低頻率下電子膨脹閥調(diào)節(jié)對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響

虞中旸 陶樂(lè)仁 王超 沈冰潔

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院制冷與低溫工程研究所 上海 200093）

低頻率下電子膨脹閥調(diào)節(jié)對(duì)制冷系統(tǒng)性能的影響

虞中旸 陶樂(lè)仁 王超 沈冰潔

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)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(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置為研究對(duì)象，通過(guò)改變變頻壓縮機(jī)頻率和電子膨脹閥開(kāi)度，對(duì)低頻率下電子膨脹閥調(diào)節(jié)對(duì)系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。研究結(jié)果表明：1）系統(tǒng)制冷量和質(zhì)量流量在各頻率下變化規(guī)律相同；2）當(dāng)控制蒸發(fā)器出口過(guò)熱度在2 K附近時(shí)，低頻率范圍（25～35 Hz）內(nèi)存在一個(gè)最佳頻率點(diǎn)，與其他各頻率相比，其系統(tǒng)COP最高；3）低頻率下壓縮機(jī)在過(guò)熱度0 K附近極少量的吸氣帶液就會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能造成嚴(yán)重影響，這在實(shí)際運(yùn)行中需要極力避免；4）低頻率下（25 ～35 Hz）控制過(guò)熱度從0 K變?yōu)?0 K，電子膨脹閥調(diào)節(jié)區(qū)間為4% ～9%，而高頻率下（40～50 Hz）調(diào)節(jié)區(qū)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(diào)節(jié)性能。以上結(jié)論可以推廣到其他變制冷劑流量系統(tǒng)，如變頻熱泵空調(diào)和汽車(chē)空調(diào)等。

變頻壓縮機(jī)；電子膨脹閥；過(guò)熱度；系統(tǒng)性能

自變頻空調(diào)推出以來(lái)，因其具有軟啟動(dòng)、快速制冷、節(jié)能、溫控精度高等特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展［1］。電子膨脹閥和變頻壓縮機(jī)作為主要調(diào)節(jié)原件，其工作特性直接影響著系統(tǒng)的性能。隨著對(duì)制冷系統(tǒng)節(jié)能的要求越來(lái)越高，低負(fù)荷下變頻空調(diào)的調(diào)節(jié)尤為重要?？刂葡到y(tǒng)在低負(fù)荷下運(yùn)行，最主要的方法是將壓縮機(jī)頻率降低，但也會(huì)造成許多不利影響［2-6］。對(duì)于壓縮機(jī)變頻率時(shí)系統(tǒng)各性能變化的研究有很多，但是系統(tǒng)最佳工作性能對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)頻率這一問(wèn)題的答案尚未形成統(tǒng)一，主要分為兩類(lèi)：額定頻率附近系統(tǒng)性能最佳和低頻率時(shí)存在最佳運(yùn)行頻率點(diǎn)。

鄭學(xué)鵬等［7］利用模型計(jì)算研究了系統(tǒng)制冷量、輸入功率、性能系數(shù)等參數(shù)隨壓縮機(jī)頻率的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當(dāng)頻率較小，轉(zhuǎn)速過(guò)低時(shí)，機(jī)組的泄漏、熱交換、余隙膨脹嚴(yán)重，壓縮機(jī)性能下降。當(dāng)頻率逐漸增大時(shí)，制冷量和輸入功率幾乎呈線(xiàn)性上升，而性能系數(shù)呈拋物線(xiàn)型，在額定頻率附近維持較高值。張華俊等［8］通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這一結(jié)論。

田曉亮等［9］測(cè)試了常規(guī)壓縮機(jī)的變頻性能，指出當(dāng)壓縮機(jī)頻率低于20 Hz時(shí)存在共振及機(jī)組發(fā)熱現(xiàn)象，高于60 Hz可能會(huì)造成電機(jī)燒毀現(xiàn)象。結(jié)合制冷系數(shù)隨頻率的變化曲線(xiàn)圖得出，最佳系統(tǒng)工作性能在額定頻率附近。

但是趙力等［10］指出，以上實(shí)驗(yàn)研究均在變工況情況下進(jìn)行，文中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，將蒸發(fā)溫度和冷凝溫度控制在某一較小區(qū)域內(nèi)，測(cè)量系統(tǒng)參數(shù)和壓縮機(jī)頻率的關(guān)系，得出COP在30～35 Hz存在一個(gè)極大值，因而最佳系統(tǒng)工作性能并不一定在額定功率處，在低頻率處也有可能達(dá)到。石文星等［11］研究了壓縮機(jī)頻率對(duì)性能指標(biāo)EER的影響，得出了相同結(jié)論。李松波等［12］在保持同一測(cè)試工況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)頻率對(duì)COP的影響有兩個(gè)拋物線(xiàn)峰值，分別在25 Hz和85 Hz出現(xiàn)，即低頻范圍和高頻范圍分別存在一個(gè)最佳運(yùn)行頻率點(diǎn)。

