s tl o w e r , t h ee l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v et h a th a v em a n ya d v a n t a g e s w i l lp l a yai m p o r t a n tr o l ei nr e f r i g e r a t i o nd i s p l a yc a b i n e t k e yw o r d s ：e l e c t r o n i ce x p a n s i o nv a l v e ，r e f r i g e r a n td i s p l a yc a b i n e t , c o n t r o l m e t h o d , r u nc h a r a c t e r i s t i c v 上海水产大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位 论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除 文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我 对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：胥建文 日期：川年月增日 上海水产大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海水产大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口 ，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于 不保密呵 学位论文作者签名：冒疰天 日期：刎7 年，月崩 指导教师签名：1 脚，指导教师签名：r ，厂l 一， 瞧叼弼月拥 上海水产大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景与意义 随着生活水平的不断提高，人们对食品品质的要求越来越高，食品的保藏成 为了一个非常重要的问题。目前，冷藏依然是食品保存最有效、最成熟的方法， 于是食品冷藏链的建设和完善日益得到了重视。作为销售生鲜食品载体的冷冻冷 藏陈列柜，需求量呈现逐年递增的趋势。 研究表明陈列柜的电力消耗占整个超市的一半以上，商用陈列柜年使用时 间为8 7 6 0 小时，是家用空调的4 4 - - 9 7 倍，是小型冷库的2 2 5 倍。由此说明， 在所有制冷设备中，商用陈列柜年使用时间最长，因此对其可靠性和能耗进行分 析是十分必要的。 近年来，学者们对陈列柜的研究多集中在对陈列柜的结构、送风口型式嘲等 方面的优化，在一定程度上提高了陈列柜的稳定性并为系统的节能做出了贡献。 从整个陈列柜制冷系统来说，到目前为止，制冷系统的几大部件一压缩机、蒸 发器、冷凝器等都已在结构设计、运行性能等方面得到了不同程度的改善，也为 制冷系统的节能和机电一体化作出了贡献。但节流装置始终没有得到进一步的优 化。作为制冷系统传统的节流装置热力膨胀阀，已成为充分节能优化运行的 瓶颈。热力膨胀阀是独立于原有的制冷控制系统，单独的作用于制冷系统，只是 对原有控制系统被动的、机械式的反映，存在着调节流量小，精度低，滞后大等 缺点。而热力膨胀阀自身的结构原理又限制了从控制算法上对其进行改进，因此 引进新的控制元件是大势所趋。 电子膨胀阀是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种新型节流元件，已在家用热泵 嘲、汽车空调“1 ，冷水机组旧等制冷装置中得到了成功应用。它是以现代控制理 论和数字控制方法为基础，来实现对制冷剂流量的最佳调节，因此它完全适应于 制冷系统向机电一体化发展的要求。