發(fā)表的電子膨脹閥與熱力膨脹閥的性能對(duì)比試驗(yàn)研究.doc

電子膨脹閥與熱力膨脹閥的性能對(duì)比試驗(yàn)研究 梁彩華1，張小松1，巢龍兆2，劉一民2，藤滿清21、東南大學(xué)動(dòng)力工程系， 南京210096，2、常州愛斯特空調(diào)設(shè)備有限公司、，常州，摘 要：本文在風(fēng)冷螺桿熱泵機(jī)組上對(duì)電子膨脹閥與熱力膨脹閥進(jìn)行了機(jī)組性能的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：使用電子膨脹閥對(duì)比使用熱力膨脹閥，機(jī)組的制冷量和COP都有較明顯的提高。同時(shí)對(duì)蒸發(fā)器出口過熱度及其蒸發(fā)溫度對(duì)機(jī)組性能參數(shù)的影響進(jìn)行了定量的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明通過使用電子膨脹閥降低蒸發(fā)器出口過熱度、提高蒸發(fā)溫度對(duì)制冷系統(tǒng)參數(shù)的提高具有明顯作用。關(guān)鍵詞：電子膨脹閥熱力膨脹閥風(fēng)冷螺桿熱泵過熱度 蒸發(fā)溫度1前言 隨著人口的急劇增長(zhǎng)，能源問題日漸突出。制冷空調(diào)是消耗能源的大戶，這對(duì)制冷空調(diào)業(yè)提出了嚴(yán)峻的要求：降低能耗，提高能效、舒適性和可靠性。制冷裝置由四大部件：壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流機(jī)構(gòu)組成。隨著制冷空調(diào)行業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，壓縮機(jī)及其變頻技術(shù)，高效傳熱技術(shù)等。而作為四大部件之一的節(jié)流機(jī)構(gòu)卻未有太大的變化，直到新的節(jié)流技術(shù)，電子膨脹閥技術(shù)的出現(xiàn)。現(xiàn)在節(jié)流機(jī)構(gòu)普遍采用熱力膨脹閥，熱力膨脹閥是獨(dú)立于原有的制冷控制系統(tǒng)，單獨(dú)的作用于制冷系統(tǒng)，只是對(duì)原有控制系統(tǒng)被動(dòng)、機(jī)械式的反應(yīng)。由于熱力膨脹閥的結(jié)構(gòu)和工作原理限制：在設(shè)計(jì)選型時(shí)無法同時(shí)使系統(tǒng)在制冷和制熱情況下都處于最佳工作狀態(tài)。雖然電子膨脹閥與熱力膨脹閥在制冷系統(tǒng)中具有相同的作用，結(jié)構(gòu)上多種多樣，但在性能上，卻存在較大的差異1-7。目前熱力膨脹閥調(diào)節(jié)范圍普遍較窄，大多大型熱泵機(jī)組采用制冷模式與制熱模式獨(dú)立的膨脹閥系統(tǒng)，但這將增加系統(tǒng)的復(fù)雜性和制造成本。而電子膨脹閥可在10%100%的范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，可以適應(yīng)制冷系統(tǒng)的變化。對(duì)過熱度的設(shè)定值，熱力膨脹閥的過熱度一般由制造廠家在制造過程中設(shè)定，而電子膨脹閥的過熱度可根據(jù)產(chǎn)品的不同特性進(jìn)行人為設(shè)定，使用靈活，并且可以通過設(shè)定程序在系統(tǒng)工作過程中采取變過熱度控制。保證系統(tǒng)一直處于最佳過熱度。熱力膨脹閥的驅(qū)動(dòng)是利用了充注工質(zhì)的熱力特性，因此，其開閉的靈敏性和開閉動(dòng)作的速度都較慢。而電子膨脹閥的驅(qū)動(dòng)方式是控制器通過對(duì)傳感器采集得到的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并驅(qū)動(dòng)電子膨脹閥動(dòng)作。電子膨脹閥從全閉到全開狀態(tài)其用時(shí)僅需幾秒鐘，反應(yīng)和動(dòng)作速度快，尤其適合于工況波動(dòng)劇烈的熱泵機(jī)組上使用。