以上研究均基于定膨脹閥開(kāi)度的情況，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，變頻壓縮機(jī)與電子膨脹閥總是共同調(diào)節(jié)，而此時(shí)的壓縮機(jī)頻率與系統(tǒng)性能的關(guān)系必然不同。韓磊等［13］實(shí)驗(yàn)分析了R22變制冷劑流量制冷系統(tǒng)中，不同膨脹閥開(kāi)度和壓縮機(jī)頻率下的系統(tǒng)參數(shù)變化規(guī)律，但是并未確定最佳工作頻率，也沒(méi)有詳細(xì)分析低頻率下電子膨脹閥的調(diào)節(jié)規(guī)律。

綜上所述，對(duì)于變制冷劑流量制冷系統(tǒng)低頻率下電子膨脹閥的調(diào)節(jié)特性和系統(tǒng)性能變化并沒(méi)有得到充分研究。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)，分析了R32變制冷劑流量制冷系統(tǒng)中，壓縮機(jī)不同頻率和電子膨脹閥開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)制冷量、制冷劑質(zhì)量流量和系統(tǒng)COP的影響，以及低頻率下通過(guò)電子膨脹閥開(kāi)度來(lái)控制蒸發(fā)器出口過(guò)熱度的調(diào)節(jié)特性，試圖得出對(duì)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程具有指導(dǎo)意義的結(jié)論。

1 實(shí)驗(yàn)原理及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)介

圖1中，壓縮機(jī)1選用變頻滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，自帶氣液分離器。理論排量10.2 mL，頻率可調(diào)范圍為16.6～120 Hz，額定頻率為50 Hz。壓縮機(jī)由一臺(tái)通用型變頻器驅(qū)動(dòng)，工作頻率可以通過(guò)手動(dòng)設(shè)定。選用智能數(shù)字功率表測(cè)量壓縮機(jī)耗功W，精度等級(jí)為0.5級(jí)，制冷劑為R32。

采用科氏力流量計(jì)測(cè)量制冷劑質(zhì)量流量m （g／s），及流過(guò)流量計(jì)的制冷劑溫度Tv（℃）和壓力pv（kPa），精度為±0.1%。流量計(jì)前安裝過(guò)冷器，通過(guò)恒溫水箱可以精確控制制冷劑的過(guò)冷度，偏差不超過(guò)±0.1℃。蒸發(fā)器8為BL26-20型板式換熱器。以出水溫度為控制對(duì)象，由電加熱器來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)水循環(huán)溫度，其加熱量由調(diào)壓調(diào)功器自動(dòng)控制。為了方便觀察蒸發(fā)器出口制冷劑的流型，蒸發(fā)器出口連接可視管2。電子膨脹閥6為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的直動(dòng)式電子膨脹閥，通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)控制器改變其開(kāi)度。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Experimental installation schematic diagram

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

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為了使實(shí)驗(yàn)工況與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)制冷工況（蒸發(fā)溫度7.2℃，冷凝溫度54.4℃，過(guò)冷溫度46.1℃）相近，同時(shí)為了模擬較低室內(nèi)環(huán)境溫度下的空調(diào)運(yùn)行特性，設(shè)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(jī)頻率在60 Hz不變，調(diào)節(jié)電子膨脹閥使系統(tǒng)過(guò)熱度為10℃左右，并穩(wěn)定運(yùn)行60 min以上。手動(dòng)調(diào)節(jié)電子膨脹閥開(kāi)度逐步增大，并觀察蒸發(fā)器出口處可視管2內(nèi)的制冷劑狀態(tài)，直到制冷劑極少量吸氣帶液；同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集程序的蒸發(fā)器出口過(guò)熱度值，直到其小于0.5℃為止。每一個(gè)開(kāi)度下穩(wěn)定運(yùn)行60 min后，記錄10 min內(nèi)的數(shù)據(jù)并取平均值，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。之后降低壓縮機(jī)頻率，分別在25、30、35、40、50、60 Hz時(shí)調(diào)節(jié)膨脹閥并記錄數(shù)據(jù)。具體實(shí)驗(yàn)工況見(jiàn)表1。后文統(tǒng)一以工況1和工況2表述表1中對(duì)應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Operating conditions

