恒溫恒濕箱內電子膨脹閥替代毛細管的可行性研究

郝文洋，張華，盛健

（上海理工大學能源與動力工程學院，上海200093）

0 引言

隨著人類現代經濟水平的不斷提高，對于生物醫藥，電子通信和現代科研相關的保存培養精密性與便捷性要求也不斷提升。現有恒溫恒濕中的空氣處理技術對制冷量的調節和精密度穩定性有一定要求，這與恒溫恒濕箱內的制冷系統熱補償與加濕系統的工作性能、配合程度和調用邏輯算法相關[1-2]。工作原理是：制冷系統對空氣進行降溫除濕，再通過電加熱器進行熱補償來提高溫度、或蒸氣加濕器濕補償提升濕度，以實現對箱內環境溫濕度精確控制的需要[3-4]。

近年來國內針對恒溫恒濕箱的研究取得一定進展。盛健等[5]在傳統恒溫恒濕箱內的制冷系統使用壓縮機吸氣少量噴液方法，降低了壓縮機排氣溫度及壓縮機故障率。郭俊等[6]研究了3.6 kW 新型帶冷凝熱回收的恒溫恒濕空調機組，實驗證明帶有可調節正副電磁膨脹閥的空調機組，在一定程度上能增加機組處理熱濕負荷的范圍和加強負荷控制能力，并能減少空調運行的能源消耗。除了采用蒸氣壓縮制冷外，張喬丹等[7]通過搭建半開放式的恒溫暖箱，采用半導體制冷，使箱內溫度控制基本符合要求，處于適宜溫度區間。與此同時將改進型PID（比例、微分、積分）算法運用于半導體制冷片可以精確控制小型空間的溫濕度精度[8]。余顯冰等[9]基于單片機編程、溫度傳感器和半導體技術相結合設計了一種可以實現帳篷內自動恒溫的裝置。

目前恒溫恒濕箱能夠在一定時間內達到相應的溫濕度范圍，但在當前的背景下，需要進一步減小運行溫濕度偏差和波動范圍，從而滿足市場對較高精度恒溫恒濕箱的需求[10-11]。本實驗臺在已有的吸氣噴液技術恒溫恒濕箱基礎上，用電子膨脹閥替換節流毛細管進行實驗，嘗試解決溫濕度波動范圍較大的問題。

1 電子膨脹閥優勢

傳統箱內制冷系統采用毛細管作為節流裝置。毛細管的孔徑設計是基于某種特定工況下的最佳效率，可在一般范圍內實現其規定性能。但其并不能根據不同工況而改變內部結構，所以在定頻壓縮機的變工況（極端外部環境）或變頻壓縮機的頻率上升時，循環系統的冷凝壓力上升，蒸發壓力下降，采用毛細管的制冷循環比采用電子膨脹閥的壓力變化快，蒸發器出口過熱度也會相應增大，最終參與循環的制冷劑流量減小。而定頻壓縮機制冷量設計均有余量，當到達所設定的目標溫度時溫度控制器會控制壓縮機開關機，在開關機之中有一定的時間周期，從而導致制冷設備內部溫度波動較大[12]。所以采用毛細管作為節流裝置的機器設備，存在調節能力過差和一定時間箱內溫度波動較大而導致溫度精度較差的情況，并且會帶來壓縮機排氣溫度過高、效率低和使用壽命縮短等問題。特別在恒溫恒濕箱系統中，存在熱補償和濕補償高的問題。

在恒溫恒濕箱中使用電子膨脹閥代替毛細管，可以在一定程度上解決上述問題。電子膨脹閥結構雖然相對復雜，但能適應變工況條件，動作響應快，調節范圍可在最大孔徑的15%～100%的范圍內進行精確調節[13]。電子膨脹閥對制冷劑流量的調節除了可以控制蒸發器外，還可用來調節冷凝器[14]。當環境工況改變時，電子膨脹閥可按照某一設定，如排氣溫度或壓縮機吸氣過熱度等自動調節開度，使系統中的制冷劑循環流量保持在一個最佳的狀況[15]。

恒溫恒濕箱采用邏輯控制系統對箱內系統組合進行指令，工作流程為：箱內目標溫濕度低于外界環境溫濕度時，通過制冷系統對送風進行降溫除濕，再根據目標溫濕度進行再熱升溫或蒸氣加濕；箱內目標溫濕度高于外界環境溫濕度時，通過電加熱系統和加濕系統對送風進行加熱與加濕；箱內目標溫度高于外界環境溫度但目標濕度低于環境濕度時，通過制冷系統先對送風進行降溫除濕，電加熱系統再對送風進行再熱升溫；箱內目標溫度低于外界環境溫度但目標濕度高于環境濕度時，制冷系統先對送風進行降溫除濕，加濕系統再對送風進行蒸氣加濕。圖1所示為變工況下恒溫恒濕箱空氣處理流程。