与热力膨胀阀相比，电子膨胀阀具有非常显 著的优越性：调节精度高、调节范围大、对负荷、工况变化适应快；尤为重要的 是电子膨胀阀的调节振荡小，能精确控制过热度，并能使蒸发器在很宽的工况范 围内都处于很小的过热度下，使蒸发器的传热面积得到充分利用，具有明显的节 能效果。 从目前报道来看，电子膨胀阀在制冷陈列柜中的应用仅有国外文献中有一些 上海水产大学硕士学位论文 报道蚓”1 嗍，国内在这方面的研究报道甚少，还没有厂家正式将电子膨胀阀应 用于陈列柜中，因此，进行电子膨胀阀在制冷陈列柜中的应用研究是非常必要 的。 1 2 课题研究的国内外现状 在电子膨胀阀出现的二十几年里，国内外学者对其进行了广泛深入的研究。 这些研究主要集中在应用研究、驱动型式对比研究、流量特性及控制方案和控制 算法改进等方面。 1 2 1 应用研究方面： 日本h i t o h ”学者于1 9 8 6 年进行了由步进电机驱动的电子膨胀阀用于变频 控制的热泵型房间空调器的研究嘲。文中指出，电子膨胀阀可以用于控制压缩机 电机温度，从而省却压缩机喷射冷却装置：在空调器中，电子膨胀阀除了控制向 蒸发器供液之外，第二个主要作用是实现“化霜不停机”。次年，日本的m m i t s u l 脚 在汽车空调上采取电磁阀型电子膨胀阀，解决了汽车空调在开机阶段蒸发器的换 热性能恶化问题“1 。c h o i j m 和k i 札y c 口州在试验的基础上，对采用电子膨胀 阀的变频一拖多家用空调的运行性能和能量调节作出了分析；并且提出，利用变 频压缩机的变频特性和电子膨胀阀的调节特性，将室内机的过热度维持在4 为 最佳。同时c h o i j m 和k i 札y c 还指出，采用电子膨胀阀的变频热泵系统在性能 上要比采用毛细管的系统好得多。p a r k y c 和k i m y c “”也针对采用电子膨胀阀 的变频一拖多家用空调器进行了研究，计算出了在压缩机频率一定的情况下，电 子膨胀阀的最佳开度。 y a m a j i “2 等人指出电子膨胀阀逐渐取代了热力膨胀阀在渔船，特别是金枪鱼 钓船上的应用；同时也指出采用电子膨胀阀的制冷系统在冷却时间上要比热力膨 胀阀少得多。a p r e a c 和m a s t r u l l o r “”建立了一套半封闭式蒸汽压缩制冷系统， 分别采用热力膨胀阀和电子膨胀阀作为节流装置，制冷剂采用r 2 2 和r 4 0 7 c 。通 过在不同工况下的实验得到：稳态时采用电子膨胀阀和热力膨胀阀的系统性能相 似，而变工况时，电子膨胀阀的系统性能要明显优于热力膨胀阀的。 采用电子膨胀阀能够降低冷凝温度，从而节约压缩机能耗，其幅度是相当惊 人的。1 9 8 5 年丹麦学者s e t h u e s e ne t a l “”称电子膨胀阀改善了流量特性，使 冷凝压力可以降低而不会使系统发生振荡。他用仿真模型计算出：压缩机的能量 消耗因此约减少1 0 3 0 。h s b ( 1 9 9 4 ) 曾报道：新建成的一艘冷藏货船由于 采用电子膨胀阀( 步进电机型) 降低了冷凝温度，节能达4 8 。p r o f e s s i o n a l e n g i n e e r i n g ( 1 9 9 6 ) 则称；欧洲科学家改进的电磁阀型电子膨胀阀式超市陈列柜 2 上海水产大学硕士学位论文 减少了3 0 的电力消耗。 国内也对电子膨胀阀的应用进行了广泛深入的研究。田怀璋“”等人将电子膨 胀阀应用于热泵融霜、压缩机排气温度控制和压缩机启、停控制中，分析了这种 新的控制方法的优点。上海交通大学仲华“”等介绍了应用电子膨胀阀的轿车空调 器的蒸发器的几种融霜实验，通过分析比较提出一种理想的融霜方法，即在融霜 过程中迅速加大阀的开度，同时将蒸发器风机风量开至最大。这种方法可在 1 5 m i n 时问实现完全融霜。其基本原理是通过电子膨胀阀可大幅度地提高制冷剂 的流量，利用高温制冷剂气体的显热来融霜。孙永明“”介绍了电子膨胀阀及电子 膨胀阀控制蒸发器过热度的几种控制方法，讨论了在船舶冷藏集装箱中应用该技 术的可行性发展前景及有待解决的问题。