恒溫恒濕箱內(nèi)電子膨脹閥替代毛細(xì)管的可行性研究

郝文洋，張華，盛健

（上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200093）

0 引言

隨著人類現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，對于生物醫(yī)藥，電子通信和現(xiàn)代科研相關(guān)的保存培養(yǎng)精密性與便捷性要求也不斷提升?，F(xiàn)有恒溫恒濕中的空氣處理技術(shù)對制冷量的調(diào)節(jié)和精密度穩(wěn)定性有一定要求，這與恒溫恒濕箱內(nèi)的制冷系統(tǒng)熱補(bǔ)償與加濕系統(tǒng)的工作性能、配合程度和調(diào)用邏輯算法相關(guān)[1-2]。工作原理是：制冷系統(tǒng)對空氣進(jìn)行降溫除濕，再通過電加熱器進(jìn)行熱補(bǔ)償來提高溫度、或蒸氣加濕器濕補(bǔ)償提升濕度，以實(shí)現(xiàn)對箱內(nèi)環(huán)境溫濕度精確控制的需要[3-4]。

近年來國內(nèi)針對恒溫恒濕箱的研究取得一定進(jìn)展。盛健等[5]在傳統(tǒng)恒溫恒濕箱內(nèi)的制冷系統(tǒng)使用壓縮機(jī)吸氣少量噴液方法，降低了壓縮機(jī)排氣溫度及壓縮機(jī)故障率。郭俊等[6]研究了3.6 kW 新型帶冷凝熱回收的恒溫恒濕空調(diào)機(jī)組，實(shí)驗(yàn)證明帶有可調(diào)節(jié)正副電磁膨脹閥的空調(diào)機(jī)組，在一定程度上能增加機(jī)組處理熱濕負(fù)荷的范圍和加強(qiáng)負(fù)荷控制能力，并能減少空調(diào)運(yùn)行的能源消耗。除了采用蒸氣壓縮制冷外，張喬丹等[7]通過搭建半開放式的恒溫暖箱，采用半導(dǎo)體制冷，使箱內(nèi)溫度控制基本符合要求，處于適宜溫度區(qū)間。與此同時(shí)將改進(jìn)型PID（比例、微分、積分）算法運(yùn)用于半導(dǎo)體制冷片可以精確控制小型空間的溫濕度精度[8]。余顯冰等[9]基于單片機(jī)編程、溫度傳感器和半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)帳篷內(nèi)自動(dòng)恒溫的裝置。

目前恒溫恒濕箱能夠在一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到相應(yīng)的溫濕度范圍，但在當(dāng)前的背景下，需要進(jìn)一步減小運(yùn)行溫濕度偏差和波動(dòng)范圍，從而滿足市場對較高精度恒溫恒濕箱的需求[10-11]。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)在已有的吸氣噴液技術(shù)恒溫恒濕箱基礎(chǔ)上，用電子膨脹閥替換節(jié)流毛細(xì)管進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，嘗試解決溫濕度波動(dòng)范圍較大的問題。

1 電子膨脹閥優(yōu)勢

傳統(tǒng)箱內(nèi)制冷系統(tǒng)采用毛細(xì)管作為節(jié)流裝置。毛細(xì)管的孔徑設(shè)計(jì)是基于某種特定工況下的最佳效率，可在一般范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)其規(guī)定性能。但其并不能根據(jù)不同工況而改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以在定頻壓縮機(jī)的變工況（極端外部環(huán)境）或變頻壓縮機(jī)的頻率上升時(shí)，循環(huán)系統(tǒng)的冷凝壓力上升，蒸發(fā)壓力下降，采用毛細(xì)管的制冷循環(huán)比采用電子膨脹閥的壓力變化快，蒸發(fā)器出口過熱度也會(huì)相應(yīng)增大，最終參與循環(huán)的制冷劑流量減小。而定頻壓縮機(jī)制冷量設(shè)計(jì)均有余量，當(dāng)?shù)竭_(dá)所設(shè)定的目標(biāo)溫度時(shí)溫度控制器會(huì)控制壓縮機(jī)開關(guān)機(jī)，在開關(guān)機(jī)之中有一定的時(shí)間周期，從而導(dǎo)致制冷設(shè)備內(nèi)部溫度波動(dòng)較大[12]。所以采用毛細(xì)管作為節(jié)流裝置的機(jī)器設(shè)備，存在調(diào)節(jié)能力過差和一定時(shí)間箱內(nèi)溫度波動(dòng)較大而導(dǎo)致溫度精度較差的情況，并且會(huì)帶來壓縮機(jī)排氣溫度過高、效率低和使用壽命縮短等問題。特別在恒溫恒濕箱系統(tǒng)中，存在熱補(bǔ)償和濕補(bǔ)償高的問題。

