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电子膨胀阀与热力膨胀阀的性能对比试验研究 梁彩华1，张小松1，巢龙兆2，刘一民2，藤满清21、东南大学动力工程系， 南京210096，2、常州爱斯特空调设备有限公司、，常州，摘 要：本文在风冷螺杆热泵机组上对电子膨胀阀与热力膨胀阀进行了机组性能的对比试验。试验表明：使用电子膨胀阀对比使用热力膨胀阀，机组的制冷量和COP都有较明显的提高。同时对蒸发器出口过热度及其蒸发温度对机组性能参数的影响进行了定量的试验研究，试验表明通过使用电子膨胀阀降低蒸发器出口过热度、提高蒸发温度对制冷系统参数的提高具有明显作用。关键词：电子膨胀阀热力膨胀阀风冷螺杆热泵过热度 蒸发温度1前言 随着人口的急剧增长，能源问题日渐突出。制冷空调是消耗能源的大户，这对制冷空调业提出了严峻的要求：降低能耗，提高能效、舒适性和可靠性。制冷装置由四大部件：压缩机、冷凝器、蒸发器、节流机构组成。随着制冷空调行业的发展，现代技术得到广泛应用，压缩机及其变频技术，高效传热技术等。而作为四大部件之一的节流机构却未有太大的变化，直到新的节流技术，电子膨胀阀技术的出现。现在节流机构普遍采用热力膨胀阀，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、机械式的反应。由于热力膨胀阀的结构和工作原理限制：在设计选型时无法同时使系统在制冷和制热情况下都处于最佳工作状态。虽然电子膨胀阀与热力膨胀阀在制冷系统中具有相同的作用，结构上多种多样，但在性能上，却存在较大的差异1-7。目前热力膨胀阀调节范围普遍较窄，大多大型热泵机组采用制冷模式与制热模式独立的膨胀阀系统，但这将增加系统的复杂性和制造成本。而电子膨胀阀可在10%100%的范围内进行精确调节，可以适应制冷系统的变化。对过热度的设定值，热力膨胀阀的过热度一般由制造厂家在制造过程中设定，而电子膨胀阀的过热度可根据产品的不同特性进行人为设定，使用灵活，并且可以通过设定程序在系统工作过程中采取变过热度控制。保证系统一直处于最佳过热度。热力膨胀阀的驱动是利用了充注工质的热力特性，因此，其开闭的灵敏性和开闭动作的速度都较慢。而电子膨胀阀的驱动方式是控制器通过对传感器采集得到的参数进行运算，并驱动电子膨胀阀动作。电子膨胀阀从全闭到全开状态其用时仅需几秒钟，反应和动作速度快，尤其适合于工况波动剧烈的热泵机组上使用。电子膨胀阀在结构上可视为节流机构与电磁阀的有机结合，通过控制器进行调节，可根据不同产品特性，在机组启动、负载变化、除霜、停机以及故障保护等情况下体现其控制功能的多样性和优越性，比如：以蒸发压力作为目标控制参数以保证恒定的蒸发温度；在热气除霜时控制蒸发器压力实现显热除霜等8。由此可见，电子膨胀阀与热力膨胀阀相比，在控制性能和特性上比热力膨胀阀更具有优越性，但这只是从结构和原理上定性的分析，为了从定量上验证电子膨胀阀的节能效果，作者进行了热力膨胀阀与电子膨胀阀的整机性能对比试验，以试验验证电子膨胀阀的优越性。2试验研究2.1 试验装置风冷热泵冷热水机组由于其结构简单、使用灵活，维护方便、所占空间少在我国南方以及长江流域得到了广泛的应用。螺杆式风冷热泵冷热水机组和活塞式风冷热泵冷热水机组相比，其结构简单、零件少、可靠性高，没有进排气阀组，压缩效率高，相同制冷量的情况下，体积小重量轻，能承受一定的液击，可以实现中间补气的经济器循环，进一步提高压缩机效率，能量可以实现无级调节。