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节流装置是制冷系统中至关重要的部件之一,其性能直接影响到系统的能效水平和运行可靠性。本文针对目前制冷系统中广泛采用的电子膨胀阀、热力膨胀阀和毛细管三种典型节流装置,从制冷剂流量调节范围、控制方式、动态特性、负荷适应性及成本等方面进行了对比分析,总结归纳了不同节流装置的优缺点和适用场合,为制冷系统节流装置的选型设计提供参考。 制冷系统的基本功能是将低温热源(如冷库、空调房间等)的热量传递至高温环境中,从而实现制冷目的[1]。为完成上述热量传递过程,制冷系统需要经历压缩、冷凝、节流和蒸发四个基本环节。其中,节流过程将高压液态制冷剂的压力降低至蒸发压力,为后续的蒸发吸热创造条件,在循环中起到至关重要的作用[2]。作为实现节流功能的核心部件,节流装置需满足以下基本要求[3]：
(1)在系统运行工况下,能够可靠地将冷凝压力降至蒸发压力,保证蒸发器获得充分的供液;
(2)在压缩机和冷凝器工况变化时,能够灵活调节通过流量,匹配系统的冷量需求;
(3)避免制冷剂过量流入蒸发器造成压缩机液击,减少流量波动对系统稳定性的影响;
(4)结构紧凑、成本低廉、安装使用便捷。目前,在各类制冷设备中普遍采用的节流装置主要有电子膨胀阀(Electronic
Expansion Valve, EEV)、热力膨胀阀(Thermostatic Expansion
Valve, TEV)和毛细管(Capillary)三种类型[4]。它们在工作原理、调节特性等方面存在显著差异,因而在实际应用中各有所长,但也不可避免地存在一定局限性。本文将重点围绕上述三种典型节流装置展开分析比较,以期为制冷系统节流部件的选型和改进优化提供有益参考。
EEV通过改变阀芯位置来调节通流面积,进而实现对制冷剂流量的精确控制。EEV一般由阀体、阀芯、压力平衡腔、电磁线圈、弹簧、温度传感器等部件组成[5]。工作时,通过控制器输出PWM信号改变线圈通电时间,电磁力推动阀芯克服弹簧力向上运动,从而增大节流孔开度,反之则减小开度。温度传感器用于测量蒸发器出口过热度,作为反馈信号参与流量调节。EEV具有调节精度高、响应速度快、可实现复杂控制等优点[6],近年来在家用空调、商用冷柜、变频冰箱等产品中得到越来越广泛的应用。但EEV成本相对较高,阀芯与阀座间隙较小,对制冷剂洁净度要求高,且控制系统复杂,故目前在中小型制冷设备中的推广仍受限制。TEV利用蒸发器出口过热度变化引起的感温包内工质蒸气压力变化,推动阀芯改变开度,进而调节流经阀门的制冷剂流量[7]。其结构如图2所示,主要由阀体、阀芯、感温包、平衡弹簧、外平衡管等组成。工作原理为:当蒸发器出口过热度上升时,感温包吸收热量使内部工质蒸发产生压力,克服弹簧力和蒸发压力作用于阀芯上表面的合力,推动阀芯向上运动增大节流孔开度,制冷剂流量随之增加,降低了蒸发器出口过热度;反之,过热度下降时,感温包内压力降低,在弹簧力和蒸发压力作用下阀芯向下运动,节流孔缩小,制冷剂流量减少,蒸发器出口过热度随之上升[8]。TEV靠感温包温度变化实现对蒸发器出口过热度的自动调节,无需外加动力,结构简单可靠。
TEV价格适中,调节精度和响应速度均优于毛细管,在中大型制冷设备如冷库、冷藏陈列柜等得到普遍采用。但其调节滞后和失稳的现象时有发生,且感温包和外平衡管的安装增加了系统复杂度,限制了其在小型制冷产品中的应用[9]。毛细管是一种内径很小(一般0.56m)的细铜管,利用粘性阻力和局部阻力产生节流效应,被广泛用于小型制冷设备如家用冰箱、饮水机等[10]。其结构如图3所示,工作时高压液态制冷剂在毛细管内剧烈膨胀,压力迅速降低,并伴有少量汽化。经节流后的低压制冷剂进入蒸发器吸热蒸发,再由压缩机吸入继续循环。毛细管结构简单,无运动部件,制造成本低,安装方便,长期运行可靠性高。但其本身并不具备调节能力,流量大小仅取决于管长和管径参数,无法适应负荷的波动变化。此外,毛细管设计复杂,供液过程难以优化,制冷剂分配不均和蒸发器进液等问题时有发生[11]。因此,毛细管目前主要局限于小型定频压缩机系统。