一拖二熱泵型空調(diào)器（KFR-30GW×2）設(shè)計(jì),一拖二熱泵型空調(diào)器（KFR-30GW×,2）設(shè)計(jì),一拖二熱泵型,空調(diào)器,kfr,30,gw,設(shè)計(jì) 制冷裝置用電子膨脹閥與熱力膨脹閥的比較 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 文獻(xiàn)綜述 題 目 制冷裝置用電子膨脹閥 與熱力膨脹閥的比較 學(xué)生姓名 專業(yè)班級 學(xué) 號 院 （系） 指導(dǎo)教師(職稱) 完成時(shí)間 4 制冷裝置用電子膨脹閥與熱力膨脹閥的比較 制冷裝置用電子膨脹閥與熱力膨脹閥的比較 摘要： 本文通過比較電子膨脹閥與熱力膨脹閥之間的差別，并從控制和節(jié)能的角度出發(fā)，分析了電子膨脹閥在中小型制冷系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性。 關(guān)鍵字： 熱力膨脹閥；電子膨脹閥；節(jié)能；控制 Abstract: By comparing the difference between the electron expansion valve and the heating power expansion valve, and set out from the angle of the control and the economy energy, has analyzed the application feasibility of the electronic expansion valve in the middle and small scale refrigeration system. Key word: Thermodynamic expansion valve; Electronic expansion valve; Energy conservation; Control 1 前言 作為中小空調(diào)制冷的節(jié)流裝置—熱力膨脹閥具有滯后時(shí)間長、調(diào)節(jié)范圍小等固有的缺點(diǎn)，已不能滿足要求。與此同時(shí)，20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的電子膨脹閥以其特有的調(diào)節(jié)特性越來越得到了人們的青睞，從制冷系統(tǒng)的節(jié)能和機(jī)電一體化的角度出發(fā)，電子膨脹閥具有絕對的優(yōu)勢在將來取代熱力膨脹閥而應(yīng)用于制冷系統(tǒng)。 2 熱力膨脹閥與電子膨脹閥的比較 2．1 電子膨脹閥 電子膨脹閥是20世紀(jì)80年代推出的一種先進(jìn)的膨脹閥，它按照預(yù)設(shè)程序調(diào)節(jié)蒸發(fā)器供液量。因?qū)儆陔娮邮秸{(diào)節(jié)模式，故稱為電子膨脹閥。電子膨脹閥的運(yùn)轉(zhuǎn)過程需由它的硬件和軟件組合來完成。所謂硬件是指傳感器、電腦等控制設(shè)備和電子膨脹閥本身；軟件是指它的控制算法。應(yīng)用電子膨脹閥的制冷系統(tǒng)見圖1所示。溫度傳感器感受到過熱度信號并將其轉(zhuǎn)化為電信號，之后經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入電腦等控制設(shè)備，控制設(shè)備就利用已經(jīng)輸入其中的控制算法對輸入信號進(jìn)行處理，以得到輸出信號，此輸出信號通過脈沖的形式或經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換為模擬信號后去控制電子膨脹閥。溫度傳感器通常采用熱電偶或熱電阻。兩個測溫觸點(diǎn)分別布置于蒸發(fā)器的進(jìn)口和出口。由于蒸發(fā)器管壁的傳熱溫差較小，所以兩個測溫觸點(diǎn)能夠準(zhǔn)確反應(yīng)蒸發(fā)器的過熱度。電子膨脹閥按其閥位能否連續(xù)變化分為雙位式和連續(xù)式兩類。雙位式只有開、關(guān)兩種狀態(tài)，其流量控制依靠改變每個控制周期內(nèi)閥開關(guān)兩態(tài)的時(shí)間比PWM (Pulse Width Modulation)來實(shí)現(xiàn)，每個控制周期約為6～8秒。這種控制方式需要解決由于頻繁開關(guān)所產(chǎn)生的蒸發(fā)溫度及壓力的波動，所以，目前使用較多的還是連續(xù)式電子膨脹閥。