電子膨脹閥在結(jié)構(gòu)上可視為節(jié)流機(jī)構(gòu)與電磁閥的有機(jī)結(jié)合，通過控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可根據(jù)不同產(chǎn)品特性，在機(jī)組啟動(dòng)、負(fù)載變化、除霜、停機(jī)以及故障保護(hù)等情況下體現(xiàn)其控制功能的多樣性和優(yōu)越性，比如：以蒸發(fā)壓力作為目標(biāo)控制參數(shù)以保證恒定的蒸發(fā)溫度；在熱氣除霜時(shí)控制蒸發(fā)器壓力實(shí)現(xiàn)顯熱除霜等8。由此可見，電子膨脹閥與熱力膨脹閥相比，在控制性能和特性上比熱力膨脹閥更具有優(yōu)越性，但這只是從結(jié)構(gòu)和原理上定性的分析，為了從定量上驗(yàn)證電子膨脹閥的節(jié)能效果，作者進(jìn)行了熱力膨脹閥與電子膨脹閥的整機(jī)性能對(duì)比試驗(yàn)，以試驗(yàn)驗(yàn)證電子膨脹閥的優(yōu)越性。2試驗(yàn)研究2.1 試驗(yàn)裝置風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用靈活，維護(hù)方便、所占空間少在我國(guó)南方以及長(zhǎng)江流域得到了廣泛的應(yīng)用。螺桿式風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組和活塞式風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組相比，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、零件少、可靠性高，沒有進(jìn)排氣閥組，壓縮效率高，相同制冷量的情況下，體積小重量輕，能承受一定的液擊，可以實(shí)現(xiàn)中間補(bǔ)氣的經(jīng)濟(jì)器循環(huán)，進(jìn)一步提高壓縮機(jī)效率，能量可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)。因此筆者選用螺桿式風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組作為試驗(yàn)對(duì)象很具有代表意義。作者在常州愛斯特空調(diào)設(shè)備有限公司生產(chǎn)的風(fēng)冷螺桿熱泵冷熱水機(jī)組RSF160M基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，研制出試驗(yàn)樣機(jī)。樣機(jī)系統(tǒng)流程圖如下圖一所示： 圖一、利用電子膨脹閥的風(fēng)冷螺桿熱泵冷熱水機(jī)組系統(tǒng)流程圖從上面的系統(tǒng)流程圖可以看出：整個(gè)機(jī)組系統(tǒng)流程與一般的風(fēng)冷螺桿熱泵系統(tǒng)流程類似。該風(fēng)冷熱泵系統(tǒng)主要由螺桿壓縮機(jī)，空氣側(cè)換熱器，節(jié)流閥，水側(cè)換熱器及其輔助部件組成。其中用電子膨脹閥代替了傳統(tǒng)系統(tǒng)中的節(jié)流元件熱力膨脹閥。同時(shí)為了進(jìn)行與熱力膨脹閥的對(duì)比性實(shí)驗(yàn)，在與電子膨脹閥并行處并聯(lián)了一個(gè)熱力膨脹閥，在實(shí)際系統(tǒng)工作時(shí)，二者只有一個(gè)工作，即不同時(shí)起作用。電子膨脹閥與熱力膨脹閥并聯(lián)在系統(tǒng)中的實(shí)物圖如下圖二 圖二 電子膨脹閥及熱力膨脹閥并聯(lián)實(shí)物圖實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的組成部件及其主要參數(shù)如下：1、 選用德國(guó)BITZER的CSH7551-70型螺桿式壓縮機(jī)。