因此笔者选用螺杆式风冷热泵冷热水机组作为试验对象很具有代表意义。作者在常州爱斯特空调设备有限公司生产的风冷螺杆热泵冷热水机组RSF160M基础上，对系统进行了改造，研制出试验样机。样机系统流程图如下图一所示： 图一、利用电子膨胀阀的风冷螺杆热泵冷热水机组系统流程图从上面的系统流程图可以看出：整个机组系统流程与一般的风冷螺杆热泵系统流程类似。该风冷热泵系统主要由螺杆压缩机，空气侧换热器，节流阀，水侧换热器及其辅助部件组成。其中用电子膨胀阀代替了传统系统中的节流元件热力膨胀阀。同时为了进行与热力膨胀阀的对比性实验，在与电子膨胀阀并行处并联了一个热力膨胀阀，在实际系统工作时，二者只有一个工作，即不同时起作用。电子膨胀阀与热力膨胀阀并联在系统中的实物图如下图二 图二 电子膨胀阀及热力膨胀阀并联实物图实验样机的组成部件及其主要参数如下：1、 选用德国BITZER的CSH7551-70型螺杆式压缩机。2、 冷凝器为翅片管式、风冷，采用爱斯特空调设备有限公司的成熟产品风冷螺杆热泵冷热水机组RSF160M上的风冷冷凝器。3、 蒸发器为壳管式水冷干式换热器，冷媒水走壳程，制冷剂走管程。采用RSF160M上的原有的壳管式换热器。4、 选用ALCO公司的EX7-U21型电子膨胀阀，该阀采用24V电源供电，双相双极步进电机驱动，驱动频率为330脉冲/秒，该阀从全闭到全开步数为1600个脉冲。5、 为了了解和掌握机组制冷、制热系统在稳定工况和启动、变工况运行特性，在整机性能测试的同时，还另外加装了一套温度、压力的测试系统，分别在压缩机的入口，出口，冷凝器的入口，出口，蒸发器入口，出口各安装了测温点、测压点，一般一个测压点附近就对应一个测温点，但在蒸发器入口因为此点温度的不稳定性就只安装测压点，由这些侧点所测得的参数我们可以分析整个机组的运行情况。我们温度的测量是采用铂电阻的温度变送器，压力测量是采用压力变送器，将温度，压力信号统一转化为4至20毫安的电流信号，再通过数据采集仪和计算机将所测的各点的瞬时值转化为温度，压力值并记录保存下来，同时还自动将它们生成曲线。2.2 实验测试系统介绍1、系统性能实验台 对试验样机进行整机性能测试工作是在爱斯特公司原有的空调整机性能测试台上进行的。该风冷热泵性能测试台是由合肥通用机械研究所于2000年设计并建成的，其测试方法、仪器仪表配置和测试精度等都完全符合国家标准的要求，因此具有良好的测试与控制精度。测试系统如图三所示：图三、系统性能测试台原理流程从图三可以看出，整个测试系统由两部分组成，一部分是被试机所处的环境控制系统，这部分通过控制空气处理段中蒸汽加湿段，表冷降温段，除湿段，加热段就可以将被试机所处的测试环境调节到我们所需的各种工况。当环境空气中的湿度太低时，蒸汽加湿段通过喷蒸汽可以提高被处理空气中的湿度，表冷降温段是冷冻水通过表冷器与被处理空气进行热交换，将空气温度降到所要求的水平。除湿段作用是当空气中的湿度高于要求水平时，通过压缩冷凝机组的蒸发器来降温除湿。加热段的作用当所处理的空气温度低于要求水平时，外加热水通过热交换器将空气温度加热到所要求值。根据实际情况控制使用各处理段来为冷水机组提供不同的运行环境。这样测试环境的温度湿度就能很好的保证。另一部分是被试机的冷冻水回路，通过控制三通阀的开度来调节冷水和混合水的比例，控制被试机的冷冻水进水温度；通过采用变频水泵，调节水泵供电频率即改变水泵的转速来控制冷冻水流量；通过控制被试机的冷冻水流量和三通阀的开度可以控制被试机冷冻水的出水温度。