第9卷 第3期制冷与空调
2009年6月
REFRIGERA TION AND A IR 2CONDITION IN G
68271
3上海市重点学科建设项目(S 30503).收稿日期:2008211224
通信作者：王艳,Email :wyzhen
电子膨胀阀与热力膨胀阀在
低温装置中的比较研究
3
陈儿同 王艳 左志强
(上海理工大学)
摘 要 利用已有的多功能低温实验台，研究电子膨胀阀和热力膨胀阀在低温下的一些特性，对热力膨胀阀和电子膨胀阀在控温范围、过热度控制及控制精度等方面进行对比研究。关键词 热力膨胀阀；电子膨胀阀；低温装置；节流装置；制冷
Comparison study of electronic expansion valve and thermal
expansion valve for low 2temperature devices
Chen Ertong Wang Yan Zuo Zhiqiang (U niversity of Shanghai for Science and Technology )
ABSTRACT Bad on t he low 2temperat ure test system ,investigates t he characteristics of elect ronic expansion valve and t hermal expansion valve on low 2temperat ure devices t hrough experiment s.Compares t he of temperat ure cont rol ,super 2heat cont rol and control accuracy between t he above bot h.
KE Y WOR DS t hermal expansion valve ;elect ronic expansion valve ;low 2temperat ure de 2vice ;t hrottle device ;ref rigeration
热力膨胀阀作为一种传统的节流元件，已被
广泛地应用于空调、制冷和低温冷冻系统。但随着计算机和电子技术的进步以及对能源关注程度的增加，促使人们寻求一种新的膨胀阀，以解决节能、维护、整体控制等关键问题。于是电子膨胀阀应运而生，并以其无法比拟的优点逐渐替代热力膨胀阀应用于各类制冷装置。
国外早在上世纪80年代初期就开始对电子膨胀阀进行广泛深入的研究，而国内从上世纪90年代开始，才有一些企业和研究机构开展对电子膨胀阀的研制。现在的应用也多限于陈列柜[1]、汽车空调[2]，特别是电脑程控式变频空调[3]。笔者利用已有的多功能低温实验台，对热力膨胀阀和电子膨胀阀在低温装置中的一些特性进行对比研究。1 实验装置
该低温实验台箱内温度变化范围比常规冰
箱、冷柜的温度范围要宽，可以模拟40～-30℃范围内的任一温度。它由制冷系统、电气系统和微机测控系统组成。
低温实验台制冷系统流程如图1所示，它采用单级压缩制冷循环。为了能够对比研究热力膨胀阀和电子膨胀阀的特性，本实验台节流机构采用热力膨胀阀和电子膨胀阀并联的形式。通过电磁阀的切换，可以选用不同的节流元件对制冷剂进行节流。热力膨胀阀选用外平衡式；电子膨胀阀选用DPF 型直动型式，它是一种采用直流步进电机来控制阀口开启大小的电子膨胀阀，其全开脉冲为500个，工作压力为0～2.95M Pa 。
低温实验台电气系统由主电路、控制电路及故障检测报警电路组成。
低温实验台箱内的温度采用制冷机和电加热器联合控制。以热电偶作为传感器，将箱内的温
第3期陈儿同等：电子膨胀阀与热力膨胀阀在低温装置中的比较研究・69 ・
大学生生涯规划
1.压缩机;
2.风冷冷凝器;
3.贮液器;
4.干燥过滤器;
5.视液镜;十一画
6.电磁阀;
7.电子膨胀阀;
8.热力膨胀阀;
9.蒸发器(冷风机);10.气液分离器;11.高低压压力表;
12.试验箱体。
图1 低温试验台制冷系统流程图
度信号送入温度调节器，经转换、处理及PID控制发出脉宽可调的控制信号，使电加热器按一定占空比进行电路通断来改变加热器功率，以达到控制温度的目的。箱内热负荷也是通过电加热器进行控制的，通过改变电加热器通断的占空比来改变向箱内输入的热量，从而控制箱内的热负荷。
2 实验研究及对比分析
热力膨胀阀与电子膨胀阀在制冷系统中的作用基本相同，但它们的形式多种多样，且在性能上存在较大差异。
2.1 温度控制范围
将试验台上的阀门选择开关旋至电子膨胀阀位置。在实验开始时将500个开度全部打开，然后打开制冷系统进行实验，并记录温度值。待箱内温度稳定后逐渐减小阀门开度，箱内温度也随之发生变化。当阀门关至60个开度时，由于吸气压力过低，实验台低压保护自动停机。关闭电源，等系统恢复到初
始状态后再进行实验。将阀门选择开关旋至热力膨胀阀位置，打开制冷系统，记录箱内温度值。上述实验所得到的温度变化曲线如图2所示。
由图2中电子膨胀阀控制的降温曲线可以看出，在初始阶段(500个开度全部打开时)，制冷剂流量较大，蒸发器内的蒸发压力和蒸发温度都比较高，所以箱内温度降至-10℃左右时就稳定了。随着阀门开度的逐渐减小，蒸发器内制冷剂流量减小，压力降低，导致蒸发温度进一步下降。当箱内温度降到-20℃左右时，由于阀门开度太小,
蒸
图2 热力膨胀阀和电子膨胀阀控制降温曲线
发器内制冷剂流量不能满足箱内负荷要求，若再减小开度，箱内温度则逐渐升高。由图中曲线可以看出，电子膨胀阀可以通过控制阀门开度将箱温在-10～-20℃范围内任意调节，即电子膨胀阀有比较宽的温度调节范围，而热力膨胀阀并不具备这种调节功能。