在恒溫恒濕箱中使用電子膨脹閥代替毛細(xì)管，可以在一定程度上解決上述問題。電子膨脹閥結(jié)構(gòu)雖然相對復(fù)雜，但能適應(yīng)變工況條件，動(dòng)作響應(yīng)快，調(diào)節(jié)范圍可在最大孔徑的15%～100%的范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)[13]。電子膨脹閥對制冷劑流量的調(diào)節(jié)除了可以控制蒸發(fā)器外，還可用來調(diào)節(jié)冷凝器[14]。當(dāng)環(huán)境工況改變時(shí)，電子膨脹閥可按照某一設(shè)定，如排氣溫度或壓縮機(jī)吸氣過熱度等自動(dòng)調(diào)節(jié)開度，使系統(tǒng)中的制冷劑循環(huán)流量保持在一個(gè)最佳的狀況[15]。

恒溫恒濕箱采用邏輯控制系統(tǒng)對箱內(nèi)系統(tǒng)組合進(jìn)行指令，工作流程為：箱內(nèi)目標(biāo)溫濕度低于外界環(huán)境溫濕度時(shí)，通過制冷系統(tǒng)對送風(fēng)進(jìn)行降溫除濕，再根據(jù)目標(biāo)溫濕度進(jìn)行再熱升溫或蒸氣加濕；箱內(nèi)目標(biāo)溫濕度高于外界環(huán)境溫濕度時(shí)，通過電加熱系統(tǒng)和加濕系統(tǒng)對送風(fēng)進(jìn)行加熱與加濕；箱內(nèi)目標(biāo)溫度高于外界環(huán)境溫度但目標(biāo)濕度低于環(huán)境濕度時(shí)，通過制冷系統(tǒng)先對送風(fēng)進(jìn)行降溫除濕，電加熱系統(tǒng)再對送風(fēng)進(jìn)行再熱升溫；箱內(nèi)目標(biāo)溫度低于外界環(huán)境溫度但目標(biāo)濕度高于環(huán)境濕度時(shí)，制冷系統(tǒng)先對送風(fēng)進(jìn)行降溫除濕，加濕系統(tǒng)再對送風(fēng)進(jìn)行蒸氣加濕。圖1所示為變工況下恒溫恒濕箱空氣處理流程。

圖1 變工況下恒溫恒濕箱空氣處理流程

圖1(a)所示為一種典型的同時(shí)運(yùn)行了制冷、電加熱和蒸氣加濕3 種系統(tǒng)的送風(fēng)空氣處理焓濕圖。采用電子膨脹閥的制冷系統(tǒng)可根據(jù)不同的工況對蒸發(fā)器制冷量大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。恒溫恒濕箱采用同側(cè)上送下回的全回風(fēng)系統(tǒng)，箱內(nèi)空氣點(diǎn)即回風(fēng)點(diǎn)N 掠過蒸發(fā)器翅片表冷至狀態(tài)點(diǎn)L，然后通過電阻式加熱管束對流換熱至狀態(tài)點(diǎn)H，最后通過蒸氣加濕器產(chǎn)生的濕蒸氣對其進(jìn)行等溫加濕至狀態(tài)S，最終處理好的送風(fēng)進(jìn)入箱內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N。系統(tǒng)邏輯控制可實(shí)時(shí)監(jiān)測箱內(nèi)儲(chǔ)存區(qū)的溫濕度來控制3 組系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉，如圖1(b)所示。