整个测试系统既可全自动调节，还可辅以人工干预调节以加快调节进程，通过计算机整个测试过程可以完全监控，同时还可对将系统瞬间采样的各种数据以文件的形式记录下来，并能够在计算机中自动生成曲线。这样既可直观的反映样机测试的整个过程，同时还可记录整个过程所有数据以便试验后进行分析。测试系统可测控的数据有：被试机的进水温度，出水温度，环境侧进风干球温度，进风湿球温度，被试机的冷冻水流量，被试机的制冷量，被试机的输入功率。其中被试机的制冷量是由所测的的被试机的进水温度与出水温度的差值再乘以冷冻水的流量得来。测试系统可以测量的情况有：定被试机冷冻水进水温度，冷冻水出水温度，变被试机的冷冻水流量下的各种工况；定被试机冷冻水进水温度，冷冻水流量，变被试机出水温度下的各种工况；定被试机冷冻水出水温度，冷冻水流量，变被试机冷冻水进水温度下的各种工况。这样，良好的测试条件和手段为作者试验提供了可靠的保证。3、试验验证结果3.1、电子膨胀阀的实际节能效果实验通过对系统不断的优化和完善，作者开发出了基于模糊控制的控制算法和控制逻辑的电子膨胀阀控制系统，该控制算法和逻辑保证了机组在各种不同工况下都能稳定运行。对同一测试环境温度、在同一制冷系统上（样机并联装有一个热力膨胀阀和一个电子膨胀阀），分别使用电子膨胀阀和热力膨胀阀作为节流装置。通过大量的试验表明，使用电子膨胀阀系统（电子膨胀阀作为节流机构）比使用热力膨胀阀系统（热力膨胀阀作为节流机构）机组的COP和制冷量有明显的提高，具体数据见下表一：表一 电子膨胀阀与热力膨胀阀对机组性能的影响电子膨胀阀系统/热力膨胀阀系统COP 制冷量环境温度40 4.9% 6.4%环境温度35 6.2% 7.3%环境温度30 4.7% 6.6%环境温度25 5.0% 7.2%由表一看出：在同一的测试环境温度下，使用电子膨胀阀系统比热力膨胀阀系统的COP高出4.7%以上，而制冷量高出6.4以上。可见电子膨胀阀在制冷系统中应用比热力膨胀阀具有较大优势，使机组的能效比和制冷量都有较大的提高，节约能源，减少能源消耗。同时电子膨胀阀所具有的特性：响应快，精度高等特点在试验中得到充分体现，使得空调的舒适性大大提高。这正好满足了当今空调发展的趋势节能和舒适。3.2、过热度对系统性能的影响分析电子膨胀阀和热力膨胀阀的作用机理和过程，在系统稳定运行工况下，电子膨胀阀的优越性在于可以将蒸发器的过热度控制在更低的水平，并保证系统安全运行。制冷剂在蒸发器内换热可以分为两相换热区和过热蒸汽换热区，在两相换热区内制冷剂进行的是相变换热，换热系数远大于在过热蒸汽换热区的换热系数。因此对某一蒸发器当两相换热区越长时（即过热蒸汽换热区越短）时，蒸发器的整体换热量就越大，即可以增大制冷（热）量。所以蒸发器的出口过热度越小，说明蒸发器的换热面积越得到充分利用，系统制冷量和能效比将有较大提高。在标况下(环境温度35)，对采用电子膨胀阀的样机，作者通过调节控制器进行了一系列不同蒸发器出口过热度的试验，蒸发器出口设定过热度从10到2。系统制冷量、COP及其输入功率的变化如下图四所示： 图四 对应不同过热度系统制冷量、COP及输入功率相对变化图从图四中可以看出：相对于样机以蒸发器出口设定过热度为10时的稳定运行的系统制冷量、COP和输入功率，在蒸发器出口设定过热度分别为8，6，4,2时，随着过热度的减小三个参数都有增加。