2.对过热度的控制
为了对比电子膨胀阀与热力膨胀阀对过热度
，笔者在实验条件基本相同的情况下，节流试验，得到各自的过热度变化曲线，如图3
返本还原
所示。
图3 热力膨胀阀和电子膨胀阀控制过热度曲线
在实验过程中，用热电偶分别测出蒸发器进出口温度(t1和t2)，计算温差(t1-t2)，并以其作为过热度的数值。由于在实际过程中制冷剂流经蒸发器会产生压降，故t2并不等于实际的蒸发温度，所以用此方法计算出来的结果并不是真实的过热度，但能够在一定程度上反映实际过热度[5]。由图3可以看出，热力膨胀阀控制的过热度曲线波动比较大；而电子膨胀阀控制的过热度比较平稳，且过热度较低，这使得蒸发器面积能够得到充分利用。
另外，由于本低温实验台也经常用来对生物(食品)材料进行低温环境下各项性能测试，而这
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制 冷 与 空 调第9卷
些生物(食品)材料的热负荷通常都很小，因此笔者对箱内负荷较小时，热力膨胀阀和电子膨胀阀对过热度控制的效果进行了初步研究。
为了达到减小箱内负荷的目的，笔者让箱体空载，此时箱内的负荷仅为漏热量。由于实验台的保温做得很好，所以此时箱体的热负荷很小，实验得到的过热度变化曲线如图4所示
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图4 低负荷下过热度变化曲线
由图4可以看出，在用热力膨胀阀进行控制时，若箱内负荷比较小，则制冷剂在蒸发器内不能
充分蒸发，蒸发器出口为两相区。又由于制冷剂在蒸发器管道内有压损，导致其在蒸发器出口处温度低于进口温度，由此得到负的过热度。而热力膨胀阀受自身结构所限，流量调节范围较窄，因此热力膨胀阀无法通过自身的调节使过热度增大直至正值，只能在负值区域振荡。如果系统长期处于这种状态，不但会降低系统的效率，而且如果选用的低压气液分离器效果不理想，严重时会使压缩机遭遇液击的危险。但是电子膨胀阀可以很好地解决这个问题。由图4可以看出，当箱内负荷很小时，系统过热度会出现负值。但由于电子膨胀阀有很宽的流量调节范围，可以通过减小阀门开度，使过热度重新恢复正值，从而保证系统高效运行。
2.3 控制功能和调节精度
为了研究低温下电子膨胀阀在调节精度方面的优势，笔者在低温实验台上对电子膨胀阀进行了实验。
在其他条件不变的情况下，通过改变电子膨胀阀的开度，来研究低温试验台降温速率与电子膨胀阀开度间的关系。环境温度为17℃左右，开启压缩机，自然降温，得到电子膨胀阀不同开度下的降温曲线，如图5所示。
由图5可以看出，电子膨胀阀开度在150脉冲和250脉冲条件下降温情况基本一致：它们在开始阶段的降温速率相对要慢一点。而开度为350
脉白驹过隙
图5 电子膨胀阀不同开度条件下降温曲线
冲时，开始阶段的降温速率相对要快一点。这是
由于电子膨胀阀在大开度条件下，制冷剂流量大，蒸发器产生的制冷量也大，因此降温速率在开始阶段比小开度要大。大约5min 后，大开度的降温速率要小于小开度的，而且小开度比大开度能够达到更低的温度。这是由于在运行一段时间后，小开度情况下制冷剂流量小，导致蒸发器内蒸发压力和蒸发温度也比较低。由图中曲线可以看出，电子膨胀阀在小开度条件下的降温速率与大开度条件下的情况有很大差别。所以电子膨胀阀可以通过调节其开度对降温速率进行精确控制；而热力膨胀阀不具备这
方面的功能。
另外，根据电子膨胀阀自身特点，为实验台设计了电子膨胀阀模糊PID 控制器。本软件能够根据采集到的蒸发器制冷剂进出口温度，计算其实际过热度，与目标过热度进行比较，以确定电子膨胀阀的开关量。然后按调节规律送出数字量，使其成为电子膨胀阀的控制脉冲，实现对电子膨胀阀的自动控制。电子膨胀阀控制系统简图如图6所示。应用该软件，通过实验研究电子膨胀阀对过热度实现精确控制的情况
。
图6 电子膨胀阀控制系统简图
在程序界面上将目标过热度设定为1K ，开启
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压缩机。在降温过程中，通过开启和关闭加热器改变制冷负荷，验证电子膨胀阀对过热度的控制精度。过热度控制曲线如图7所示
微信名称英文。
图7 过热度控制曲线
由图7可以看出，电子膨胀阀可以通过程序设
定目标过热度值，且能进行精确控制，调节速度快，超调也不大。即使负荷有变化，也能迅速调整，达到所设定的目标过热度。而热力膨胀阀若要改变过热度值，则需要现场调节弹簧的预紧力，而且热力膨胀阀由于受自身结构所限以及充注工质的特性等的影响，难以达到较高的调节精度。3 结论
1)与热力膨胀阀相比，电子膨胀阀有比较宽的温度调节范围，能够通过控制阀门开度将温度在某一范围内任意调节。
2)电子膨胀阀能将过热度控制得非常平稳且数值较小，具有明显的节能效果。尤其在低温装
置热负荷偏小的情况下，电子膨胀阀具有通过自身调节使过热度恢复正值的特性，这是热力膨胀阀所不具备的。
3)一般情况下热力膨胀阀都设有MO P 功
能，即蒸发压力只有在低于设定值时，膨胀阀才打开。但其控制功能与电子膨胀阀相比，仍显得较为单调。电子膨胀阀可根据不同产品特性，通过程序编制控制器进行自动控制，实现对温度、过热度等参数的高精度控制。
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(上接第52页)
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