低頻率下電子膨脹閥調節對制冷系統性能的影響

虞中旸 陶樂仁 王超 沈冰潔

（上海理工大學能源與動力工程學院制冷與低溫工程研究所 上海 200093）

低頻率下電子膨脹閥調節對制冷系統性能的影響

虞中旸 陶樂仁 王超 沈冰潔

（上海理工大學能源與動力工程學院制冷與低溫工程研究所 上海 200093）

以R32變制冷劑流量制冷系統實驗裝置為研究對象，通過改變變頻壓縮機頻率和電子膨脹閥開度，對低頻率下電子膨脹閥調節對系統性能的影響進行了實驗分析。研究結果表明：1）系統制冷量和質量流量在各頻率下變化規律相同；2）當控制蒸發器出口過熱度在2 K附近時，低頻率范圍（25～35 Hz）內存在一個最佳頻率點，與其他各頻率相比，其系統COP最高；3）低頻率下壓縮機在過熱度0 K附近極少量的吸氣帶液就會對系統性能造成嚴重影響，這在實際運行中需要極力避免；4）低頻率下（25 ～35 Hz）控制過熱度從0 K變為10 K，電子膨脹閥調節區間為4% ～9%，而高頻率下（40～50 Hz）調節區間為15% ～23%，提高冷凍水溫度可以有效改善低頻下電子膨脹閥的調節性能。以上結論可以推廣到其他變制冷劑流量系統，如變頻熱泵空調和汽車空調等。

變頻壓縮機；電子膨脹閥；過熱度；系統性能

自變頻空調推出以來，因其具有軟啟動、快速制冷、節能、溫控精度高等特點，得到廣泛的應用和快速的發展［1］。電子膨脹閥和變頻壓縮機作為主要調節原件，其工作特性直接影響著系統的性能。隨著對制冷系統節能的要求越來越高，低負荷下變頻空調的調節尤為重要。控制系統在低負荷下運行，最主要的方法是將壓縮機頻率降低，但也會造成許多不利影響［2-6］。對于壓縮機變頻率時系統各性能變化的研究有很多，但是系統最佳工作性能對應的壓縮機頻率這一問題的答案尚未形成統一，主要分為兩類：額定頻率附近系統性能最佳和低頻率時存在最佳運行頻率點。

鄭學鵬等［7］利用模型計算研究了系統制冷量、輸入功率、性能系數等參數隨壓縮機頻率的變化規律，發現當頻率較小，轉速過低時，機組的泄漏、熱交換、余隙膨脹嚴重，壓縮機性能下降。當頻率逐漸增大時，制冷量和輸入功率幾乎呈線性上升，而性能系數呈拋物線型，在額定頻率附近維持較高值。張華俊等［8］通過實驗驗證了這一結論。

田曉亮等［9］測試了常規壓縮機的變頻性能，指出當壓縮機頻率低于20 Hz時存在共振及機組發熱現象，高于60 Hz可能會造成電機燒毀現象。結合制冷系數隨頻率的變化曲線圖得出，最佳系統工作性能在額定頻率附近。

但是趙力等［10］指出，以上實驗研究均在變工況情況下進行，文中設計的實驗，將蒸發溫度和冷凝溫度控制在某一較小區域內，測量系統參數和壓縮機頻率的關系，得出COP在30～35 Hz存在一個極大值，因而最佳系統工作性能并不一定在額定功率處，在低頻率處也有可能達到。石文星等［11］研究了壓縮機頻率對性能指標EER的影響，得出了相同結論。李松波等［12］在保持同一測試工況下進行實驗，發現壓縮機頻率對COP的影響有兩個拋物線峰值，分別在25 Hz和85 Hz出現，即低頻范圍和高頻范圍分別存在一個最佳運行頻率點。

以上研究均基于定膨脹閥開度的情況，但在實際運行過程中，變頻壓縮機與電子膨脹閥總是共同調節，而此時的壓縮機頻率與系統性能的關系必然不同。韓磊等［13］實驗分析了R22變制冷劑流量制冷系統中，不同膨脹閥開度和壓縮機頻率下的系統參數變化規律，但是并未確定最佳工作頻率，也沒有詳細分析低頻率下電子膨脹閥的調節規律。