連續(xù)式電子膨脹閥按驅(qū)動方式的不同可分為以下四種： 圖1 應(yīng)用電子膨脹閥的制冷系統(tǒng)圖 2．1．1 參考壓力型電子膨脹閥 其結(jié)構(gòu)與熱力膨脹閥相似，不同在于熱力膨脹閥介質(zhì)壓力變化由溫包感溫來實(shí)現(xiàn)，而參考壓力型則控制介質(zhì)中電加熱部件中電流大小來實(shí)現(xiàn)。 2．1．2 熱電式電子膨脹閥 它利用電能產(chǎn)生的熱力驅(qū)動，用雙金屬片等在不同電流下的熱變形的大小差異來推動閥的動作。早期電子膨脹閥使用此方法。這種驅(qū)動方式的缺點(diǎn)在于雙金屬片在加熱變形時(shí)存在一定的滯后，使整個調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)速度略差。 2．1．3 電磁式電子膨脹閥 結(jié)構(gòu)如圖2。由控制設(shè)備來的輸出信號經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)化為電壓或電流，施加在膨脹閥的電磁線圈上。由磁性材料制成的閥桿5受磁力的作用產(chǎn)生位移，帶動閥針上下運(yùn)動，從而使制冷劑的流量發(fā)生變化。制冷劑的流量與施加在電磁線圈上的電壓或電流成比例。圖3為其流量特性。電磁式電子膨脹閥的結(jié)構(gòu)簡單，對信號變化的響應(yīng)速度快。但在制冷機(jī)工作時(shí)，需要一直向它提供控制電壓。 1一柱塞 2一線圈 3一閥座 4一入口 5一閥桿 6一閥針 7一彈簧 8一出口 圖2 電磁式電子膨脹閥 圖3 電磁式電子膨脹閥的流量特性 2．1．4 電動式電子膨脹閥 電動式電子膨脹閥的閥針由電機(jī)驅(qū)動。它又可分為直動型和減速型： (1)直動型：結(jié)構(gòu)如圖4。 直動型電子膨脹閥的驅(qū)動部分可以是脈沖電機(jī)，但現(xiàn)在比較成熟的是步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)轉(zhuǎn)子靠電磁線圈間產(chǎn)生的磁力轉(zhuǎn)動，通過輸入不同的脈沖可經(jīng)導(dǎo)向螺紋作用把轉(zhuǎn)矩變換成閥針的直線運(yùn)動，開度與輸入脈沖成正比，其流量特性見圖5。 1一轉(zhuǎn)子 2一線圈 3一入口 4一閥桿 5一閥針 6一出口 圖4 電動式電子膨脹閥(直動型) 0 圖5 直動型電動式電子膨脹閥的流量特性 (2)減速型：結(jié)構(gòu)如圖6。減速型比直動型多了一個減速齒輪組，作用是放大電磁力矩以獲得較大的輸出力矩，增大減速型膨脹閥的容量，滿足不同流量范圍的調(diào)節(jié)需要。其流量特性見圖7。 1一轉(zhuǎn)子；2一線圈；3一閥桿；4一閥針 5一出口；6一減速齒輪組；7一入口； 圖6 電動式電子膨脹閥(減速型) 圖7 減速型電動式電子膨脹閥的流量特性 電子膨脹閥由于采用了微機(jī)等控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了智能化控制，相比熱力膨脹閥具有十分顯著的優(yōu)勢[1][2] 2．2 熱力膨脹閥 熱力膨脹閥的工作原理是通過感受蒸發(fā)器出口制冷劑蒸氣過熱度的大小，來調(diào)節(jié)制冷劑的流量，以維持恒定的過熱度，在控制原理上屬于比例調(diào)節(jié)器。雖然熱力膨脹閥可以自動調(diào)節(jié)制冷劑的流量，但是它的缺點(diǎn)也是很顯著的： (1)調(diào)節(jié)范圍有限。因?yàn)榕c閥針連接的膜片的變形量有限，使得閥針的運(yùn)動位移較小，故流量調(diào)節(jié)范圍小。這對于負(fù)荷變化較大的冷藏庫或者采用變頻壓縮機(jī)的系統(tǒng)，熱力膨脹閥便無法滿足要求。 (2)對過熱度響應(yīng)的延遲時(shí)間長，特別是容積延遲。蒸發(fā)器出口處的過熱蒸汽先把熱量傳給感溫包外殼，感溫包外殼本身就具有較大的熱惰性，造成了一定的容積延遲。之后，感溫包外殼把熱量傳給感溫介質(zhì)，這又產(chǎn)生了進(jìn)一步的延遲。延遲的結(jié)果會導(dǎo)致熱力膨脹閥交替地開大或關(guān)小，即產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。當(dāng)膨脹閥開得過大時(shí)，蒸發(fā)器出口過熱度偏低，吸氣壓力上升；當(dāng)閥開得過小時(shí)，蒸發(fā)器供液不足，吸氣壓力降低。