电子膨胀阀的应用领域及关键技术_江明旒

第9卷　第1期2009年2月

制冷与空调

REFRIGERATION AND AIR -CONDITIONING

100-104

电子膨胀阀的应用领域及关键技术

江明旒　王如竹　吴静怡　郭俊杰

(上海交通大学)

摘　要　介绍电子膨胀阀的分类及工作过程, 并分别阐述其在各领域中的应用现状, 着重从流量特性和控制策略及算法2方面对其关键技术进行分析论述, 最后指出目前电子膨胀阀的应用技术中存在的一些问题及今后的发展趋势。

关键词　电子膨胀阀; 应用领域; 流量特性; 控制

Application fields and key techniques of electronic expansion valve

Jiang Ming liu 　Wang Ruzhu 　Wu Jingy i 　Guo Junjie

(Shanghai Jiao T ong University )

ABSTRACT 　Presents the classificatio n and w orking process o f electro nic expansion valve (EEV ) briefly . Discusses the applicatio n fields and some key technique s of EEV , such as the flow characteristics , control strategy and algo rithm in details respectively . Finally an -alyzes so me problems needed to resolve and the develo pment trend o f EEV .

KEY W ORDS 　electronic ex pansion valve ; applicatio n fields ; flow characteristics ; co ntro l 　　电子膨胀阀是一种可按预设程序调节进入制

冷装置的制冷剂流量的节流元件。在一些负荷变化较剧烈或运行工况范围较宽的场合, 传统的节流元件(如毛细管、热力膨胀阀等) 已不能满足舒适性及节能方面的要求, 电子膨胀阀结合压缩机变容量技术已得到越来越广泛的应用。目前对电子膨胀阀的研究大致包括应用研究、流量特性、控制策略及算法3个方向面分别对其进行论述。

[1]

绕组的通电状态按照一定的逻辑关系每改变一次, 其转子便转过一个角度, 改变步进电机定子绕组的通电顺序, 转子的旋转方向随之改变, 通过螺纹的传递作用, 推动阀针上升或下降, 从而调节进入蒸发器的制冷剂流量。减速型的原理和直动型基本相同, 只是前者增加了1个减速齿轮组, 其作用是放大电磁力矩, 以满足不同流量范围的调节需要。1. 2　电子膨胀阀的工作过程

电子膨胀阀的控制过程为调节进入蒸发器的制冷剂流量, 控制目标过热度, 从而保证系统经济稳定运行。作为流量调节的执行机构, 电子膨胀阀与温度或压力传感器组(用于测量并反馈实际过热度) 、控制器、驱动电路以及电源共同构成过热度的闭环反馈调节系统。其中控制器可根据不同的需要采用单片机、可编程逻辑控制器(pro -g ram mable logic controller , PLC ) 或步进电机运动控制卡对电子膨胀阀进行控制。图1为典型的电动式电子膨胀阀控制蒸发器过热度的回路框图。

, 笔者将着重从这3个方

1　电子膨胀阀分类及工作过程

1. 1　分类

按照驱动方式, 电子膨胀阀可分为电磁式和电动式2类, 其中电动式电子膨胀阀又可分为直动型和减速型[2]。

电磁式电子膨胀阀的阀针开度取决于阀体内线圈上施加的电压, 通过改变线圈上的控制电压改变阀针开度, 从而调节进入蒸发器的制冷剂流量。电动式电子膨胀阀采用步进电机驱动。直动型是由步进电机直接带动阀针:当步进电机定子

收稿日期:2008-03-04

通信作者:王如竹, Em ail :rzwang @sjtu . edu . cn

图1　电动式电子膨胀阀对蒸发器过热度的控制

2　电子膨胀阀的应用领域

2. 1　热泵机组

由于热泵机组必须兼顾制冷和制热2种工况, 而毛细管或热力膨胀阀由于受到其结构和原理的限制, 流量调节能力有限, 运行工况范围窄。采用毛细管或热力膨胀阀作为节流元件的系统, 当需要满足较宽的运行工况时, 通常采用双毛细管或双热力膨胀阀, 为了进行切换还需配备2个电磁阀及温度传感器来选择相应的通道。这一方面增加了成本, 另一方面由于在运行过程中毛细管不具备调节能力, 而热力膨胀阀弹簧的预紧力也不可调, 所以仍然无法使系统在全工况范围内的运行达到最优。此外, 节流元件为热力膨胀阀的系统经常采用温包混合充注法。这种方法的充注比难以选取和控制, 并且对于热力膨胀阀调节范围的改善也非常有限。

