空調(diào)系統(tǒng)中電子膨脹閥的性能及應(yīng)用研究

劉 芳

（中國電器科學(xué)研究院股份有限公司 廣州 510300）

引言

電子膨脹閥在控制器內(nèi)部算法的運(yùn)用下，結(jié)合執(zhí)行器動(dòng)作即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作參數(shù)的精確采集與控制。采集的參數(shù)中，通常包含壓力型與溫度型，前者將回氣溫度與壓力作為采集對象，在驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部計(jì)算下能將飽和蒸發(fā)溫度獲取，從而完成回氣過熱度的計(jì)算。而后者主要是對膨脹閥后溫度與回氣溫度采集，從而完成過熱度的計(jì)算。驅(qū)動(dòng)器以過熱度大小為根據(jù)，能對膨脹閥開度實(shí)現(xiàn)精確控制。電子膨脹閥與壓縮機(jī)變頻的結(jié)合，通過電子膨脹閥開度的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)回氣溫度的控制，有利于機(jī)電結(jié)合與節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，完成智能化空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 應(yīng)用電子膨脹閥的優(yōu)勢

電子膨脹閥在空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)，能自動(dòng)調(diào)節(jié)制冷劑流量，確?？照{(diào)系統(tǒng)能夠始終維持最佳運(yùn)行工況，可加快制冷速度、精確控制溫度，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

電子膨脹閥只負(fù)責(zé)計(jì)算傳感器參數(shù)，控制則交由控制器負(fù)責(zé)，因此反應(yīng)與速度相當(dāng)顯著，僅需幾秒就能完成全閉與全開的過程[1]。熱力膨脹閥控制器響應(yīng)動(dòng)作速度略顯不足，且極易引起振蕩，主要是因?yàn)楦袦匕鼰岫栊耘c傳熱過程只有在一定時(shí)間過后才能完成。應(yīng)用電子膨脹閥時(shí)，結(jié)合程序或存貯器完成目標(biāo)過熱度的設(shè)定，可面向制冷（制熱）等情況合理進(jìn)行過熱度的設(shè)置，有利于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的提高。而熱力膨脹閥控制器中，主要由預(yù)緊力負(fù)責(zé)過熱度目標(biāo)的設(shè)定，且無法自行調(diào)節(jié)。同時(shí)，電子膨脹閥控制器中，溫度傳感器屬于單一的關(guān)聯(lián)對象，相比熱力膨脹閥而言能更簡便的安裝、調(diào)試，加之省去了專設(shè)安全保護(hù)裝置的緣故，在控制壓縮機(jī)排氣溫度的基礎(chǔ)上即可避免排氣溫度上升，此時(shí)能夠消除會(huì)對系統(tǒng)構(gòu)成影響的因素，從而實(shí)現(xiàn)更高的能效。

2 電子膨脹閥性能分析

2.1 性能分析準(zhǔn)備

本文以家用變頻空調(diào)（3 200 W）為對象展開對比試驗(yàn)?？照{(diào)系統(tǒng)上裝置電子膨脹閥與毛細(xì)管節(jié)流機(jī)構(gòu)切換裝置，兩者之間僅有節(jié)流機(jī)構(gòu)方面存在差異，其他要求完全一致。選擇同一試驗(yàn)臺(tái)連續(xù)開展本實(shí)驗(yàn)，可將實(shí)驗(yàn)中不同因素引起的誤差規(guī)避，能夠獲取更具準(zhǔn)確性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中，電子膨脹閥為方案A、毛細(xì)管為方案B。

毛細(xì)管節(jié)流系統(tǒng)裝置中，其長度、管徑吻合系統(tǒng)需求的制冷能力，在功率和工況維持額定的前提下，確保能夠達(dá)到3 200 W的額定制冷量與3 800 W的額定制熱量；電子膨脹閥節(jié)流裝置中，由于參照了優(yōu)化控制原則的緣故，故而能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，可使系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)始終維持最佳。本次實(shí)驗(yàn)中，是以GB/T 7725中有關(guān)變頻空調(diào)的性能測試指標(biāo)要求為根據(jù)設(shè)計(jì)的測試項(xiàng)目。本次制冷和制熱試驗(yàn)中，主要選取額定制冷方面的數(shù)據(jù)展開對比。