這對整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全性都會產(chǎn)生不利影響。 (3)調(diào)節(jié)精度低。熱力膨脹閥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)膜片由于加工精度和安裝等因素，會產(chǎn)生的變形及影響變形靈敏度，故難以達(dá)到較高的調(diào)節(jié)精度。 2．3 電子膨脹閥與熱力膨脹閥的優(yōu)缺點(diǎn)比較 (1)電子膨脹閥的過熱度在凍結(jié)時(shí)為5℃～1O℃ 在低溫冷藏庫時(shí)為 4℃～ 8℃。熱力膨脹閥過熱度，在凍結(jié)時(shí)為25℃～4O℃，在低溫冷藏庫時(shí)為l5℃～3o℃ 。因而，電子膨脹閥提高了壓縮機(jī)冷凍能力，充分發(fā)揮了蒸發(fā)器的作用。 (2)電子膨脹閥可以控制閥的能力10～100% ，所以適應(yīng)很寬的負(fù)荷范圍。對于冷凍，冷藏裝置， 冷凍汽車， 冷凍運(yùn)輸船極為適用。 (3)電子膨脹閥適用于10℃～ 一7O℃的溫度范圍。因此，非常適用于像多種目的運(yùn)輸船，由于貨物種類不同，需要采用不同的冷藏溫度。 (4)熱力膨脹閥， 不能使過熱度減少。與此相反， 電子膨脹閥適應(yīng)各式各樣裝置，可以保持最小的過熱度，從而使蒸發(fā)溫度和室溫之間的溫差減小。而且使蒸發(fā)器表面的結(jié)霜也減少， 所以對于增大冷凍能力(降低室溫)和防止冷藏庫中的食品干耗是最適合的[14]。 (5)熱力膨脹閥，在調(diào)節(jié)閥的能力或過熱度時(shí)，要在室內(nèi)的低溫下進(jìn)行。與此相比，電子膨脹閥由于是電子控制的，必須調(diào)節(jié)閥對(設(shè)定過熱度等)，在常溫的控制室內(nèi)即可很容易地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操作，所以對于多目的冷凍運(yùn)輸船等場合，實(shí)現(xiàn)省人省力是最合適的[10]。 (6)熱力膨脹閥，不能自由地設(shè)定過熱度。與此對比， 電子膨脹閥可以選擇(2℃～18℃ )設(shè)定過熱度，適應(yīng)各式各樣的裝置自由地設(shè)定過熱度。對于一切冷凍、空調(diào)裝置，在最佳狀況下運(yùn)行的可能性起到節(jié)約能源的作用[15]。 (7)熱力膨脹閥，為了防止壓縮機(jī)的過負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，要設(shè)定其最高運(yùn)行壓力，其壓力是固定的。與此對比， 電子膨脹閥在0．3MPa以上可以任意選擇，所以不僅可以防止過負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)， 而且對于冷凍設(shè)施不超過電力負(fù)荷。 (8) 熱力膨脹閥， 是否進(jìn)行著適當(dāng)?shù)目刂茻o法顯示出來。與此相反， 電子膨脹閥可以通過指示燈來顯示動作情況，從而進(jìn)行監(jiān)視，可以提高運(yùn)行的可靠性[13]。 (9)傳統(tǒng)的熱力膨脹閥，必需根據(jù)周圍溫度的變化環(huán)境條件， 來調(diào)節(jié)合適的閥工作能力。與此對比，電子膨脹閥適應(yīng)性極大，可以適合很寬的高壓和低壓的條件變化。因而，對于晝夜溫度變化顯著，熱帶和高緯度地區(qū)或在南半球和北半球航行的船舶冷凍和空調(diào)裝置極為適用[11]。 3 電子膨脹閥的應(yīng)用現(xiàn)狀 目前，電子膨脹閥已在家用空調(diào)、汽車空調(diào)、熱泵及船舶制冷裝置中有了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，國內(nèi)外也有許多學(xué)者建立起實(shí)驗(yàn)臺，對電子膨脹閥的調(diào)節(jié)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。 Choi J M和Kim Y C在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對采用電子膨脹閥的變頻一拖多家用空調(diào)的運(yùn)行性能和能量調(diào)節(jié)作出了分析；并且提出，利用變頻壓縮機(jī)的變頻特性和電子膨脹閥的調(diào)節(jié)特性，將室內(nèi)機(jī)的過熱度維持在4℃為最佳 [16]。