谈磊等在空气源热泵机组应用中对电子膨胀阀和热力膨胀阀作了比较, 指出电子膨胀阀与热力膨胀阀相比具有更宽的调节范围, 可在15%～100%的范围内进行精确调节, 因而更适合运行工况范围较宽的热泵机组。另外, 在反应速度、灵活性以及控制功能的多样性方面, 电子膨胀阀均优于热力膨胀阀。

Choi 等研究了不同制冷剂充注量对于分别采用毛细管与电子膨胀阀的水源热泵机组能效的影响。试验结果表明, 当制冷剂充注量不足或过量时(偏离设计值±20%) , 以毛细管为节流元件的机组效率恶化明显, 并且在制冷剂充注量不足时表现尤为严重; 而以电子膨胀阀为节流元件的机组效率几乎不受制冷剂充注量的影响。这表明对电子膨胀阀的开度进行控制能够使热泵机组在偏离设计条件的情况下仍然保证系统的高效运行。

[4][3]

2. 2　汽车空调

由于受到天气、路况、热负荷及发动机转速等因素的影响, 汽车空调通常工作在非标准设计工况下。汽车空调一般采用H 型和F 型热力膨胀阀作为节流元件, 但热力膨胀阀的过热度设定值均依据标准工况设定。当系统在非标准工况下运行时, 其过热度往往会偏离设定值, 因而造成系统效率的下降以及运行的不稳定, 在一定条件下还会出现蒸发器结露甚至结霜现象。

夏文庆等[5]分析了目前电子膨胀阀在汽车空调应用中存在的一些问题, 并提出一种采用发动机转速的开环比例控制与车内蒸发器过热度的闭环反馈模糊控制相结合的控制方案。试验结果表明, 采用电子膨胀阀的汽车空调不仅使系统在各种负荷条件下都有较大的能效比, 而且对车内温度有更好的动态响应及更高的控制精度。Li 等对车用空调中电子膨胀阀的流量特性进行研究, 并采用Fuzzy -PID 参数自整定控制来调节电子膨胀阀的开度。研究表明, 在变工况条件下, 采用此控制方法的电子膨胀阀仍然能够向蒸发器提供足够的制冷剂量, 并且很好地控制过热度。与传统的PID 控制相比, 蒸发器出口处的空气温度降低了近3℃。

2. 3　多联式空调

多联机是由1台室外机通过管路向多台室内机输送制冷剂, 并通过控制进入各室内换热器的制冷剂流量, 以满足室内冷热负荷要求。多联机大多采用变频技术, 结合电子膨胀阀, 根据室内负荷要求对各房间进行独立调节, 具有占用空间小、安装方便、控制灵活、节能性强以及便于实现集中管理和网络控制等优点。

吴东兴等[7]指出多联式空调机组的关键研究点是压缩机变频及电子膨胀阀的控制, 并针对以

[6]

往孤立地考虑压缩机和电子膨胀阀的控制缺陷, 提出电子膨胀阀—压缩机的同步控制方案, 使得系统运行时匹配更加合理, 提高系统运行的稳定性。

2. 4　船舶冷藏集装箱和冷藏库制冷系统孙永明介绍了电子膨胀阀在船舶冷藏集装箱中的应用。由于运输船舶经常来往于温度差别较大的不同区域, 并受海洋气候条件的影响, 使得船舶冷藏空调机组具有运行工况范围宽以及环境温度变化剧烈的特点。他介绍了电子膨胀阀控制蒸发器过热度的几种方法, 并分析了电子膨胀阀在船舶冷藏集装箱中的应用前景、优势以及有待解决的问题。

龙海峰等[9]对电子膨胀阀在冷藏库制冷系统中的应用作了展望, 并进行了可行性分析。冷藏库制冷系统由于受进出货及太阳辐射等因素的影响, 其负荷波动较大, 而电子膨胀阀能够很好地适应这一特点。他还介绍了一种通过电子膨胀阀的控制来达到压缩机轻载启动的方法。2. 5　太阳能压缩式空调