2.2 制冷、制熱性能

兩個(gè)系統(tǒng)中，在設(shè)計(jì)工況額定頻率下，具有基本相同的節(jié)流特征和能力。如果與設(shè)計(jì)工況額定功率有一定差異，電子膨脹閥能實(shí)現(xiàn)供液量的自動(dòng)調(diào)節(jié)，具有比毛細(xì)管系統(tǒng)明顯更優(yōu)秀的控制方式[2]。從變頻空調(diào)能力方面來看，正常工作環(huán)境條件下，電子膨脹閥明顯高出毛細(xì)管。負(fù)荷劇烈變化的工況下，電子膨脹閥體現(xiàn)的節(jié)能性能更優(yōu)異。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 額定制冷、制熱性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 能效對比

以GB/T 7725中計(jì)算方法為根據(jù)展開SEER的計(jì)算，對比兩者實(shí)際情況基本沒有太大的差異，但電子膨脹閥節(jié)流高出毛細(xì)管約1.7 %；以該標(biāo)準(zhǔn)中的計(jì)算方法為根據(jù)展開HSPF的計(jì)算，電子膨脹閥節(jié)流高出毛細(xì)管約1.6 %。

結(jié)合上述數(shù)據(jù)，對比分析全年能耗消耗效率（APF），處于額定工況下時(shí)，兩者之間基本沒有性能差異，處于低頻、高頻或負(fù)荷變化相當(dāng)劇烈的工況下，電子膨脹閥具有更明顯的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的控制。以額定頻率及工況為參照，額定區(qū)域附近，兩者之間擁有基本一致的效果。變頻空調(diào)運(yùn)行頻率如果超出額定區(qū)域，此時(shí)毛細(xì)管不能滿足流量調(diào)節(jié)范圍的要求，但電子膨脹閥卻能更準(zhǔn)確、迅速的響應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)供液量的及時(shí)調(diào)節(jié)，即便處于負(fù)荷劇烈變化的工況下，同樣能將調(diào)節(jié)振蕩的情況規(guī)避。具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 SEER、APF數(shù)據(jù)

3 電子膨脹閥控制方法

3.1 溫度式控制方法

系統(tǒng)過熱度大致參照兩溫度的差，同時(shí)將其作為電子膨脹閥的控制參數(shù)；制冷過熱度為ts-te，表示室內(nèi)蒸發(fā)器中央溫度對比吸氣溫度時(shí)兩者之間相差的數(shù)值；制熱過熱度ts-tc，表示室外冷凝器中央溫度對比吸氣溫度時(shí)兩者之間相差的數(shù)值。

3.2 壓力式控制方法

過熱度ts-tps中，通過計(jì)算獲取的數(shù)值是控制電子膨脹閥時(shí)使用的主要參數(shù)，式中的tps代表制冷劑飽和溫度，是與吸氣壓力ps相對應(yīng)數(shù)值，也可以認(rèn)為過熱度是吸入溫度與飽和溫度之間相差的數(shù)值。

3.3 兩種方法對比

前一種控制方式安裝簡便，由于未涉及壓力轉(zhuǎn)化到飽和溫度的過程，因此能更快的響應(yīng)。但是該方法中，過熱度與系統(tǒng)實(shí)際過熱度有一定差異的緣故，難免會(huì)有誤差存在[3]；后一種控制方式中，計(jì)算得到的過熱度基本符合實(shí)際過熱度，然而在回路中有必要進(jìn)行壓力傳感器的追加，且程序控制中飽和溫度AD轉(zhuǎn)換變的追加也是必不可少的，此時(shí)會(huì)支出更多成本。

在對兩種方法妥當(dāng)性進(jìn)行研究時(shí)，維持額定制冷條件，記錄膨脹閥各個(gè)開度時(shí)的過熱度。當(dāng)膨脹閥開度變更，且過熱度變化時(shí)，兩種方法計(jì)算獲取的過度熱之間之間存在大約3 ℃的差值。結(jié)合大量實(shí)踐結(jié)果得知，該差值雖然面向不同本體時(shí)有一定差異，但基本都是恒定的。所以，通過一定補(bǔ)償，溫度式控制方法便能將壓力式控制方法順利取代。

4 空調(diào)系統(tǒng)中電子膨脹閥的應(yīng)用

4.1 降低制冷劑噪聲

毛細(xì)管節(jié)流過程中，當(dāng)制冷劑出現(xiàn)了不同狀態(tài)后，毛細(xì)管引起的振動(dòng)會(huì)向冷凝器中傳輸，此時(shí)會(huì)有間斷性且無法避免和消除的刺耳噪聲出現(xiàn)，為了減弱噪音基本會(huì)采取添加隔音棉或包阻尼塊等方式，然而也無法取得理想的效果。通過電子膨脹閥節(jié)流的應(yīng)用，不僅安裝穩(wěn)定、固定，同時(shí)支持快速調(diào)節(jié)流量，可將制冷劑噪聲抑制[4]。然而，電子膨脹閥具有相當(dāng)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，實(shí)際應(yīng)用中難免也會(huì)有電磁聲、嘯叫聲等噪音問題產(chǎn)生，與結(jié)構(gòu)單一的毛細(xì)管相比，電子膨脹閥更有可能出現(xiàn)噪聲問題，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要酌情考慮。

