兩種膨脹閥在自攜式冷柜的能效影響因素研究

黃凱達

（開利空調(diào)冷凍研發(fā)管理（上海）有限公司，上海 200130）

0 引言

與熱力膨脹閥（Thermal Expansion Valve，TEV）相比，電子膨脹閥（Electronic Expansion Valve，EXV）具有非常顯著的優(yōu)越性：調(diào)節(jié)精度高、調(diào)節(jié)范圍大、過熱度波動小，節(jié)能效果好[1]。從2014年到2017年EXV的復(fù)合增長率達到了14%，超過TEV的10%[2]。除了部分自攜式的制冷設(shè)備使用毛細管外，TEV是商用冷凍市場上使用最多的產(chǎn)品[2]。行業(yè)對于EXV和TEV在各種制冷設(shè)備上做了很多關(guān)于降溫速度和能效的實驗對比研究。比如在低溫實驗臺中對比EXV不同開度下的降溫速率[3-4]；在陳列柜進行EXV不同開度下的降溫速率實驗[5]、能效對比[6-7]；在覆疊式制冷系統(tǒng)中測試兩種節(jié)流裝置在同工況和變工況的降溫速度、最低蒸發(fā)溫度和能效[8]。這些實驗說明了EXV在不同開度，對降溫速率及終溫均有影響[4]；EXV有比較大的溫度調(diào)節(jié)范圍[5]，EXV與TEV相比，可減少過熱度，節(jié)能20%～25%[6-9]；EXV降溫速度更快，蒸發(fā)溫度和能效更高[10]。在風(fēng)冷熱泵中，EXV的優(yōu)勢體現(xiàn)在反應(yīng)速度和控制功能的多樣性[10]；在不同的進水溫度，EXV有最佳的開度[11]。在控制方面，EXV以一種可按預(yù)設(shè)程序進行制冷劑流量調(diào)節(jié)，保證吸氣過熱度在最小穩(wěn)態(tài)過熱度上，始終保持系統(tǒng)在高效節(jié)能的工況下[12]；利用帶死區(qū)的積分分離PID控制策略，通過測量蒸發(fā)溫度來決定最小穩(wěn)態(tài)過熱度的值[13]；模糊PID對吸氣過熱度控制效果好，超調(diào)量小，可在過熱度±0.3 ℃范圍內(nèi)波動[14]。

綜上所述，EXV功耗低、能效高的根本原因在于過熱度更小，蒸發(fā)溫度更高，而其他方面的原因分析和解釋較少，影響EXV節(jié)能的原因是否跟其他因素有關(guān)需要進一步研究和分析。為了對EXV與TEV在降溫對比方面有一個更客觀的認識，本文改造了一臺自攜式臥式冷柜，搭建兩種節(jié)流裝置并比較降溫過程，對比兩種節(jié)流裝置的過熱度調(diào)節(jié)速度、降溫速度、蒸發(fā)溫度和功耗，并分析原因。

1 EXV和TEV的特性對比

EXV由于沒有靜態(tài)過熱度，可以將蒸發(fā)器的過熱度控制在最小范圍內(nèi)，提高制冷系數(shù)。制冷設(shè)備存在不同負載下的最小穩(wěn)態(tài)過熱度（Minimum Stable Superheat，MSS）。當過熱度小于所需的MSS時，過熱度會很快下降[15]，系統(tǒng)進入不穩(wěn)定區(qū)。相反，如果過熱度大于MSS且偏離較大時，則過熱度偏大，蒸發(fā)器利用率偏低，不利于能效的提升。表1是EXV和TEV的特性對比。

表1 膨脹閥的特性對比

本文將研究當達到同樣的蒸發(fā)溫度和最小穩(wěn)態(tài)過熱度時，對比過熱度調(diào)節(jié)速度、降溫速度、蒸發(fā)溫度和功耗，分析影響EXV能效的關(guān)鍵因素。

2 實驗設(shè)計

為了對比兩種膨脹閥的特性，本實驗采用一臺市場占有率較高的自攜式低溫臥式食品冷柜[16-17]，在冷柜的節(jié)流管路上改為EXV和TEV并聯(lián)的形式，通過電磁閥的切換來進行對比測試。選用知名品牌1.3口徑步進式EXV，最大500脈沖；同品牌電壓型壓力傳感器，量程0～2 MPa，綜合精度±0.8%；溫度傳感器采用5 K，精度為±0.3 ℃（25 ℃）；配套同品牌EXV控制器（簡稱控制器）。而TEV采用知名品牌的內(nèi)平衡式進行自動調(diào)節(jié)。其他零部件均為原廠配置。本文用的EXV方案中單體零部件精度較高，但是疊加之后過熱度控制精度存在誤差，特別是壓力傳感器存在壓力和溫度值轉(zhuǎn)換的問題。

實驗設(shè)計如圖1所示，冷柜放入焓差實驗室內(nèi)。環(huán)溫設(shè)定并為25 ℃±1 ℃，相對濕度為60%±5%[18]。利用監(jiān)控設(shè)備在冷柜從開機到停止的過程對吸氣壓力、吸氣溫度、蒸發(fā)溫度、柜溫、功率等數(shù)據(jù)進行采集，周期為10 s。設(shè)定目標溫度-25 ℃，目標過熱度9 ℃（MSS），制冷劑為R404A。EXV采用吸氣過熱度控制模式，控制器連接壓縮機、壓力傳感器、溫度傳感器、通訊輸出等。當壓縮機啟動時，控制器采用PID算法，按照設(shè)定參數(shù)自動運算對吸氣過熱度進行控制。測試中冷柜無負載并關(guān)閉柜門，達到溫度后自動停機。