還指出，采用電子膨脹閥的變頻熱泵系統(tǒng)在性能上要比采用毛細(xì)管的系統(tǒng)好得多[17]。Yamaji等人指出采用電子膨脹閥的制冷系統(tǒng)在冷卻時(shí)間上要比熱力膨脹閥少得多[18]。Aprea C和Mastrullo R建立了一套半封閉式蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)，分別采用熱力膨脹閥和電子膨脹閥作為節(jié)流裝置，制冷劑采用R22和R407C。通過在不同工況下的實(shí)驗(yàn)得到：穩(wěn)態(tài)時(shí)采用電子膨脹閥和熱力膨脹閥的系統(tǒng)性能相似，而變工況時(shí)，電子膨脹閥的系統(tǒng)性能要明顯優(yōu)于熱力膨脹閥的[19]。 通過做應(yīng)用電子膨脹閥的轎車空調(diào)器的蒸發(fā)器的幾種融霜實(shí)驗(yàn)，分析比較提出一種理想的融霜方法，即在融霜過程中迅速加大閥的開度，同時(shí)將蒸發(fā)器風(fēng)機(jī)風(fēng)量開至最大。這種方法可在1．5 min時(shí)間實(shí)現(xiàn)完全融霜[3]。其基本原理是通過電子膨脹閥可大幅度地提高制冷劑的流量，利用高溫制冷劑氣體的顯熱來融霜。 文獻(xiàn)[4]利用電子膨脹閥建立了一個低溫實(shí)驗(yàn)臺，通過食品凍結(jié)實(shí)驗(yàn)比較了電子膨脹閥和熱力膨脹閥的特性。指出：電子膨脹閥控制得到的過熱度不但數(shù)值小于熱力膨脹閥的，而且波動很小。由此可見，電子膨脹閥以其優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能，已在中、小型制冷系統(tǒng)中取得了一些應(yīng)用， 同時(shí)為其在冷藏庫及工業(yè)制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。通過實(shí)驗(yàn)比較熱力膨脹閥和電子膨脹閥對分液性能的影響。結(jié)果表明：在電子膨脹閥控制下，蒸發(fā)器各回路之間的溫度差相對較小，制冷劑分配更為均勻，還可以保持較小的蒸發(fā)器傳熱溫差。因此制冷裝置若想在制冷循環(huán)層次上實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行，使用電子膨脹閥是一個最好的選擇[5]。 利用電子膨脹閥替代熱力膨脹閥后，系統(tǒng)性能測試與能效分析計(jì)算結(jié)果證明：在相同的制冷和制熱工況下，系統(tǒng)的制冷和制熱能力得到了提高，表現(xiàn)在制冷量和制熱量的增加上，系統(tǒng)的能效比也得到了相應(yīng)的提高，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能的目的。用電子膨脹閥時(shí)，節(jié)流過程的損失要比用熱力膨脹閥時(shí)小，節(jié)流過程中的損失是由于粘性流體流動過程中因摩擦阻力引起的不可逆節(jié)流，電子膨脹閥的調(diào)節(jié)靈敏度比熱力膨脹閥高，所以損失要低[6]。 電子膨脹閥相對于其它閥的控制效果好。熱力膨脹閥由于自身屬于純機(jī)械控制，類似于比例調(diào)節(jié)控制，因而系統(tǒng)控制的穩(wěn)定性差，容易出項(xiàng)振蕩。而電子膨脹閥由于智能性高，可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的算法，因此構(gòu)成的控制系統(tǒng)的控制效果會比熱力膨脹閥有較大的提高[7]。 電子膨脹閥適應(yīng)機(jī)電一體化的發(fā)展要求。隨著微機(jī)控制技術(shù)的崛起，機(jī)電一體化已成為制冷系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢。電子膨脹閥照比熱力膨脹閥已由原來的機(jī)械式控制向電腦式控制發(fā)展，充分體現(xiàn)了機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢。目前在家用空調(diào)領(lǐng)域，電子膨脹閥和變頻壓縮機(jī)組成的系統(tǒng)已取得了很好的效果，其原理就是將電子膨脹閥大范圍的流量調(diào)節(jié)特性與變頻壓縮機(jī)的變頻特性結(jié)合起來[9] 電子膨脹閥對提高變頻壓縮機(jī)的能量效率、實(shí)現(xiàn)智能控制、實(shí)現(xiàn)溫度的快速調(diào)節(jié)、提高系統(tǒng)的季節(jié)能效比等有十分重要的意義。