2 實(shí)驗(yàn)流程

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置布置

圖2所示為恒溫恒濕箱內(nèi)部格局右視圖。恒溫恒濕箱箱體容積為250 L，內(nèi)部包括儲(chǔ)存區(qū)和空氣處理系統(tǒng)。制冷系統(tǒng)采用R134a 制冷劑，主要部件包括定頻活塞式冰柜冰箱壓縮機(jī)、風(fēng)冷式冷凝器、12 排翅片式蒸發(fā)器和電子膨脹閥和旁通毛細(xì)管；電加熱系統(tǒng)主要部件為電阻式電加熱器；蒸氣加濕系統(tǒng)部件包括水槽和蒸氣加濕器。儲(chǔ)存區(qū)空氣循環(huán)為上送下回式，回風(fēng)由下至上經(jīng)過蒸發(fā)器進(jìn)行降溫除濕，電加熱補(bǔ)償或蒸氣加濕補(bǔ)償后，由貫流風(fēng)機(jī)將處理好的空氣送入儲(chǔ)存區(qū)。其中，蒸發(fā)器的制冷劑由上部（第1 排）管束流入，最底層管束（第12排）流出，空氣由下至上方向掠過蒸發(fā)器表面，這種流動(dòng)方式能保證良好的除濕效果。箱體外部正面安裝可觸Led 顯示屏控制系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)顯示儲(chǔ)存區(qū)瞬時(shí)溫濕度，并手動(dòng)對工作參數(shù)進(jìn)行更改設(shè)置。

圖2 恒溫恒濕箱內(nèi)部格局右視圖

圖3所示為制冷系統(tǒng)原理。高溫高壓的氣態(tài)制冷劑經(jīng)過風(fēng)冷冷凝器后變?yōu)橐簯B(tài)，分為兩路。大部分制冷劑經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流降壓到蒸發(fā)器入口，在蒸發(fā)器內(nèi)氣化吸熱制冷，少部分制冷劑通過旁通毛細(xì)管成為氣液兩相且壓力略高于壓縮機(jī)入口。在蒸發(fā)器出口的氣態(tài)制冷劑與旁通毛細(xì)管出口的氣液兩相制冷劑在壓縮機(jī)入口混合后進(jìn)入壓縮機(jī)。壓縮機(jī)出口的高溫高壓氣態(tài)制冷劑進(jìn)入冷凝器，完成制冷系統(tǒng)循環(huán)。系統(tǒng)配有熱氣旁通除霜閥，當(dāng)蒸發(fā)器表面結(jié)霜時(shí)，閥門打開，高溫高壓的氣體旁通到蒸發(fā)器中，融化霜層；蒸發(fā)器表面霜層融化后，閥門關(guān)閉，重復(fù)上述制冷系統(tǒng)循環(huán)。

圖3 制冷系統(tǒng)原理

電子膨脹閥在制冷循環(huán)中根據(jù)送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)內(nèi)部開度。當(dāng)電子膨脹閥調(diào)節(jié)制冷劑流量過小時(shí)，吸氣噴液中旁通節(jié)流毛細(xì)管中仍有部分液態(tài)制冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)吸氣口，保證制冷循環(huán)的通暢性。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

主要實(shí)驗(yàn)參數(shù)為箱內(nèi)干球溫度和相對濕度，使用溫濕度傳感器進(jìn)行采集檢測，儀器溫度測量范圍為-40～80 ℃，精度為±0.2 ℃，相對濕度測量范圍為0～100%，精度為±1.7%。其余實(shí)驗(yàn)參數(shù)為由壓力傳感器采集的壓縮機(jī)排氣與吸氣壓力和由T 型熱電偶采集的壓縮機(jī)吸氣與排氣溫度。以上所有數(shù)據(jù)由是德（Keysight）數(shù)據(jù)采集儀34972A 進(jìn)行30 s/次的數(shù)據(jù)輸出記錄得到。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 穩(wěn)定控制精度