上海理工大学陈几同“”等人利用电子膨 胀阀建立了一个低温实验台，通过食品冻结实验比较了电子膨胀阀和热力膨胀阀 的特性。指出：电子膨胀阀控制得到的过热度不但数值小于热力膨胀阀的，而且 波动很小。龙海峰等从节能和机电一体化的角度出发，分析了电子膨胀阀在冷 藏库制冷系统中应用的可行性。 1 2 2 驱动型式对比研究方面： 德国s n o w o t n y 。? 于1 9 9 1 年介绍电子膨胀阀的三种主要驱动形式：步进电 机驱动、电磁阀驱动以及电加热型。至于那种最好至今还没有定论。到了1 9 9 5 年，英国n j h e w i t t e t a l 。2 1 用实验对比热力膨胀阀和三种电子膨胀阀之后认为电 磁阀型电子膨胀阀的控制性能最佳。而从近年来国外制冷界应用和电子膨胀阀的 生产企业来看，以步进电机驱动的电子膨胀阀应用最为广泛，可见其也有很好的 控制功能。 1 2 3 流量特性： 电子膨胀阀的流量特性是指在一定进出口条件下通过电子膨胀阀的制冷剂 质量流量与阀开度之间的对应变化关系。它可通过两种方式加以表达：电子膨胀 阀的流量特性曲线或流量特性的实验关联式。在进行电子膨胀阀的设计和选型 时，通常以流量特性曲线来反映其流量特性，在进行系统仿真计算和优化设计时 通常以流量特性关联式作为电子膨胀阀的数学模型。 由于制冷剂在通过电子膨胀阀流道最小截面后部分汽化( 产生闪蒸) 发生节 流效应，因此使它的流动特性较为复杂美国的d d w i i e r 汹研究了热力电子膨 胀阀的制冷剂流量特性后，认为制冷剂的进口密度和出口比体积决定了电子膨胀 阀的流量系数并提出了流量系数的经验公式。而a d a v i e s 和t c d a n i e l s 1 认为 流量系数仅与制冷剂的出口干度有关，实际流量与单相液体流量之比与节流后的 干度呈线性反比关系市川常雄“1 等对锥阀的流量系数进行了研究，认为流量系 3 上海水产大学硕士学位论文 数与锥阀的几何参数有关。黄国强9 1 认为电子膨胀阎的流量系数与阀后的制冷剂 干度有关，且与其呈线性下降关系田长青啪1 对h 型热力膨胀阀的流量特性进行 了实验研究，考虑了阀前制冷剂为两相流的可能性，因此在电子膨胀阀流量特性 公式中加入了一个修正系数妒，并认为该修正系数主要受阀前制冷剂干度的影 响电子膨胀阀内复杂的流通特性必然受到多种参数的影响，但是关于其流量特 性的影响因素学术界有较大的争论，上海理工大学的翁文兵嘲等以节流阀的水力 学公式为基础，通过实验的方法研究阀开度、节流前后压差、压比、出口干度及 节流前后压力对电子膨胀阀的流量特性的影响，得出电子膨胀阀具有良好的调节 特性和较大的调节范围，阀节流前后的压差、压比、出口干度等因素对其流量系 数和流量值都有一定的影响。上海交通大学的张川矧等利用自行研制的液环法电 子膨胀阀流量特性试验台得出出口压力、入口压力、入口过冷度、阀开度、入口 密度和出口干度等参数对电子膨胀阀的流量特性均有一定影响，但各参数的影响 程度不同，开度是改变质量流量的主要因素，并反映出阀的调节特性。此外西安 交通大学的张乐平瑚1 等人通过对r 2 2 和r 4 1 0 a 的电子膨胀阀的流量特性及其它性 质的分析计算，得出了采用r 2 2 和r 4 1 0 a 的电子膨胀阀的流通性能，以及在变工况 条件下的流量系数、制冷剂流量和系统制冷量的变化趋势。上海交通大学的马林 1 等人通过实验研究了电子膨胀阀流量与开度的关系，实验表明家用变频空调中 的电子膨胀阀的开度与制冷量近似成线性关系，从而为电子膨胀阀的正确选用和 变频空调器性能的进一步优化提供了理论依据。西安交通大学的王志刚恤1 以双流 体模型对电子膨胀阀中的两相流动过程作了数值计算，并通过实验进行了验证。 1 2 4 控制方案和控制算法改进： 从电子膨胀阀的起步阶段开始，研究者就一直采用温度信号作为输入信号， 至今包括d a n f o s s ，e g e l h o f 及日本一些公司的产品均采用此形式。而随着温度信 号在使用过程中逐渐暴露出局限性，研究者开始尝试其它类型的输入参数。