如何合理有效利用太阳能, 已成为现代空调制冷技术研究的热点和重要的发展方向。然而太阳能具有辐射强度的非线性及波动无规律等特点, 给太阳能压缩式空调系统的研究和应用提出了难题和挑战, 传统的节流装置已无法满足快速调节制冷剂流量的要求。

李郁武等采用电子膨胀阀对直棚式太阳能热泵热水机组实现了PI 控制, 并指出要实现系统全年优化还必须结合变频压缩技术。

前面分析介绍了电子膨胀阀在一些典型系统中的应用, 由此可知, 电子膨胀阀更适合运行工况范围宽、负荷变化较剧烈、控制精度要求较高的场合。此外, 电子膨胀阀还具有控制功能灵活多样的特点, 并已在热泵除霜、压缩机排气温度的控制和压缩机启停控制等方面得到了应用[11]。3　电子膨胀阀流量特性的研究

电子膨胀阀流量特性的研究对于其控制策略和算法的制定都有着极为重要的意义。通常采用经典的水力学公式描述电子膨胀阀的流量特性, 但由于其节流过程中固有的复杂机制, 学术界对影响流量系数的因素也是众说纷纭。

Wile 等[12]认为膨胀阀的流量系数仅与阀入口处的制冷剂密度及阀出口处的制冷剂比容有关。

[10][8]

Davies 等[13]则认为流量系数仅与阀出口处的制冷剂干度有关。马善伟等[14]采用液环法研究阀开度、阀前后压差、入口密度、入口过冷度、出口比容、出口干度以及阀头半锥角和径向间隙对流量系数的影响, 并通过试验获得了它们的量化关系。翁文兵等[15]也作了相关方面的试验研究。在实际运用中, 电子膨胀阀在小开度的情况下容易产生阻塞流, 从而降低电子膨胀阀的调节范围。张川等[16]通过蒸发波及气体动力学非连续理论, 建立电子膨胀阀阻塞机制模型, 并从电子膨胀阀的设计加工的角度, 为改善其工作性能提供了指导和建议。梁彩华等[17]则给出电子膨胀阀阻塞流的判定依据, 并分析阻塞流对电子膨胀阀优化控制的影响。

Kang 等[18]专门研究了电子膨胀阀入口处的制冷剂空泡系数对制冷系统性能的影响。试验结果表明, 当制冷剂在电子膨胀阀入口处于两相状态时, 其流量及压缩机吸排气压力等参数都会产生周期性的波动, 并且随着空泡系数的增加, 系统平均COP 会进一步降低, 而压缩机平均排气温度则会有所上升, 从而使得机组的效率及稳定性进一步恶化。因此, 特别是对于制冷剂管路较长的多联式空调机组(因为较高的管路压力损失容易引起制冷剂的闪发) , 保证阀入口处有一定的过冷度就显得尤为重要。

此外, 张川等还通过对电子膨胀阀阀头线型的改进, 使得调节对象的非线性度在一定程度上得到了补偿。

值得注意的是, 以上研究方法基本上都是通过试验获得相应的关联式或变化规律, 在流量特性的理论研究等方面还有待进一步深入。4　电子膨胀阀控制策略及算法的研究

作为电子膨胀阀的调节对象———空调制冷系统具有强烈的非线性、滞后性以及工况时变性等特点, 系统各参数之间还存在强烈的耦合关系, 传统的控制方法已不能满足现代控制品质的要求。而且除了系统的效率外, 机组运行的安全稳定性也同样是系统的重要评价指标, 因此在制定控制策略和算法时, 必须进行全面综合的考虑。4. 1　控制策略

空调制冷系统的启动阶段与运行阶段存在较大差异, 因此需要针对机组启动阶段单独设计电子膨胀阀的启动控制程序。陈文勇等

[20]

[19]

提出了机

组启动阶段的3个评价指标:零过热度时间、最大过热度偏差以及调整时间, 并在启动阶段采取分时段固定开度法取得了比较满意的结果。

由于负荷突变等因素, 当蒸发器过热度为0℃时, 通过过热度无法判断蒸发器出口处制冷剂的气液比, 因此不能为阀开度的调整提供正确的依据。

已有研究表明, H uelle [21]提出的最小稳定过热度曲线(minim um stable signal , M SS ) 仍然适用于节流元件为电子膨胀阀的系统。Danfo ss 公司所倡导的电子膨胀阀M SS 控制方法, 即根据蒸发器出口处的温度波动量调整目标过热度, 从而在保证系统运行稳定的情况下, 最大程度地提高机组运行效率。