實(shí)驗(yàn)臺(tái)環(huán)境干球溫度為30 ℃，相對濕度為60%，共12 個(gè)目標(biāo)工況點(diǎn)，記錄在表1 與表2 中。由表1和表2 可知，在相近工況下，在恒溫恒濕箱中，以電子膨脹閥作為節(jié)流裝置比毛細(xì)管的溫濕度控制精度明顯更高，改進(jìn)前毛細(xì)管作為主要節(jié)流部件，到達(dá)穩(wěn)定工況后，箱內(nèi)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度偏差值≤2.0 ℃，溫度不均勻度在±2.0 ℃以內(nèi)，溫度波動(dòng)度±2.0 ℃以內(nèi)；電子膨脹閥代替毛細(xì)管后，箱內(nèi)實(shí)際溫度與設(shè)定溫度偏差值≤1.0 ℃，溫度均勻度在±1.0 ℃以內(nèi)，溫度波動(dòng)度在±1.0 ℃以內(nèi)。

表1 毛細(xì)管作為節(jié)流裝置的恒溫恒濕箱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[2]

表2 電子膨脹閥作為節(jié)流裝置的恒溫恒濕箱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在濕度精度方面，改進(jìn)前，箱內(nèi)實(shí)際濕度與設(shè)定濕度偏≤15%，濕度不均勻度在±10%以內(nèi)，濕度波動(dòng)度在±15%以內(nèi)；改進(jìn)后，箱內(nèi)實(shí)際濕度與設(shè)定濕度偏差值≤10%，濕度均勻度在±5%以內(nèi)，濕度波動(dòng)度在±10%以內(nèi)。

綜上所述，改進(jìn)后的恒溫恒濕箱能夠保持更高的溫濕度精度。這是因?yàn)殡娮优蛎涢y具有流量調(diào)節(jié)范圍寬、響應(yīng)速度快和控制精度高的優(yōu)點(diǎn)。在系統(tǒng)運(yùn)行到達(dá)目標(biāo)工況點(diǎn)后，電子膨脹閥已經(jīng)調(diào)節(jié)至合適于當(dāng)下工況的最優(yōu)開度，穩(wěn)定工況后，箱內(nèi)溫濕度會(huì)維持更高的精度。

3.2 溫濕度穩(wěn)定時(shí)間

由表1 和表2 分析可知，在相同工況下，相比于毛細(xì)管，以電子膨脹閥作為節(jié)流裝置的制冷系統(tǒng)到達(dá)目標(biāo)工況所用時(shí)間均大于或等于毛細(xì)管系統(tǒng)。可能的原因在于，溫濕度精度提高后，從同一環(huán)境工況下到達(dá)更高精度的穩(wěn)定工況，穩(wěn)定后的溫濕度可變范圍小于低精度穩(wěn)定工況，所以捕獲第一次穩(wěn)定點(diǎn)所需時(shí)間會(huì)略大于低精度的穩(wěn)定點(diǎn)。

傳統(tǒng)電子膨脹閥控制算法具有不確定性。本實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)電子膨脹閥均采用傳統(tǒng)式增量PID 控制調(diào)節(jié)[16]。在PID 的調(diào)節(jié)選取參數(shù)中，采樣周期過小、調(diào)節(jié)過于頻繁會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，采樣周期過長則會(huì)影響控制精度。對于非線性，有時(shí)滯性的制冷系統(tǒng)，傳統(tǒng)式增量PID 存在過度時(shí)間長以及參數(shù)無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的問題[17]。所以，電子膨脹閥的自身調(diào)節(jié)系統(tǒng)需要進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。