綜上所述，對于變制冷劑流量制冷系統低頻率下電子膨脹閥的調節特性和系統性能變化并沒有得到充分研究。本文通過實驗，分析了R32變制冷劑流量制冷系統中，壓縮機不同頻率和電子膨脹閥開度對系統制冷量、制冷劑質量流量和系統COP的影響，以及低頻率下通過電子膨脹閥開度來控制蒸發器出口過熱度的調節特性，試圖得出對實際運行過程具有指導意義的結論。

1 實驗原理及方法

1.1 實驗裝置簡介

圖1中，壓縮機1選用變頻滾動轉子式壓縮機，自帶氣液分離器。理論排量10.2 mL，頻率可調范圍為16.6～120 Hz，額定頻率為50 Hz。壓縮機由一臺通用型變頻器驅動，工作頻率可以通過手動設定。選用智能數字功率表測量壓縮機耗功W，精度等級為0.5級，制冷劑為R32。

采用科氏力流量計測量制冷劑質量流量m （g／s），及流過流量計的制冷劑溫度Tv（℃）和壓力pv（kPa），精度為±0.1%。流量計前安裝過冷器，通過恒溫水箱可以精確控制制冷劑的過冷度，偏差不超過±0.1℃。蒸發器8為BL26-20型板式換熱器。以出水溫度為控制對象，由電加熱器來自動調節水循環溫度，其加熱量由調壓調功器自動控制。為了方便觀察蒸發器出口制冷劑的流型，蒸發器出口連接可視管2。電子膨脹閥6為步進電機驅動的直動式電子膨脹閥，通過手動調節控制器改變其開度。

圖1 實驗裝置原理圖Fig.1 Experimental installation schematic diagram

圖中m為制冷劑質量流量測點；T、P分別表示溫度和壓力測點；qv為水側的體積流量，L／min。采用溫度偏差為±0.15℃ +0.002（t為測量溫度，℃）的內置式鉑電阻測量冷卻水出水溫度Tw，o、壓縮機排氣溫度Td和壓縮機吸氣溫度Te。采用精度為0.5%的壓力變送器測量壓縮機排氣壓力pd、蒸發器出口壓力pe和冷凝器出口壓力pc。

1.2 實驗方法

為了使實驗工況與國內標準制冷工況（蒸發溫度7.2℃，冷凝溫度54.4℃，過冷溫度46.1℃）相近，同時為了模擬較低室內環境溫度下的空調運行特性，設定冷卻水出水溫度為40℃，冷凍水出水溫度為7℃和12℃。首先保持壓縮機頻率在60 Hz不變，調節電子膨脹閥使系統過熱度為10℃左右，并穩定運行60 min以上。手動調節電子膨脹閥開度逐步增大，并觀察蒸發器出口處可視管2內的制冷劑狀態，直到制冷劑極少量吸氣帶液；同時實時監控數據采集程序的蒸發器出口過熱度值，直到其小于0.5℃為止。每一個開度下穩定運行60 min后，記錄10 min內的數據并取平均值，以保證數據的準確性。之后降低壓縮機頻率，分別在25、30、35、40、50、60 Hz時調節膨脹閥并記錄數據。具體實驗工況見表1。后文統一以工況1和工況2表述表1中對應的測試數據。

表1 實驗工況Tab.1 Operating conditions

1.3 計算公式

由測量值通過Refprop9.0物性軟件可得質量流量計內制冷劑壓力pv對應的飽和溫度Tv，sat、蒸發溫度Te，sat、膨脹閥前焓值hv及蒸發器出口焓值he。可以根據式（1）、式（2）、式（3）和式（4）計算，得到所需參數：

2 實驗結果分析

2.1 不同頻率下系統性能的變化

由圖2～圖5可知，制冷量和質量流量在各個頻率下的變化趨勢大致相同，均隨著過熱度增大（即膨脹閥開度的減小）而減小，這一規律在低頻率下依然適用。導致制冷量減小的原因：電子膨脹閥開度減小，使制冷劑質量流量減小；蒸發溫度的降低使蒸發器中制冷劑側與水側換熱溫差變小，換熱條件惡化。

圖2 工況1不同頻率下制冷量的變化趨勢Fig.2 The change of refrigerating capacity with different com pression frequency at operating condition 1

圖3 工況2不同頻率下制冷量的變化趨勢Fig.3 The change of refrigerating capacity with differentcom pression frequency at operating condition 2

