彭喜姣

（中山美科冷凍設(shè)備有限公司，廣東 中山 528400）

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電子膨脹閥在定頻制冷系統(tǒng)上的應(yīng)用

彭喜姣

（中山美科冷凍設(shè)備有限公司，廣東 中山 528400）

摘 要：壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，現(xiàn)在有使用定頻壓縮機(jī)的定頻制冷系統(tǒng)和使用變頻壓縮機(jī)的變頻制冷系統(tǒng)，變頻制冷系統(tǒng)中的變頻壓縮機(jī)根據(jù)設(shè)備當(dāng)前溫度與設(shè)定目標(biāo)溫度的差值大小調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而使壓縮機(jī)輸出的制冷量增大或減小。而在使用定頻壓縮機(jī)的定頻制冷系統(tǒng)中，節(jié)流元件用熱力膨脹閥或是毛細(xì)管時，其制冷量的輸出幾乎不變，為保證制冷設(shè)備內(nèi)的溫度或空調(diào)房間的溫度保持恒定，壓縮機(jī)需頻繁開停，筆者針對上述問題，對電子膨脹閥在定頻制冷系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：電子膨脹閥；熱力膨脹閥；定頻壓縮機(jī)；變頻壓縮機(jī)；制冷系統(tǒng)

變頻壓縮機(jī)主要是通過控制器調(diào)節(jié)輸入給壓縮機(jī)的電源頻率而改變變頻壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速：控制器實時檢測變頻壓縮機(jī)當(dāng)前負(fù)載的輕重，或是檢測制冷設(shè)備當(dāng)前的實際溫度與設(shè)定的目標(biāo)溫度的差值大小來調(diào)節(jié)輸入給壓縮機(jī)的電源頻率，從而改變變頻壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速使壓縮機(jī)輸出的制冷量增大或減小，當(dāng)變頻壓縮機(jī)當(dāng)前的負(fù)載重或制冷設(shè)備當(dāng)前的實際溫度與設(shè)定的目標(biāo)溫度差別大的時候，輸入給壓縮機(jī)的電源頻率增加變頻壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速就變快，壓縮機(jī)單位時間的排氣量加大從而使變頻壓縮機(jī)輸出的制冷量增大；反之當(dāng)變頻壓縮機(jī)的負(fù)載輕，或制冷設(shè)備當(dāng)前的實際溫度與設(shè)定的目標(biāo)溫度接近的時候，輸入給壓縮機(jī)的電源頻率減小變頻壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速就變慢，壓縮機(jī)單位時間的排氣量減小，從而使變頻壓縮機(jī)輸出的制冷量減小，變頻壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速慢消耗的功率小、轉(zhuǎn)速快，消耗的功率大，這樣就起到了能量調(diào)節(jié)的目的。

定頻制冷系統(tǒng)中最常見的節(jié)流元件是熱力膨脹閥或者是毛細(xì)管，熱力膨脹閥雖然也可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)制冷劑流量，但調(diào)節(jié)的范圍很小，毛細(xì)管的流量幾乎固定，因此使用定頻壓縮機(jī)的制冷系統(tǒng)，壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定且當(dāng)節(jié)流元件采用熱力膨脹閥或是毛細(xì)管時，因制冷劑流量不變，所以制冷量的輸出幾乎不變，為了保證降溫速度，一般制冷系統(tǒng)選取的壓縮機(jī)制冷量都會有余量，當(dāng)設(shè)備的實際溫度達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度之后，設(shè)備所用的溫度控制器便會控制壓縮機(jī)停機(jī)，而當(dāng)設(shè)備的溫度升高到一定程度之后，設(shè)備所用的控制器又會控制壓縮機(jī)開機(jī)，由于壓縮機(jī)的頻繁啟動會影響壓縮機(jī)的壽命，而且壓縮機(jī)停機(jī)時間太短高低壓還沒平衡時壓縮機(jī)啟動困難，因此原有制冷設(shè)備的溫度控制器都會設(shè)定一個開機(jī)溫度，一個停機(jī)溫度，兩個溫度之間有一個差值，通過這個差值保證壓縮機(jī)的開和停具有一定的時間周期，從而導(dǎo)致制冷設(shè)備內(nèi)的溫度波動較大，不能像變頻系統(tǒng)一樣通過調(diào)節(jié)變頻壓縮機(jī)的冷量輸出便可恒定制冷設(shè)備的設(shè)定溫度；而且壓縮機(jī)頻繁的啟動、停止，浪費(fèi)了很多的電能，又損耗壓縮機(jī)的使用壽命；筆者針對上述問題，對電子膨脹閥在定頻制冷系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1. 常規(guī)定頻制冷系統(tǒng)圖和帶電子膨脹閥的定頻制冷系統(tǒng)圖

