電子膨脹閥在家用變頻空調(diào)器中的應(yīng)用

閆長(zhǎng)林

（美的家用空調(diào)國(guó)內(nèi)研發(fā)中心 廣東順德 528311）

1 引言

目前在家用空調(diào)領(lǐng)域，主要存在兩種節(jié)流的方式，一種是傳統(tǒng)的毛細(xì)管節(jié)流，另一種則是電子膨脹閥的節(jié)流。但毛細(xì)管只能對(duì)流量做微小的調(diào)節(jié)，故比較適合于負(fù)荷較穩(wěn)定的系統(tǒng)，在負(fù)荷變化大時(shí)，無(wú)法有效及時(shí)地改變制冷劑流量。而電子膨脹閥的最大特點(diǎn)就是流量調(diào)節(jié)的及時(shí)性，可以及時(shí)響應(yīng)壓縮機(jī)排量的改變。故用于調(diào)節(jié)制冷劑流量的電子膨脹閥，也將廣泛地應(yīng)用于各類制冷系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了制冷系統(tǒng)的狀態(tài)控制，極好地解決了系統(tǒng)的舒適性和系統(tǒng)運(yùn)行的節(jié)能性問(wèn)題。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，尤其是在家用變頻空調(diào)器的低頻和高頻運(yùn)行時(shí)，電子膨脹閥的優(yōu)勢(shì)就明顯地體現(xiàn)出來(lái)。

2 電子膨脹閥工作原理及特點(diǎn)

電子膨脹閥作為一種新型的控制元件，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(lái)越多的家用變頻空調(diào)領(lǐng)域中。

與毛細(xì)管相比，電子膨脹閥在以下方面有顯著的優(yōu)勢(shì)[1]：

（1）電子膨脹閥從全閉到全開狀態(tài)其用時(shí)僅需幾秒鐘，反應(yīng)和動(dòng)作速度快，不存在靜態(tài)過(guò)熱度現(xiàn)象，且開閉特性和速度均可人為設(shè)定，尤其適合于家用變頻空調(diào)的使用。

表1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

表2 制冷實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

（2）電子膨脹閥的適用溫度低。電子膨脹閥的感溫部件為熱電偶或熱電阻，在低溫下能準(zhǔn)確反應(yīng)出過(guò)熱度的變化。

（3）電子膨脹閥的過(guò)熱度設(shè)定值可調(diào)。電子膨脹閥的調(diào)節(jié)作用可以徹底實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制，根據(jù)不同需要靈活調(diào)整過(guò)熱度以減小蒸發(fā)器表面和冷藏庫(kù)內(nèi)環(huán)境之間的溫差。

（4）電子膨脹閥可起到節(jié)能的作用。采用電子膨脹閥控制壓縮機(jī)排氣溫度可以防止因排氣溫度的升高對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生的不利影響，同時(shí)又可省去專設(shè)的安全保護(hù)器，節(jié)約成本，節(jié)省電耗約6%。

3 電子膨脹閥在變頻空調(diào)器上的應(yīng)用

作為一種電子式控制元件，電子膨脹閥具有采用速度快、精度高等特點(diǎn)，這相對(duì)于毛細(xì)管有著明顯的優(yōu)勢(shì)。主要應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：

（1）變頻空調(diào)器性能最適化應(yīng)用[2]

圖1所示為電子膨脹閥的流量示意圖，圖2為流量隨頻率變化的示意圖。

由此可見控制電子膨脹閥的開度隨頻率的變化而變化，可使系統(tǒng)在最佳狀態(tài)下運(yùn)行[3]，目前家用變頻空調(diào)器中，能效為一、二級(jí)的機(jī)型已經(jīng)廣泛采用電子膨脹閥的控制技術(shù)。

（2）在提高除霜性能中的應(yīng)用

在制熱時(shí)電子膨脹閥以最適的制熱開度運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)除霜開始時(shí)，開度快速變更為除霜開度。例如采用三花制Q型500脈沖膨脹閥，開度可以設(shè)置為480，以增加制冷劑流量，使除霜更快，更完全。

（3）在提高空調(diào)器低溫能力上的應(yīng)用

在空調(diào)器低溫測(cè)試中，利用電子膨脹閥的開度調(diào)節(jié)可以有效提升除霜后空調(diào)器能力的上升速率，以提高積分能力值。

（4）在空調(diào)器中抑制制冷劑噪音的應(yīng)用

在家用變頻空調(diào)器中，若采用毛細(xì)管節(jié)流方式，由于毛細(xì)管在節(jié)流的過(guò)程中制冷劑狀態(tài)的變化常常會(huì)引起毛細(xì)管產(chǎn)生不可避免的振動(dòng)，這種振動(dòng)傳至冷凝器，則表現(xiàn)為斷續(xù)的極為刺耳的噪音。當(dāng)采用電子膨脹閥后，節(jié)流的快速性及安裝固定，制冷劑噪音將會(huì)得到抑制。