圖4 工況1不同頻率下質量流量的變化趨勢Fig.4 The change of mass flow with different compression frequency at operating condition 1

制冷量隨頻率的變化較為規律，但是系統COP的變化情況卻較為復雜。由圖6可知，當系統處于工況1時，在低頻率下（25～35 Hz）隨著過熱度的增加，COP先上升后下降，最大值在2℃附近；而高頻率時的COP并沒有極大值點，而是直接下降。另外，觀察圖6中30 Hz和35 Hz的COP變化趨勢可知，當過熱度接近0℃時，系統COP突然下降，原因在于系統此時有少量吸氣帶液，這對于系統性能是不利的。雖然在過熱度0℃附近壓縮機吸氣帶液量極少，但是在低頻率時這一影響卻尤為顯著。對比圖2和圖3，在低過熱度時，制冷量并未受到明顯影響，由此可知低頻下吸氣帶液主要影響壓縮機性能。當壓縮機低頻運轉時，進入壓縮機的液體制冷劑在吸入口有充分的時間吸熱，造成壓縮機內有效氣體體積減少，溫度系數明顯降低［2］。同時吸氣帶液會稀釋潤滑油，且低頻下制冷劑流速較慢，導致壓縮機回油困難，使內部泄漏嚴重，泄漏系數較小。而高頻率時，制冷劑流速加快，溫度系數和泄漏系數在極少量吸氣帶液時變化不大，因此系統COP并不會突然下降。總之，低頻下吸氣帶液的情況需要極力避免。

圖5 工況2不同頻率下質量流量的變化趨勢Fig.5 The change of mass flow with different com pression frequency at operating condition 2

圖6 工況1不同頻率下COP的變化趨勢Fig.6 The change of COP with different compression frequency at operating condition 1

圖7 工況2不同頻率下COP的變化趨勢Fig.7 The change of COP with different compression frequency at operating condition 2

通過比較圖6和圖7過熱度為2℃時不同頻率的COP可知，在工況1下，壓縮機頻率為35 Hz時COP最大，而對于工況2，25 Hz時COP最大。對此的解釋是：與工況1相比，工況2的冷凍水出水溫度較高，與制冷劑側的換熱溫差較大，同時蒸發壓力上升，達到相同過熱度所需的制冷劑流量更少，此時與蒸發器換熱量相匹配的壓縮機頻率將降低，因此最佳系統性能對應的壓縮機頻率從35 Hz變為25 Hz。

綜上所述，在壓縮機低頻率工作時，電子膨脹閥開度過大會引起少量吸氣帶液，此時嚴重影響壓縮機的運行。適當調節膨脹閥，將過熱度控制在2℃左右，系統將獲得最佳性能。工況的改變也會影響低頻率下的系統性能，當冷凍水溫度上升時，最佳壓縮機頻率將變低。

2.2 低頻率下電子膨脹閥調節特性

由圖8可知，在工況1下，壓縮機在低頻率（25～35 Hz）時電子膨脹閥開度均處于較小的開度，調節電子膨脹閥開度控制過熱度從0℃變為10℃，此時閥的調節區間很小，約為4% ～9%，而高頻率（40～50 Hz）時閥的調節區間約為15%～23%。因此，相比于高頻率，電子膨脹閥開度的調節對低頻率系統參數的影響更大。同時，較小的膨脹閥調節區間對制冷系統的調控不利，說明電子膨脹閥的控制比例帶δ較小，受控參數變化靈敏，系統過調嚴重，閥開度稍微變化就會使系統各參數產生巨大變化。

圖8 工況1不同頻率下電子膨脹閥對過熱度的調節Fig.8 The control characteristic of electronic expansion valve for superheated with different compression frequency at operating condition 1

圖9所示為工況2時不同頻率下電子膨脹閥對過熱度的調節。與圖8對比可知，冷凍水溫度的提升使低頻率下電子膨脹閥的調節區間變寬，有效改善了膨脹閥的調節性能。這是因為冷凍水溫度的提升使蒸發壓力上升，壓縮機吸氣比容減少，制冷劑質量流量減少，為了與蒸發器負荷達到平衡，膨脹閥需要更大的調節范圍。即通過提高冷凍水溫度或空調室內環境溫度可使電子膨脹閥控制比例帶變寬，這為低頻率下電子膨脹閥的優化調節提供了一種思路。

