两种膨胀阀在自携式冷柜的能效影响因素研究

黄凯达

（开利空调冷冻研发管理（上海）有限公司，上海 200130）

0 引言

与热力膨胀阀（Thermal Expansion Valve，TEV）相比，电子膨胀阀（Electronic Expansion Valve，EXV）具有非常显著的优越性：调节精度高、调节范围大、过热度波动小，节能效果好[1]。从2014年到2017年EXV的复合增长率达到了14%，超过TEV的10%[2]。除了部分自携式的制冷设备使用毛细管外，TEV是商用冷冻市场上使用最多的产品[2]。行业对于EXV和TEV在各种制冷设备上做了很多关于降温速度和能效的实验对比研究。比如在低温实验台中对比EXV不同开度下的降温速率[3-4]；在陈列柜进行EXV不同开度下的降温速率实验[5]、能效对比[6-7]；在覆叠式制冷系统中测试两种节流装置在同工况和变工况的降温速度、最低蒸发温度和能效[8]。这些实验说明了EXV在不同开度，对降温速率及终温均有影响[4]；EXV有比较大的温度调节范围[5]，EXV与TEV相比，可减少过热度，节能20%～25%[6-9]；EXV降温速度更快，蒸发温度和能效更高[10]。在风冷热泵中，EXV的优势体现在反应速度和控制功能的多样性[10]；在不同的进水温度，EXV有最佳的开度[11]。在控制方面，EXV以一种可按预设程序进行制冷剂流量调节，保证吸气过热度在最小稳态过热度上，始终保持系统在高效节能的工况下[12]；利用带死区的积分分离PID控制策略，通过测量蒸发温度来决定最小稳态过热度的值[13]；模糊PID对吸气过热度控制效果好，超调量小，可在过热度±0.3 ℃范围内波动[14]。

综上所述，EXV功耗低、能效高的根本原因在于过热度更小，蒸发温度更高，而其他方面的原因分析和解释较少，影响EXV节能的原因是否跟其他因素有关需要进一步研究和分析。为了对EXV与TEV在降温对比方面有一个更客观的认识，本文改造了一台自携式卧式冷柜，搭建两种节流装置并比较降温过程，对比两种节流装置的过热度调节速度、降温速度、蒸发温度和功耗，并分析原因。

1 EXV和TEV的特性对比

EXV由于没有静态过热度，可以将蒸发器的过热度控制在最小范围内，提高制冷系数。制冷设备存在不同负载下的最小稳态过热度（Minimum Stable Superheat，MSS）。当过热度小于所需的MSS时，过热度会很快下降[15]，系统进入不稳定区。相反，如果过热度大于MSS且偏离较大时，则过热度偏大，蒸发器利用率偏低，不利于能效的提升。表1是EXV和TEV的特性对比。

表1 膨胀阀的特性对比

本文将研究当达到同样的蒸发温度和最小稳态过热度时，对比过热度调节速度、降温速度、蒸发温度和功耗，分析影响EXV能效的关键因素。

2 实验设计

为了对比两种膨胀阀的特性，本实验采用一台市场占有率较高的自携式低温卧式食品冷柜[16-17]，在冷柜的节流管路上改为EXV和TEV并联的形式，通过电磁阀的切换来进行对比测试。选用知名品牌1.3口径步进式EXV，最大500脉冲；同品牌电压型压力传感器，量程0～2 MPa，综合精度±0.8%；温度传感器采用5 K，精度为±0.3 ℃（25 ℃）；配套同品牌EXV控制器（简称控制器）。而TEV采用知名品牌的内平衡式进行自动调节。其他零部件均为原厂配置。本文用的EXV方案中单体零部件精度较高，但是叠加之后过热度控制精度存在误差，特别是压力传感器存在压力和温度值转换的问题。

实验设计如图1所示，冷柜放入焓差实验室内。环温设定并为25 ℃±1 ℃，相对湿度为60%±5%[18]。利用监控设备在冷柜从开机到停止的过程对吸气压力、吸气温度、蒸发温度、柜温、功率等数据进行采集，周期为10 s。设定目标温度-25 ℃，目标过热度9 ℃（MSS），制冷剂为R404A。EXV采用吸气过热度控制模式，控制器连接压缩机、压力传感器、温度传感器、通讯输出等。当压缩机启动时，控制器采用PID算法，按照设定参数自动运算对吸气过热度进行控制。测试中冷柜无负载并关闭柜门，达到温度后自动停机。