关阀速度过快会造成过热度的突然上升, 而突然上升的过热度又会使电子膨胀阀有一个快速开阀的动作, 这样反复超调就会导致系统运行不稳定, 甚至使被控参数发生周期性的振荡, 因此还需对电子膨胀阀的开关阀速度进行限制。采用变容量压缩机的系统, 还应注意电子膨胀阀与压缩机的协同控制。此外, 还可以根据不同的需要, 对电子膨胀阀进行压缩机排气温度控制和热泵除霜等功能的扩展。4. 2　控制算法

由于PID (比例、微分、积分) 调节具有控制精度高、适应性强等特点, 电子膨胀阀目前最常用的控制算法仍是采用传统的增量式PID 控制, 其离散化的控制算法表达式为

k

控制应用于电子膨胀阀的控制, 使得PID 参数能在不同的工况下具有自整定功能。然而, 模糊控制规则和隶属度函数的制定要求设计人员对所设

计的系统非常熟悉, 并且要有相当多的设计开发经验, 或是通过大量试验来摸清系统在各个工况下的动态响应特性, 这无疑给该技术在空调制冷系统中的应用与推广提出了更高要求。此外, 有一些学者[22-23]还尝试将神经网络控制运用于电子膨胀阀的控制, 但有关方面的报道大多还停留在设计仿真阶段, 相关的试验结果仍然相对较少。另外, 由于各个系统千差万别, 目前为止还没有通用性更强的控制算法, 针对不同系统需要采用不同的控制规律, 这也在一定程度上制约了电子膨胀阀技术的发展。5　结束语

在应用方面, 电子膨胀阀与其他节流元件相比, 更适合应用于负荷变化较剧烈或运行工况范围较宽的场合, 如热泵、车用空调、太阳能空调、多联式空调、超市冷柜、船舶冷藏集装箱等, 并通常结合压缩机变容量技术, 进一步实现系统的节能与优化。

在流量特性方面, 由于两相流固有的复杂机制, 并且在一定条件下还存在阻塞流等非常规特性, 除了通过试验获得相应流量特性的关联式之外, 阀流量特性的理论研究还有待进一步深入。

在控制方面, 空调制冷系统具有时变性、非线性、复杂性、扰动性以及各参数间强烈耦合等特点, 传统的PID 控制很难满足现代控制品质的要求。为了获得更好的控制效果, 目标过热度及PID 各参数值应该为实时最优。然而, 不同系统需要

Δu k =K p e (k ) +K i

j ) +∑e (

j =0

K d [e (k ) -e (k -1) ](1)

式中:Δu k 为第k 次采样时刻电子膨胀阀开度的变化量; e (k ) 为第k 次采样时刻实际过热度和目标过热度的偏差; K p , K i 和K d 分别为比例、积分和微分调节系数。需要注意的是不同系统的特点, 对PID 各调节参数选取十分关键, 特别是对于采样周期的确定:采样周期过小容易使调节过于频繁, 从

而引起系统运行的不稳定; 采样周期过长又会使控制精度受到影响。

然而, 对于非线性、有时滞、有扰动的空调制冷系统, 传统的PID 控制存在过渡时间长、超调量大以及PID 参数无法实时最优化等问题。针对这些问题, 国内外一些学者已将模糊控制结合PID

采用不同的控制规律, 无论是模糊控制中规则和

隶属度函数的制定, 还是PID 参数的选取, 都需要大量的试验加以验证。如何通过控制算法的改进来提高程序的通用性将是今后研究的重点。此外, 还应根据系统不同阶段的特点, 并且兼顾机组效率与安全稳定等方面, 全面综合地制定电子膨胀阀的控制方案。

制冷装置向机电一体化发展是未来的一条必由之路, 电子膨胀阀作为电子节流元件, 有着流量调节范围宽、响应速度快、控制精度高、节能效果明显等优点, 并且由于它易于与其他智能控制方法相结合, 便于进行功能扩展, 从而能更好地实现系统的优化与机组运行的稳定。同时值得指出的

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制　冷　与　空　调

用. 流体工程, 1992, 20(8) :57-60.

第9卷　

是, 由于制造工艺以及控制方案不同, 同样是采用电子膨胀阀作为节流机构的系统在能效及安全稳定性等方面也存在着较大差异。

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