帶電子膨脹閥的定頻制冷系統(tǒng)特點如下所述。

1.1 如圖1所示，常規(guī)的定頻制冷系統(tǒng)的節(jié)流元件是熱力膨脹閥或者毛細(xì)管，熱力膨脹閥雖然可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)流量，但是流量調(diào)節(jié)的范圍非常小，這是因為熱力膨脹閥的感溫包將感受到的溫度信號轉(zhuǎn)換為壓力信號后，該壓力信號則傳遞到與閥針連接的膜片上，膜片的變形便帶動膨脹閥的閥針運(yùn)動從而自動調(diào)整膨脹閥的開度，但是由于膜片的變形量有限，使得閥針的運(yùn)動位移較小，膨脹閥的流量調(diào)節(jié)范圍就小；毛細(xì)管只要直徑和長度固定，則其流量也幾乎固定，因此常規(guī)的定頻制冷系統(tǒng)，其制冷量的輸出幾乎不變，這對于負(fù)荷變化較大的制冷系統(tǒng)便無法滿足要求。

1.2 如圖2所示，采用電子膨脹閥的定頻制冷系統(tǒng)的節(jié)流元件是電子膨脹閥，直動型電動式電子膨脹閥的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，它是以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的電子膨脹閥，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，主要依靠電磁線圈間產(chǎn)生的磁力進(jìn)行的，通過給步進(jìn)電機(jī)施加一定邏輯關(guān)系的數(shù)字信號，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動則由與轉(zhuǎn)子連接的齒輪傳遞到另一與閥針連接的帶螺桿的齒輪，從而將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動變換成閥針的直線運(yùn)動，從而改變閥口的流量面積來達(dá)到控制流量的目的，閥口可以全開也可以全關(guān)，也可以在全開和全關(guān)之間的任意位置，而且閥口從全開到全關(guān)或從全關(guān)到全開只需要幾秒鐘的時間，如果需要，也可以人為設(shè)定關(guān)閥或開閥的速度、關(guān)閥或開閥的閥值范圍，只需要給步進(jìn)電機(jī)輸入一定的信號便可，閥口的大小可以任意人為設(shè)定，因此通過電子膨脹閥的流量可以任意調(diào)節(jié)，所以采用了電子膨脹閥的定頻頻制冷系統(tǒng)，雖然壓縮機(jī)的排氣速率固定，但通過電子膨脹閥閥口的改變控制了定頻壓縮機(jī)的冷量輸出，非常適合于負(fù)荷變化較大的制冷系統(tǒng)。

2. 電子膨脹閥的控制

電子膨脹閥是按照人工設(shè)定的程序，給閥上的步進(jìn)電機(jī)輸入信號，任意設(shè)定閥口的大小，由此來調(diào)節(jié)蒸發(fā)器供液量的，因此從實現(xiàn)控制流量的角度來看，電子膨脹閥不單單是由可控驅(qū)動裝置和閥體（如圖3所示）組成，還需要有最重要的控制器，否則閥體不會工作，而控制器如何控制、何時控制閥口的開或關(guān)，則一般由傳感器檢測制冷設(shè)備的狀態(tài)來決定，因此真正意義上的可控電子膨脹閥由以下3部分組成：控制器、傳感器、帶電機(jī)的閥體（即執(zhí)行器），通常所說的電子膨脹閥大多僅指執(zhí)行器，實際上僅有這一部分是無法完成控制流量的功能的。

電子膨脹閥控制器的核心硬件為單片機(jī)，再輔助一些溫度傳感器或電流功率傳感器，由溫度傳感器或者是電流功率傳感器檢測制冷設(shè)備的狀態(tài)并傳送給控制器，控制器由此判斷閥口應(yīng)開大或是縮小或是維持當(dāng)前開度不變，以及閥口開大或縮小的速度，于是輸出開關(guān)閥邏輯信號給驅(qū)動裝置，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動則由與轉(zhuǎn)子連接的齒輪傳遞到另一與閥針連接的帶螺桿的齒輪，從而將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動變換成閥針的直線運(yùn)動，從而改變閥口的流量面積來達(dá)到控制流量的目的，如圖4所示。

