电子膨胀阀的优势和发展趋势

制冷与空调 2007年第 2期 电子膨胀阀的优势和发展趋势 商萍君 卜 易佳婷 2 ( 无锡职业技术学院 无锡 214121， 西安航空技术高等专科学校 西安 710077) 【摘 要】 从制冷系统节流机构的流量调节稳定性、过热度控制原理、系统节能、瞬态反应特性、部分负荷 调节特性方面，比较分析了几种节流机构应用于制冷装置中的特点。提出了电子膨胀阀在容量调 节和过热度稳定控制方面的优点，并对电子膨胀阀的发展趋势和在各方面的应用进行了分析。 【关键词】 电子膨胀阀；热力膨胀阀；毛细管；流量调节 Advantages and Developing Trend of Electrical Expansion Valve Shang Pingjun Yi Jiatingz (‘Wuxi Institute ofTechnology 214121， Xi’an Aero Technical College 710077) 【Abstract] Flow regulation performance stability of a refrigerator controlled by throttle device，superheat adjustment of evaporator，energy conservation of refrigeration system，transient flow control an d partial load perform an ce are comparative an alyzed when different throttle devices WaS used in refrigeration equipment．The strengths for flow regulation an d superheat adjustment of electronic expansion valve are purposed，aS well aS the development trend is analyzed in air-conditioning or commercial freezing area． [Keywords] electronic expansion valve；therm ostatic expansion valve；capillary；flow regulation 0 前言 近十年来，热力膨胀阀已被广泛地应用于空调 制冷和低温冷冻系统中。但随着技术的进步以及对 能源的关注促使人们寻求一种新的膨胀阀，以解决 节能、维护方便、整体控制等关键问题。特别是随 着压缩机等变频技术的日益成熟，变频制冷装置受 到消费者的喜爱，国内越来越多厂家开始生产变频 制冷产品。以变频压缩机代替普通的定速压缩机， 并在此基础上用电子膨胀阀代替传统的节流装置 一 毛细管或热力膨胀阀，可实现系统蒸发温度和蒸 发器出口过热度的精确控制。 毛细管只能对流量做微小的调节，故比较适合 于负荷较稳定的系统，在负荷变化大时，无法有效 及时地改变制冷剂流量。热力膨胀阀的感温包有明 显的延迟特性，难以配合压缩机排量对流量变化作 出迅速而有效的反应，最终导致系统调节的振荡， 造成机器运转不稳定，甚至损坏压缩机【j J。所以应 该寻求新的手段来适应这种形势，而电子膨胀阀的 最大特点就是流量调节的及时性，其响应压缩机排 量改变是及时的。故今年来用于调节制冷剂流量的 ’商萍君，女，1979年出生，助教，无锡职业技术学院 电子膨胀阀得以成功使用在各类制冷系统中，实现 了制冷系统的状态控制，极好地解决了系统的舒适 性和系统运行的节能性问题。 1 电子膨胀阀、毛细管及热力膨胀阀的选 择 表 1为电子膨胀阀、毛细管及热力膨胀阀调节 特性的比较，可作为选择时的参考I2]。 电子膨胀阀对蒸发器出口过热度的控制 比传 统的热力膨胀阀优越得多，热力膨胀阀靠弹簧的预 紧力设置某一蒸发温度下过热度的给定值 (静态过 热度)。