2、 冷凝器為翅片管式、風(fēng)冷，采用愛斯特空調(diào)設(shè)備有限公司的成熟產(chǎn)品風(fēng)冷螺桿熱泵冷熱水機(jī)組RSF160M上的風(fēng)冷冷凝器。3、 蒸發(fā)器為殼管式水冷干式換熱器，冷媒水走殼程，制冷劑走管程。采用RSF160M上的原有的殼管式換熱器。4、 選用ALCO公司的EX7-U21型電子膨脹閥，該閥采用24V電源供電，雙相雙極步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)頻率為330脈沖/秒，該閥從全閉到全開步數(shù)為1600個(gè)脈沖。5、 為了了解和掌握機(jī)組制冷、制熱系統(tǒng)在穩(wěn)定工況和啟動(dòng)、變工況運(yùn)行特性，在整機(jī)性能測(cè)試的同時(shí)，還另外加裝了一套溫度、壓力的測(cè)試系統(tǒng)，分別在壓縮機(jī)的入口，出口，冷凝器的入口，出口，蒸發(fā)器入口，出口各安裝了測(cè)溫點(diǎn)、測(cè)壓點(diǎn)，一般一個(gè)測(cè)壓點(diǎn)附近就對(duì)應(yīng)一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，但在蒸發(fā)器入口因?yàn)榇它c(diǎn)溫度的不穩(wěn)定性就只安裝測(cè)壓點(diǎn)，由這些側(cè)點(diǎn)所測(cè)得的參數(shù)我們可以分析整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行情況。我們溫度的測(cè)量是采用鉑電阻的溫度變送器，壓力測(cè)量是采用壓力變送器，將溫度，壓力信號(hào)統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為4至20毫安的電流信號(hào)，再通過數(shù)據(jù)采集儀和計(jì)算機(jī)將所測(cè)的各點(diǎn)的瞬時(shí)值轉(zhuǎn)化為溫度，壓力值并記錄保存下來，同時(shí)還自動(dòng)將它們生成曲線。2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)介紹1、系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái) 對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行整機(jī)性能測(cè)試工作是在愛斯特公司原有的空調(diào)整機(jī)性能測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行的。該風(fēng)冷熱泵性能測(cè)試臺(tái)是由合肥通用機(jī)械研究所于2000年設(shè)計(jì)并建成的，其測(cè)試方法、儀器儀表配置和測(cè)試精度等都完全符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此具有良好的測(cè)試與控制精度。測(cè)試系統(tǒng)如圖三所示：圖三、系統(tǒng)性能測(cè)試臺(tái)原理流程從圖三可以看出，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)由兩部分組成，一部分是被試機(jī)所處的環(huán)境控制系統(tǒng)，這部分通過控制空氣處理段中蒸汽加濕段，表冷降溫段，除濕段，加熱段就可以將被試機(jī)所處的測(cè)試環(huán)境調(diào)節(jié)到我們所需的各種工況。當(dāng)環(huán)境空氣中的濕度太低時(shí)，蒸汽加濕段通過噴蒸汽可以提高被處理空氣中的濕度，表冷降溫段是冷凍水通過表冷器與被處理空氣進(jìn)行熱交換，將空氣溫度降到所要求的水平。除濕段作用是當(dāng)空氣中的濕度高于要求水平時(shí)，通過壓縮冷凝機(jī)組的蒸發(fā)器來降溫除濕。加熱段的作用當(dāng)所處理的空氣溫度低于要求水平時(shí)，外加熱水通過熱交換器將空氣溫度加熱到所要求值。