電子膨脹閥在不同應(yīng)用場合的控制傳感器如圖5、圖6所示。

3. 定頻制冷系統(tǒng)采用電子膨脹閥后的優(yōu)勢

使用常規(guī)的定頻制冷系統(tǒng)的恒溫冷柜或速凍柜，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度之后，恒溫冷柜所設(shè)的溫度控制器便會控制壓縮機(jī)停機(jī)，而當(dāng)溫度升高到一定程度之后，恒溫冷柜所設(shè)的溫度控制器又會控制壓縮機(jī)開機(jī)，由于壓縮機(jī)的頻繁啟動會影響壓縮機(jī)的壽命，因此原有恒溫冷柜的溫度控制器都會設(shè)定一個開機(jī)溫度，一個停機(jī)溫度，兩個溫度之間有一個差值，通過這個差值保證壓縮機(jī)的開和停具有一定的時間周期，從而導(dǎo)致恒溫冷柜內(nèi)的溫度波動較大；使用常規(guī)的定頻制冷系統(tǒng)的速凍冷柜，在降溫的初期需要的冷量很大，所以必須配套較大冷量的壓縮機(jī)，當(dāng)柜內(nèi)溫度降下來后，只需要很小的冷量就能維持柜溫了，而在傳統(tǒng)的使用定頻制冷系統(tǒng)的速凍冷柜上，當(dāng)柜溫降下來后，壓縮機(jī)停止，當(dāng)柜溫再次超這設(shè)定的溫度點，壓縮機(jī)又啟動，壓縮機(jī)依靠其不斷地“開、?！眮砭S持速凍柜的溫度，消耗了很多的電能，又損耗壓縮機(jī)的使用壽命。

定頻制冷系統(tǒng)采用電子膨脹閥后，有以下的優(yōu)勢：

3.1 制冷效率高、節(jié)能：對于壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)來講，當(dāng)冷凝溫度不變時，蒸發(fā)溫度越高壓縮機(jī)制冷量越大效率也越高。對于使用普通的熱力膨脹閥或是毛細(xì)管定頻制冷系統(tǒng)的冷柜來講，為了能讓冷柜達(dá)到設(shè)定的溫度，蒸發(fā)溫度必須比設(shè)定溫度低才可以，因此在冷柜內(nèi)的溫度較高時也必須讓壓縮機(jī)在較低的蒸發(fā)溫度工況下工作。使用定頻制冷系統(tǒng)的冷柜采用電子膨脹閥后，在每次開始啟動時，電子膨脹閥先開到壓縮機(jī)所能接受的最大開度流量，流量大蒸發(fā)溫度提高，壓縮機(jī)輸出的冷量越大且制冷效率越高，此時壓縮機(jī)以最大功率最高效率進(jìn)行制冷，使得冷柜內(nèi)的溫度迅速接近設(shè)定的溫度，于是電子膨脹閥的開度逐漸減小，流量也逐漸減小，蒸發(fā)溫度隨著冷柜內(nèi)溫度的降低而逐漸降低，以保證蒸發(fā)溫度與冷柜內(nèi)溫度的差距，于是壓縮機(jī)在低能耗狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)冷柜內(nèi)的溫度達(dá)到所設(shè)定的溫度后，壓縮機(jī)僅以所需的極小功率維持設(shè)定的溫度，于是，冷柜的蒸發(fā)溫度由高到低，最大限度地提高了效率，節(jié)省了能源。

3.2 溫度恒定、波動?。菏褂枚l制冷系統(tǒng)的冷柜采用電子膨脹閥后，當(dāng)冷柜內(nèi)的溫度接近設(shè)定的溫度時，電子膨脹閥的開度減小，流量減小，當(dāng)柜溫降到設(shè)定溫度后，只需要通過溫度傳感器檢測柜體內(nèi)的溫度，根據(jù)柜溫自動將電子膨脹閥開到一定的開度，從而控制定頻壓縮機(jī)的冷量輸出，壓縮機(jī)僅以所需的極小功率維持設(shè)定的溫度，而不需要頻繁地啟動壓縮機(jī)，便能維持冷柜內(nèi)的溫度穩(wěn)定。

3.3 延長了壓縮機(jī)的使用壽命：使用定頻制冷系統(tǒng)的冷柜采用電子膨脹閥后，當(dāng)柜溫達(dá)到設(shè)定溫度后電子膨脹閥只需開到很小的開度，壓縮機(jī)便以所需的極小功率運(yùn)行便維持柜溫，不需要停機(jī)，避免了壓縮機(jī)頻繁地開開停停造成對壓縮機(jī)壽命的衰減，延長了壓縮機(jī)的使用壽命。