受蒸发温度变化的影响，蒸发器流动阻力 的影响，使它只在一个较窄的工况和负荷范围下才 能实现较好的调节。如果匹配不好，或者工况和负 荷变动太大，将影响系统的正常工作。另外，由于 比例调节本身的特点所限，实际调节过程中的流量 波动较大，而且过热控制精度差。电子膨胀阀调节 时直接检测蒸发器出口真实过热度，信号传递快， 调节反应迅速，阀本身也有很好的线性流量特性， 而且便于进行集中控制。 ww w. zh ul on g. co m Administrator 新建图章 2007年第 2期 制冷与空调 73 表 1 电子膨胀阀、毛细管、热力膨胀阀的调节特性比较 比较项 目 毛细管 热力膨胀阀 电子膨胀阀 制冷剂与阀的选择因素 不限 由感温包充注决定 不限 制冷剂流量调节范围 小 较大 大 流量调节机构 毛细管流动阻力 阀开度 阀开度 流量反馈控制信号 冷凝器出口过冷度 蒸发器出口过冷度 蒸发器出口过冷度 调节对象 冷凝器 蒸发器 蒸发器 蒸发器过热度控制偏差 大 较小，但 t0低时大 很小 流量特性调节补偿 困难 困难 可以 过热度调节过渡过程特性 不好 较好 优 允许负荷变动 很小 较大 很大 流量前馈调节 困难 困难 可以 价格 便宜 较高 高 2 电子膨胀阀与热力膨胀阀的比较 虽然热力膨胀阀与电子膨胀阀应用功能基本 相同，并且热力膨胀阀的形式多种多样，但是在一 些特殊的应用场合下电子膨胀阀与热力膨胀阀相 比有不可比拟的优越性。 (1)过热度控制精确性：热力膨胀阀的过热度 设定值均为标准工况下的设置，而且由于充注工质 的特性原因，当系统偏离标准工况时，其过热度往 往会随着冷凝压力等的变化而偏离设定值，这不仅 会造成系统效率的下降，而且会引起系统的波动。 图 l即为Danfoss型号为TDEX8的热力膨胀阀的 静态过热度随冷凝压力的变化情况。电子膨胀阀的 过热度是人为通过控制器设定的，系统的实际过热 度是由传感器采集控制点的参数进行计算得到的， 所以不产生此类问题。 、 、’ 、、 k、 ＼ ＼ U J J 2 J ． 4 ． ， ． O 1' - ： U ： 上 ： ：Z ． 了 ： 4 ． ＼ 、 ’、 冷 凝 比力 【b ， 图 1 膨胀阀静态过热度随冷凝压力的变化关系 对于热力膨胀阀而言，一般只能控制蒸发器出 口的过热度 。而电子膨胀阀对于过热控制点较灵 活，其控制点不仅可以设在蒸发器出口，还可以设 在压缩机吸气口，即可控制压缩机的吸气过热度。 此外，可以利用电子膨胀阀对压缩机的排气温度实 行控制。因为制冷压缩机排气温度过高会造成制冷 剂分解、润滑油变质，影响压缩机寿命和工作可靠 性。控制压缩机排气温度的传统方法一般都不很理 想。喷液冷却要牺牲冷量，外部冷却使压缩机结构 复杂；排气温度保护使压缩机故障性停机，因而都 不够经济。利用电子膨胀阀在排气管上安装测温元 件，当排气温度升高到警戒值时电子膨胀阀开度增 大，系统中制冷剂的循环量增大，使压缩机能够得 以充分冷却，进而使压缩机的排气温度不会过分升 高，提高了装置的可靠性。 (2)变负荷和工况适用性：热泵系统既要制冷 又需制热，适合的环境温度一般为一l5℃～+43 ℃，相对应的制冷剂蒸发温度在一25℃～+5~C范 围工作，因而一般都设有两个热力膨胀阀，这样就 增加了系统的复杂性和成本。电子膨胀阀可在较宽 的范围内进行调节，单个电子膨胀阀即可满足热泵 机组全年工况下的调节。 (3)控制灵敏度：热力膨胀阀的驱动是利用了 充注工质的热力特性，其开闭性具有以下特点：a． 反应的灵敏性和开闭动作的速度较慢；b．一般而 言，热力膨胀阀的开启与关闭的速度相对一致 (有 些公司新推出了开闭特性为慢开快关的热力膨胀 阀)；热力膨胀阀的工作过热度由静态过热度和开 启过热度组成，由于静态过热度的存在，在启动过 程中膨胀阀开启会产生延迟倾向。而电子膨胀阀的 驱动方式是控制器通过对传感器采集到的参数进 行计算，向驱动板发出调节指令，由驱动板向电子 膨胀阀输出电信号，驱动电子膨胀阀的动作。