（5）電子膨脹閥的高溫保護(hù)應(yīng)用

在空調(diào)器運(yùn)行的過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開度抑制可能出現(xiàn)的壓縮機(jī)排氣溫度過(guò)高的情況發(fā)生，即當(dāng)排氣溫度過(guò)高時(shí)，電子膨脹閥將以某一速率增大開度，起到降低排氣溫度的作用。

（6）電子膨脹閥的低壓保護(hù)應(yīng)用

在空調(diào)器的運(yùn)行過(guò)程中，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開度抑制低壓過(guò)低的情況發(fā)生，即低壓過(guò)低時(shí)，電子膨脹閥將以某一速率增大開度，起到提高低壓的作用，并防止負(fù)壓的產(chǎn)生。

4 電子膨脹閥與毛細(xì)管節(jié)流在變頻空調(diào)器的制冷性能對(duì)比[4]

我們對(duì)一臺(tái)1.5P的家用變頻空調(diào)掛機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比，除了節(jié)流部分按照毛細(xì)管和電子膨脹閥之外，其他部分完全一樣。為了避免實(shí)驗(yàn)中的系統(tǒng)誤差，設(shè)計(jì)了兩個(gè)節(jié)流系統(tǒng)的切換裝置，使得實(shí)驗(yàn)在同一臺(tái)機(jī)子上連續(xù)完成，這樣就提高了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖3所示。

需要說(shuō)明的是，按照毛細(xì)管配置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，毛細(xì)管規(guī)格是在額定頻率和額定工況下，按照額定制冷量3500W和制熱量4500W的要求進(jìn)行系統(tǒng)匹配。而電子膨脹閥的節(jié)流配置是按照優(yōu)化控制原則自動(dòng)控制，此時(shí)系統(tǒng)處于最優(yōu)的狀態(tài)運(yùn)行。本次研究實(shí)驗(yàn)的測(cè)試項(xiàng)目是按照GB/T 7725中的變頻空調(diào)的一些性能測(cè)試指標(biāo)測(cè)試。主要內(nèi)容見表1所示。

為了便于敘述，我們將毛細(xì)管方案定為方案a，采用電子膨脹閥的方案定為方案b。下面就制冷、制熱、SEER、HSPF、APF等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析。

4.1 制冷性能數(shù)據(jù)對(duì)比分析

制冷的系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)見表2所示。

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上看，首先額定制冷情況下的數(shù)據(jù)基本相同，這說(shuō)明在額定頻率點(diǎn)67Hz時(shí)空調(diào)系統(tǒng)的毛細(xì)管節(jié)流和電子膨脹閥的節(jié)流特性基本相同。而在其他的運(yùn)行狀態(tài)下，由于電子膨脹閥可以自動(dòng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，所以其相關(guān)性能的測(cè)試數(shù)據(jù)要比毛細(xì)管的節(jié)流數(shù)據(jù)優(yōu)越。

表3 制熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 SEER的相關(guān)數(shù)據(jù)

表5 HSPF的相關(guān)數(shù)據(jù)

與方案a相比，方案b的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）在中間制冷時(shí)，方案b的設(shè)計(jì)頻率減低，能效比提高了約0.2；

（2）在額定最小制冷時(shí)，空調(diào)運(yùn)行在最低頻率15Hz下，方案b的制冷量也提高了近80%，EER也提高了64%，體現(xiàn)出了電子膨脹閥很明顯的優(yōu)勢(shì)；

（3）在額定最大制冷高頻運(yùn)行時(shí)，電子膨脹閥節(jié)流的性能優(yōu)勢(shì)也比較明顯，其制冷量提高了123W，提高了約3.3%，而能效比則提高了2.8%。

4.2 制熱性能數(shù)據(jù)對(duì)比分析

制熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)見表3。

表6 兩種APF的相關(guān)數(shù)據(jù)

其制熱同制冷情況類似，額定制熱工況下的數(shù)據(jù)基本相同。而在其他運(yùn)行狀態(tài)下，從相關(guān)的性能測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，電子膨脹閥的優(yōu)勢(shì)明顯高于毛細(xì)管的節(jié)流性能。