3.4 使用電子膨脹閥后，電子膨脹閥從全閉到全開狀態(tài)其用時僅需幾秒鐘，反應(yīng)和動作速度快，因此不存在靜態(tài)過熱度現(xiàn)象。

3.5 電子膨脹閥可起到節(jié)能的作用：對于壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)，如果在停機(jī)期間使高低壓側(cè)連通，則會產(chǎn)生所謂工質(zhì)遷移現(xiàn)象，即冷凝器中的常溫高壓液體將逐漸流入蒸發(fā)器，使蒸發(fā)器的溫度和壓力都升高，再次開機(jī)時，要重新建立壓差也需要消耗壓縮機(jī)額外一部分能量。反之，如果在停機(jī)期間切斷高低壓側(cè)，這雖然維持了蒸發(fā)器的低溫低壓，但再次啟動時，壓縮機(jī)屬于帶載啟動，電流沖擊大，也會增加能量的損失。但若是采用電子膨脹閥就會解決上述問題。具體做法是：停機(jī)時令膨脹閥全關(guān)，防止冷凝器的高溫液體流入蒸發(fā)器，造成再次啟動時的能量損失。開機(jī)前，將膨脹閥全開，使系統(tǒng)高低壓側(cè)平衡，然后開機(jī)。這樣既實現(xiàn)了輕載啟動，又減少了停機(jī)中的熱量損失。

3.6 電子膨脹閥除了制冷時可作為節(jié)流元件使用以外，同時在化霜時還可起到電磁閥的作用。在低溫風(fēng)冷冷柜中一般都是使用的翅片式蒸發(fā)器，制冷運(yùn)行一段時間后翅片式蒸發(fā)器上會結(jié)上厚厚的一層霜，如果不將這些霜融掉一則影響蒸發(fā)器的冷量傳出，二則蒸發(fā)風(fēng)扇的阻力增大風(fēng)量減小，影響柜溫的均勻性，嚴(yán)重的霜層可導(dǎo)致柜溫上升，因此風(fēng)冷冷柜一般都需要采用定時熱氣除霜，當(dāng)使用毛細(xì)管或熱力膨脹閥作為節(jié)流元件時，蒸發(fā)器采用熱氣化霜時，在毛細(xì)管或熱力膨脹閥的制冷回路需另外增加一制冷電磁閥，制冷時：制冷電磁閥接通化霜電磁閥關(guān)斷；化霜時：制冷電磁閥關(guān)斷化霜電磁閥接通，以保證在化霜時沒有低溫制冷劑流入蒸發(fā)器（如圖7所示），否則從熱力膨脹閥或毛細(xì)管流過的低溫制冷劑在進(jìn)入蒸發(fā)器時會抵消一部分從化霜電磁閥流過的高溫制冷劑的熱量，使得風(fēng)冷蒸發(fā)器的化霜時間延長，不僅浪費(fèi)能量還因為化霜時間的延長，導(dǎo)致冷柜內(nèi)的物品溫度升高而滋生細(xì)菌；若是采用了電子膨脹閥之后則可取消制冷電磁閥，因為電子膨脹閥本身可以通過設(shè)定的控制程序，在化霜過程中將電子膨脹閥完全關(guān)閉，起到制冷電磁閥的作用（如圖8所示）。

結(jié)語

在定頻制冷系統(tǒng)中采用電子膨脹閥節(jié)流后，因可以在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)流量，減小了壓縮機(jī)的頻繁啟動，因此延長了壓縮機(jī)的使用壽命，而且耗電量大大下降，實現(xiàn)了高效節(jié)能、溫度波動小、電能消耗少的功效，電子膨脹閥的應(yīng)用實現(xiàn)了快速、節(jié)能和舒適控溫效果，還可以像變頻制冷系統(tǒng)一樣維持制冷設(shè)備內(nèi)的柜溫恒定，適合于對溫度變化要求較高的產(chǎn)品，如果是空調(diào)設(shè)備采用電子膨脹閥后則可以維持空調(diào)房間的溫度波動小，提高人體的舒適度；在定頻制冷系統(tǒng)中采用電子膨脹閥后，相比用熱力膨脹閥或毛細(xì)和節(jié)流來說，對環(huán)境溫度的適應(yīng)性更廣，可以預(yù)見，在定頻制冷系統(tǒng)中采用電子膨脹閥有著廣闊的前景。中山美科冷凍設(shè)備有限公司在使用定頻壓縮機(jī)的冷柜上和冷飲機(jī)械設(shè)備上率先采用了電子膨脹閥，獲得了很好的效果，特別是冷柜，不管是中溫冷柜還是低溫冷柜，經(jīng)權(quán)威機(jī)構(gòu)檢測，其澳洲能效均達(dá)到了高效級別，比同類不采用電子膨脹閥的冷柜節(jié)能20%以上。

參考文獻(xiàn)

［1］王水財，陳自軍，王晶，彭喜姣，曹文海.一種帶電子膨脹閥的冷柜［P］.中國專利：201420109947.1，2014-03-11.

中圖分類號：TP211

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A