根據(jù)實(shí)際情況控制使用各處理段來為冷水機(jī)組提供不同的運(yùn)行環(huán)境。這樣測(cè)試環(huán)境的溫度濕度就能很好的保證。另一部分是被試機(jī)的冷凍水回路，通過控制三通閥的開度來調(diào)節(jié)冷水和混合水的比例，控制被試機(jī)的冷凍水進(jìn)水溫度；通過采用變頻水泵，調(diào)節(jié)水泵供電頻率即改變水泵的轉(zhuǎn)速來控制冷凍水流量；通過控制被試機(jī)的冷凍水流量和三通閥的開度可以控制被試機(jī)冷凍水的出水溫度。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)既可全自動(dòng)調(diào)節(jié)，還可輔以人工干預(yù)調(diào)節(jié)以加快調(diào)節(jié)進(jìn)程，通過計(jì)算機(jī)整個(gè)測(cè)試過程可以完全監(jiān)控，同時(shí)還可對(duì)將系統(tǒng)瞬間采樣的各種數(shù)據(jù)以文件的形式記錄下來，并能夠在計(jì)算機(jī)中自動(dòng)生成曲線。這樣既可直觀的反映樣機(jī)測(cè)試的整個(gè)過程，同時(shí)還可記錄整個(gè)過程所有數(shù)據(jù)以便試驗(yàn)后進(jìn)行分析。測(cè)試系統(tǒng)可測(cè)控的數(shù)據(jù)有：被試機(jī)的進(jìn)水溫度，出水溫度，環(huán)境側(cè)進(jìn)風(fēng)干球溫度，進(jìn)風(fēng)濕球溫度，被試機(jī)的冷凍水流量，被試機(jī)的制冷量，被試機(jī)的輸入功率。其中被試機(jī)的制冷量是由所測(cè)的的被試機(jī)的進(jìn)水溫度與出水溫度的差值再乘以冷凍水的流量得來。測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)量的情況有：定被試機(jī)冷凍水進(jìn)水溫度，冷凍水出水溫度，變被試機(jī)的冷凍水流量下的各種工況；定被試機(jī)冷凍水進(jìn)水溫度，冷凍水流量，變被試機(jī)出水溫度下的各種工況；定被試機(jī)冷凍水出水溫度，冷凍水流量，變被試機(jī)冷凍水進(jìn)水溫度下的各種工況。這樣，良好的測(cè)試條件和手段為作者試驗(yàn)提供了可靠的保證。3、試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果3.1、電子膨脹閥的實(shí)際節(jié)能效果實(shí)驗(yàn)通過對(duì)系統(tǒng)不斷的優(yōu)化和完善，作者開發(fā)出了基于模糊控制的控制算法和控制邏輯的電子膨脹閥控制系統(tǒng)，該控制算法和邏輯保證了機(jī)組在各種不同工況下都能穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)同一測(cè)試環(huán)境溫度、在同一制冷系統(tǒng)上（樣機(jī)并聯(lián)裝有一個(gè)熱力膨脹閥和一個(gè)電子膨脹閥），分別使用電子膨脹閥和熱力膨脹閥作為節(jié)流裝置。通過大量的試驗(yàn)表明，使用電子膨脹閥系統(tǒng)（電子膨脹閥作為節(jié)流機(jī)構(gòu)）比使用熱力膨脹閥系統(tǒng)（熱力膨脹閥作為節(jié)流機(jī)構(gòu)）機(jī)組的COP和制冷量有明顯的提高，具體數(shù)據(jù)見下表一：表一 電子膨脹閥與熱力膨脹閥對(duì)機(jī)組性能的影響電子膨脹閥系統(tǒng)/熱力膨脹閥系統(tǒng)COP 制冷量環(huán)境溫度40 4.9% 6.4%環(huán)境溫度35 6.2% 7.3%環(huán)境溫度30 4.7% 6.6%環(huán)境溫度25 5.0% 7.2%由表一看出：在同一的測(cè)試環(huán)境溫度下，使用電子膨脹閥系統(tǒng)比熱力膨脹閥系統(tǒng)的COP高出4.7%以上，而制冷量高出6.4以上?？梢婋娮优蛎涢y在制冷系統(tǒng)中應(yīng)用比熱力膨脹閥具有較大優(yōu)勢(shì)，使機(jī)組的能效比和制冷量都有較大的提高，節(jié)約能源，減少能源消耗。