1 9 8 9 年，瑞士d p a m i t z k i ”1 在设计航天用冷柜时首次采用了压力信号。通过测量蒸发 器出口的蒸发压力，经由物性程序转化成蒸发温度，作为控制器的输入参数，并 以此为基础，对比了几种控制方案。1 9 9 6 年，欧洲科学家研制的电子膨胀阀也 采用压力信号输入的控制方案，获得了成功。 和控制方案的研究相比，控制算法研究显得较为丰富。德国w d g r u b l e 嘲1 于1 9 8 5 年最先提出过热度控制器的变增益问题。他在实验中发现，为了避免蒸 发器满液，控制器增益( 比例放大系数) 应该可调。当过热度较低时( 小于4 k ) ， 增益应比稳定运行时增加，甚至加倍。英国s 九t a s s o u 懈3 的实验结果表明：高 增益降低了开停循环损失，但引起过热度在稳态时大幅度波动；低增益增加了循 4 上海水产大学硕士学位论文 环损失，但提高了过热度的稳定性。因此为了优化系统性能，膨胀阀控制器应该 具有变增益。 随着控制领域控制算法研究的发展，有人试图把现代控制理论的算法引入电 子膨胀阀的控制中。当研究采用变转速压缩机、电子膨胀阀的汽车空调控制问题 时，日本m h a t t o r i 踟把其归结为双输入双输出的耦合问题，用解耦控制算法， 使空气侧时间常数大幅下降。1 9 9 7 年，法国ao u t t a g a r t s c 3 n ，采用状态反馈控制 方法，收到了良好的实验效果。 1 9 9 4 年，英国r g m i l e sc t a l 用基于人工神经网络原理的算法计算冷柜制 冷系统中电子膨胀阀的开度，以此调节冷藏室内空气温度，首开智能控制算法应 用于电子膨胀阀控制之先河。 国内也有学者对电子膨胀阀的控制算法进行了研究。如朱瑞旗等人所研究 的p i d 参数自适应算法，白梓运呻1 等人所研究的最小方差自适应控制算法，上海 理工大学的宫赤坤“将先进的控制理论应用于电子膨胀阀的控制，进行了一 系列的研究：包括无辨识自适应算法与模糊推理的组合控制、双神经元预测控制 等，使蒸发器过热度的控制效果得到了明显的改善。东南大学的尹友俊“”等人： 建立了蒸发器一电子膨胀阀过热度模糊控制仿真系统，通过仿真分析了量化因 子、比例因子及不同的采样时间。对控制效果及参数设置的影响、模糊控制与p i d 的控制效果比较：同时将带自修正因子参数自调整模糊控制应用到对电子膨胀阀 的控制当中。2 0 0 5 年陈文勇1 等针对冷柜制冷系统启动过程中状态参数变化范围 大、速度快，正常运行时的控制规律不能得到满意的控制效果这一问题，通过分 析冷柜启动过程中制冷系统状态变化的特点，提出了相应的电子膨胀阀启动控制 的策略和方法；并通过实验进行了验证，取得了比较满意的结果。 1 3 课题研究的主要内容 本论文是在对电子膨胀阀的理论研究和电子膨胀阀制冷系统的陈列柜实验 台上进行的，结合本论文的目的，作者做了以下几方面的工作： 1 针对电子膨胀阀在制冷陈列柜中的应用做理论研究，主要进行电子膨胀阀在 制冷陈列柜中应用的可行性分析，研究在陈列柜中应用电子膨胀阀的节能措 施。 2 对卧式低温陈列柜进行了性能实验研究，针对样柜传统的蜂巢式送风口提出 了应用导流板式送风口，来改善送风口的结构，并对导流板式送风口进行了 优化设计。 3 搭建实验台测试电子膨胀阀陈列柜系统的特性，主要进行了设备选型，电子 5 上海水产大学硕士学位论文 膨胀阀控制系统的设计，管路设计、连接等工作，最终搭建成了可以分别应 用热力膨胀阀和电子膨胀阀运行的陈列柜系统。 4 实验对比电子膨胀阀和热力膨胀阀在制冷陈列柜中的优越性，通过分别运行 电子膨胀阀和热力膨胀阀系统，研究它们的蒸发器沿程温度变化以及柜温的 波动情况。 5 对电子膨胀阀在制冷陈列柜中的性能进行实验研究，通过设定不同的柜温以 及过热度来进行电子膨胀阀在制冷陈列柜中的性能研究。 6 上海水产大学硕士学位论文 第二章电子膨胀阀陈列柜制冷系统的理论研究 一般的制冷系统主要是由四部分组成：压缩机，冷凝器，节流装置，蒸发器。 