圖1 測試監(jiān)控信息

3 實驗結(jié)果對比分析

3.1 柜溫對比

圖2所示為EXV與TEV在同等工況和條件下，冷柜冷啟動的降溫過程?？梢钥闯?，把冷柜從環(huán)溫25 ℃左右降溫到-25 ℃時，EXV的降溫速度明顯好于TEV。EXV的降溫時間為32 min，TEV為58 min，速度提高了44%。

圖2 降溫速度隨時間的變化

3.2 過熱度對比

圖3 所示為兩種不同節(jié)流元件隨著時間的推移，過熱度（Superheat，SH）的對比。系統(tǒng)冷起動后SH會超過25 ℃，然后隨時間下降。從圖中分析EXV的初期SH呈現(xiàn)出緩慢的下降趨勢，接近目標值以后，SH基本穩(wěn)定在9 ℃±0.5 ℃，花費時間27 min。TEV初期能夠以比EEV更快的速度把過熱度降低，但是在系統(tǒng)“65”時間點，SH明顯有低于目標值的波動，最低為4.4 ℃。過低的SH使系統(tǒng)進入到了不穩(wěn)定區(qū)域，隨后過了20 min的時間才把SH拉到目標區(qū)域，最終穩(wěn)定在9 ℃±0.2 ℃，總體消耗時間47 min。主要原因是熱力膨脹閥近似于一個比例調(diào)節(jié)的機構(gòu)，調(diào)節(jié)速度確實快，但是容易出現(xiàn)超調(diào)，引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的振蕩[19]。電子膨脹閥在對應(yīng)較小蒸發(fā)溫度時，流量增益會控制得小一些[20]。如表2所示，本次過熱度控制精度TEV稍微比EXV更好，因為EXV的方案受到各零部件精度的疊加影響，但是SH穩(wěn)定的時間EXV快了49%。

由以上分析可知，TEV過快的SH調(diào)節(jié)速度使SH有低于目標值的波動，導(dǎo)致TEV降溫速度低于EXV。當運行32 min之后，EXV的系統(tǒng)已達到設(shè)定溫度，而TEV的系統(tǒng)仍然在調(diào)節(jié)SH，直到運行47 min才穩(wěn)定。

圖3 過熱度波動隨時間的變化

表2 過熱度控制的對比

3.3 蒸發(fā)溫度對比

圖4所示為整個階段蒸發(fā)溫度隨時間的變化。由于蒸發(fā)溫度與柜溫有關(guān)，EXV的蒸發(fā)溫度最早到達最低點-31 ℃，而TEV慢了26 min到達同樣的蒸發(fā)溫度。EXV沒有因為提高蒸發(fā)溫度而增加能效，因此排除蒸發(fā)溫度對能效的影響因素。由圖4可知，TEV開始時蒸發(fā)溫度升高后再降低，EXV持續(xù)地降低。這也解釋了EXV降溫速度更快的原因之一。

圖4 整個階段蒸發(fā)溫度隨時間的變化

3.4 功耗對比

圖5所示為整個階段總輸入功率隨時間的變化。由圖5可知，總輸入功率都是先增大后緩慢減小。采用TEV方案比EXV方案功率更大。差值最大為341 W，輸入功率平穩(wěn)下降后，差值穩(wěn)定在65 W左右。

圖5 整個階段總輸入功率隨時間的變化

表3所示為整個實驗過程的功耗對比。EXV比TEV的功耗總體降低了44%。主要原因是電子膨脹閥降低到目標溫度所需時間比熱力膨脹閥快了44%，即系統(tǒng)達到設(shè)定溫度后停機時間更早，因而降低了運行的消耗。在EXV方案率先達到設(shè)定溫度-25 ℃后，熱力膨脹閥方案繼續(xù)降溫26 min的過程中，產(chǎn)生了0.784 kW?h的功耗，占熱力膨脹閥總體功耗的40%；另一方面是在降溫過程功率穩(wěn)定后，EXV方案的功率要比熱力膨脹閥低65 W左右。由此可見，EXV能效更高的主要原因就是其降溫效率更快，其次是功率更低。

表3 冷柜降溫過程功耗

3.5 測試小結(jié)

表4所示為膨脹閥測試的對比。在同樣達到目標溫度-25 ℃、最小過熱度9 ℃的前提下，判斷影響系統(tǒng)能效的因素。最終EXV比TEV的系統(tǒng)降溫速度提高44%，功耗降低44%，降溫過程輸入功率降低65 W。EXV能效更高的主要原因就是其降溫效率更快，其次是降溫過程功率更低。而導(dǎo)致TEV降溫速度低的原因可能是過快的SH調(diào)節(jié)速度，使得SH低于目標后進入不穩(wěn)定區(qū)域，接著長時間的波動，使蒸發(fā)溫度上升后，下降速度緩慢，最終影響降溫速度。而EXV的過熱度下降到目標值速度雖然慢80%，但是到穩(wěn)定時間快49%，比較平緩地控制了過熱度的下降，使蒸發(fā)溫度和吸氣溫度平穩(wěn)和快速地降低，不至于超調(diào)。

表4 膨脹閥測試的對比

4 結(jié)論

本文的綜合對比中，排除了MSS和蒸發(fā)溫度的因素后，電子膨脹閥的能效比熱力膨脹閥高的原因就是在于其系統(tǒng)降溫速度更快。在同等工況下，使用電子膨脹閥可以有效地控制冷柜降溫過程的過熱度調(diào)節(jié)速度，不至于超調(diào)，從而提高能效。對于速凍制冷設(shè)備而言，電子膨脹閥快速制冷的優(yōu)勢更明顯。

本文沒有針對熱啟動過程的降溫特性和機組滿載狀態(tài)下的長期運行耗電進行對比，有必要進一步深入研究。