同時(shí)電子膨脹閥所具有的特性：響應(yīng)快，精度高等特點(diǎn)在試驗(yàn)中得到充分體現(xiàn)，使得空調(diào)的舒適性大大提高。這正好滿足了當(dāng)今空調(diào)發(fā)展的趨勢(shì)節(jié)能和舒適。3.2、過熱度對(duì)系統(tǒng)性能的影響分析電子膨脹閥和熱力膨脹閥的作用機(jī)理和過程，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行工況下，電子膨脹閥的優(yōu)越性在于可以將蒸發(fā)器的過熱度控制在更低的水平，并保證系統(tǒng)安全運(yùn)行。制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)換熱可以分為兩相換熱區(qū)和過熱蒸汽換熱區(qū)，在兩相換熱區(qū)內(nèi)制冷劑進(jìn)行的是相變換熱，換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于在過熱蒸汽換熱區(qū)的換熱系數(shù)。因此對(duì)某一蒸發(fā)器當(dāng)兩相換熱區(qū)越長(zhǎng)時(shí)（即過熱蒸汽換熱區(qū)越短）時(shí)，蒸發(fā)器的整體換熱量就越大，即可以增大制冷（熱）量。所以蒸發(fā)器的出口過熱度越小，說明蒸發(fā)器的換熱面積越得到充分利用，系統(tǒng)制冷量和能效比將有較大提高。在標(biāo)況下(環(huán)境溫度35)，對(duì)采用電子膨脹閥的樣機(jī)，作者通過調(diào)節(jié)控制器進(jìn)行了一系列不同蒸發(fā)器出口過熱度的試驗(yàn)，蒸發(fā)器出口設(shè)定過熱度從10到2。系統(tǒng)制冷量、COP及其輸入功率的變化如下圖四所示： 圖四 對(duì)應(yīng)不同過熱度系統(tǒng)制冷量、COP及輸入功率相對(duì)變化圖從圖四中可以看出：相對(duì)于樣機(jī)以蒸發(fā)器出口設(shè)定過熱度為10時(shí)的穩(wěn)定運(yùn)行的系統(tǒng)制冷量、COP和輸入功率，在蒸發(fā)器出口設(shè)定過熱度分別為8，6，4,2時(shí)，隨著過熱度的減小三個(gè)參數(shù)都有增加。從圖上看出，樣機(jī)蒸發(fā)器出口設(shè)定過熱度從10度變?yōu)?度時(shí)，系統(tǒng)制冷量增加了13.4%，COP值增加了9.3%，而同期樣機(jī)的輸入功率只增加4%?？梢娡ㄟ^降低蒸發(fā)器出口過熱度對(duì)系統(tǒng)的性能參數(shù)有較大的提高。同時(shí)從圖上也可以看出當(dāng)蒸發(fā)器出口過熱度從10變?yōu)?時(shí)，樣機(jī)的制冷量、COP和輸入功率都有較大的增加。而蒸發(fā)器過熱度從6變化到2時(shí)，樣機(jī)的制冷量、COP的增加幅度減小，同時(shí)可以看出這時(shí)樣機(jī)的輸入功率幾乎沒有增加。所以從這試驗(yàn)可以看出，隨著蒸發(fā)器出口過熱度的減小，制冷系統(tǒng)的制冷量、COP是不斷增大的。但增大的幅度變小。同時(shí)當(dāng)過熱度到一定程度時(shí)，隨著過熱度再減小，系統(tǒng)的輸入功率變化不大。但這時(shí)系統(tǒng)的制冷量和COP將仍有較大增加。這試驗(yàn)說明，電子膨脹閥通過將蒸發(fā)器出口過熱度控制在較低水平能是蒸發(fā)器的換熱面積得到充分發(fā)揮，使系統(tǒng)的性能大大提高，節(jié)約能源。3.3蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)性能影響由制冷系統(tǒng)循環(huán)可知，蒸發(fā)溫度的變化對(duì)系統(tǒng)的性能參數(shù)有著較大的影響。電子膨脹閥的控制目標(biāo)參數(shù)不僅僅可以是蒸發(fā)器的出口過熱度，同時(shí)還可以對(duì)蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度進(jìn)行控制。