4.2 優(yōu)化低溫能力、防凝露

GB 21455-2013 房間空調(diào)器能效標(biāo)準(zhǔn)中，在劃分能效等級(jí)時(shí)參照的指標(biāo)為全年能源消耗效率（APF），面向空調(diào)器進(jìn)一步提高了低溫下的性能要求?？照{(diào)系統(tǒng)低溫測試中，通過電子膨脹閥開度調(diào)節(jié)的應(yīng)用，能使空調(diào)器除霜后的能力實(shí)現(xiàn)大幅提升，短時(shí)間內(nèi)能促進(jìn)能力值的提高。而在變頻空調(diào)器中，普遍存在凝露這一問題，會(huì)對用戶生活及工作構(gòu)成嚴(yán)重影響。空調(diào)設(shè)計(jì)初期便考慮了凝露預(yù)防問題，但實(shí)際使用中依舊會(huì)出現(xiàn)。通過毛細(xì)管節(jié)流的系統(tǒng)，可支持調(diào)節(jié)的范圍與幅度相對偏小，會(huì)限制整改手段。而電子膨脹閥系統(tǒng)中，通過優(yōu)化開度的利用，在對過熱度調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，即可將凝露問題改善。

4.3 優(yōu)化除霜能力

將電子膨脹閥應(yīng)用于空調(diào)系統(tǒng)中，最佳開度運(yùn)行下開始制熱時(shí)，，進(jìn)入除霜條件，以制冷模式取代四通閥，為使制冷劑流量增加，膨脹閥會(huì)迅速向除霜開度調(diào)整，此時(shí)能將除霜工作更迅速的完成。待完成了除霜之后，此時(shí)四通閥會(huì)立即轉(zhuǎn)向，從而迅速恢復(fù)制熱能力，此時(shí)膨脹閥開度恢復(fù)為除霜前[5]。面向不同階段對除霜工作展開細(xì)分，設(shè)定不同的壓縮機(jī)頻率、膨脹閥開度值，此時(shí)能取得更顯著的除霜效果。

4.4 變頻空調(diào)器最適化性能應(yīng)用

優(yōu)化設(shè)計(jì)電子膨脹閥開度，控制其能隨著頻率的變化而變化，此時(shí)便能保證系統(tǒng)維持最佳的運(yùn)行狀態(tài)?，F(xiàn)有的家用變頻空調(diào)系統(tǒng)中，此項(xiàng)技術(shù)已完全覆蓋了一、二級(jí)的系統(tǒng)。具體應(yīng)用中，部分廠家通過表格式的運(yùn)用膨脹閥開度和對應(yīng)頻率，同時(shí)在過熱度的配合下通過補(bǔ)正完成膨脹閥具體開度的確定。也有部分廠家將過熱度作為單一參數(shù)調(diào)節(jié)開度，或是參考?jí)嚎s機(jī)排氣溫度對開度展開合理調(diào)節(jié)。而任意方法的使用，皆是以最適化的流量為目的，尤其是膨脹閥控制器應(yīng)用于制冷中間性能時(shí)，能發(fā)揮至關(guān)重要的優(yōu)化作用，此時(shí)空調(diào)器能實(shí)現(xiàn)明顯更可觀的SEER值。

5 結(jié)語

綜上所述，電子膨脹閥有利于能效的提高，是組成智能化制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵成分之一。隨著國家節(jié)能環(huán)保政策的不斷推行，有關(guān)空調(diào)能效方面的要求也更加嚴(yán)格，為了響應(yīng)國家號(hào)召，以變頻空調(diào)系統(tǒng)為代表的空調(diào)系統(tǒng)中，進(jìn)一步普及了電子膨脹閥的應(yīng)用。而在當(dāng)前綠色節(jié)能環(huán)保發(fā)展的目標(biāo)下，有關(guān)電子膨脹閥控制研究工作的開展中，也逐漸以高效能、多功能、快響應(yīng)的控制當(dāng)作主要的研究方向。