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，不存在静态过热度现象，且开闭特 性和速度均可人为设定。 ww w. zh ul on g. co m 74 制冷与空调 2007年第 2期 热力膨胀阀对于过热度 的控制是基于 目前控 制点的状态，由充注工质的特性所决定，它无法对 系统的变化趋势作出判断。而电子膨胀阀的控制逻 辑可根据不同产品的设计和制造特性，采用各类智 能控制系统，它不仅可以对系统目前的状态进行调 节，而且可根据过热度的变化率等参数对系统的特 性进行判别，针对不同的系统变化趋势采用相应的 控制手段。因此其对于系统变化的反应速度和针对 性较之热力膨胀阀优越。 (4)机组启停阶段瞬态流量控制特性：Tassou S．A．et al[_jJ通过实验分析了启停过程中热力膨胀阀 和电子膨胀阀瞬态反应特性的比较：在稳态运行 时，两者的工作性能相同；在冷启动时，相比于热 力膨胀阀，电子膨胀阀可以使系统更快的达到稳定 运行工况，采用热力膨胀阀，由于感温包的反应滞 后性，阀门开度在启动初期维持在较小的开度上， 系统需要更长的时间建立高低压差，之后才能稳定 的运行在所需工况下；随后，阀门开度增大，制冷 剂流量增大，蒸发器出口过热度减小，在静态过热 度调节较小时，作者观察到了膨胀阀在启动初期的 l00s频率的振荡运行状态；在热启动时，系统在压 差下启动，各个制冷系统部件中，制冷剂的分布与 稳态工况成一定比例，采用电子膨胀阀时，系统在 60s后即可达到稳态冷量，450s后达到稳定过热度 控制，而热力膨胀阀需要在 1200s后才能达到稳定 的过热度控制，电子膨胀阀比热力膨胀阀更好，振 荡更小。 Ciro Aprea et al[41实验测试了采用电子膨胀 阀和热力膨胀阀的R22和R4O7C系统的瞬态反应性 能，测试条件为蒸发温度．3O℃~-5℃，冷凝温度35 ℃，系统容量从1．6～5．0KW，蒸发器出口过热度lO ℃；冷启动过程，采用热力膨胀阀时，蒸发器出口 过热度只有在启动后10s以后才能被检测到，随后， 蒸发压力下降，使热力膨胀阀隔膜下方的蒸发压力 迅速下降，而此时蒸发器进、出口温度的反应速度 要慢很多，用于感受蒸发器出口温度的热力膨胀阀 感温包内制冷剂的压力反应则更迟后。随后阀开度 增大，流量增大，蒸发压力的下降和冷凝压力的上 升才有所缓和，随着感温包的压力逐渐与膜片下方 的压力平衡，阀开度减小，过热增大，在30s时， 当过热度增大1 0℃，过热度增大，阀开度又开始增 大，流量增大，在50s时候过热度又降低到2℃过热 度 。这是热力膨胀阀启动初期产生振荡的过程分 析；对于EEV过热度的检测几乎随启动同时开始 的，启动初期，高低压侧相通，吸气压力降低和排 气压力升高相对较缓慢，启动过程较慢。 通过实验，稳定运行后，热力膨胀阀系统可以 使系统过热度控制在6℃，TEV过热度控制在10℃， 启动且EEV控制特性更加稳定，过热度震荡小。冷 启动时，前100s瞬态时间，采用电子膨胀阀的系统 COP~L采用热力膨胀阀的系统高l4％；热启动时， 前50s内热力膨胀阀系统COP比采用电子膨胀阀的 系统高6％，启动50s后，二者COP基本相等。通过 观察过热度调节稳定性，作者测试到，电子膨胀阀 导致系统过热度调节振荡的振幅为O．4℃，热力膨 胀阀为2℃。电子膨胀阀具有优秀的启动和瞬态反 应特性，这一优势使其在大的负荷变化范围内可以 得到发挥。 7 6 5 4 兰 参3 1 — 1 0 0 50 l00 l 50 2( 250 300 3加 rime R407C TEV 一 ： — —— 、 、 —／ ＼ ：EV 0 50 ltxJ l'o 200 ：，【I 300 j)II Time 图2 R407C冷启动TEV~IIEEV功率和制冷量变化 (5)为防止机组在初始启动时，蒸发侧的制冷 剂压力和流量过大，引起压缩机过载，一般热力膨 胀阀均设有 MOP功能，即蒸发压力只有在低于设 定值时膨胀阀才打开。但其功能与电子膨胀阀相比 仍显得较为单调。