這一點(diǎn)熱力膨脹閥無法做到。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（環(huán)境溫度為35），樣機(jī)在不同的蒸發(fā)溫度運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)性能參數(shù)的變化如下圖五所示： 圖五 不同蒸發(fā)溫度的制冷量及COP的相對(duì)變化從圖五中可以看出：以蒸發(fā)溫度2.5時(shí)樣機(jī)的制冷量和COP值為參考，蒸發(fā)溫度升高1為3.5時(shí)，樣機(jī)的COP增加了3.4%，制冷量增加了5.7%。而蒸發(fā)溫度降低1為1.5時(shí)，樣機(jī)的COP減少了3.8%，而制冷量減少了5.2%。這試驗(yàn)表明蒸發(fā)溫度1的變化將使系統(tǒng)的制冷量提高5%以上。驗(yàn)證了通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)器出口過熱度，提高蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)制冷量和COP的改善是很顯著的。而這一切通過使用電子膨脹閥作為節(jié)流機(jī)構(gòu)都很能容易的實(shí)現(xiàn)。卻是熱力膨脹閥不太可能實(shí)現(xiàn)的。4、總結(jié)電子膨脹閥的出現(xiàn)將引起制冷控制系統(tǒng)革命性的變化，其所具有的優(yōu)越性必將使其取代熱力膨脹閥。電子膨脹閥的引入為制冷系統(tǒng)的各種節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行提供了條件，制冷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了真正的整體控制，制冷系統(tǒng)的機(jī)電一體化程度將大大提高。作者通過在具有典型意義的風(fēng)冷螺桿熱泵機(jī)組上進(jìn)行電子膨脹閥與熱力膨脹閥的對(duì)比試驗(yàn)表明：電子膨脹閥優(yōu)越于熱力膨脹閥的控制性能和特點(diǎn)在試驗(yàn)中得到充分體現(xiàn)，同時(shí)在制冷系統(tǒng)的整體性能參數(shù)上電子膨脹閥系統(tǒng)具有明顯的提高：1、 通過一系列環(huán)境溫度測(cè)試表明：在同一的測(cè)試環(huán)境溫度下，使用電子膨脹閥系統(tǒng)比熱力膨脹閥系統(tǒng)的COP高出4.7%以上，而制冷量高出6.4以上。2、 通過蒸發(fā)器不同出口溫度試驗(yàn)表明：隨著蒸發(fā)器出口過熱度的減小，制冷系統(tǒng)的制冷量、COP是不斷增大的。但增大的幅度變小。同時(shí)當(dāng)過熱度到一定程度時(shí)，隨著過熱度再減小，系統(tǒng)的輸入功率變化不大。但這時(shí)系統(tǒng)的制冷量和COP將仍有較大增加。3、 通過不同的蒸發(fā)溫度試驗(yàn)表明：蒸發(fā)溫度1度的變化將使系統(tǒng)的制冷量提高5%以上，驗(yàn)證了通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)器出口過熱度，提高蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度對(duì)系統(tǒng)的制冷量和COP的改善是很顯著的。 參考文獻(xiàn)1談磊,陸震,范林.風(fēng)冷式熱泵機(jī)組應(yīng)用中電子膨脹閥與熱力膨脹閥的比較,制冷技術(shù),2001,(4):22-24.2孫文哲,周永明,陳芝久,等.膨脹閥性能對(duì)比的實(shí)驗(yàn)研究,流體機(jī)械,1998,28(8):51-54.3ItohH.,Imporvement of a aheat pump room air-con-ditioner by use of pulse-motor-