1.3 計(jì)算公式

由測(cè)量值通過(guò)Refprop9.0物性軟件可得質(zhì)量流量計(jì)內(nèi)制冷劑壓力pv對(duì)應(yīng)的飽和溫度Tv，sat、蒸發(fā)溫度Te，sat、膨脹閥前焓值hv及蒸發(fā)器出口焓值he?？梢愿鶕?jù)式（1）、式（2）、式（3）和式（4）計(jì)算，得到所需參數(shù)：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同頻率下系統(tǒng)性能的變化

由圖2～圖5可知，制冷量和質(zhì)量流量在各個(gè)頻率下的變化趨勢(shì)大致相同，均隨著過(guò)熱度增大（即膨脹閥開(kāi)度的減?。┒鴾p小，這一規(guī)律在低頻率下依然適用。導(dǎo)致制冷量減小的原因：電子膨脹閥開(kāi)度減小，使制冷劑質(zhì)量流量減小；蒸發(fā)溫度的降低使蒸發(fā)器中制冷劑側(cè)與水側(cè)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(shì)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(shì)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(zhì)量流量的變化趨勢(shì)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(guī)律，但是系統(tǒng)COP的變化情況卻較為復(fù)雜。由圖6可知，當(dāng)系統(tǒng)處于工況1時(shí)，在低頻率下（25～35 Hz）隨著過(guò)熱度的增加，COP先上升后下降，最大值在2℃附近；而高頻率時(shí)的COP并沒(méi)有極大值點(diǎn)，而是直接下降。另外，觀察圖6中30 Hz和35 Hz的COP變化趨勢(shì)可知，當(dāng)過(guò)熱度接近0℃時(shí)，系統(tǒng)COP突然下降，原因在于系統(tǒng)此時(shí)有少量吸氣帶液，這對(duì)于系統(tǒng)性能是不利的。雖然在過(guò)熱度0℃附近壓縮機(jī)吸氣帶液量極少，但是在低頻率時(shí)這一影響卻尤為顯著。對(duì)比圖2和圖3，在低過(guò)熱度時(shí)，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(jī)性能。當(dāng)壓縮機(jī)低頻運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)入壓縮機(jī)的液體制冷劑在吸入口有充分的時(shí)間吸熱，造成壓縮機(jī)內(nèi)有效氣體體積減少，溫度系數(shù)明顯降低［2］。同時(shí)吸氣帶液會(huì)稀釋潤(rùn)滑油，且低頻下制冷劑流速較慢，導(dǎo)致壓縮機(jī)回油困難，使內(nèi)部泄漏嚴(yán)重，泄漏系數(shù)較小。而高頻率時(shí)，制冷劑流速加快，溫度系數(shù)和泄漏系數(shù)在極少量吸氣帶液時(shí)變化不大，因此系統(tǒng)COP并不會(huì)突然下降?？傊?，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(zhì)量流量的變化趨勢(shì)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(shì)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(shì)Fig.7 The change of COP with different compression frequency at operating condition 2

通過(guò)比較圖6和圖7過(guò)熱度為2℃時(shí)不同頻率的COP可知，在工況1下，壓縮機(jī)頻率為35 Hz時(shí)COP最大，而對(duì)于工況2，25 Hz時(shí)COP最大。對(duì)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(cè)的換熱溫差較大，同時(shí)蒸發(fā)壓力上升，達(dá)到相同過(guò)熱度所需的制冷劑流量更少，此時(shí)與蒸發(fā)器換熱量相匹配的壓縮機(jī)頻率將降低，因此最佳系統(tǒng)性能對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)頻率從35 Hz變?yōu)?5 Hz。

綜上所述，在壓縮機(jī)低頻率工作時(shí)，電子膨脹閥開(kāi)度過(guò)大會(huì)引起少量吸氣帶液，此時(shí)嚴(yán)重影響壓縮機(jī)的運(yùn)行。適當(dāng)調(diào)節(jié)膨脹閥，將過(guò)熱度控制在2℃左右，系統(tǒng)將獲得最佳性能。工況的改變也會(huì)影響低頻率下的系統(tǒng)性能，當(dāng)冷凍水溫度上升時(shí)，最佳壓縮機(jī)頻率將變低。