从图上看出，样机蒸发器出口设定过热度从10度变为2度时，系统制冷量增加了13.4%，COP值增加了9.3%，而同期样机的输入功率只增加4%。可见通过降低蒸发器出口过热度对系统的性能参数有较大的提高。同时从图上也可以看出当蒸发器出口过热度从10变为6时，样机的制冷量、COP和输入功率都有较大的增加。而蒸发器过热度从6变化到2时，样机的制冷量、COP的增加幅度减小，同时可以看出这时样机的输入功率几乎没有增加。所以从这试验可以看出，随着蒸发器出口过热度的减小，制冷系统的制冷量、COP是不断增大的。但增大的幅度变小。同时当过热度到一定程度时，随着过热度再减小，系统的输入功率变化不大。但这时系统的制冷量和COP将仍有较大增加。这试验说明，电子膨胀阀通过将蒸发器出口过热度控制在较低水平能是蒸发器的换热面积得到充分发挥，使系统的性能大大提高，节约能源。3.3蒸发温度对系统性能影响由制冷系统循环可知，蒸发温度的变化对系统的性能参数有着较大的影响。电子膨胀阀的控制目标参数不仅仅可以是蒸发器的出口过热度，同时还可以对蒸发器的蒸发温度进行控制。这一点热力膨胀阀无法做到。在标准状况下（环境温度为35），样机在不同的蒸发温度运行时的系统性能参数的变化如下图五所示： 图五 不同蒸发温度的制冷量及COP的相对变化从图五中可以看出：以蒸发温度2.5时样机的制冷量和COP值为参考，蒸发温度升高1为3.5时，样机的COP增加了3.4%，制冷量增加了5.7%。而蒸发温度降低1为1.5时，样机的COP减少了3.8%，而制冷量减少了5.2%。这试验表明蒸发温度1的变化将使系统的制冷量提高5%以上。验证了通过调节蒸发器出口过热度，提高蒸发压力和蒸发温度对系统制冷量和COP的改善是很显著的。而这一切通过使用电子膨胀阀作为节流机构都很能容易的实现。却是热力膨胀阀不太可能实现的。4、总结电子膨胀阀的出现将引起制冷控制系统革命性的变化，其所具有的优越性必将使其取代热力膨胀阀。电子膨胀阀的引入为制冷系统的各种节能优化运行提供了条件，制冷系统实现了真正的整体控制，制冷系统的机电一体化程度将大大提高。作者通过在具有典型意义的风冷螺杆热泵机组上进行电子膨胀阀与热力膨胀阀的对比试验表明：电子膨胀阀优越于热力膨胀阀的控制性能和特点在试验中得到充分体现，同时在制冷系统的整体性能参数上电子膨胀阀系统具有明显的提高：1、 通过一系列环境温度测试表明：在同一的测试环境温度下，使用电子膨胀阀系统比热力膨胀阀系统的COP高出4.7%以上，而制冷量高出6.4以上。2、 通过蒸发器不同出口温度试验表明：随着蒸发器出口过热度的减小，制冷系统的制冷量、COP是不断增大的。但增大的幅度变小。同时当过热度到一定程度时，随着过热度再减小，系统的输入功率变化不大。但这时系统的制冷量和COP将仍有较大增加。3、 通过不同的蒸发温度试验表明：蒸发温度1度的变化将使系统的制冷量提高5%以上，验证了通过调节蒸发器出口过热度，提高蒸发压力和蒸发温度对系统的制冷量和COP的改善是很显著的。 参考文献1谈磊,陆震,范林.风冷式热泵机组应用中电子膨胀阀与热力膨胀阀的比较,制冷技术,2001,(4):22-24.2孙文哲,周永明,陈芝久,等.膨胀阀性能对比的实验研究,流体机械,1998,28(8):51-54.3ItohH.,Imporvement of a aheat pump room air-con-ditioner by use of pulse-motor-