图1 测试监控信息

3 实验结果对比分析

3.1 柜温对比

图2所示为EXV与TEV在同等工况和条件下，冷柜冷启动的降温过程。可以看出，把冷柜从环温25 ℃左右降温到-25 ℃时，EXV的降温速度明显好于TEV。EXV的降温时间为32 min，TEV为58 min，速度提高了44%。

图2 降温速度随时间的变化

3.2 过热度对比

图3 所示为两种不同节流元件随着时间的推移，过热度（Superheat，SH）的对比。系统冷起动后SH会超过25 ℃，然后随时间下降。从图中分析EXV的初期SH呈现出缓慢的下降趋势，接近目标值以后，SH基本稳定在9 ℃±0.5 ℃，花费时间27 min。TEV初期能够以比EEV更快的速度把过热度降低，但是在系统“65”时间点，SH明显有低于目标值的波动，最低为4.4 ℃。过低的SH使系统进入到了不稳定区域，随后过了20 min的时间才把SH拉到目标区域，最终稳定在9 ℃±0.2 ℃，总体消耗时间47 min。主要原因是热力膨胀阀近似于一个比例调节的机构，调节速度确实快，但是容易出现超调，引起系统不稳定的振荡[19]。电子膨胀阀在对应较小蒸发温度时，流量增益会控制得小一些[20]。如表2所示，本次过热度控制精度TEV稍微比EXV更好，因为EXV的方案受到各零部件精度的叠加影响，但是SH稳定的时间EXV快了49%。

由以上分析可知，TEV过快的SH调节速度使SH有低于目标值的波动，导致TEV降温速度低于EXV。当运行32 min之后，EXV的系统已达到设定温度，而TEV的系统仍然在调节SH，直到运行47 min才稳定。

图3 过热度波动随时间的变化

表2 过热度控制的对比

3.3 蒸发温度对比

图4所示为整个阶段蒸发温度随时间的变化。由于蒸发温度与柜温有关，EXV的蒸发温度最早到达最低点-31 ℃，而TEV慢了26 min到达同样的蒸发温度。EXV没有因为提高蒸发温度而增加能效，因此排除蒸发温度对能效的影响因素。由图4可知，TEV开始时蒸发温度升高后再降低，EXV持续地降低。这也解释了EXV降温速度更快的原因之一。

图4 整个阶段蒸发温度随时间的变化

3.4 功耗对比

图5所示为整个阶段总输入功率随时间的变化。由图5可知，总输入功率都是先增大后缓慢减小。采用TEV方案比EXV方案功率更大。差值最大为341 W，输入功率平稳下降后，差值稳定在65 W左右。

图5 整个阶段总输入功率随时间的变化

表3所示为整个实验过程的功耗对比。EXV比TEV的功耗总体降低了44%。主要原因是电子膨胀阀降低到目标温度所需时间比热力膨胀阀快了44%，即系统达到设定温度后停机时间更早，因而降低了运行的消耗。在EXV方案率先达到设定温度-25 ℃后，热力膨胀阀方案继续降温26 min的过程中，产生了0.784 kW⋅h的功耗，占热力膨胀阀总体功耗的40%；另一方面是在降温过程功率稳定后，EXV方案的功率要比热力膨胀阀低65 W左右。由此可见，EXV能效更高的主要原因就是其降温效率更快，其次是功率更低。

表3 冷柜降温过程功耗

3.5 测试小结

表4所示为膨胀阀测试的对比。在同样达到目标温度-25 ℃、最小过热度9 ℃的前提下，判断影响系统能效的因素。最终EXV比TEV的系统降温速度提高44%，功耗降低44%，降温过程输入功率降低65 W。EXV能效更高的主要原因就是其降温效率更快，其次是降温过程功率更低。而导致TEV降温速度低的原因可能是过快的SH调节速度，使得SH低于目标后进入不稳定区域，接着长时间的波动，使蒸发温度上升后，下降速度缓慢，最终影响降温速度。而EXV的过热度下降到目标值速度虽然慢80%，但是到稳定时间快49%，比较平缓地控制了过热度的下降，使蒸发温度和吸气温度平稳和快速地降低，不至于超调。

表4 膨胀阀测试的对比

4 结论

本文的综合对比中，排除了MSS和蒸发温度的因素后，电子膨胀阀的能效比热力膨胀阀高的原因就是在于其系统降温速度更快。在同等工况下，使用电子膨胀阀可以有效地控制冷柜降温过程的过热度调节速度，不至于超调，从而提高能效。对于速冻制冷设备而言，电子膨胀阀快速制冷的优势更明显。

本文没有针对热启动过程的降温特性和机组满载状态下的长期运行耗电进行对比，有必要进一步深入研究。