圖1 變工況下恒溫恒濕箱空氣處理流程

圖1(a)所示為一種典型的同時運行了制冷、電加熱和蒸氣加濕3 種系統的送風空氣處理焓濕圖。采用電子膨脹閥的制冷系統可根據不同的工況對蒸發器制冷量大小進行調節。恒溫恒濕箱采用同側上送下回的全回風系統，箱內空氣點即回風點N 掠過蒸發器翅片表冷至狀態點L，然后通過電阻式加熱管束對流換熱至狀態點H，最后通過蒸氣加濕器產生的濕蒸氣對其進行等溫加濕至狀態S，最終處理好的送風進入箱內狀態點N。系統邏輯控制可實時監測箱內儲存區的溫濕度來控制3 組系統的開啟與關閉，如圖1(b)所示。

2 實驗流程

2.1 實驗裝置布置

圖2所示為恒溫恒濕箱內部格局右視圖。恒溫恒濕箱箱體容積為250 L，內部包括儲存區和空氣處理系統。制冷系統采用R134a 制冷劑，主要部件包括定頻活塞式冰柜冰箱壓縮機、風冷式冷凝器、12 排翅片式蒸發器和電子膨脹閥和旁通毛細管；電加熱系統主要部件為電阻式電加熱器；蒸氣加濕系統部件包括水槽和蒸氣加濕器。儲存區空氣循環為上送下回式，回風由下至上經過蒸發器進行降溫除濕，電加熱補償或蒸氣加濕補償后，由貫流風機將處理好的空氣送入儲存區。其中，蒸發器的制冷劑由上部（第1 排）管束流入，最底層管束（第12排）流出，空氣由下至上方向掠過蒸發器表面，這種流動方式能保證良好的除濕效果。箱體外部正面安裝可觸Led 顯示屏控制系統，可實時顯示儲存區瞬時溫濕度，并手動對工作參數進行更改設置。

圖2 恒溫恒濕箱內部格局右視圖

圖3所示為制冷系統原理。高溫高壓的氣態制冷劑經過風冷冷凝器后變為液態，分為兩路。大部分制冷劑經過電子膨脹閥節流降壓到蒸發器入口，在蒸發器內氣化吸熱制冷，少部分制冷劑通過旁通毛細管成為氣液兩相且壓力略高于壓縮機入口。在蒸發器出口的氣態制冷劑與旁通毛細管出口的氣液兩相制冷劑在壓縮機入口混合后進入壓縮機。壓縮機出口的高溫高壓氣態制冷劑進入冷凝器，完成制冷系統循環。系統配有熱氣旁通除霜閥，當蒸發器表面結霜時，閥門打開，高溫高壓的氣體旁通到蒸發器中，融化霜層；蒸發器表面霜層融化后，閥門關閉，重復上述制冷系統循環。

圖3 制冷系統原理

電子膨脹閥在制冷循環中根據送風溫度調節內部開度。當電子膨脹閥調節制冷劑流量過小時，吸氣噴液中旁通節流毛細管中仍有部分液態制冷劑進入壓縮機吸氣口，保證制冷循環的通暢性。

2.2 實驗方案

主要實驗參數為箱內干球溫度和相對濕度，使用溫濕度傳感器進行采集檢測，儀器溫度測量范圍為-40～80 ℃，精度為±0.2 ℃，相對濕度測量范圍為0～100%，精度為±1.7%。其余實驗參數為由壓力傳感器采集的壓縮機排氣與吸氣壓力和由T 型熱電偶采集的壓縮機吸氣與排氣溫度。以上所有數據由是德（Keysight）數據采集儀34972A 進行30 s/次的數據輸出記錄得到。

3 實驗結果與分析

3.1 穩定控制精度

實驗臺環境干球溫度為30 ℃，相對濕度為60%，共12 個目標工況點，記錄在表1 與表2 中。由表1和表2 可知，在相近工況下，在恒溫恒濕箱中，以電子膨脹閥作為節流裝置比毛細管的溫濕度控制精度明顯更高，改進前毛細管作為主要節流部件，到達穩定工況后，箱內實際溫度與設定溫度偏差值≤2.0 ℃，溫度不均勻度在±2.0 ℃以內，溫度波動度±2.0 ℃以內；電子膨脹閥代替毛細管后，箱內實際溫度與設定溫度偏差值≤1.0 ℃，溫度均勻度在±1.0 ℃以內，溫度波動度在±1.0 ℃以內。