電子膨脹閥與毛細(xì)管的具體優(yōu)勢(shì)對(duì)比：

（1）在中間制熱時(shí)，方案b的設(shè)計(jì)頻率降低了3Hz，能效比提高了約0.2。

（2）在額定最小制熱時(shí)，空調(diào)運(yùn)行在最低頻率15Hz下，方案b的制熱量提高了282W，近83%，EER也提高了70%，很明顯地體現(xiàn)出了電子膨脹閥的節(jié)流優(yōu)勢(shì)。

（3）在額定低溫制熱運(yùn)行時(shí)，電子膨脹閥的性能優(yōu)勢(shì)也比較明顯，其制熱量提高了131W，約提高了3.7%。

4.3 SEER對(duì)比分析

根據(jù)制冷的單項(xiàng)數(shù)據(jù)來(lái)看，我們按照GB/T 7725中的計(jì)算方法來(lái)算SEER，這樣就可以得出這兩種節(jié)流方案對(duì)SEER的影響。具體對(duì)比數(shù)據(jù)請(qǐng)見表4。

從上面數(shù)據(jù)來(lái)分析，按照GB/T 7725計(jì)算出來(lái)的SEER相差不大，電子膨脹閥的SEER比毛細(xì)管提高了約3.63%。

4.4 HSPF對(duì)比分析

同樣，根據(jù)制熱的單項(xiàng)數(shù)據(jù)來(lái)看，我們按照GB/T 7725中的計(jì)算方法來(lái)算HSPF，這樣就可以得出這兩種節(jié)流方案對(duì)HSPF的影響。具體對(duì)比數(shù)據(jù)請(qǐng)見表5。

從上面數(shù)據(jù)來(lái)分析，按照GB/T 7725計(jì)算出來(lái)的HSPF相差不大，電子膨脹閥的HSPF比毛細(xì)管提高了約4.2%。

4.1.4APF（全年能源消耗效率）對(duì)比分析

在前面制冷和制熱相關(guān)數(shù)據(jù)的對(duì)比基礎(chǔ)上，現(xiàn)在可以對(duì)APF（全年能源消耗效率）進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，具體數(shù)據(jù)請(qǐng)見表6。

從上面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出，在額定頻率和額定工況下運(yùn)行時(shí)，方案b的性能優(yōu)勢(shì)不大，但在低頻和高頻及其他工況下運(yùn)行時(shí)，則方案b的性能優(yōu)勢(shì)很明顯。從理論分析，由于毛細(xì)管的規(guī)格設(shè)計(jì)是基于額定頻率和額定工況設(shè)計(jì)，因此在額定區(qū)域附近，電子膨脹閥的優(yōu)勢(shì)不明顯。但當(dāng)變頻空調(diào)的運(yùn)行頻率偏離了額定頻率之后，毛細(xì)管的流量調(diào)節(jié)范圍已不能滿足要求，而電子膨脹閥則可以隨時(shí)適應(yīng)節(jié)流要求，從而其性能優(yōu)勢(shì)在變頻空調(diào)器應(yīng)用中很明顯。

5 結(jié)論

綜上所述，采用電子膨脹閥對(duì)家用變頻空調(diào)器節(jié)流，其制冷制熱能力有效得到控制，大大增加了家用變頻空調(diào)器舒適性。對(duì)于變頻空調(diào)去的設(shè)計(jì)，無(wú)論從理論上還是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，電子膨脹閥的節(jié)流特性已經(jīng)是變頻空調(diào)器的最優(yōu)選擇，特別是當(dāng)變頻空調(diào)器處于低頻或者高頻運(yùn)行時(shí)，其性能優(yōu)勢(shì)更為明顯。電子膨脹閥應(yīng)用于家用變頻空調(diào)器已經(jīng)成為行業(yè)的主流，勢(shì)不可擋。

[1]趙瑞軍，王先來(lái)，李維平.山西建筑，2005，31（1）

[2]江明旒，王如竹，吳靜怡等.電子膨脹閥的應(yīng)用領(lǐng)域及關(guān)鍵技術(shù)[J].制冷與空調(diào)，2009.9（1）：100-104

[3]吳東興，金蘇敏，樊高定等.電子膨脹閥—壓縮機(jī)的同步控制[J].流體機(jī)械，2005（5:）：78-79

[4]何曉明、王志剛、俞炳豐小冷量變頻空調(diào)器制冷系統(tǒng)采用單根毛細(xì)管的性能分析流體機(jī)械，1998,12