電子膨脹閥在家用變頻空調(diào)器中的應用

閆長林

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

1 引言

目前在家用空調(diào)領域，主要存在兩種節(jié)流的方式，一種是傳統(tǒng)的毛細管節(jié)流，另一種則是電子膨脹閥的節(jié)流。但毛細管只能對流量做微小的調(diào)節(jié)，故比較適合于負荷較穩(wěn)定的系統(tǒng)，在負荷變化大時，無法有效及時地改變制冷劑流量。而電子膨脹閥的最大特點就是流量調(diào)節(jié)的及時性，可以及時響應壓縮機排量的改變。故用于調(diào)節(jié)制冷劑流量的電子膨脹閥，也將廣泛地應用于各類制冷系統(tǒng)中，實現(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)運行的節(jié)能性問題。電子膨脹閥和變頻壓縮機組成的系統(tǒng)已取得了很好的效果，尤其是在家用變頻空調(diào)器的低頻和高頻運行時，電子膨脹閥的優(yōu)勢就明顯地體現(xiàn)出來。

2 電子膨脹閥工作原理及特點

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)化得以真正實現(xiàn)的重要手段和保證，已經(jīng)被應用在越來越多的家用變頻空調(diào)領域中。

與毛細管相比，電子膨脹閥在以下方面有顯著的優(yōu)勢[1]：

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

表1 實驗項目

表2 制冷實驗數(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，在低溫下能準確反應出過熱度的變化。

（3）電子膨脹閥的過熱度設定值可調(diào)。電子膨脹閥的調(diào)節(jié)作用可以徹底實現(xiàn)遠距離控制，根據(jù)不同需要靈活調(diào)整過熱度以減小蒸發(fā)器表面和冷藏庫內(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排氣溫度可以防止因排氣溫度的升高對系統(tǒng)性能產(chǎn)生的不利影響，同時又可省去專設的安全保護器，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，這相對于毛細管有著明顯的優(yōu)勢。主要應用于以下幾個方面：

（1）變頻空調(diào)器性能最適化應用[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)下運行[3]，目前家用變頻空調(diào)器中，能效為一、二級的機型已經(jīng)廣泛采用電子膨脹閥的控制技術。

（2）在提高除霜性能中的應用

在制熱時電子膨脹閥以最適的制熱開度運轉(zhuǎn)，當除霜開始時，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)器低溫能力上的應用

在空調(diào)器低溫測試中，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用

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

（5）電子膨脹閥的高溫保護應用

在空調(diào)器運行的過程中，可以通過調(diào)節(jié)電子膨脹閥的開度抑制可能出現(xiàn)的壓縮機排氣溫度過高的情況發(fā)生，即當排氣溫度過高時，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應用

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

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

我們對一臺1.5P的家用變頻空調(diào)掛機進行了實驗對比，除了節(jié)流部分按照毛細管和電子膨脹閥之外，其他部分完全一樣。為了避免實驗中的系統(tǒng)誤差，設計了兩個節(jié)流系統(tǒng)的切換裝置，使得實驗在同一臺機子上連續(xù)完成，這樣就提高了實驗結果的可靠性。其實驗系統(tǒng)原理如圖3所示。

需要說明的是，按照毛細管配置的系統(tǒng)設計中，毛細管規(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)化控制原則自動控制，此時系統(tǒng)處于最優(yōu)的狀態(tài)運行。本次研究實驗的測試項目是按照GB/T 7725中的變頻空調(diào)的一些性能測試指標測試。主要內(nèi)容見表1所示。

為了便于敘述，我們將毛細管方案定為方案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等方面進行實驗數(shù)據(jù)對比分析。

4.1 制冷性能數(shù)據(jù)對比分析

制冷的系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)見表2所示。

從實驗數(shù)據(jù)上看，首先額定制冷情況下的數(shù)據(jù)基本相同，這說明在額定頻率點67Hz時空調(diào)系統(tǒng)的毛細管節(jié)流和電子膨脹閥的節(jié)流特性基本相同。而在其他的運行狀態(tài)下，由于電子膨脹閥可以自動進行流量調(diào)節(jié)，所以其相關性能的測試數(shù)據(jù)要比毛細管的節(jié)流數(shù)據(jù)優(yōu)越。

表3 制熱實驗數(shù)據(jù)

表4 SEER的相關數(shù)據(jù)

表5 HSPF的相關數(shù)據(jù)

與方案a相比，方案b的優(yōu)勢如下：

（1）在中間制冷時，方案b的設計頻率減低，能效比提高了約0.2；

（2）在額定最小制冷時，空調(diào)運行在最低頻率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；

（3）在額定最大制冷高頻運行時，電子膨脹閥節(jié)流的性能優(yōu)勢也比較明顯，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)對比分析

制熱系統(tǒng)的數(shù)據(jù)見表3。

表6 兩種APF的相關數(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。而在其他運行狀態(tài)下，從相關的性能測試數(shù)據(jù)來看，電子膨脹閥的優(yōu)勢明顯高于毛細管的節(jié)流性能。

電子膨脹閥與毛細管的具體優(yōu)勢對比：

（1）在中間制熱時，方案b的設計頻率降低了3Hz，能效比提高了約0.2。

（2）在額定最小制熱時，空調(diào)運行在最低頻率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。

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

4.3 SEER對比分析

根據(jù)制冷的單項數(shù)據(jù)來看，我們按照GB/T 7725中的計算方法來算SEER，這樣就可以得出這兩種節(jié)流方案對SEER的影響。具體對比數(shù)據(jù)請見表4。

從上面數(shù)據(jù)來分析，按照GB/T 7725計算出來的SEER相差不大，電子膨脹閥的SEER比毛細管提高了約3.63%。

4.4 HSPF對比分析

同樣，根據(jù)制熱的單項數(shù)據(jù)來看，我們按照GB/T 7725中的計算方法來算HSPF，這樣就可以得出這兩種節(jié)流方案對HSPF的影響。具體對比數(shù)據(jù)請見表5。

從上面數(shù)據(jù)來分析，按照GB/T 7725計算出來的HSPF相差不大，電子膨脹閥的HSPF比毛細管提高了約4.2%。

4.1.4APF（全年能源消耗效率）對比分析

在前面制冷和制熱相關數(shù)據(jù)的對比基礎上，現(xiàn)在可以對APF（全年能源消耗效率）進行計算對比，具體數(shù)據(jù)請見表6。

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

5 結論

綜上所述，采用電子膨脹閥對家用變頻空調(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。對于變頻空調(diào)去的設計，無論從理論上還是實驗數(shù)據(jù)來看，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，特別是當變頻空調(diào)器處于低頻或者高頻運行時，其性能優(yōu)勢更為明顯。電子膨脹閥應用于家用變頻空調(diào)器已經(jīng)成為行業(yè)的主流，勢不可擋。

[1]趙瑞軍，王先來，李維平.山西建筑，2005，31（1）

[2]江明旒，王如竹，吳靜怡等.電子膨脹閥的應用領域及關鍵技術[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—壓縮機的同步控制[J].流體機械，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)采用單根毛細管的性能分析流體機械，1998,12