下一步實(shí)驗(yàn)將根據(jù)恒溫恒濕箱的產(chǎn)品特性（高精度溫濕度）進(jìn)行電子膨脹閥控制算法優(yōu)化，因此初始以送風(fēng)溫度調(diào)節(jié)電子膨脹閥內(nèi)部開度。因未采用過熱度調(diào)節(jié)電子膨脹閥開度，根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)測得制冷循環(huán)中過熱度過大，因此壓縮機(jī)吸排氣溫度升高，制冷量減少。將來實(shí)驗(yàn)中考慮將過熱度作為第二開度調(diào)節(jié)判據(jù)點(diǎn)并對過熱度控制器進(jìn)行優(yōu)化[18]。

表2 中吸排氣壓力小于表1。因電子膨脹閥未采用過熱度作為調(diào)節(jié)條件，所以流量調(diào)節(jié)有所不當(dāng)，壓縮機(jī)吸氣排氣壓力過低。實(shí)驗(yàn)證明，同一空調(diào)系統(tǒng)的非絕熱節(jié)流裝置中的電子膨脹閥和毛細(xì)管有對應(yīng)的等效關(guān)系[19]。因此在同一工況下手動(dòng)對電子膨脹閥進(jìn)行開度調(diào)節(jié)，配合步進(jìn)電機(jī)特性以找到特定工況下的最優(yōu)開度，并找到不同工況下的最優(yōu)開度[20]。在制冷系統(tǒng)初始工作時(shí)，電子膨脹閥減少反應(yīng)周期，直接匹配到相近的最優(yōu)開度。

3.3 系統(tǒng)邏輯改進(jìn)

表2 中工況設(shè)置溫度為45 ℃時(shí)，制冷壓縮機(jī)仍在工作，這是由于整個(gè)系統(tǒng)邏輯控制存在問題，控制邏輯默認(rèn)3 個(gè)系統(tǒng)在任何工況下均可運(yùn)行，造成熱時(shí)補(bǔ)償和資源浪費(fèi)。在將來的實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)一步改進(jìn)邏輯控制系統(tǒng)，避免在設(shè)置箱內(nèi)高溫高濕工況時(shí)開啟制冷系統(tǒng)的情況。

4 結(jié)論

本文研究了電子膨脹閥在恒溫恒濕箱中替代毛細(xì)管的可行性與優(yōu)勢性，在12 組變目標(biāo)工況下進(jìn)行了毛細(xì)管與電子膨脹閥在恒溫恒濕箱中作為節(jié)流裝置的對比實(shí)驗(yàn)，分析了對比實(shí)驗(yàn)中箱內(nèi)溫度、濕度精度和溫濕度穩(wěn)定時(shí)間數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論：

1）改進(jìn)后的恒溫恒濕箱能有效提升溫濕度精度；在普通目標(biāo)工況下，溫度精度大約可提升0.5 ℃，濕度精度大約可提升2%～10%；在極端目標(biāo)工況（低溫高濕或高溫低濕）下溫度精度有較明顯的提升，溫度精度可由±2.0 ℃提升至±1.0 ℃，濕度精度可由±15%提升至±10%；

2）溫濕度穩(wěn)定時(shí)間保持改進(jìn)前的10～40 min范圍內(nèi)，甚至某些點(diǎn)出現(xiàn)不降反升的情況，這是由于穩(wěn)定點(diǎn)精度上升后時(shí)間數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)的自然結(jié)果；同時(shí)控制系統(tǒng)邏輯的復(fù)雜程度上升，需要優(yōu)化電子膨脹閥自身的控制算法；

3）電子膨脹閥作為節(jié)流裝置，在傳統(tǒng)的PID控制邏輯中，需要針對不同的系統(tǒng)需求采用不同的控制流程，因此需要對電子膨脹閥的控制算法進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，使其在提升溫濕度精度的同時(shí)，能快速響應(yīng)機(jī)組的系統(tǒng)命令。