EEV的流量调节比(额定流量与最小流量之比)一般可达3050[12],通过改变PWM占空比,实现0100%连续可调,完全覆盖压缩机的工况范围。TEV的调节比在1.5~4之间[13],虽不及EEV灵活,但能够满足多数工况下的流量需求。毛细管流量则完全取决于管路参数,无法调节,只能按最大负荷工况选定管径和长度。当负荷降低时,流量过大会导致蒸发压力升高,能效下降。EEV采用步进电机或比例积分控制,根据蒸发器出口过热度、环境温度等参数的变化,通过改变PWM信号占空比实现流量的精确调节,控制复杂但调节质量高[12]。TEV仅靠蒸发器出口过热度变化引起的感温包压力变化自动调节阀门开度,结构简单,但调节精度和动态响应性能不及EEV[13]。毛细管完全依靠管路阻力实现节流,无任何控制信号,仅适用于定频系统。由于EEV采用高频电磁脉冲控制,响应时间仅为1~2秒,能迅速适应系统工况的波动,调节过程平稳[12]。TEV依靠感温包变形驱动阀芯运动,响应时间在10秒以上,存在一定的滞后和超调现象[13]。毛细管本身无调节作用,其节流特性只取决于管路参数,对系统工况变化的适应能力最差。EEV可实现对制冷剂流量的精确控制,流量调节比大,能适应从0到100%负荷的变化,在变频压缩机系统中应用广泛[12]。TEV虽然调节比不及EEV,但也具有一定的负荷适应能力,可满足多数应用场合的需求。当负荷变化剧烈时,会出现供液不足或过量的现象[13]。毛细管完全不具备负荷适应性,在负荷降低时供液过多会导致蒸发压力升高,能效恶化[10]。EEV由于采用步进电机或线性压缩机驱动,加之控制系统复杂,成本最高,但随着技术进步和规模化应用,价格正逐步下降[6]。TEV结构材料以黄铜为主,加工工艺成熟。(1)在一款冷冻能力为3.5kW的商用冷藏柜中,设计采用EEV作为节流装置,其型号为EX5-24B21(三星EGIS公司)[14]。实验表明,与常规TEV方案相比,采用EEV在Food1(冷藏,4℃)和Food2(冷冻,-18℃)两种工况下的制冷量分别提高了11%和9%,系统能效比(Coefficient
of Performance, COP)分别提高了12%和10%。(2)国内学者针对某型号空气源热泵热水器,设计了一款基于Arduino单片机的EEV控制系统[15],通过模糊PID算法对膨胀阀开度进行调节,并与传统TEV方案进行了对比试验。结果表明,采用EEV方案,在标准工况(环境温度20℃,水温15~55℃)下,系统平均COP比TEV方案提高了7.6%,综合能耗降低5.3%。(3)针对一款家用风冷冰箱,研究人员优化设计了毛细管管径和管长参数[16]。通过理论计算和试验测试,最终确定毛细管内径为0.8mm,长度为3.2m,在额定工况下可使系统能效比提高4.7%,冷冻能力提高5.2%,且冰箱温度波动小于2℃,运行平稳可靠。EEV凭借其精确的流量控制能力、宽广的调节范围和优异的动态响应特性,在变频压缩机系统和负荷波动较大的场合优势明显,未来有望得到更加广泛的应用,但成本和可靠性仍是制约因素;TEV自动调节能力适中,成本相对较低,在定频压缩机系统和负荷变化不太剧烈的场合仍不可或缺;毛细管虽然调节能力差,但胜在结构简单、成本低廉,在小型定频制冷设备中仍将长期存在。未来,随着制冷行业的快速发展和节能环保要求的日益提高,节流装置在提供精确可靠流量调节的同时,还需着眼于全工况优化和智能化。(1)多级流量调节。传统EEV在小开度时存在调节死区,可采用大小两级并联阀门,小阀负责微小流量调节,大阀负责宽范围调节[17]。
(2)结构一体化。将EEV与单向阀、汽液分离器等部件集成设计,减少连接管路,降低泄漏风险[18]。
(3)新型驱动方式。采用压电陶瓷、磁致伸缩材料等实现阀芯直接驱动,提高响应速度和控制精度[19]。
(4)自适应控制算法。引入人工智能和机器学习技术,使EEV根据运行工况自主调节控制参数,实现全工况能效优化[20]。
(5)在线故障诊断。通过分析阀门运行参数变化趋势,及早发现泄漏、堵塞等隐患,实现预测性维护[21]。
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