电子膨胀阀通过控制器进行调 节，因此根据不同的产品特性，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出其 ” ． }J 兰拿≥ ww w. zh ul on g. co m 2007年第 2期 制冷与空调 75 控制功能上的多样性和优越性。比如有些制冷装置 运行时当被冷却空间达到设定温度时则用温控器 控制停机。停机期间，如果高压侧与低压侧连通冷 凝器的高温液体将流入蒸发器，造成蒸发器温度上 升，再次启动时要消耗能量使之再冷却。如果停机 时将高低压切断，那么再次启动时压缩机负荷较 大，也会增加能量损失。当使用电子膨胀阀时，停 机时将电子膨胀阀完全关闭，阻止冷凝器的高温液 体流入蒸发器。当室温控制器使压缩机再次启动之 前在一个短暂的时间内将电子膨胀阀全开，使系统 高低压侧压力平衡，然后再开机如图2所示。这样 既可以轻载启动，又可以减少停机中的热损失【51。 如图 3所示。 — — 电子蟛胀阏作为 节流元件 ⋯ 毛细首等茸它节 流元件 图 3 不同节流机构系统的起、停特性 除此之外，电子膨胀阀对制冷剂流量的调节除 了可以控制蒸发器外，还可以用来调节冷凝器。当 蒸发工况允许的情况下，若冷凝压力过高，可以适 当关闭膨胀阀，减少系统中制冷剂的流量，降低冷 凝器负荷，从而降低冷凝压力，实现机组的高效和 可靠运行。 3 电子膨胀阀的应用 电子膨胀阀以其优越 的流量调节和过热度控 制稳定性，在空调制冷及低温冷冻装置中得到广泛 应用；目前，国内外各空调厂商制造的风冷热泵冷 热水机组中已广泛采用电子膨胀阀作为节流机构， 机组应用的工况范围因此得到拓宽，有些机组可在 - 1O℃～-20"C环境温度下实现制热运行，而目前的 热力膨胀阀很难在此制热低环境温度下做到稳 地控制过热度和供液量；有些机组可实现制冷、制 热无级能量调节，电子膨胀阀的快速反应和控制性 能使机组水温迅速稳定在设定的控制温度下，而通 常使用热力膨胀阀和无级能量调节的系统，由于热 力膨胀阀的工作范围和反应滞后性的原因，在大压 差、小的制冷剂流量以及小压差、大的制冷剂流量 下，系统的水温控制变得振荡难以稳定。 在冷冻应用领域，例如在零售业所需的陈列柜 制冷装置，采用电子膨胀阀的系统性能明显得到改 善：目前变频压缩机开始应用于陈列柜，因而采用 电子膨胀阀的节能效果变得显著。电子膨胀阀能使 蒸发器各个回路的制冷剂更加均匀的分配，因而蒸 发器各个回路出口盘管的温差较小【61。 GG Maidment et a1．[71针对装置冷量 1．1KW， 蒸发温度．7℃的陈列柜制冷系统进行 了几种节流 装置的对比试验；表 2为对比分析结果。通过实验 对比发现，毛细管的优点是其蒸发温度不受过热度 的限制，因而有可能实现较高的湿度，但负荷变化 时调节能力差。在上述工况下热力膨胀阀不能及时 响应过热度的变化，如果要提高稳定性，其工作能 力和工作效率将会下降。用 电子膨胀阀时，蒸发器 的过热区较小，面积利用率提高。 表 2 几种节流装置在陈列柜工况控制性能的试验 比较 型式 设计工况下工作情况 部分负荷下工作情况 优缺点 无需除霜的情况下性能较好，可在 毛细管若在“壅塞 流”的 优点：成本低；维护简单；试验方便： 稳态情况下确定其尺寸； 情况下选择的，则其部分 没有过热区的需求；蒸发温度不受过 毛细管 需除霜的系统，选择毛细管时应避免 负荷下，即使吸气压力降 热度限制；因而有可能实现较高的相 压缩机液击，并保证吸气压力在启动后 低，毛细管的流量保持改 对湿度 缺点：容易堵塞，并且堵塞后的异物 能顺利降低 变 。 难以清除 热力膨胀 液充 的膨胀 阀控制 的最小过热度随蒸 优点：技术相对比较成熟； 阀 (液体 发温度的下降而升高，但在蒸发温度为 如膨胀阀选择合适的话， 缺点：需要用蒸发器的一部分面积产生 充注或液 一4"C时过热度仍可低于 3"C； 可 以在满负荷或部分负 过热；在本例中最大的蒸发温度只可能 体交叉充 液体交叉充注可以在低温下仍保持较 荷下稳定的工作。 达到一4℃，因此相对湿度就小于 70％ 注) 小的过热度，并且有减轻“振荡”的能力。 (空气温度为 3"C)；成本相对较高 热力膨胀 对过 热度的变化有 一 个相对较低 的响 同上 优点：控制相对来说比较稳定； 阀 (吸附 应时间，控制的稳定过热度可接近 2"C。 缺点：同上 充注) ww w. zh ul on g. co m 76 制冷与空调 2007年第 2期 型式 设计工况下工作情况 部分负荷下工作情况 优缺点 蒸发器出口过热度可以很低，但仍能稳 优点：蒸发器的过热区较小；蒸发温 电子膨胀 定调节，像超市陈列柜系统，负荷变化 一般来说在任何情况下 度不受过热度的限制，因而有可能实 阀 小，因此其调节性能与热力膨胀阀相 都能稳定的工作。 现比较高的相对湿度； 当。 缺点：成本有所增加。 4 结论 本文着重介绍了热力膨胀阀与电子膨胀阀控 制特性的差别，从制冷系统流量调节稳定性和过热 度控制原理以及瞬态反应特性等方面，分析了电子 膨胀阀的优点；并简要分析了电子膨胀阀在空调热 泵系统和陈列柜系统中的应用特点。 电子膨胀阀作为一种新型的控制元件，已成为 制冷系统智能化的重要环节，也是制冷系统优化得 以真正实现的重要手段和保证，被应用在越来越多 的领域中。电子膨胀阀的应用必将随着技术的进步 和发展而日趋成熟。 参考文献 [1】 田怀璋，朱瑞琪，刘星．电子膨胀阀技术综述[J】_流体 工程 ，2000(7)：1-5 [2】田怀璋、朱瑞琪．电子膨胀阀在制冷装置控制中的应用 [J】．流体工程，2000(8)：2-3 [3】S．A．Tassou，H_O．Ai-Nizar1．Investigation of the effects of thermostatic and electronic expansion valves on the steady-state an d transient perform an ce of commercial chillers[J】_Intemmional Journal Refi'igermion，1993，16 (1)：49-56 [4】Ciro Aprea，Rita mastrullo．Experimental evaluation of electronic and therm ostatic expan sion valves perfor- mancees using R22 and R407C [J】．Applied Thermal Engineering，2002(22)：205-218 [5】5 朱瑞琪．制冷装置自动化[M】，西安：西安交通大学出 版社，1995 [6】 冯军，孙宗鑫．膨胀阀对陈列柜内温度分布影响的对比 实验研究【J]，制冷空调与电力机械，2003(4)：6-8 [7】GG Maidment，J．E Missenden．Analysis ofthe expansion valves used for controlling refrigerant feed into delicatessen cabinets in supermarkets[J】，Joumal of Food Engineering，1999(4O)：47-58 (上接第 83页)不确定性和不完全性等，一般无 法获得精确的数学模型，因而在本章利用神经网络 控i riS,模糊控制的优点对冷水机组进行神经网络 智能解耦以及对己解耦的冷水机组和末端系统进 行模糊控制，以达到较好的控制效果。在上述的基 础上讨论了神经网络的收敛性问题和模糊控制比 例因子的设计原则。最后在 MATLAB的基础上进 行模拟仿真以检验智能解耦控制方法的合理性和 有效性。 参考文献 ⋯1 吴钢，王惠龄，胡兴华，等．制冷与空调，Vo1．5，No-3， June 2005 【2】赵瑞军，王先来，李维平．山西建筑，2005，31(1) 【3】陈杰甫，徐江．技术纵横 [41何斌，邹江峰，杜晓磊 ，等．湖北电力，2006，30(1) [5】5 於仲义．变水量空调系统智能解耦控制研究[DI．武汉： 华中科技大学，2004：41．54 ww w. zh ul on g. co m