2.2 低頻率下電子膨脹閥調(diào)節(jié)特性

由圖8可知，在工況1下，壓縮機(jī)在低頻率（25～35 Hz）時(shí)電子膨脹閥開(kāi)度均處于較小的開(kāi)度，調(diào)節(jié)電子膨脹閥開(kāi)度控制過(guò)熱度從0℃變?yōu)?0℃，此時(shí)閥的調(diào)節(jié)區(qū)間很小，約為4% ～9%，而高頻率（40～50 Hz）時(shí)閥的調(diào)節(jié)區(qū)間約為15%～23%。因此，相比于高頻率，電子膨脹閥開(kāi)度的調(diào)節(jié)對(duì)低頻率系統(tǒng)參數(shù)的影響更大。同時(shí)，較小的膨脹閥調(diào)節(jié)區(qū)間對(duì)制冷系統(tǒng)的調(diào)控不利，說(shuō)明電子膨脹閥的控制比例帶δ較小，受控參數(shù)變化靈敏，系統(tǒng)過(guò)調(diào)嚴(yán)重，閥開(kāi)度稍微變化就會(huì)使系統(tǒng)各參數(shù)產(chǎn)生巨大變化。

圖8 工況1不同頻率下電子膨脹閥對(duì)過(guò)熱度的調(diào)節(jié)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(shí)不同頻率下電子膨脹閥對(duì)過(guò)熱度的調(diào)節(jié)。與圖8對(duì)比可知，冷凍水溫度的提升使低頻率下電子膨脹閥的調(diào)節(jié)區(qū)間變寬，有效改善了膨脹閥的調(diào)節(jié)性能。這是因?yàn)槔鋬鏊疁囟鹊奶嵘拐舭l(fā)壓力上升，壓縮機(jī)吸氣比容減少，制冷劑質(zhì)量流量減少，為了與蒸發(fā)器負(fù)荷達(dá)到平衡，膨脹閥需要更大的調(diào)節(jié)范圍。即通過(guò)提高冷凍水溫度或空調(diào)室內(nèi)環(huán)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(yōu)化調(diào)節(jié)提供了一種思路。

圖9 工況2不同頻率下電子膨脹閥對(duì)過(guò)熱度的調(diào)節(jié)Fig.9 The control characteristic of electronic expansion valve for superheated with different com pression frequency at operating condition 2

3 結(jié)論

本文對(duì)R32變制冷劑流量系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在不同壓縮機(jī)頻率下調(diào)節(jié)電子膨脹閥開(kāi)度，研究了壓縮機(jī)低頻率下電子膨脹閥調(diào)節(jié)特性和系統(tǒng)性能變化。分析數(shù)據(jù)得出以下結(jié)論：

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

2）壓縮機(jī)頻率越高，制冷量越大，即制冷量與頻率成正比。但是系統(tǒng)COP與頻率并沒(méi)有明確的關(guān)系。低頻率下調(diào)節(jié)電子膨脹閥，控制過(guò)熱度在2℃左右，系統(tǒng)將獲得最佳性能。此時(shí)系統(tǒng)COP最大，且高于高頻率時(shí)的系統(tǒng)COP。另外，當(dāng)冷凍水溫度上升時(shí)，最佳系統(tǒng)性能對(duì)應(yīng)的壓縮機(jī)頻率降低，更為廣泛的說(shuō)，當(dāng)蒸發(fā)器中換熱溫差增大時(shí)，壓縮機(jī)低頻運(yùn)行的效果更為優(yōu)異。

3）與高頻率相反，低頻率下壓縮機(jī)在過(guò)熱度0℃附近，極少量的吸氣帶液就會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，更確切的說(shuō)，壓縮機(jī)性能會(huì)迅速惡化。因此，在低頻下需要極力避免壓縮機(jī)吸氣帶液的情況。

4）低頻率下調(diào)節(jié)電子膨脹閥開(kāi)度對(duì)系統(tǒng)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(tǒng)容易過(guò)調(diào)導(dǎo)致失穩(wěn)。提高冷凍水溫度或空調(diào)室內(nèi)溫度可以有效改善膨脹閥的調(diào)節(jié)性能，這為低頻下電子膨脹閥控制性能的優(yōu)化提供了思路。

上述規(guī)律可以適用于其他變制冷劑流量的蒸氣壓縮式循環(huán)，如變頻熱泵空調(diào)、汽車(chē)空調(diào)等。本文研究的是開(kāi)環(huán)控制時(shí)，壓縮機(jī)低頻下電子膨脹閥調(diào)節(jié)特性和系統(tǒng)性能，對(duì)于膨脹閥-蒸發(fā)器閉環(huán)控制，兩者變化更為復(fù)雜，這在今后的研究中需要重點(diǎn)關(guān)注。

本文受上海市動(dòng)力工程多相流動(dòng)與傳熱重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（1N-15-301-101）項(xiàng)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(jiǎn)介

陶樂(lè)仁，男，教授，上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)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(tǒng)，低溫生物醫(yī)學(xué)技術(shù)。

2016年5月9日