对于制冷陈列柜，节流系统主要包括热力膨胀阀和电子膨胀阀。节流装置在系统 中作用为调节整个系统的制冷剂流量，造成经过的制冷剂产生压降，起到降压的 作用。虽然各种节流装置的功能相同，但它们各自的工作机理和过程还是有各自 的特点。目前由于电子膨胀阀的价格与热力膨胀阀相比相当高，所以多年来陈列 柜中一直都使用的是热力膨胀阀。但是，随着研究的不断深入，电子膨胀阀的优 越性在其他制冷装置中不断显示出来。为充分了解电子膨胀阀在陈列柜制冷系统 中作用机理，大力推广电子膨胀阀在陈列柜中的应用。本章将介绍传统陈列柜节 流装置热力膨胀阀，在自动调节流量时的缺点，电子膨胀阀的种类与特点， 重点对电子膨胀阀在制冷陈列柜中的应用机理进行研究，从工作机理上充分体现 了电子膨胀阀具有的优越性。 2 1 热力膨胀阀特性分析 热力膨胀阀是温度型自动膨胀阀，在干式蒸发器的供液中最常使用。它以调 节供液量与负荷相匹配为目的，使供入蒸发器的制冷剂能在蒸发器出口处全部蒸 发掉，即避免过量供液，又保证蒸发器的传热面积得到充分利用。 热力膨胀阀的基本结构主要包括：热力头、阀件、过热度调节机构和阀体。 热力头包括感温包、毛细管和动力头( 膜片或波纹管) 。为使感温响应快， 温包用导热良好的黄铜制作，与吸气管的接触面上加工有沟槽，以改善温包与管 的接触。温包压力通过毛细管传递到动力头。动力头若用膜片式，采用0 1 o 2 m m 厚的特殊不锈钢板，要求其厚度和硬度均匀；若用波纹管式，则用磷青铜或不锈 钢薄板制作。 阀件由节流孔、阀芯、阀杆和阀座组成。由于开关动作、制冷剂流过时的磨 损以及汽蚀等因素，阀件应采用耐腐蚀、刚性好的金属。阀杆受动力头推动，带 动阀芯升降使节流孔开度改变。 过热度调节机构用来改变热力膨胀阀的设定过热度。小型热力膨胀阀直接用 螺钉改变弹簧的预压缩来实现调节。 热力膨胀阀从控制方式上讲属于比例式调节阀，其调节动作由蒸发器出口处 的温度控制。热力膨胀阀主要有两种类型：内平衡式和外平衡式。 7 上海水产大学硕士学位论文 虽然热力膨胀阀可以自动调节制冷剂的流量，但是它的缺点也是很显著的： 1 ) 对过热度响应的延迟时间长，特别是容积延迟。蒸发器出口处的过热蒸汽 先把热量传给感温包外壳，感温包外壳本身就具有较大的热惰性，造成了一定的 容积延迟。之后，感温包外壳把热量传给感温介质，这又产生了进一步的延迟。 延迟的结果会导致热力膨胀阀交替地开大或关小，即产生振荡现象。当膨胀阀开 得过大时，蒸发器出口过热度偏低，吸气压力上升；当阀开得过小时，蒸发器供 液不足，吸气压力降低。这对整个系统的经济性和安全性都会产生不利影响。 2 ) 调节范围有限。因为与阀针连接的薄膜的变形量有限，使得阀针开度的变 化范围较小，故流量调节范围小。这对于负荷变化较大的制冷系统或者采用变频 压缩机的系统，热力膨胀阀便无法满足要求。 3 ) 控制精度低。感温包中的工质通过薄膜将压力传递给阀针。因薄膜的加工 精度及安装等因素均会影响它受压产生的变形及变形的灵敏度，故难以达到较高 的控制精度。 上述缺点已经使得热力膨胀阀无法满足现代制冷系统对流量控制方面的要 求。 2 2 电子膨胀阀的种类与结构 电子膨胀阀按其阀位能否连续变化分为双位式和连续式两类。双位式是指阀 只有开、关两种状态。其流量控制依靠改变每个控制周期内阀开关两态的时间比 p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 来实现。每个控制周期约为6 8 秒。这种控制 方式需要采取一定办法解决由于频繁开关所产生的蒸发温度及压力的波动。所 以，目前使用较多的还是连续式电子膨胀阀。 连续式电子膨胀阀按驱动方式的不同可分为以下四种： 1 热电式电子膨胀阀 它是利用电能产生的热力驱动，用双金属片等在不同电流下的热变形的大小 差异来推动阀的动作。早期电子膨胀阀产品使用此方法。但这种驱动方式的缺 点在于双金属片等在加热变形时存在一定的滞后，使整个调节系统的响应速度 略差。 2 参考压力型电子膨胀阀 其结构与热力膨胀阀相似，不同在