节能, 电子膨胀阀在多联大型制冷系统中的运用

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（梁彩 上海协达冷气工程有限公司     2008-9）

不可否认，氨制冷在大型冷库和工厂中的应用有其传统的优势。但越来越多的客户开始选择其他制冷系统，这是由于通常的氨系统会有如下一些情况：

1）传统的氨系统自动化控制的程度较低，系统操作和维护人工的投入较大。

2）氨本身的有毒和易爆的特性，使得在系统的安全方面需要更多的成本和关注。一旦发生危及人生和财产安全的恶性事故，是任何用户都不想看到的。

3）由于自动化控制的程度较低，系统在能量调节方面相对较弱。因此，尤其在负载变化的场合能耗控制能力较差，能耗会相应增加。

4）氨系统往往采用开启式连接，制冷剂泄漏是不可避免的。同时，氨系统需要定时排放系统中不凝性气体，因此，系统每年需大量补充液氨。

而HCFC机 组其在控制方面的优点是显而易见的。同时，由于并联机组的制冷系统可始终处于较高效率运行状态，比单机组组合使用的装机容量小，制冷效率高。集成化的机组 设计使系统更紧凑，管路和电气施工更简化，人机对话的控制界面更便于管理。系统采用电子膨胀阀，可以更好地发挥并联机组的优势，尤其在多联（回路中多蒸发 器）制冷系统中。随着现今越来越多重视能耗和冷库的运行成本问题，制冷系统的能耗成为大家的关注点。高能效比的制冷系统的呼声越来越高。同样，xx的温度 控制，宽广的操作范围，以及远程控制和故障诊断等智能化控制管理功能也成为现今冷库的趋势，电子膨胀阀和并联机组的组合可以较好的实现这些要求。

目前，在一些HCFC制冷剂的大型冷库的设计中，制冷机组采用并联制冷机组不少。其优点是系统根据系统中各传感器由专业的机组控制器（或由PLC控制）来调节压缩机的开机台数和进行冷凝控制，以匹配不断变化中的冷量需求和环境因素,使机组始终保持在高效、合理的运行状态,从而达到{zd0}限度节能的目的。

通常使用的外平衡热力膨胀阀的工作机理是力的平衡。弹性金属膜片上部受来自感温包内工质的压力的作用，下面为蒸发器出口压力与弹簧的力。感温包内工质的压力变化使得膜片向上或向下,从 而使阀孔关小或开大，来调节蒸发器的供液量。当进入蒸发器的液量小于蒸发器热负荷的需要时，则蒸发器出口的过热度增大，膜片上方的压力大于下方的压力，这 样就迫使膜片向下凸起，通过顶杆压缩弹簧，并将阀针顶开，使阀开大，供液量增大。反之，则出口过热度减小，感温包中的压力降低，膜片上方的作用力小于下方 的作用力，膜片向上运动，顶杆上移使得阀开启孔变小，蒸发器的供液量也就随之减少。简而言之，外平衡热力膨胀阀的开启大小取决于感温包内工质的压力，所以 选择的热力膨胀阀必须与所使用的制冷剂相吻合。

热力膨胀阀的过热度由开启过热度和有效过热度组成，其中开启过热度与弹簧的预紧力有关，有效过热度与弹簧的强度及阀针的行程有关。膨胀阀的弹簧是按标准工况设计的，在标准工况下，机组满负荷或变负荷运行均可维持较高的COP值。 但在压差大的工况下，蒸发压力降低，蒸发器需求的液量减少，但有时实际情况是，在吸气过热度不变的情况下，由于蒸发压力降低，蒸发器出口压力相应降低，膜 片上下的压差变大，使主阀开度增大，供液量增加；压差小的工况下，蒸发压力上升，蒸发器负荷需求的液量要求增多。而实际情况是，在吸气过热度不变的情况 下，由于蒸发压力上升，蒸发器出口压力相应提高，膜片上下的压差变小，阀的开度减小，供液量减少；在负荷变化较大的情况下亦然。