對于較大功率的變頻空調(diào)，必須采用電子膨脹閥作為節(jié)流元件，否則將達(dá)不到變頻運(yùn)行目的。此外，電子膨脹閥還可以實(shí)現(xiàn)不間斷供熱的快速除霜、冷凝器過熱度、壓縮機(jī)的排溫控制等一系列新功能[8]。 4 電子膨脹閥在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用展望 電子膨脹閥以其信號傳遞快、調(diào)節(jié)反應(yīng)迅速、調(diào)節(jié)范圍寬等良好的調(diào)節(jié)性能，以及對變負(fù)荷工況的快適應(yīng)性得到越來越多的關(guān)注，現(xiàn)在已在家用空調(diào)器、商業(yè)冷柜、陳列柜得到一定的應(yīng)用。 (1)由于電子膨脹閥對過熱度的控制是由微機(jī)內(nèi)預(yù)先編制好的程序決定的，因此電子膨脹閥對輸入信號反應(yīng)靈敏、滯后??；且調(diào)節(jié)范圍大，調(diào)節(jié)精度高。傳統(tǒng)的熱力膨脹閥的控制范圍窄，所以一25℃ 的冷藏庫不能原封不動地當(dāng)作0℃的冷藏庫來使用。電子膨脹閥具有很寬的控制能力，所以，即使在這種場合也可以充分適用。從這一角度來講，電子膨脹閥具有熱力膨脹閥所無法比擬的優(yōu)勢。 (2)電子膨脹閥的適用溫度低。對于熱力膨脹閥，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，其感溫包內(nèi)部的感溫介質(zhì)的壓力變化大大減小，嚴(yán)重影響了調(diào)節(jié)性能。而對于電子膨脹閥，其感溫部件為熱電偶或熱電阻，它們在低溫下同樣能準(zhǔn)確反應(yīng)出過熱度的變化。 (3)電子膨脹閥可起到節(jié)能的作用。傳統(tǒng)熱力膨脹閥，由于冷卻介質(zhì)的過熱大，所以蒸發(fā)器80～90% 的能量用于冷卻，而其余能用于過熱。另外，在冬季，高壓過低的場合，閥的前后壓力差減小，所以不能發(fā)揮正常的能力，不經(jīng)濟(jì)，必須把高壓維持在一定壓力以上。電子膨脹閥的過熱度小，可以正確地調(diào)整，具有優(yōu)良的跟蹤性，所以蒸發(fā)器可以大部分利用于冷卻， 即使高壓變低， 由于控制范圍廣，也可以正常發(fā)揮能力。為此節(jié)約了壓縮機(jī)的電力消耗，大約節(jié)能1O% 以上。據(jù)報(bào)道：新建成的一艘冷藏貨船由于采用電子膨脹閥(步進(jìn)電機(jī)型)，降低了冷凝溫度，節(jié)能達(dá)48％ ；超市陳列柜安裝改進(jìn)的電磁閥型電子膨脹閥后，陳列柜的電耗減少了30％【12]。 5 結(jié)束語 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。電子膨脹閥的引人為制冷系統(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。它作為一種新型的控制元件，早已突破了節(jié)流機(jī)構(gòu)的概念，它是制冷系統(tǒng)智能化的重要環(huán)節(jié)．也是制冷系統(tǒng)優(yōu)化得以真正實(shí)現(xiàn)的重要手段和保證，已經(jīng)被應(yīng)用在越來越多的領(lǐng)域中。作為一種新型節(jié)流裝置，電子膨脹閥必將隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展而日趨成熟，并將在制冷與空調(diào)領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。 參考文獻(xiàn) [1] 吳業(yè)正．制冷原理及設(shè)備(第二版)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，1997 [2] 陳忠忍．制冷裝置自動化[M]．北京： 中國農(nóng)業(yè)出版社，1996 [3] 仲華，劉維華等．轎車空調(diào)蒸發(fā)器除霜實(shí)驗(yàn)研究[J]．流體機(jī)械，2001，29(1)：44 46 [4] 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