圖9 工況2不同頻率下電子膨脹閥對過熱度的調節Fig.9 The control characteristic of electronic expansion valve for superheated with different com pression frequency at operating condition 2

3 結論

本文對R32變制冷劑流量系統進行實驗，在不同壓縮機頻率下調節電子膨脹閥開度，研究了壓縮機低頻率下電子膨脹閥調節特性和系統性能變化。分析數據得出以下結論：

1）隨著電子膨脹閥開度逐漸減小，制冷量和質量流量均減小，這一規律在低頻率下依然適用。

2）壓縮機頻率越高，制冷量越大，即制冷量與頻率成正比。但是系統COP與頻率并沒有明確的關系。低頻率下調節電子膨脹閥，控制過熱度在2℃左右，系統將獲得最佳性能。此時系統COP最大，且高于高頻率時的系統COP。另外，當冷凍水溫度上升時，最佳系統性能對應的壓縮機頻率降低，更為廣泛的說，當蒸發器中換熱溫差增大時，壓縮機低頻運行的效果更為優異。

3）與高頻率相反，低頻率下壓縮機在過熱度0℃附近，極少量的吸氣帶液就會嚴重影響系統性能，更確切的說，壓縮機性能會迅速惡化。因此，在低頻下需要極力避免壓縮機吸氣帶液的情況。

4）低頻率下調節電子膨脹閥開度對系統性能的影響更大。由于低頻下電子膨脹閥控制比例帶較小，因此制冷系統容易過調導致失穩。提高冷凍水溫度或空調室內溫度可以有效改善膨脹閥的調節性能，這為低頻下電子膨脹閥控制性能的優化提供了思路。

上述規律可以適用于其他變制冷劑流量的蒸氣壓縮式循環，如變頻熱泵空調、汽車空調等。本文研究的是開環控制時，壓縮機低頻下電子膨脹閥調節特性和系統性能，對于膨脹閥-蒸發器閉環控制，兩者變化更為復雜，這在今后的研究中需要重點關注。

本文受上海市動力工程多相流動與傳熱重點實驗室（1N-15-301-101）項目資助。（The project was supported by the Key Laboratory of Multiphase Flow and Heat Transfer in Shanghai Power Engineering（No.1N-15-301-101）.）

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About the corresponding author

Tao Leren，male，professor，Institute of Refrigeration and Cryogenics，School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology， +86 13916356948，E-mall：cryo307＠usst.edu.cn.Research fields：low temperature refrigeration system，cryobio-medical technology.

Effect of Electronic Expansion Valve Adjustment on Performance of Refrigeration System at Low Com pression Frequency

Yu Zhongyang Tao Leren Wang Chao Shen Bingjie

（Institute of Refrigeration and Cryogenics，School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai，200093，China）

To experimentally investigate the effect of electronic expansion valve adjustment on performance of variable refrigerant flow refrigeration system with R32，the frequency of inverter compressor and the opening of electronic expansion valve are changed.The results show that the tendencies of refrigerating capacity and mass flow varying with the opening of electronic expansion valve are the same in each frequency.However，when superheated temperature is controlled at about 2 K，there has an optimum frequency in the lower range（25-35 Hz）where the COP of refrigeration system reaches the highest.Moreover，the compression with minute liquid of refrigerant has great effect on the performance of system at low frequency，which should be avoided in practical application.To control the superheated temperature from 0 K to 10 K，the opening of electronic expansion valve at low compression frequency（25-35 Hz）should be adjusted from 4 %to 9%，and that should be adjusted from 15%to 23%at high compression frequency（40-50 Hz）.Increasing the temperature of chilled water could effectively improve the control performance of electronic expansion valve at low compression frequency.The conclusions mentioned above are same with other type of variable refrigerant flow system，such as heat pump air-conditioning with variable frequency and vehicle air-conditioning.

inverter compressor；electronic expansion valve；superheated temperature；system performance

TB61；TB652

A

0253-4339（2016）06-0091-06

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.091

簡介

陶樂仁，男，教授，上海理工大學能源與動力工程學院，制冷與低溫工程研究所，13916356948，E-mail：cryo307＠usst.edu.cn。研究方向：低溫制冷系統，低溫生物醫學技術。

2016年5月9日