电子膨胀阀由阀件、压力、温度传感器和控制板组成。将 蒸发器出口测得的压力以及温度传感器测得的吸气过热度经控制板处理后，输出控制指令给电子膨胀阀的步进电机，把阀开到所需的位置来保持蒸发器需要的供液 量。它根据蒸发器出口压力变化、吸气过热度变化实时输出驱动变量驱动电子膨胀阀的步进电机，使阀的开度无限逼近蒸发器所需的供液量，使得蒸发器的供液量能 与实时蒸发负荷匹配，即可通过控制板进行人为设定，有效地控制过热度，可使得过热度始终控制在接近最小稳定过热度的临界状态。电子膨胀阀EEV的控制可使管内有效面积“增加”，所以实际的传热系数也增加，蒸发器的换热效率提高。简单地说，电子膨胀阀是由测得的压力和温度传感器测得的吸气过热度来控制的。所以通过参数和控制逻辑的人为设定，它又可以适合不同的制冷剂。

有实验表明，分别用电子膨胀阀EEV和热力膨胀阀TEV对同一个约50㎡ 的实验冷库进行冷却速度的测定，实验冷库内布置有模拟热负荷。从5℃到-24℃，采用电子膨胀阀的冷却速度缩短约35%（热力膨胀阀TEV的时间约为90分钟；电子膨胀阀EEV的时间为58分钟），下图是这个实验的示意图：

电子膨胀阀EEV和热力膨胀阀TEV对比实验的示意图

从沿着布置在蒸发盘管上的温度测定点所测得的数据可以明显看到，电子膨胀阀出现过热度的位置更靠近蒸发器的出口（冷却过程中热力膨胀阀TEV平均过热度约19.5℃，电子膨胀阀的平均过热度为9～10℃），由此可见，电子膨胀阀EEV的控制可使管内有效面积“增加”，所以实际的传热系数也增加，蒸发器的换热效率提高。另外，电子膨胀阀从全闭到全开仅需几秒钟，反应和动作速度快，开闭特性可人为设定，电子膨胀阀可在10%--{bfb}的范围内进行xx调节，调节范围可根据不同要求的特性进行设定，使得蒸发器即使在变工况、变负荷运行维持较高的COP值水平。

另外，低过热度运行使得压缩机吸气温度也降低了，吸入气体比容变小，排气温度也低了。我们知道，较低冷凝温度对系统的效率提高节能是十分有利的。通常来讲，冷凝温度降低1K可以节能2%。

因此，电子膨胀阀配合具有冷凝压力调节控制的并联机组一起使用对系统节能是十分有利的，同时它又可具备在冬季严寒的条件保证机组正常运行的功能。遗憾的是，目前国内的一些机组生产厂商（包括外资企业）往往“忽略”这点。

当冷库温度达到-24℃后进入稳定状态，启动电加热模拟负载，制冷连续运行反复多次进行对比试验。当冷库回复到-24℃测得采用电子膨胀阀的冷却速度时间约为18分钟，热力膨胀阀TEV的时间为27分钟，电子膨胀阀的冷却速度时间缩短约33.5%。而耗电来看, 制冷连续运行达到冷库的设定温度，电子膨胀阀制冷组的运行功率比热力膨胀阀高7.8%（这和测得的两者过热度是吻合的，其中电子膨胀阀运行的过热度为6.8，热力膨胀阀运行的过热度为10），然而，折合冷却时间，实际能耗节能约29%。

目前，大型的HCFC制冷系统（包括大型冷库、超市制冷系统）使用并联机组已经相当普遍，也包括螺杆并联机组。而系统采用电子膨胀阀的却少之又少。

下图是两个系统采用电子膨胀阀的工程实例。其中一个是个螺杆并联和电子膨胀阀组合使用的冷链物流冷库。冷库面积㎡，其中低温库3420㎡（-20℃），冷藏库360㎡（0-3℃），月台卸货区540㎡（7-10℃），库内高度9m。