表1 毛細管作為節流裝置的恒溫恒濕箱實驗數據[2]

表2 電子膨脹閥作為節流裝置的恒溫恒濕箱實驗數據

在濕度精度方面，改進前，箱內實際濕度與設定濕度偏≤15%，濕度不均勻度在±10%以內，濕度波動度在±15%以內；改進后，箱內實際濕度與設定濕度偏差值≤10%，濕度均勻度在±5%以內，濕度波動度在±10%以內。

綜上所述，改進后的恒溫恒濕箱能夠保持更高的溫濕度精度。這是因為電子膨脹閥具有流量調節范圍寬、響應速度快和控制精度高的優點。在系統運行到達目標工況點后，電子膨脹閥已經調節至合適于當下工況的最優開度，穩定工況后，箱內溫濕度會維持更高的精度。

3.2 溫濕度穩定時間

由表1 和表2 分析可知，在相同工況下，相比于毛細管，以電子膨脹閥作為節流裝置的制冷系統到達目標工況所用時間均大于或等于毛細管系統。可能的原因在于，溫濕度精度提高后，從同一環境工況下到達更高精度的穩定工況，穩定后的溫濕度可變范圍小于低精度穩定工況，所以捕獲第一次穩定點所需時間會略大于低精度的穩定點。

傳統電子膨脹閥控制算法具有不確定性。本實驗與傳統電子膨脹閥均采用傳統式增量PID 控制調節[16]。在PID 的調節選取參數中，采樣周期過小、調節過于頻繁會引起系統的不穩定，采樣周期過長則會影響控制精度。對于非線性，有時滯性的制冷系統，傳統式增量PID 存在過度時間長以及參數無法實現最優化的問題[17]。所以，電子膨脹閥的自身調節系統需要進一步改進優化。

下一步實驗將根據恒溫恒濕箱的產品特性（高精度溫濕度）進行電子膨脹閥控制算法優化，因此初始以送風溫度調節電子膨脹閥內部開度。因未采用過熱度調節電子膨脹閥開度，根據實際數據測得制冷循環中過熱度過大，因此壓縮機吸排氣溫度升高，制冷量減少。將來實驗中考慮將過熱度作為第二開度調節判據點并對過熱度控制器進行優化[18]。

表2 中吸排氣壓力小于表1。因電子膨脹閥未采用過熱度作為調節條件，所以流量調節有所不當，壓縮機吸氣排氣壓力過低。實驗證明，同一空調系統的非絕熱節流裝置中的電子膨脹閥和毛細管有對應的等效關系[19]。因此在同一工況下手動對電子膨脹閥進行開度調節，配合步進電機特性以找到特定工況下的最優開度，并找到不同工況下的最優開度[20]。在制冷系統初始工作時，電子膨脹閥減少反應周期，直接匹配到相近的最優開度。

3.3 系統邏輯改進

表2 中工況設置溫度為45 ℃時，制冷壓縮機仍在工作，這是由于整個系統邏輯控制存在問題，控制邏輯默認3 個系統在任何工況下均可運行，造成熱時補償和資源浪費。在將來的實驗中，進一步改進邏輯控制系統，避免在設置箱內高溫高濕工況時開啟制冷系統的情況。

4 結論

本文研究了電子膨脹閥在恒溫恒濕箱中替代毛細管的可行性與優勢性，在12 組變目標工況下進行了毛細管與電子膨脹閥在恒溫恒濕箱中作為節流裝置的對比實驗，分析了對比實驗中箱內溫度、濕度精度和溫濕度穩定時間數據，得出如下結論：

1）改進后的恒溫恒濕箱能有效提升溫濕度精度；在普通目標工況下，溫度精度大約可提升0.5 ℃，濕度精度大約可提升2%～10%；在極端目標工況（低溫高濕或高溫低濕）下溫度精度有較明顯的提升，溫度精度可由±2.0 ℃提升至±1.0 ℃，濕度精度可由±15%提升至±10%；

2）溫濕度穩定時間保持改進前的10～40 min范圍內，甚至某些點出現不降反升的情況，這是由于穩定點精度上升后時間數據分析統計的自然結果；同時控制系統邏輯的復雜程度上升，需要優化電子膨脹閥自身的控制算法；

3）電子膨脹閥作為節流裝置，在傳統的PID控制邏輯中，需要針對不同的系統需求采用不同的控制流程，因此需要對電子膨脹閥的控制算法進行改進優化，使其在提升溫濕度精度的同時，能快速響應機組的系統命令。